基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能超低排放循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)

葛星垣

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030008）

引言

循環(huán)流化床燃燒方式是一種燃盡率高、污染物初始排放低的潔凈煤燃燒技術(shù)，燃料在鍋爐內(nèi)的燃燒過程主要有以下步驟：燃料進(jìn)入爐膛達(dá)到燃燒溫度后，在一、二次風(fēng)的作用下開始燃燒并形成含有大量物料的熱煙氣；物料隨熱煙氣沿爐膛上升過程中一部分沿水冷壁貼壁回流后再次燃燒，另一部分經(jīng)爐膛出口進(jìn)入分離器；在分離器的作用下，煙氣中的物料被分離下來(lái)并經(jīng)過分離器下部的返料閥回送至爐膛內(nèi)，與新進(jìn)入的燃料一起再次燃燒，隨煙氣進(jìn)入分離器后再次被分離并回送，形成多次循環(huán)燃燒。由于爐膛內(nèi)充滿了溫度、濃度很高的循環(huán)灰物料，所以循環(huán)流化床鍋爐形成了有別于其他爐型的以輻射換熱為主的爐膛傳熱形式。鑒于此，循環(huán)流化床鍋爐爐膛不需要很高的燃燒溫度（850～880℃），卻需要建立起一定濃度的循環(huán)物料（2～2.5 kg/m3）來(lái)滿足鍋爐傳熱的要求。而這兩個(gè)因素又直接使得循環(huán)流化床鍋爐具備了燃料適應(yīng)性廣、污染物原始生成低的特點(diǎn)。在環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的今天，循環(huán)流化床鍋爐逐漸成為潔凈煤燃燒的首選設(shè)備。

但循環(huán)流化床鍋爐在發(fā)展過程中以下四個(gè)問題嚴(yán)重制約了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。一是由高風(fēng)量帶來(lái)的磨損問題；二是高風(fēng)壓帶來(lái)的廠用電率問題；三是高床溫帶來(lái)的污染物高的問題；四是在沒有循環(huán)流化床鍋爐理論體系和工程設(shè)計(jì)的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品燃燒效率低的問題。所以，如何將“高風(fēng)量、高風(fēng)壓、高床溫、高排放、低效率”的四高一低現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗惋L(fēng)量、低風(fēng)壓、低床溫、低排放、高效率”的四低一高的目標(biāo)，成為流化燃燒技術(shù)在理論研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的突破方向。太鍋清華科研團(tuán)隊(duì)在此目標(biāo)下對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了有益的理論探索和技術(shù)優(yōu)化，并成功開展了大面積的工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證。

1 定態(tài)設(shè)計(jì)理論與流態(tài)重構(gòu)技術(shù)

根據(jù)岳光溪院士在2005年5月加拿大第18屆國(guó)際循環(huán)流化床燃燒會(huì)議上第一次提出了：循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的流化狀態(tài)是由循環(huán)流化床鍋爐下部密相區(qū)形成的鼓泡床和鍋爐上部稀相區(qū)形成的快速床組成，在此基礎(chǔ)上形成了解決前述四大問題的循環(huán)流化床鍋爐定態(tài)設(shè)計(jì)及流態(tài)重構(gòu)理論。

定態(tài)設(shè)計(jì)是指循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)人員在鍋爐滿負(fù)荷條件下，選定一個(gè)固定的狀態(tài)，并依此合理地布置床內(nèi)受熱面。爐內(nèi)受熱面的布置應(yīng)該由設(shè)計(jì)工況下物料循環(huán)量及爐內(nèi)物料濃度分布決定，循環(huán)流化床鍋爐中懸浮物料濃度大小直接決定了受熱面的換熱系數(shù)和換熱量，定態(tài)設(shè)計(jì)的依據(jù)歸結(jié)到循環(huán)量上，在相應(yīng)的定態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，循環(huán)流化床內(nèi)的物料循環(huán)量有一個(gè)范圍，隨燃料種類和特性的不同，維持這一狀態(tài)的核心是保證循環(huán)流量不變[1]。

流態(tài)重構(gòu)理論則認(rèn)為循環(huán)流化床鍋爐中存在于下部鼓泡床中的粗顆粒主要作用是穩(wěn)定燃燒和降低排渣含碳量，副作用是增加一次風(fēng)機(jī)電耗和對(duì)受熱面的磨損，針對(duì)不同燃料，粗顆粒的存量有一個(gè)最佳范圍，在此范圍內(nèi)，既能保障燃料穩(wěn)定燃燒和排渣含碳量低，又能減輕對(duì)受熱面的磨損和降低一次風(fēng)機(jī)電耗；與此同時(shí)，通過優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)，提高了分離效率，上部快速床中的細(xì)顆粒量得到增加，使得粗、細(xì)顆粒的份額發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)減少粗顆粒量低床壓運(yùn)行并滿足鍋爐運(yùn)行時(shí)對(duì)爐膛上部快速床中循環(huán)物料量的要求。

床存量降低后，二次風(fēng)區(qū)域物料濃度降低，二次風(fēng)穿透擾動(dòng)效果增強(qiáng)，爐膛上部氣固混合效果得以改進(jìn)，提高了鍋爐燃燒效率，降低了鍋爐機(jī)組的供電燃料耗；床存量降低后，物料流化需要的動(dòng)力減小，鍋爐一、二次風(fēng)機(jī)的壓頭降低，風(fēng)機(jī)電耗下降，從而降低鍋爐機(jī)組的廠用電率；床存量降低后，爐膛下部物料濃度大幅度減小，從而可以減輕爐膛下部濃相區(qū)特別是防磨層與膜式壁交界處的磨損，提高鍋爐機(jī)組的可用率；[2]分離器效率提高后，脫硫脫硝劑循環(huán)利用率提高，床料質(zhì)量提高，整個(gè)爐膛溫度場(chǎng)均勻處于脫硫脫硝所要求的最佳范圍，同時(shí)新型二次風(fēng)結(jié)構(gòu)保障了低氧高效分級(jí)燃燒，使得鍋爐在較低石灰石耗量下達(dá)到較高的爐內(nèi)脫硫效率；同時(shí)NOx原始排放濃度降低30%以上，SNCR脫硝效率達(dá)到75%以上。

2 基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型超低排放循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)保障

基于流態(tài)重構(gòu)的CFB產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)鍋爐整體采用“M”型布置方式、各個(gè)受熱面的吸熱比例分配和各個(gè)相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)形式都進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化。其目的就是在維持CFB鍋爐上部快速床狀態(tài)的前提下，保持流化風(fēng)速和循環(huán)流率不變，使得床料中粗、細(xì)顆粒的比例發(fā)生變化，從而優(yōu)化了爐膛中下部物料的濃度分布，實(shí)現(xiàn)“低風(fēng)量、低風(fēng)壓、低床溫、低排放、高效率”的四低一高的目標(biāo)。這一過程中流態(tài)的改變是該技術(shù)的關(guān)鍵。

2.1 定態(tài)理論下保證的爐膛結(jié)構(gòu)

根據(jù)流化風(fēng)速和物料攜帶率兩個(gè)參數(shù)建立的循環(huán)床流態(tài)圖譜，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選定：爐膛煙氣流速＜5 m/s，煙氣物料攜帶量為2～2.5 kg/m3。

采用傳統(tǒng)的被動(dòng)防磨措施與讓管結(jié)構(gòu)的同時(shí)，根據(jù)T=CV3.6dfh2的磨損計(jì)算公式，按照流態(tài)圖譜的要求選擇主動(dòng)降低煙氣流速，基本解決了交界處磨損的問題；爐膛上部設(shè)計(jì)在保證煙氣流場(chǎng)同時(shí)，對(duì)出煙口進(jìn)行了扁高形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高分離器煙氣進(jìn)口流速的情況下，對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)壓縮，為分離器分離效率的提高提供了先決條件。

2.2 專利風(fēng)帽結(jié)構(gòu)保證的流化布風(fēng)系統(tǒng)

鍋爐布風(fēng)板風(fēng)帽采用鐘罩式結(jié)構(gòu)風(fēng)帽不漏渣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由風(fēng)帽頭、夾套和內(nèi)管芯三部分組成，實(shí)際運(yùn)行阻力小于3 000 Pa，徹底解決倒渣、內(nèi)管芯磨損的問題。

2.3 大動(dòng)量、高流速、低氧高效燃燒的二次風(fēng)系統(tǒng)

摒棄了二次風(fēng)周圈多層的布置方式，按照一次風(fēng)主導(dǎo)流化、二次風(fēng)主導(dǎo)燃燒的原則，根據(jù)不同燃料合理匹配二次風(fēng)比例，采用大動(dòng)量、高流速（70～80 m/s）的前后墻單層布置方式，更利于穿透到爐膛中心，實(shí)現(xiàn)鍋爐在較低過量空氣系數(shù)，較小煙氣量時(shí)，燃料燃燒效率大幅度提高。

2.4 高效分離器結(jié)構(gòu)

優(yōu)化分離器的結(jié)構(gòu)模型，使得同等容量循環(huán)流化床鍋爐高溫分離器的d50和d99尺寸大幅度減小，保障了循環(huán)物料的質(zhì)和量，降低了飛灰含碳量，在提高爐內(nèi)脫硫效率的同時(shí)降低了鈣硫摩爾比，降低NOx原始排放濃度的同時(shí)提高了SNCR效率。

2.5 高流率、低能耗、自平衡的返料閥

采用依據(jù)“回料立管負(fù)壓差移動(dòng)床流動(dòng)流譜”開發(fā)的專利技術(shù)的自平衡回料閥，該專利針對(duì)循環(huán)物料的下降流速、返料閥阻力等確定了返料腿的直徑、內(nèi)部隔墻、水平通道等結(jié)構(gòu)的形式及尺寸。保證返料系統(tǒng)返料風(fēng)不倒竄、返料床不結(jié)焦、返料風(fēng)機(jī)功率最低，有助于提高分離效率的同時(shí)保證返料流暢，高壓頭、小風(fēng)量的羅茨風(fēng)機(jī)保障了返料電耗最低。

2.6 鍋爐輔助系統(tǒng)的配置優(yōu)化

為保證新一代鍋爐本體性能的充分實(shí)現(xiàn)，配套設(shè)計(jì)了保證流化、燃燒的一二次風(fēng)系統(tǒng)、無(wú)需調(diào)節(jié)的自平衡返料風(fēng)系統(tǒng)、保障入爐粒徑燃料破碎系統(tǒng)、保證爐內(nèi)脫硫效率的石灰石噴入系統(tǒng)、保證負(fù)荷調(diào)節(jié)的選擇排渣系統(tǒng)、保證吹灰效果的吹灰系統(tǒng)等，并對(duì)相關(guān)的配套輔機(jī)提出選型規(guī)范。

通過在此基礎(chǔ)上完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得“低風(fēng)量、低風(fēng)壓、低床溫、低排放、高效率”的運(yùn)行目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

3 工程實(shí)例

1）山東淄博力久熱電有限公司一臺(tái)260 t/h循環(huán)流化床鍋爐，額定負(fù)荷下，在不進(jìn)行爐內(nèi)脫硫的情況下，NOx的初始排放質(zhì)量濃度在20～40 mg/m3，而相鄰的其他鍋爐廠的相同燃料、相同容量的循環(huán)流化床鍋爐，額定負(fù)荷NOx的初始排放質(zhì)量濃度為120 mg/m3左右；采用新技術(shù)的鍋爐，廠用電率同比下降30%。

2）新疆油田公司一臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床油田注汽鍋爐采用流態(tài)重構(gòu)技術(shù)，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院測(cè)試結(jié)果：在額定負(fù)荷下，當(dāng)鍋爐熱效率為92.79%、鈣硫摩爾比為1.89時(shí)，爐內(nèi)脫硫效率為97.94%（二氧化硫原始排放質(zhì)量濃度為1 858 mg/m3，爐內(nèi)脫硫后排放質(zhì)量濃度為38.24 mg/m3）[3]，廠用電率與同類鍋爐相比下降40%，鍋爐運(yùn)行3年無(wú)任何磨損。

4 結(jié)語(yǔ)

太原鍋爐集團(tuán)有限公司與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的新一代基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能超低排放循環(huán)流化床鍋爐，其熱效率、自用電耗、可用率與煤粉爐持平，污染物排放控制大大優(yōu)于同類循環(huán)流化床鍋爐，容量范圍從6 MW覆蓋到600 MW，在市場(chǎng)上引起了巨大反響，為節(jié)能減排工作提供了一種可靠的技術(shù)選擇。

[1] 楊海瑞，岳光溪，王宇，等.循環(huán)流化床鍋爐物料平衡分析[J].熱能動(dòng)力工程，2005（5）：291-295

[2] 蘇俊，佘簡(jiǎn)，趙曉星，等.低能耗循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[C]//第一屆中國(guó)循環(huán)流化床鍋爐燃燒理論與技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008.

[3] 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院.鍋爐能效測(cè)試報(bào)告：13EF073-NG01和鍋爐環(huán)保測(cè)試報(bào)告：13EF073-BG01[R].北京：2014.