安化公司220t/h循环流化床锅炉技术改造的效果

程建军(河南省安阳化学工业集团有限公司，河南 安阳 455133)

0 引言

循环流化床锅炉的主要优点是：燃料适应性广、炉温偏度、烟气中氮氧化物含量偏低、负荷调节范围大、单位炉膛热负荷大、炉内传热能力强等[1-2]。循环硫化床锅炉引进后在工业领域得到了广泛的应用。由于我国循环流化床锅炉比其他燃煤锅炉起步晚、历史短，循环流化床锅炉的设计和运行规律还没有完全被广大设计、运行、检修技术人员全面掌握，造成新建的一些锅炉实际运行效果达不到设计要求[3-4]，在运行过程中出现了许多影响锅炉安全、稳定、长周期运行的问题，锅炉运行的经济效益也不理想。

1 循环流化床锅炉基本情况介绍

安阳化学工业集团有限责任公司的11#锅炉为唐山信德锅炉集团有限公司设计生产制造的220t/h高温高压循环流化床锅炉，锅炉结构布置为“Π”型，锅炉炉膛四周布置有膜式水冷壁管和炉膛内上部稀相区依次布置有一级蒸发器(进、出口烟温1004℃、902℃)；三级过热器(进、出口烟温902℃、820℃)、二级过热器(进、出口烟温820℃、748℃)、一级过热器(进、出口烟温748℃、622℃)；二级蒸发器(进、出口烟温622℃、548℃)及二级省煤器(进、出口烟温548℃、459℃)；炉膛出口布置二个中温旋风分离器(进、出口烟温459℃、450℃)；锅炉尾部烟道布置有一级省煤器(进、出口烟温450℃、307℃)及空气预热器(进、出口烟温307℃、140℃)等受热面。燃料为当地周边的无烟煤、发热量在4500kcal/kg左右；锅炉设计热效率为88%；设计煤耗为35.8t/h。其中一级蒸发管位于炉膛床料上方约20m位置，由两组管束组成，每组管束由两排Φ32mm×5mm材质为20G高压锅炉管制成。错列布置，横向间距90mm，纵向间距60mm。管束底部迎风面、背风面及弯头都装有防磨护瓦，沿炉膛宽度方向用定位装置固定管束，一级蒸发管向上起吊挂作用，起吊挂作用的锅炉管变径为Φ38mm×6mm，向上沿炉膛深度方向分为三排，支撑和吊挂各级过热器、二级蒸发器及高温省煤器。二级省煤器布置在炉膛上部出口位置，采用Φ38mm×6mm材质为20G的管弯成水平蛇形管，顺列双管圈布置光管式，横向间距95mm、纵向间距115mm。因为环保对“N”排放的要求，在锅炉尾部中温分离器后一级省煤器前加装了SCR脱硝系统。

2 220t/h循环流化床锅炉存在的问题

11#220t/h循环流化床锅炉目前运行情况相对稳定，但存在着以下四个重要问题，也是本次改造需要解决的问题。

(1)锅炉运行周期短。布置在炉膛上部的一级蒸发器管束变形、磨损非常严重，经常因为蒸发器管束爆管而被迫停炉，锅炉运行周期短，严重影响各生产系的稳定运行。

(2)锅炉负荷达不到设计能力。由于炉膛内一级蒸发管束变形、磨损严重，锅炉运行时的一、二次风量和给煤量无法调整到设计值；锅炉旋风分离器的分离效率低和返料器的设计不合理等造成“锅炉循环灰量”不足，引起炉膛超温，也影响锅炉负荷提。

(3)SCR脱硝系统超温。脱硝系统SCR的工作温度在320～410℃之间，在锅炉脱硝系统改造时错误地将脱硝系统放置在锅炉中温分离器和一级省煤器之间，而此处的设计工作温度为450℃，因此SCR脱硝系统布置在此处，在高负荷运行时就会发生超温现象，导致SCR脱硝系统无法正常运行。

(4)炉膛前后墙床温偏差大。锅炉正常运行时，炉膛床温前后温度相差200℃左右，为保证锅炉运行安全，只能让一部分炉温保持在低温下运行，这严重想锅炉负荷提升；同时也很容易造成锅炉局部超温，要保证锅炉安全稳定运行，必须解决炉膛床温前后温差大的问题。

3 220t/h循环流化床锅炉技术改造方案

3.1 受热面管束磨损的原因

(1)锅炉受热面管束在炉膛和烟道中受高温烟气的横向冲刷，由于高温烟气携带的飞灰颗粒有一定的硬度和动能，飞灰颗粒撞击受热面管束表面时，对金属表面形成一定冲击和切割作用导致了锅炉管的磨损。锅炉受热面管束管壁金属表面的磨损量与飞灰存在如式(1)所示的关系：

式中：T为管壁金属表面磨损量(g/m2)；C为比例常数，代表飞灰颗粒的磨损特性，与锅炉使用的煤种有关，煤中SiO2和Al2O3含量越高，C值越大，煤中Fe2O3和CaO含量越高，C值越小；η为飞灰的管壁撞击率，与飞灰浓度、飞灰颗粒直径、烟气流粘性、烟气速度以及管子直径有关，飞灰的颗粒的大小及其分布特性与煤的燃烧方式、燃烧特性、细度以及燃烧条件有关；μ为烟气中飞灰质量浓度(g/m3)；w为烟气中飞灰颗粒的流速，它比烟气速度小，计算式采用烟气速度；t为时间(s)。

从式(1)可以看出，受热面管束磨损量与烟气速度、飞灰浓度和颗粒直径、烟气流粘性以及管子直径、飞灰颗硬度、燃烧方式以及燃烧条件等多方面因素决定。

(2)烟气速度对受热面管束磨损的影响：受热面管束的磨损量与烟气速度成n(n＞3)次方关系，磨损源于飞灰颗粒具有动能，动能其速度平方成正比。磨损还与飞灰浓度(飞灰浓度与速度的一次方成正比)、飞灰颗粒撞击因子和飞灰对被磨损物体的相对速度有关。若近似认为vp(颗粒速度)≈vg(烟气速度)时，磨损量就将和烟气速度的三次方成正比。烟气速度的提高，会促使上述原因的作用加强，所以烟气速度越大，wn值也就越大。

根据以上受热面管束磨损原因的分析，我们认为降低高温、高浓度、大颗粒烟气的速度是减轻高温、高浓度、大颗粒烟气对受热面管束冲刷磨损最有效、最直接的办法；根据该循环流化床锅炉的炉膛受热面管的实际布置情况，将炉膛内的一级蒸发器管横向、纵向间距加大(将原来的横向间距90mm增加到180mm；或将纵向间距由原来的60mm加大到150mm)那么高温、高浓度、大颗粒烟气速度可以从原来7.4m/s降低到横向3.7m/s、纵向4.1m/s。

3.2 220t/h循环流化床锅炉技术改造措施

(1)一级蒸发器管束在原来炉膛悬浮段上方位置不变，管排数、错列布置不变，横向间距不变为90mm、纵向间距由原来的60mm加大到180mm；这样就使管束最大的流通间距由原来的109mm加大到200mm(管束斜向间距)以上，烟气速度可以从原来的7.4m/s降到3.9m/s；这样可以极大的减轻高温、高浓度、大颗粒烟气对一级蒸发器管束的磨损程度；同时还保留一级蒸发器管束的支撑、吊挂的功能。

(2)将一级蒸发器管束由原来的Φ32mm×5mm G20管改Φ38mm×6mm，材质G20不变，这样可以将一级蒸发器管束和支撑、吊挂功能的三排管束直接对接，原来的大小头可以取消；同时可以使一级蒸发器的受热面积增加20%左右。

(3)将一级蒸发器管束的斜向上倾角由原来6°扩大至12～15°，这样可以避免低负荷时水循环动力不足造成蒸发器管束内汽水分层、局部过热、变形爆管。

(4)将一级蒸发器的防磨瓦盖板改成长194mm、宽12mm、厚8mm的防磨筋片，防磨筋片材料选用310S；由于防磨瓦板长时间在900℃以上温度中工作，极容易发生高温碳化而失去防磨功能，而防磨筋片是焊接在受热面管上，防磨筋片的工作温度和受热面管一样可以得到锅炉水的及时冷却，不会出现高温而碳化问题，防磨功能和效果不会被破坏。同时防磨筋片是和一级蒸发器管束直接焊接在一起的这样就可以使一级蒸发器受热面积增加近30%，采用防磨筋片确保一级蒸发管能够长周期运行，根据同行业的使用情况采用防磨筋片可以确保一级蒸发管使用周期在5a 以上。

(5)将一级蒸发器下集箱2根Φ159mm×15mm的进水管该成4根Φ159mm×15mm的进水管，下集箱重新进行设计制造，可以确保一级蒸发器管束在低负荷时不会发生因冷却水量不足出现过热变形的现象(下集箱原进、出水管的截面比只有0.35；理论要在0.6以上，改成4根以后就可以达0.6以上)，同时也使一级蒸发器下集箱进、出水分布均匀。

(6)将布置在炉膛最上部出口位置的二级省煤器也采用Φ38mm×6mm材质为20G的锅炉管弯成水平蛇形管的结构，顺列布置，横向间距90mm、纵向间距105mm保持不变。将光管省煤器改成膜式鳍片式省煤器使二级省煤器的受热面积增加，确保炉膛出口的烟气温度降到360℃左右，确保SCR系统的工作温度在320～410℃之间。

(7)针对分离器“循环灰量”不足的问题做了两方面改造：①改造旋风分离器结构，使其原来的“平面”螺旋进气方式改成“立体”螺旋进气方式，降低进口烟气速度(原设计烟气进口速度36m/s改造后速度为理论25m/s)使烟气向下螺旋进气，提高旋风分离器的分离效率；②将目前旋风分离器的返料器改造成标准的“U”型阀结构的返料器可以使旋风分离器分离出来的“循环灰”及时返回锅炉炉膛，解决锅炉“循环灰量”不足的问题。

(8)将分离器的细灰返料口的高度从原来的500mm提高到1000mm，同时加装细灰返料风，这样可以使低温的细灰进炉膛后均匀分散到炉膛内，缩小炉膛前后墙温差(按原来设计此处细灰温度应该是430℃左右，现在只有360℃左右)为锅炉提升负荷创造条件。

4 220t/h循环流化床锅炉技术改造后达到的效果

(1)解决锅炉炉膛内一级蒸发器管束的磨损和过热变形爆管问题，保证一级蒸发管束正常使用周期；(2)解决SCR脱硝系统工作温度超温问题，确保其工作温度控制在320～400℃范围，延长了SCR脱硝催化剂的使用寿命；(3)解决锅炉负荷不足问题，锅炉正常运行后，锅炉达到正常额定负荷220t/h；(4)提高旋风分离器的分离效率和增加旋风分离器的“循环灰量”，确保锅炉床温在900℃左右，不仅保证了锅炉运行指标的稳定，而且有效降低了锅炉烟气中的氮氧化物含量；(5)解决了锅炉炉膛前后床温温差的偏大问题，为锅炉提负荷创造了条件。

5 结语

综上所述，由于唐山信德锅炉集团有限公司设计经验不足，其为安阳化学工业集团有限责任公司生产的220t/h循环流化床锅炉问题较多，经过公司技术人员长期观察、研究、参观、学习、分析、讨论形成了整体改造技术方案，经过45d 的现场施工，改造工作顺利完成，锅炉投运后达到预期效果，锅炉负荷达到设计能力220t/h，运行周期提高120d 以上，锅炉前后墙温差缩小至100℃以内，锅炉运行更加平稳，飞灰残碳下降2%，吨蒸汽煤耗下降5kg。