第六章公用工程及辅助生产设施

167循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计张临峰中国石化集团兰州设计院[内容摘要]本文以刘化热电厂4#锅炉扩建为例，阐述了循环流化床锅炉的原理、结构及其特点与应用，并着重就烟风系统的工程设计提出了一些看法和见解。[关键词]循环流化床锅炉原理应用烟风系统设计一．前言循环流化床锅炉在国外是二十世纪六十年代研制成功投入运行的，目前大型循环流化床锅炉在电站的运行越来越普遍。国内从二十世纪八十年代开始研制循环流化床锅炉，虽然起步相对于国外较晚，但进步很快。许多科研单位和大专院校研究和发展了各具特色的循环流化床锅炉，并且从试验室走向了工业应用。目前，30t/h～130t/h循环流化床锅炉的设计、制造、运行技术已经比较成熟，而且正朝着更大容量和更高参数的方向发展。许多建设单位把循环流化床锅炉作为新建锅炉房的首选炉型。刘家峡化工总厂是一个原产10万吨/年合成氨、16万吨/年尿素的中型化工企业。1997年通过技术改造将生产能力提高到15万吨/年合成氨、25万吨/年尿素。化肥生产规模增大后，经全厂热平衡，蒸汽有较大的缺口，为保证工艺生产装置的长期、安全、平稳的运行，根据国家有关热电联产的能源政策，刘家峡化工总厂决定在原热电厂（3台35t/h次高压链条锅炉和1台6000KV背压汽轮发电机组）内扩建1台75t/h的次高压蒸汽锅炉和1台12000KW汽轮发电机组。经各方面比较后，最终确定选用无锡锅炉厂生产的型号为UG-75/5.3-M次高压循环流化床锅炉1台和武汉汽轮机厂生产的型号为C12-4.9/1.37的12000KW抽汽凝汽式汽轮发电机组1台。锅炉扩建投产后，生产运行平稳，各项指标均达到了设计的预期要求，为刘家峡化工总厂工艺装置的扩能改造提供了稳定的热能保证。该项目的设计工作由我院完成，作为我院设计的第一台次高压循环流化床锅炉项目，有许多需要认识和值得总结的方面。本人参加了该锅炉扩建的烟风系统设计及设计代表工作，下面是本人通过该工程设计后对循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计的一些认识。168二．循环流化床锅炉的原理循环流化床燃烧是近四十年来发展起来的新型燃烧技术，是对传统层燃炉燃烧和煤粉炉燃烧的一个重大革新。利用这种燃烧技术的循环流化床锅炉，其燃烧特性介于层燃炉和煤粉炉之间，它既不象煤粉炉那样要把燃煤磨成细粉吹进炉膛呈悬浮态下燃烧，也不象层燃炉那样把燃煤铺在炉排上燃烧，而是把燃煤破碎成小颗粒（一般≤12mm，随锅炉制造厂家的不同而略有不同），送进床层中呈流化态燃烧，床层中积存有大量呈炽热状态的惰性物料（如灰份、砂粒等），在鼓风压头的作用下呈流化状态，加入的燃料只占床料的很少一部分，床层温度保持在固定碳的着火温度和灰渣开始变形温度之间，一般为850℃～950℃之间。由于床料提供了大量的热量，燃料的着火条件好，气固混合均匀，床中热质交换强烈。燃烬后的灰渣从炉膛底部排渣口排出，烟气中携带的未燃尽的飞灰通过炉膛后部设置的飞灰分离器，被分离出来，经返料器送入炉膛内循环燃烧，这样使得飞灰含碳量大为降低，提高了锅炉的燃烧效率。通过向燃料或炉内添加脱硫剂（如石灰石、粒径≤2mm）的方式能脱除燃煤中85%以上的硫份，降低了锅炉尾部烟道的腐蚀，减少建设地区的二氧化硫的排放量，减轻了烟气对大气环境的污染。三．循环流化床锅炉及其分离器的类型和结构特点1.分离器的类型和结构特点循环流化床锅炉物料循环量的大小受燃烧粒度、燃烧成灰特性、燃烧室的风速、排灰系统的设置、分离器的分级分离效率、物料回送系统的性能、床料层厚度等诸多因素影响，同时也受回灰温度的制约。而其中分离器的分级分离效率是首要因素。因此分离器是循环流化床锅炉的至关重要的部件，锅炉结构与其有着直接的关系。其有以下四种主要类型。（1）高温热旋风筒分离器（见图1）国内以济南锅炉厂为代表，国外以德国的Lurgi公司和芬兰的Ahlstrom公司为代表。其入口烟温在850℃左右，优点是技术成熟，锅炉燃烧效率高；缺点是体积庞大，密封和膨胀系统复杂、内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、耐火材料用量大、费用高、启动时间长、运行中易出现故障。在燃用可燃性较强的煤种时，旋风筒内温度可能比炉膛温度更高，易引起旋风筒内超温而结焦等。这样就使得分离器内防磨材料磨损及启动热膨胀问题不易解决，分离器前后膨胀节是长期运行的隐患，分离器内运行结焦不易控制。（2）中、低温热旋风筒分离器以德国Babcock公司为代表，分离器入口烟温在450～550℃，可使旋风筒尺寸减小、内衬减薄，解决高温旋风筒分离器的一系列问题，但因炉膛采用塔式布置，炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，为减少磨损，设计烟速较低，而炉膛下部169又全部涂敷卫燃带，因而比其它炉型高、重许多。另外循环灰温度低，循环灰浓度低，使得燃烧效率比较低。炉膛上部过热器和高温省煤器磨损问题需采用国外的专利技术来解决，国内无法满足。（3）水（汽）冷旋风筒分离器（见图2）国内以东方锅炉厂为代表，国外以美国FosterWheeler公司为代表。水（汽）冷旋风筒分离器可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，并较好地解决了旋风筒防磨问题。但是该旋风筒制造工艺复杂、生产成本高、维修不方便；不能取消分离器入口、出口的膨胀节，给运行带来隐患。（4）异型（方型）水冷分离器（见图3）国内以四川锅炉厂为代表，国外以芬兰的Ahlstrom公司为代表。该分离器是四周用膜式水冷壁组成方形分离器，但烟气入口段用水冷壁管弯制成圆弧形加速段，是一种非方非圆的结构。其解决了水（汽）冷旋风筒分离器制造成本高的问题，保留了高温水（汽）冷旋风筒分离器的所有优点，还取消了分离器入口、出口的膨胀节，彻底解决了膨胀、密封及分离器内结焦问题。缺点是燃用低灰份煤时，回灰温度低，锅炉燃烧效率下降。以上四种分离器是目前循环流化床锅炉发展的主流，从技术先进性来看，异型（方型）水冷分离器技术具有明显的优势。在国内，四川锅炉厂、无锡锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等都向中国专利拥有者－清华大学购买了该技术。使用此四种分离器技术的循环流化床锅炉比较见表1。图1图2图32．国内循环流化床锅炉的结构型式和特点以75t/h次高压锅炉为例，国内循环流化床锅炉基本上可分为三种结构型式，如图4、5、6所示。170表1循环流化床分离器技术比较表分离器类型z项目高温热旋风筒分离器中、低温热旋风筒分离器冷却圆旋风筒分离器异型水冷分离器点火方式耗有油高、起动慢耗油较省、起动较快耗油省、起动快耗油很省、起动很快分离器分离效果好分离效果好分离效果好分离效果较好防磨不好、成本高防磨较好、成本较低防磨好、成本低防磨好、成本低整体性分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好分离器前后有膨胀节，密封、膨胀性不好分离器与炉膛、尾部烟道成为一个整体，膨胀、密封性好防磨材料耗量多、成本高炉膛内均有内衬，耗量多、成本高耗量少、成本低耗量少、成本低回料系统复杂简单复杂简单尾部烟道烟气速度高、有磨损烟气速度低、无磨损烟气速度高、有磨损烟气速度低、无磨损风系统风机多、系统复杂风机少、系统简单风机多、系统复杂风机少、系统简单煤种适应性烟煤和无烟煤不能通用对灰份大或成灰特性好的煤，需排循环灰煤种变化不能太大较广燃烧效率燃烧效率高中、低温分离，燃烧效率低燃烧效率高燃烧效率高，低负荷时有所下降图4图5图6171表2国内75t/h循环流化床锅炉主要技术特性制造厂家锅炉外形尺寸m主蒸汽参数给水温度℃锅炉热效率%燃料粒度mm循环倍率一、二次风比率%负荷变化范围%结构形式汽包标高柱中心距温度℃压力MPa煤石灰石%北锅28.4516.76x8.24505.2915090.330~100~210.350/5050~100图4川锅24.711.45x6.74505.3150890~130~2-50/5050~100图6无锅26.312.35x6.64505.315085~880~130~22050/5050~100图5济锅27.2214.94x8.84505.3150880~130~2-50/5050~100图4图4为第一种结构型式，它采用二级分离，二级分离器采用百叶窗加旋风筒分离器，分离效果好。图5为第二种结构型式，它借鉴了国外的成熟经验，采用两个旋风筒分离器，分离出来的大颗粒灰经返料装置返回炉膛，循环燃烧；其分离效果好，飞灰少，燃烧效率高。图6为第三种结构型式，采用一级惯性分离器和一级平面流陶瓷分离器，分离出来的未燃尽物料经回料阀送回到副床，再从副床溢流到主床燃烧。平面流分离器虽然耐用，但分离效果则不如旋风筒分离器。四．循环流化床锅炉的技术特点1．燃料适应性广：这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中，送入炉内燃料按重量计仅占床料的1～3%，其余是不可燃的惰性物料，其特殊流体动力特性，使得燃料进入炉膛后被迅速加热到着火温度。因而它可以燃烧热值较低的燃料，如油页岩、煤矸石、含碳炉渣等。2.燃烧效率高：循环流化床锅炉气、固混合良好，而且绝大部分未燃尽的燃料被分离器重新分离出来，返回炉膛循环燃烧，因而燃烧效率高，通常在97.5~99%范围内，可与煤粉炉媲美。3．制粉、给煤系统相对简单：循环流化床锅炉的给煤粒度一般要求≤12mm，与煤粉炉相比，其燃料的制备系统，不需要专门的制粉系统，省去了磨煤机等配套辅机，仅需破碎筛分就可送入炉膛燃烧。由于床内扰动强烈，故可集中给煤，使得172给煤点数大大减少。4.调节性能高：当负荷变化时只需调节给煤量、空气量和物料循环量；循环流化床负荷可以在30~100%范围内变化，负荷变化率可达每分钟5%。5.灰渣活性好，利用潜力大：由于灰渣未经高温熔融过程，保持其原有活性，且含碳量极低，可用作烧制水泥的掺合料，也可用于砖、瓦等的制作。6.运转设备少：循环流化床锅炉设有3（4）台风机及给煤机，较煤粉炉省去了复杂的制粉、送粉等系统，较链条炉省去了故障频繁的炉排部分，给设备的连续运行创造了条件。7.炉内脱硫效果好，氮氧化物排放量低：这也是循环流化床锅炉的主要优点之一。据有关资料介绍，在炉内或直接在燃料中掺入脱硫剂，如当加入石灰石，且钙硫摩尔比为1.5~2.5时，其脱硫效率达90%以上；由于采用低温燃烧和分段燃烧技术，可使燃烧产生的氮氧化物排放量比其它类型的锅炉减少30%以上。这样就能以最经济的方式解决能源供应和满足环境保护的要求，省去了昂贵的烟道气脱硫、脱硝装置，减少了占地和建设投资。五．刘化锅炉扩建选用循环流化床锅炉的意义刘化总厂附近有丰富而且价格便宜的煤炭资源，扩建工程提供的煤质资料如下：元素分析（空干基%）CadHadOadNadSadAadMad52.262.969.610.780.9628.514.92低位发热值：Qar.net=13960k/kg(3334kCal/kg)由上可知，扩建工程的煤质情况比较差，另外热电厂原链条炉使用燃煤煤质与设计煤种的变化较大，致使原有的三台对煤种适应性较差的链条炉燃烧效率降低，灰渣中含有较多的未燃烬的碳份，而循环流化床锅炉的优点之一就是能燃用劣质煤及含一定碳量的灰渣，刘化热电厂扩建工程中选用循环流化床锅炉能够很好地解决上述两个问题，并且能产生比较好的经济效益，因而是适宜、可行的。六．循环流化床锅炉烟风系统的设计循环流化床锅炉和其它形式锅炉的主要区别就在于烟风系统，辅机的差别也主要表现在烟风系统的辅机。其烟风系统的设计包括煤、渣、灰、冷、热风、烟气等系统的设计。1.刘化循环流化床锅炉烟风系统有关的辅助设备及参数一次风机G9-19No19DQ=84585m3/hP=19587Pa1台173二次风机G6-31No116DQ=56390m3/hP=9401Pa1台循环风机W7-16No10DQ=4400Nm3/hP=9200Pa1台引风机Y4-73-2No22FQ=240000m3/hP=5770Pa1台水膜除尘器Q=240000m3/h埋刮板输送机SMS16A型Q=14~16m3/h2.给煤系统的设计循环流化床锅炉由于给煤点少，因而给煤系统的设计较为简单，目前有三种入炉煤的输送方式：(1)从贮煤仓下接金属溜煤管直接进入炉