無煙煤循環流化床鍋爐的節能設計及應用

黃榮捷

(廣西柳鍋鍋爐制造有限公司，廣西 柳州 545005)

無煙煤循環流化床鍋爐的節能設計及應用

黃榮捷

(廣西柳鍋鍋爐制造有限公司，廣西 柳州 545005)

結合Ⅱ類無煙煤的特點，分析探討了針對低揮發分循環流化床20t/h無煙煤鍋爐的節能設計，其中采用較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區布置合適數量的埋管受熱面等環保技術措施。

循環流化床鍋爐;結構;節能;設計;技術措施

工業鍋爐是我國國民經濟各部門及人民日常生活所需的熱能動力設備，安全、節能、環保是國家對工業鍋爐產品考核的必要條件。特別是進入21世紀以來，國家在節能減排方面對工業鍋爐行業提出了更為嚴格的要求。2008年國家發改委發布的“‘十一五’十大重點節能工程實施意見”將燃煤工業鍋爐節能列為十大重點節能工程首項，并提出開發工業鍋爐節能產品和對燃煤工業鍋爐進行節能改造的要求。為此工業鍋爐行業積極響應和努力貫徹，通過提高企業創新能力、加大科研、新產品開發的投入力度等措施，開發出了不少行之有效的節能減排新技術、新工藝、新產品，以滿足國家和市場的需求。

1 無煙煤循環流化床鍋爐的特點

循環流化床鍋爐是近三十年來發展起來的一種新型燃燒設備，其沸騰燃燒方式介于層狀燃燒和懸浮燃燒之間，煤種適應性廣，具有強化燃燒及傳熱的特點，且是一種低溫燃燒方式，有利于爐內除硫，故受到國內外鍋爐行業的廣泛重視，加上產品在運行熱效率及環保性能等方面水平的不斷提高，是當前最有前途的清潔、高效率的燃燒方式之一。

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ類無煙煤循環流化床鍋爐是為了適應市場發展需要而開發的新產品，針對Ⅱ類無煙煤燃燒特性和節能、環保的要求，設計時采用了較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區布置適當數量的埋管受熱面及其它防磨措施，在布置U形慣性分離器和組合式旋風分離器、熱管空預器等方面進行了創新，形成了高效燃燒爐膛，燃燒Ⅱ類無煙煤時取得了顯著的節能和環保效果。該鍋爐的研制成功標志著我國循環流化床燃用Ⅱ類無煙煤的燃燒技術進入了一個新階段，為廣大無煙煤鍋爐用戶提供了一種高效、節能、環保的鍋爐新產品，成功地解決了我國低揮發分無煙煤在循環流化床鍋爐上著火、穩定燃燒及燃盡的技術難題，并取得了重大突破。經國家權威檢測機構機械工業鍋爐及環保產品質量監督檢測中心檢測，該產品燃用Ⅱ類無煙煤時，負荷調節性能好，鍋爐熱效率為83.49%，比國家標準高18.49%，每臺鍋爐一年（按300天計）可節約煤7267t；20臺可節約煤14.5萬t；煙氣黑度小于林格曼1級，符合《鍋爐大氣污染物排放標準》（GWPB3-1999）中二類地區的要求。鍋爐出口初始排塵濃度及鍋爐煙塵排放和SO2排放以及鼓、引風噪聲和鍋爐房噪聲等環保指標均達到了國家標準和設計要求，環保效益顯著。通過熱工和環保測試，證明SHXF20-1.6-WⅡ型循環流化床鍋爐各項性能指標均達到或優于設計和有關標準的要求。目前該高效節能鍋爐已批量投產，暢銷國內各地，深受用戶好評。

2 鍋爐設計主要規范

2.1 鍋爐參數

額定蒸發量20t/h；額定蒸氣壓力1.6MPa；額定蒸氣溫度204℃；給水溫度105℃；設計效率80.97%；埋管受熱面積24.72m2；水冷壁受熱面積32.19m2；凝渣管受熱面積11.79m2；對流管受熱面積283.74m2；省煤器受熱面積354m2；熱管空預器受熱面積35.29m2；布風板有效面積6.08m2；密相區空截面風速（150℃）1.03m/s；稀相區空截面氣速2.47m/s；風帽小孔平均風速（150℃）48.76m/s；風帽平均開孔率2.12%；設計燃料為Ⅱ類無煙煤Vr（可燃基揮發分）≤5%。

2.2 設計煤種及特性

該鍋爐設計煤種為極低揮發分（Vr≤5%）的Ⅱ類無煙煤。無煙煤是埋藏年代最久、炭化程度最深、揮發分最低的一個煤種。我國的無煙煤儲量較大，僅次于煙煤，約為3600億t，多分布于華北、西南和中南地區，如陽泉礦區、晉城礦區、焦作礦區、京西礦區、遵義礦區、芙蓉礦區的無煙煤都很出名，而福建省的五個礦務局幾乎全部為 Vr≤5%的低揮發分無煙煤。據調查了解，目前全國已有23個省市（約400個礦）大量開采無煙煤資源，并用作工業鍋爐燃料。無煙煤表面具有明亮的黑色光澤，燃燒時僅有很短的青蘭色火焰。無煙煤按其著火程度分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類無煙煤中，Ⅱ類無煙煤燃燒化學性能差、熱傳導能力低，著火非常困難，燃盡也極為不易。

Ⅱ類無煙煤的主要特性是：

（1）炭化程度高，揮發分極低，一般Vr為2%～4%，燃燒化學性能差，熱傳導能力低，燃燒速度低，著火溫度高達 900℃ 以上（Ⅰ類約 800℃ 、Ⅲ類約700℃）。

（2）細屑煤末多，0～3 mm 煤屑占70%以上，煤顆粒粒徑＜1mm 的占40%以上。

（3）質硬而脆，燃燒時會爆裂成粉末，折算水分Wzs＜3%，灰熔特性溫度t1～t2=1100℃～1450℃，硫分較低，發熱量較高。

由于Ⅱ類無煙煤質硬且細碎，在高溫的爐膛內還會爆裂成更細的煤屑，故在運行中實際的微細顆粒比原來要多，燃燒中的飛灰量很大，如何提高飛灰的燃盡程度是至關重要的問題。采用循環流化床鍋爐燃用Ⅰ類無煙煤的爐膛結構、燃燒組織、分離器形式、物料循環系統和防磨損等的設計必須有特別的技術措施。

3 鍋爐結構特點

鍋爐采用雙鍋筒橫置式M形布置，螺旋給煤機并列布置在爐前，燃煤由滑差變速電機帶動給煤機正壓送入循環流化床內。從送風機出來的冷空氣經熱管空氣預熱器加熱至150℃左右。經熱風道大部分進入等壓風室，流經布風板小風帽進入流化床參加燃燒，另一部分作為播煤風，回料風及二次風進入爐膛參加燃燒。所產生的煙氣先后流經密相區、稀相區、凝渣管、U形慣性分離器煙道、組合式旋風分離器、燃盡室、對流管束、最后流經I級省煤器、熱管空預器、Ⅱ級省煤器和除塵器后由煙囪排入大氣。

3.1 爐膛設計

針對Ⅱ類無煙煤著火溫度高，煤末比例大的特性在爐膛設計時，要創造兩個高效燃燒爐膛的條件：

（1）保證整個爐膛自下而上的溫度始終保持在Ⅱ類無煙煤著火溫度（900℃以上），以確保在不結焦的前提下煤顆粒沿整個爐膛高度處于著火燃燒狀態。要保證反應活性差的Ⅱ類無煙煤的高效燃燒，保持適宜的床層和整個爐膛溫度水平是至關重要的。該鍋爐在各種負荷下運行時，沸下溫度在1030℃～1060℃，稀相區上段溫度在930℃～990℃，爐膛出口溫度在900℃左右。

（2）保證微米級的灰粒（高中溫分離器不容易分離下來的細小飛灰粒子）在爐內有一定的停留時間。因為較大的煤顆粒能被高溫分離器分離下來，重新進入爐內循環燃燒，爐內停留時間很長，燃盡率高；而微小飛灰顆粒所占的比例不少，但其經過高溫爐膛的機會只有一次，此后就被煙氣帶走，因此盡可能提高這部分飛灰中炭的燃盡程度，是提高鍋爐熱效率的關鍵因素之一。為此采取了下列設計措施：

1）對于難燃的低揮發分Ⅱ類無煙煤的工業鍋爐不宜采用高速循環床，而只能采用低倍率循環床，保持較少的循環物料是合適的。流化速度的選取十分重要，因為不同的流化速度首先會影響燃煤的停留時間，不但會影響燃煤一次通過爐膛能否燃盡的最大顆粒徑，而且會影響循環物料的燃盡程度；其次不同的流化速度，煤燃燒釋放出的熱量沿爐膛高度的分布也不同，特別是密相區和稀相區之間的熱量分配比例不同。顯然，密相區流化速度較低時，大量燃煤在密相區內燃燒。為了保持合適的密相區溫度，可在該區布置較多的埋管受熱面，當密相區流化速度較大時則不布置埋管受熱面，而在稀相區布置較多的水冷壁。密相區和稀相區較低的流化速度加上較高的爐膛，可使煤粒的停留時間延長，提高燃盡程度。

該鍋爐設計了較高的爐膛高度。密相區布置了埋管受熱面，其流化速度為3.1m/s左右，稀相區流化速度為2.4m/s，這樣煤粒在高溫爐膛內停留時間達4s多。足夠的爐膛高度可有效提高燃料的燃盡率，降低飛灰含炭量，保證較高的燃燒效率。

2）采用正壓給煤，這樣新加入的冷態燃料與密相區熾熱燃料混合并可迅速加熱到著火溫度以上。為保護給煤機頭部不被燒壞和避免煤進入爐內堆集及提高燃燒效率，給煤機頭部外殼加裝了播煤二次風。布風板縱向采用不等開孔率的小風帽，使得密相區燃料形成爐內循環，有助于延長煤在爐內高溫區的燃燒時間，進而有利于提高飛灰的燃盡程度。

3）密相區布置有斜橫埋管，額定負荷下，實際運行時，密相區沸下、沸上溫度均在1000℃～1060℃，分離器分離下來的灰顆粒用熱風輸送亦在沸上處進入循環燃燒，在沸上與稀相區下部間爐膛不布置受熱面，稀相區中上部只在前后墻布置水冷壁，而兩側墻不布置水冷壁，形成了有一定高度的爐膛衛燃帶。爐膛內襯用高鋁耐火磚，在內外墻耐火磚與紅磚之間的間隙用25mm厚的硅酸鋁纖維毯，增加了保溫效果，使得爐墻壁外表面溫度大為降低，減少了散熱損失。這樣爐膛設計保證了整個爐膛溫度始終保持在Ⅱ類無煙煤的著火溫度900℃以上，形成了高溫高效燃燒爐膛。

3.2 灰粒分離循環系統設計

該鍋爐灰粒分離循環系統有三級，第一級是爐膛出口的U形慣性分離器；第二級是組合式旋風分離器；第三級是對流管束下部煙氣轉彎慣性分離室。前二級屬高溫分離。這三級分離器分別與立管和回料器組成5個獨立的灰粒循環系統并均用熱風送入密相區或密相區上方高溫區內循環燃燒。由于三級分離均采用高、中溫爐內分離循環方式，有較高溫度的灰粒用150℃左右的熱風送入爐內密相高溫區燃燒，其效果是十分顯著的。

3.3 防磨設計

國內外的循環流化床鍋爐研制過程中都會碰到某些部件磨損和防磨設計的問題。該設計從多方面入手，防磨水平提高或減輕磨損程度以提高受熱面和爐墻的使用壽命。

對流受熱面的磨損和物料濃度、煙氣流速成正比，而埋管受熱面磨損的影響因素很多，其機理尚不完全清楚，但流化速度對磨損有直接影響。因此該設計采用較低的流化速度。密相區橫埋管用厚壁的φ60×8mm的鍋爐管，凝渣管和“U”形上行段水冷管易受磨損部位用Ф60×5mm鍋爐管并焊上Ф13mm防磨圓鋼。

為防止磚墻內表面及磚縫磨損，設計時在整個爐膛及U形段等后面幾個部位涂上科光871高溫膠泥，如在密相區周圍內墻壁上涂一層5～100mm的LS-8高溫膠泥，分離器元件間用LS-硅，U形段及各隔墻磚縫也用871高溫膠泥。這種高溫膠泥具有在低溫狀態時以化學黏結為主，以及在高溫狀態時以陶瓷燒結為主的雙重黏結功能，并且高溫性能好，黏接力強，抗熱震，耐磨擦，防腐蝕。

3.4 采用熱管空氣預熱器

在兩級省煤器之間布置有熱管空氣預熱器，熱管向上傾斜10°。煙氣段長1.5m，空氣段長1.2m，光管規格為Ф32mm，縱向l0排，橫向26排，總受熱面積35.29m2。熱管空氣預熱器與列管式空氣預熱器相比，熱管是高效傳熱元件，其傳熱量可增加2～3倍，而且結構十分緊湊。同時由于熱管管壁溫度較高，對防止低溫腐蝕和黏結性積灰十分有利。該鍋爐采用熱管空氣預熱器，熱風達到150℃左右；作為一次風、回料風、播煤風和二次風，對促進無煙煤穩定燃燒是有利的。

4 鍋爐的主要特點

該鍋爐采用了一系列特別的技術措施，盡可能多地將較粗煤顆粒在爐膛內實現內循環。對于被氣流帶出爐膛的細顆粒，通過高中溫分離裝置和回料器輸入爐膛實現多次循環燃燒，以提高煤粒的燃盡程度，從而解決了Ⅱ類無煙煤在循環流化床鍋爐上著火、燃燒和燃盡等技術難題，并同時降低了鍋爐出口的煙塵濃度，在環保方面取得較好的效果。經測試，燃用Ⅱ類無煙煤時鍋爐熱效率＞80%，煙塵排放濃度等指標均達到國家標準的有關要求。

5 結語

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ類無煙煤循環流化床鍋爐，針對無煙煤的燃燒特性和節能、環保的要求，采用較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區布置合適數量的埋管受熱面及采取其它防磨措施，布置U形慣性分離器和組合式旋風分離器、熱管空預器等技術措施，形成了高效燃燒爐膛，燃燒Ⅱ類無煙煤時取得顯著的節能和環保效果，為廣大無煙煤、劣質煙煤鍋爐用戶提供了一種高效、節能、環保的鍋爐產品。

Design and Application of Energy Saving for Circulating Fluid Bed Boiler of Blind Coal

HUANG Rong-jie
(Guangxi Liuguo Boiler Manufacture Co., Ltd, Liuzhou Guangxi 545005, China)

Based on the characteristics of II kinds of blind coal, the paper analyzes and probes into the higher hearth and lower section air speed adopted in the design of energy saving of 20t/h blind coal boiler aimed at low volatilization and circulating fluid bed as well as technical measures of environmental protection of heated surface of burying pipes in enclosed area.

circulating fluid bed boiler; structure; energy saving; design; technical measure

TK229.6+1

A

1006-5377（2010）12-0024-04

黃榮捷，男，高級工程師，主要從事Ⅱ類無煙煤和燃油燃氣高效節能工業鍋爐的研究與設計。參與研制的 8個項目均獲福建省科學技術進步二、三等獎，2000年獲第五屆福建青年科技獎。