75th循环流化床锅炉改造方案

二、国内外循环流化床锅炉发展概况循环流化床锅炉是在常规流化床锅炉的基础上加上飞灰循环燃烧而发展起来的。因此要了解什么是循环流化床锅炉必须先了解什么是流化床锅炉，从固体粒子流态化过程来看，从固定床（煤粒在炉蓖上静止不动，即层燃炉）开始，随着风量的增加，即空筒流速（通常叫表观流速或流化速度）的增加→细粒在煤层表面流化，是为细粒流态化→炉蓖上开始产生气包，是称鼓泡流态化（即常规流化床，又名鼓泡流化床或沸腾床，此时的沸腾床有明显的上界面）→湍流流态化（湍流流化床，此时气泡变细狭窄状，波动振幅增大，上界面已不甚清晰）→快速流态化（高速流化床，此时的流化床内已无气泡，也无上界面，颗粒聚合成絮团状粒子束，粒子束不断形成与解体，形成强烈的固体返混，此时煤粒与气流的相对速度达最大，因此大大强化了燃烧与传热）→气力输送（即煤粉燃烧，此时煤粉与气流间的相对速度近于零，即已无相对速度）。经典的循环流化床锅炉的炉内流态化工况应为高速流化床工况，故严格而言，循环流化床锅炉不仅是在炉膛出口处加一个分离器收集部分飞灰返回炉膛燃烧而已，而是其炉内流态化工况应属于高速流化床工况，但实际存在的循环流化床其下部浓相区为鼓泡流化床或湍流床，上部稀相区为高速流化床。但国内有相当数量的流化床锅炉仅是在鼓泡流化床炉膛出口加一个分离器收集部分飞灰返回炉膛燃烧（即其上部稀相区未达高速流化床工况），现也称为循环床。循环流化床锅炉的优缺点优点：①燃料适应性广——几乎可燃用各种优、劣质燃料。如优、劣质烟煤（包括高硫煤），无烟煤，泥煤，煤泥，矸石，炉渣，油焦，焦炭，生活垃圾，生物质废料等等。②燃烧效率高——对无烟煤可达97％，对其他煤可达98～99.5％，可与煤粉燃烧相竞争。③环保性能好a）炉内可直接加石灰石脱硫，成本低，脱硫效率高，当Ca/S比为1.5～2.5时，脱硫效率可达85％～90％，石灰石循环利用，其利用率比常规流化床提高近一倍。b）分段送风，低温燃烧，NOx排放量低(～120ppm)，即为煤粉炉排放量的1/3～1/4。④燃烧强度高，床面积小，给煤点少，利于大型化。⑤负荷调节范围大（110～25％），调节速度可快，利于调峰。也可压火。⑥燃料仅需破碎到10mm以下，无需磨煤制粉系统。⑦灰渣可综合利用，减少环境污染。因其低温燃烧，灰渣可保持活性，可制作水泥，提炼稀有金属（硒、锗）等。缺点：高循环倍率流化床锅炉的炉膛高大，初投资大；分离循环系统复杂，自身电耗大；循环灰浓度大，受热面磨损大等。我国在上世纪80年代初开始研究开发循环流化床燃烧技术，与西方国家不同，原我国发展循环流化床锅炉的主要目的是解决劣质煤的应用问题。近年来，我国环保要求日益严格，再加上煤价上涨，煤质变化大，大量中、小型（130t/h以下）层燃炉与煤粉炉要求进行技术改造等原因，大大地促进了循环流化床锅炉技术的发展。循环流化床锅炉已成为目前工业锅炉、中、小型热电厂及大型电站的优选技术之一。上世纪80年代以来，我国循环流化床锅炉数量和单台容量逐渐增加，几乎D级以上的锅炉厂无一不在生产循环流化床锅炉。容量从4、6、8、10、12、15、20、25、30、35、50、65、75、90、130、220、400、410到670吨/时。据不完全统计，现有2000余台35～670吨/时循环流化床锅炉在运行、安装、制造或订货。平均单台炉容量从37.40吨/时上升到106.80吨/时，蒸汽参数从低压、次中压、中压、高压到超高压。有关研究机关和高校正在研制、开发超临界参数的600～800MW的循环流化床锅炉，来满足我国大型电站的迫切需求。已投入运行的循环流化床锅炉已2000余台，其中大于410吨/时的100余台，无论总容量或台数均已超过了除我国大陆以外的全世界循环流化床锅炉的总和。但是，目前的循环流化床锅炉派系林立，种类繁多，热效率参差不齐，高的达到88％—90％，低的不到65％，飞灰含碳量高的40％以上，低的不到5％，稳定运行周期不确定，有的能连续运行3000小时以上，有的不到200小时，送风机的电耗，高的达到12kWH/吨汽，低的不足6kWH/吨汽，有的厂家新上或改造为循环流化床锅炉后，给企业带到了巨大的经济效益，有的企业新上或改造循环流化床锅炉后带来了灾难性的损失，分析原因，主要有以下几个方面：1、热效率问题提高循环流化床锅炉热效率必须满足三大基本条件：一是有足够的有效容积，二是分离效率，三是分离返料温度。（1）有效容积布风板小孔中心线至炉膛出口中心线的容积为炉膛容积，炉膛容积与烟气在炉膛内的停留时间有一定的关系，如果1吨蒸汽炉膛容积为1m3，则对应的烟气停留时间约为0.7s。对于烟煤来说，850℃以上的炉膛容积为有效容积，对于无烟煤来说，930℃以上的容积为有效容积。要想提高锅炉效率，对于烟煤来说，有效容积要大于5.5m3/吨汽以上，对于无烟煤来说，有效容积要大于6m3/吨汽以上。各类型的循环流化床锅炉，烟气在炉内的停留时间不一样，有的不到2秒，有的5秒以上，换句话说，炉内的有效容积（即燃用烟煤850℃以上的容积，燃用无烟煤930℃以上的容积）有的不足3m3/吨汽，有的高达5.5m3/吨汽以上，虽然有的容积高达5m3/吨汽以上，但炉内温度偏低，有效容积太小，有部分锅炉的过热器为屏式的，占用了大部分容积，且炉膛温度过高，导致过热蒸汽温度超温，为保证过热器温度，不得不牺牲炉膛有效容积。另外，由于小于0.1mm的煤粒，相当部分分离器无法捕捉下来，只有靠一次性在炉内燃烬，而炉膛有效容积太小，细灰在炉内难以燃烬，导致热效率低，飞灰含碳量高。炉膛有效容积除设计原因外，燃用煤种也可以导致有效容积的变化，当1mm的煤粒增多时，悬浮段温度过高，密相区的温度偏低，当1mm的煤粒过少时，悬浮段温度偏低，也导致炉膛有效容积减少。对于高速床而言，炉内温度主要靠循环量来调节，因此，煤的颗粒变化对高速床影响较小，对低速床影响较大。（2）分离器的位置及分离效率高温分离器分离下来的飞灰直接进入炉膛，易着火燃烬，但高温分离器材质要求高，中温分离器材质易解决，但对燃烬不利。分离器的效率也直接影响了热效率。分离器的效率高，但阻力大，电耗高。如何平衡考虑，也是循环流化床的一个设计问题。惯性分离器如平面流、百叶窗、槽型分离器，结构简单阻力小，但一般来说分离效率不到40%，离心分离器如旋风上排气，旋风下排气，旋风多管分离器结构复杂，阻力大，一般为800—1000Pa，但分离效率都在95%以上。（3）飞灰燃烬碳的燃烬必须具备三个条件：充分的氧进行反应、温度和停留时间。虽然有了足够的有效容积，延长了停留时间，有相应的温度，但在飞灰燃烬过程中，由于碳粒子周围形成了一定的灰壳，外面的氧很难与碳粒子接触发生反应，同样使得难以燃烬，因此，在有效容积的范围内，必须有气流扰动，打破其灰壳，才能使得碳与氧发生良好的反应，如具有旋风高温分离的流化床，由于气流的旋转，切向运动切割，打破了灰壳，碳粒子能很好的与氧接触发生反应，所以飞灰含碳量低。在有效容积范围内，没有气流扰动的，尽管有足够的温度与时间，飞灰含碳量也难以下降到极限。2、负荷问题低速床的埋管受热量的吸热量占了整个蒸发吸热量的40%，所以，带埋管的低速床只要各参数如炉膛各截面的温度达到设计要求，负荷一般都能保证，并具有一定的超负荷能力。对于高速床而言，由于整个蒸发受热面，主要靠炉内辐射，它的传热系数一是靠炉内的温度，二是靠飞灰的浓度，温度高，传热系数大，负荷高。如果燃用低热值的燃料（发热量在2000大卡/公斤以下）时，为了维持高温，必须覆盖一部分受热面。这样，虽然提高了传热系数，但减少受热面，炉膛必须有相当大的空间，否则难以达到满负荷。现也有人在炉膛出口增设对流管，来增加受热面，达到满负荷的目的，这也是一个可取的办法。另一方面，如果煤的灰分在20%以下时，发热量高，但由于灰量少，循环量少，也直接影响了传热系数，使之负荷下降。3、磨损问题高速床虽然没有严格的稀相区与密相区之分，但下面颗粒粗、飞灰浓度大、流化速度高、循环倍率高，磨损严重。低速床有明显的稀相区与密相区之分，密相区的磨损比稀相区严重。总的来说，高速床磨损比低速床明显严重。高速床没有埋管，不存在埋管磨损，但水冷壁管磨损严重。低速床有埋管，但只要控制好穿过埋管的烟气流速，并采取有效的防磨措施，就可以保证其寿命达到4年以上。过热器、省煤器主要靠合理选择烟气流速，如烟气流速选择适当，过热器寿命可大于10年，省煤器寿命可大于5年。分离器在过热器之前，过热器磨损较轻，否则，磨损加剧。另一方面，要特别注意烟气偏流问题，即使烟气流速选择合适，但由于烟气偏流，造成局部流速过高，也同样会影响过热器、省煤器的寿命。三、改造目的1、原锅炉存在的问题（1）锅炉出力严重不足，锅炉实际最大出力只有50—55T/H，只相当于一台50T/H的循环流化床锅炉，达不到额定负荷，影响生产。（2）主蒸汽温度达不到额定温度。（3）水冷壁管磨损严重，经常爆管，严重影响锅炉的安全稳定运行。（4）过热器磨损严重，寿命较短，需要经常采取喷涂防磨。（5）省煤器磨损严重，寿命较短，需要经常采取喷涂防磨。（6）飞灰含碳量较高，锅炉热效率较低，影响锅炉运行的经济性。2、原因分析（1）原75T/H循环流化床锅炉××锅炉厂上世纪九十年代设计制造的锅炉产品，采用的是高速床、百叶窗高温分离器加低温旋风分离器两级分离两级回送的技术路线，是循环流化床锅炉发展早期的技术，现在已经属于落后淘汰技术。（2）百叶窗高温分离器的分离效率较低，一般不到40%，只能对循环灰中部分粒径大于500μm粗颗粒进行分离，小于500μm的细颗粒只能通过布置于省煤器后的旋风分离器进行分离，这样过热器、省煤器就处于灰循环回路中，灰浓度较高，过热器省煤器磨损严重，如旋风分离器分离效率越高，循环倍率越大，则过热器、省煤器磨损越严重。如过热器、省煤器处烟气流速选取不当，烟气流速过高，以及可能产生烟气偏流的影响，会进一步加重过热器的磨损。（3）按炉膛平均温度900℃计算，原锅炉有效容积仅为4.8m3，即烟气停留时间不足3.4秒，没有足够的燃烧时间及空间，使燃煤中分离器不能分离的颗粒在通过炉膛时不能一次性燃烧完全，造成飞灰含碳量较高，锅炉热效率下降，锅炉运行经济性较差。（4）由于高温百叶窗分离器分离效率较低，因此分离器系统性能主要靠布置于低温区的旋风分离器来承担。低温分离返料温度不足300℃，返回炉膛后需重新加热到至少800℃后才能重新燃烧，使循环灰在炉膛内的有效燃烧时间缩短，大大影响了返料灰的循环燃烧效果，难于燃烧完全，造成飞灰含碳量较高。（5）由于原锅炉设计给水温度为150℃，而实际运行给水温度为104℃，造成省煤器受热面积匹配不合适，相对较少，影响锅炉出力。（6）实际运行煤种与设计煤种偏离较大或粒度严重偏离设计粒度也会影响锅炉运行参数偏离设计值。3、本次改造的目的本次改造的目的是增加锅炉出力至75T/H，并有不低于10%的超负荷能力，改变原设计煤种为现有运行煤种，提高锅炉热效率，降低运行煤耗，减轻锅炉的磨损，延长锅炉的使用寿命，从而实现锅炉的长期、高效、稳定、低磨损运行，达到节能减排，科学发展的目的。四、本次改造的技术方案本次锅炉改造本着长期、稳定、高效、低磨损的原则，采用高低混合流速循环流化床锅炉专利技术，内置高温水冷分离器，单级分离单级返料。最大限度充分利用锅炉原有汽包、构架，保持锅炉原有高度、宽度、深度方向外形尺寸不变。1、本方案技术特点采用高低混合流速循环流化床锅炉专利技术，专利号：02223608.2。（1）采用高、低混合流速循环流化床燃烧方式，锅炉的有效容积大，燃烧完全，热效率高，磨损轻锅炉采用高低混合流速循环流化床结构设计，使锅炉900℃以上的有效容积达435m3，平均吨汽有效容积达5.8m3，烟气停留时间达4.1s，使分离器不能分离的粒径小于80μm的细煤粉颗粒通过炉膛一次性燃烧完全，飞灰含碳量低，热效率高，热效率可达90%以上。锅炉上部为高流速，烟气流速为4m/s,携带能力强，分离效率高；下部为低速床，烟气流速为3.5m/s。由于炉膛内的灰浓度