某化工企業煤粉鍋爐設計方案對比分析

(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000)

0 引 言

化工產業的發展是中國能源結構調整不可缺少的一部分，近年來，大批石油化工項目開始實施，為優化產業結構、提高化石能源的利用率等做出了突出貢獻。煤粉鍋爐的燃燒強度大、運行穩定、自動控制程度高、廠用電耗少、設備易維護、制造技術成熟、安全性強，是目前我國燃煤電廠最常用的爐型[1]。

以某石油化工公司的超高壓800 t/h煤粉鍋爐為研究對象，提出了兩種總體設計方案，使爐膛出口煙溫進一步降低，煤粉在爐內停留時間增加，煤粉燃盡性增強，鍋爐效率上升，同時其余性能保證值不變。根據現場實際布置需求，對兩種方案進行了對比分析。

1 鍋爐設計方案

鍋爐的整體布置是指爐膛、對流煙道以及各級受熱面的相互位置關系。目前比較典型的大中型鍋爐的布置方案主要為Π形布置和塔形布置兩種[2]。蒸汽參數、鍋爐容量、燃料性質對鍋爐整體布置方案的確定有著關鍵性的作用。

文中所研究鍋爐的燃用煤種結焦性較強，且循環過程無中間再熱，汽水自然循環，單爐膛，平衡通風，固態排渣，鍋爐為露天布置，全鋼構架。因此，所設計的“背靠背”及“帶水平煙道”兩種方案均采用12 880×13 120 mm的爐膛斷面，46 m的爐膛高度，容積熱負荷為98.6 kW/m3，通過將爐膛適當放大拔高來改善燃燒過程。

1.1 “背靠背”方案

“背靠背”方案為Π形布置的一種，取消了水平煙道，爐膛后墻受熱面同時作為后豎井煙道前墻受熱面。后豎井區域布置低溫過熱器及省煤器。

過熱蒸汽汽水流程為：汽包→頂棚過熱器→后豎井后包墻→后豎井側包墻→低溫過熱器→大屏過熱器→后屏過熱器→高溫過熱器。爐膛尺寸及各受熱面參數見表1。

表1“背靠背”方案爐膛尺寸及各受熱面參數

1.2 “帶水平煙道”方案

“帶水平煙道”方案含水平煙道，設置水平煙道側包墻、底包墻，后豎井前包墻。后豎井區域僅布置省煤器，在水平煙道布置低溫過熱器。

過熱蒸汽汽水流程為：汽包→頂棚過熱器→后豎井后包墻→后豎井側包墻→后豎井前包墻過→前包墻至水平煙道包墻連接管→水平煙道側包墻→低溫過熱器→大屏過熱器→后屏過熱器→高溫過熱器。爐膛尺寸及各受熱面參數見表2。

表2“帶水平煙道”方案爐膛尺寸及各受熱面參數

2 設計方案對比分析

兩種設計方案將爐膛適當放大并拔高后，爐膛出口煙溫進一步降低，煤粉在爐內停留時間增加，煤粉燃盡性增強，鍋爐效率將上升[3]。經過計算，“背靠背”及“帶水平煙道”兩種方案鍋爐效率均由原93.10%提高至93.50%，其余性能保證值不變。表3給出了兩種鍋爐布置方式的主要設計參數對比。

表3兩種鍋爐布置方式的主要設計參數對比

續表3

“背靠背”布置“含水平煙道”布置水平煙道底部積灰問題:不存在水平煙道底部積灰問題:存在后墻吹灰器布置:空間受限后墻可布置兩層吹灰器,共6只(爐膛吹灰器共42只)后墻吹灰器布置:空間較大后墻可布置四層吹灰器,共12只(爐膛吹灰器共48只)

通過CFD數值模擬，文中研究了兩種布置方案下鍋爐內的流場分布[4]，圖1為“背靠背”布置方案的速度分布圖，圖2為“含水平煙道”布置方案的速度分布圖。從圖1可以看出，在后豎井受熱面的入口區域(區域1)，煙氣速度場分布均勻，沒有煙氣速度急劇變化的部分，受熱面磨損較小。從圖2可以看出，在后豎井受熱面的入口區域(區域2)，煙氣速度場分布均勻，也沒有煙氣速度急劇變化的部分，受熱面磨損可控。在水平煙道(區域3)存在煙氣滯留區域，說明這個區域容易產生水平煙道積灰現象。兩種方案在省煤器出口處流場速度分布都比較均勻。

圖3“背靠背”布置方案速度分布圖

圖4“含水平煙道”布置方案的速度分布圖

研究表明，“背靠背”布置方案較“含水平煙道”布置方案更適合研究對象，主要原因如下：

(1)研究對象為超高壓參數，不帶中間再熱，因此無再熱器受熱面，采用“背靠背”的布置形式，鍋爐空間已滿足過熱器受熱面布置情況，無需設置水平煙道增加受熱面所需的布置空間。

(2)“背靠背”的布置方式與帶水平煙道方式相比，K3～K4柱距可降低，K4～K5柱整體前移，能夠節省占地面積。文中采用了更大的爐膛，通過優化鍋爐布置方案，“背靠背”布置方案占地較小，同比沿爐深方向可減少3米，滿足廠區布置要求。

(3)與帶水平煙道的布置形式相比，“背靠背”布置方案取消水平煙道有利于簡化包墻內的蒸汽流程，減小包墻工質側偏差，降低過熱器側蒸汽壓降。

3 結束語

對于燃用煤種結焦性較強，灰分較高的化工廠鍋爐，可以通過將爐膛適當放大并拔高的方法，使爐膛出口煙溫進一步降低，煤粉在爐內停留時間增加，煤粉燃盡性增強，從而提高鍋爐效率。同時，取消水平煙道可以避免水平煙道的積灰的問題，避免積灰對受熱面傳熱的影響。研究表明，“背靠背”布置方案優于“含水平煙道”布置方案。