掺烧工业固废150 t/h循环流化床锅炉的设计

孙美枝， 樊竹娟

（太原锅炉集团有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

随着环保要求日益严格，普遍认为，循环流化床锅炉是目前最实用和可行的高效低污染燃煤设备之一。循环流化床锅炉以其突出的环保性能，较强的煤种适应性，较广的负荷调节范围逐渐成为电站锅炉的投运方向。不仅燃煤，循环流化床锅炉在生活垃圾、工业固废及生物质等的燃烧再利用中优势更为突出。国外也早有循环流化床锅炉燃烧技术应用于垃圾焚烧。美国、日本及欧洲一些国家燃用垃圾衍生燃料RDF的循环流化床锅炉早已工业化应用。

利用循环流化床锅炉焚烧生活垃圾、工业固废、生物质不仅能进一步减少环境污染，实现垃圾的综合利用，同时能够保证尾部烟气中粉尘、氮氧化物、二氧化硫的排放量满足国家环保标准，而且与燃煤混烧能够有效抑制燃烧过程中二噁英的生成。

根据温州一用户要求，针对其所供资料进行方案设计，下面针对这家用户的具体情况以及设计的过程详尽说明。

1 锅炉基本参数

锅炉型式:高温高压循环流化床锅炉；额定蒸发量:150t/h；主蒸汽温度:540℃；主蒸汽压力:9.81 MPa；给水温度:215℃；地震烈度:6度；设计燃料:煤、污泥、造革废料按 2.00∶0.45∶1.00 掺烧。

煤质资料见表1；污泥元素分析见表2；造革元素分析见表3.

表1 煤质资料

表2 污泥元素分析

表3 造革元素分析

2 设计主要考虑问题

用户有掺烧污泥及造革废料的要求，污泥除含水率高之外还有入炉后粒径较细，而造革废料有类 似于生物质的特性，同时密度小，故此次设计与通常燃煤循环流化床锅炉相比有一定的特殊性，需注意如下问题。

2.1 腐蚀和积灰问题

掺烧的造革废料中含有碱金属，首先需考虑高温腐蚀以及碱金属沉积导致的受热面结渣和积灰。

含氯气体穿透金属表面氧化膜与内部金属直接发生反应形成金属氯化物。固态碱金属氯化物和熔融态碱金属氯化物均会引起腐蚀[1]。

灰中富含钾和钠，它们的化合物与SiO2反应，生成低熔点的共晶体。烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒（碱金属硅酸盐）接触到受热面并凝结下来，不断生长积聚。造革废料中碱金属盐在高温下挥发进入气相后，流经对流受热面时，通过气固相间的复杂的物理化学过程，在对流受热面表面发生凝结、黏附、沉降。这样造成积灰、结渣等问题。

腐蚀、积灰问题通过选取合理的烟气流速、避开高温腐蚀温度、采用合理的受热面布置形式来减少或避免[2]。

2.2 污泥及造革废料的入炉结构

造革废料较轻，有些类似于布条状，掺烧量29%，设计专门的给料口进入炉膛，给料口上方设置螺旋给料机，同时给料机选型避免造革废料缠绕堵死。给料管结构上可以通过设置环形风来提升入炉顺畅度。给料装置位于给煤装置的上部，均位于炉前。污泥据用户反应为自然风干后直接进入炉膛，污泥掺烧量13%，初步设计考虑风干后的污泥同给煤一同通过给煤管进入炉膛，如果污泥掺烧量增加，可在炉膛前部留设专门的污泥入料口。通过结构上的设计，辅机选型的配合保证掺烧物料的入炉顺畅稳定。

2.3 受热面的布置考虑

2.3.1 尾部管排

为避免高温腐蚀，尾部烟道最上级管排金属壁温不超500℃，这样受热面的布置需要特别注意。设计时将高温过热器及中温过热器置于炉膛之内，尾部烟道最上级布置工质温度较低的低温过热器，同时低温过热器上部布置一组对流管束，这样可以保证低过管排壁温低于500℃。同时尾部所有管排采用顺列排布，有效避免结渣、积灰。

2.3.2 空预器

空预器结构做特殊考虑，因为灰中的Na、K与SO3结合形成的化合物低于200℃就会结晶，而这个温度肯定会出现在空预器中。采用立管式空预器，同时采用大直径刺片管，提高烟速，具体结构能够保证管子与灰结晶物存在膨胀差，避免灰在管子上吸附堆积。同时增加了换热面积，布置结构紧凑有效。

2.3.3 炉膛内的高温过热屏及中温过热屏

设计时控制炉膛温度不高于850℃，提高循环物料量，提高炉膛上部空间灰浓度，灰对置于炉膛内屏式过热器的冲刷，能够减轻其腐蚀情况，同时过热屏可采用既耐高温又耐腐蚀的TP304材质。

2.3.4 炉膛受热面及省煤器

控制合理的流化速度，应该低于常规燃煤循环流化床锅炉的设计速度。结构上缩床比例同一二次风配比保持一致，同时考虑防磨措施，采用让管结构以及使用可塑料对易磨损部位进行包覆。为避免高温腐蚀，低过管排入口烟温较低，这样为保证尾部吸热量，需要省煤器受热面多一些，本方案设置五组顺列布置的光管省煤器。

2.4 燃烧系统的考虑

2.4.1 一、二次风比例

针对燃料特性，考虑运行时炉膛内粗细颗粒份额，选择合理的一二次风比例，让锅炉设计与实际运行状态吻合，便于锅炉运行。由于掺烧固废，炉内细颗粒份额增大，本方案采用一二次风比例为45∶55。

2.4.2 布风装置

布风装置的设计直接影响锅炉的流化，流化是循环流化床锅炉的关键。选择合理的风帽结构，布置足够的风帽个数，保证床内布风均匀，流化稳定，防止床内局部结焦，防止大渣在床内沉积。采用易更换夹套钟罩式风帽，既可保证锅炉运行时流化床的物料无流化死角，风帽数量适中，不漏渣，磨损轻，流化均匀，床内物料和空气混合充分。风帽的结构防止灰渣落入风室，避免风帽顶部结焦及风帽小孔堵塞。

2.4.3 分离器、回料系统

分离器及回料系统可谓循环流化床锅炉的心脏结构，因为除了流化，循环是循环流化床锅炉的另一个关键。采用高效绝热旋风分离器，在结构上采取具体进口下倾，中心筒偏置等优化措施，有效提升分离器效率，增加循环能力。配合高流率、低阻力的非机械型自平衡回料阀，彻底解决分离过程中的细灰二次扬析问题，保证回料顺畅稳定。让分离下来的细灰和烟气一起快速向下回到炉膛，保证上述循环物料系统具有极高的分离效率。给煤口和给料口前面内容已提及具体不再赘述。

2.5 各工况下均可实现低排

考虑污泥挥发分高，颗粒很细，运行时有益于炉膛上部物料量。但是污泥及造革废料的掺烧会引起NOx的原始生成增加。锅炉结构上采用高效的分离燃烧循环系统，努力提高旋风分离器的分离效率，保证足够的循环物料量。同时选用合理的炉膛温度800～850℃，这样有益于控制NOx的原始生成。有效控制锅炉NOx的原始生成再配合SNCR装置即可满足国家烟气超低排放标准。

关于二噁英，由于煤的掺烧量高达58%，它与工业固废混烧能够有效抑制燃烧过程中二噁英的生成。

需要值得注意的是尾部烟气中CO的控制。为有效避免腐蚀积灰问题，保证氮氧化物低排放，对炉膛温度做了一定控制，这样势必造成固废物的燃尽问题。很多国外的RDF项目通过增加绝热的尾部烟道来增加烟气流程，这样不仅结构复杂还增加成本。采用大直径单分离器配合高流率、低能耗、自平衡的回料阀，可使分离效率达到99.6%，保证100 μm以上的颗粒能够全部分离，进行多次循环，确保燃尽。同时结构上将炉膛及尾部烟道高度增加，进一步增加停留时间。通过如上措施能后有效控制烟气中CO的排放。

3 总体结构及运行时注意事项

3.1 总体结构

本锅炉为高温高压，单锅筒横置式，锅筒置于顶板上，单炉膛，自然循环，全悬吊结构，全钢架π型布置。锅炉采用半露天布置，运转层设置在8 m标高。

锅炉主要由炉膛、绝热旋风分离器、自平衡回料阀和尾部对流烟道组成[3]。炉膛采用膜式水冷壁，锅炉中部是一个大直径绝热旋风分离器，尾部竖井烟道布置蒸发管束、一级两组对流过热器，过热器下方布置五组光管省煤器及一、二次风各三组空气预热器。

炉前给料口和给煤口各布置2个，水冷床后部设置一次风室及2台点火装置，水冷床下部设置3个排渣口，同时建议配置3台冷渣器。

3.2 运行注意事项

锅炉运行过程中，煤种、负荷等因素都有可能导致床温变化，可通过调整冷渣机排渣量来控制炉内循环物料量的多少，不同位置的排渣管排出渣的粒度不同，出渣量以维持合适的风室风压为准。所以根据炉膛内燃烧状况可实现选择性排渣，以维持炉膛内合适的循环物料量，来适应锅炉煤种、负荷的变化。正常运行中，风室风压一般控制在约6.5～8.0 kPa之间。

在保证床料流化、稳定床温和维持一定料层差压的前提下，尽量降低一次风量，一次风量一般不做大的变动，运行中当总风量不足时（以过热器后的氧量为准），可逐渐增大二次风门开度。

锅炉急骤升降负荷，可能引起循环物料量的大幅度波动，床压不稳，从而造成返料异常、风室倒渣、排渣不畅等问题。因杜绝急骤升降负荷。