燃煤循環流化床鍋爐改燒生物質燃料的改造方案

曾孝陽

(湘潭互創潔凈能源有限公司，湘潭 411100)

0 引 言

相比較其它固體燃料爐型而然，循環流化床燃燒技術相當成熟，具有鍋爐熱效率高、燃料適應性強、環保性能好、灰渣易于綜合利用等優點[1]。為建設環境友好型社會，國家加大了保護環境和改善生態環境的工作力度，小型燃煤鍋爐逐步被淘汰，許多城市甚至已經“禁煤”，企業為了生存，勢必對現有鍋爐設備進行改造或改建天然氣鍋爐項目[2]。大力發展生物質燃料及其燃燒技術對優化我國能源結構，減輕環境污染，促進經濟可持續發展意義重大[3]。文中闡述了某燃煤流化床鍋爐改造成生物質流化床鍋爐的方法。

1 概述

該鍋爐原設計為熱汽聯產燃煤循環流化床合成鍋爐，其結構示意圖如圖1所示，采用大容積的爐膛設計，下部衛燃帶較高，保證了燃料燃燒溫度和燃燼時間。

圖1 改造前鍋爐結構圖

爐膛下部中下部為盤管，上部為水冷壁管，保證整個爐膛溫度均勻。合適的給料高度配合輸送風、播料風，使燃料輸送暢通不堵塞。布風板上布置小蘑菇形式風帽，使從床料底部進入的一次風風量均勻，確保床料流化良好。爐膛下部為鍋爐穩燃區，由布風板及耐火澆注料構成，布風板面積1.75 m2，風帽按70*70正方形排列。爐前設計兩個給料口，給料管入口處設計一股輸送風，給料管出口處設計一股播料風。爐后設計一個返料口。衛燃帶上方設計導熱油盤管輻射受熱面，5管并行。為了保護爐墻、降低爐膛溫度，導熱油盤管上方爐膛四周設計φ51*4光管水冷壁，并與全水冷旋風分離器焊接成全密封結構。為了控制爐膛下部的燃燒溫度，在爐膛下部設置多層回流風，同時為了保障揮發份大量的燃燒，在爐膛中部設置有二次風。

爐膛出口設計有高溫旋風分離器，采用全水冷壁結構,由φ42*4及δ4扁鋼構成。與蒸汽爐鍋筒之間的水循環為自然循環。

尾部按常規流化床鍋爐設計對流受熱面，分別有導熱油對流管，蒸汽部分的省煤器、空氣預熱器。導熱油對流受熱面分三組設計，兩組低溫段、一組高溫段，管子規格為φ32*4，材質為20GB3087,兩管并行，總共63片，管內介質流速1.7 m/s。蒸汽部分省煤器管采用φ32*4螺旋翅片管，兩管進、兩管出。省煤器出口管接至鍋筒給水管座，鍋筒再循環管接至省煤器進口小集箱。橫向排數14排，縱向排數30排。空預器設計為兩回程，管子規格為φ42*2，橫向排數為16排，縱向排數為52排，管箱高度為2 430 mm。

設計燃料為煙煤，鍋爐技術性能參數見表1、表2。

表1 導熱油爐相關參數

表2 蒸汽爐相關參數

2 運行中的問題及分析

2.1 運行中的問題

鍋爐自投運以來一直性能穩定，節能效果顯著，環保性能好。在國家“禁煤”政策出臺后，該鍋爐改燒生物質顆粒燃料，但前期因未對鍋爐結構進行改造，鍋爐運行一段時間后，發現該鍋爐與生物質燃料不相適應，主要體現在以下三個方面：分離器蓬灰堵塞，返料中斷、尾部受熱面積灰嚴重、爐膛布風板鐵釘沉積影響流化質量。鍋爐不能連續長期穩定運行，每運行半個月左右需要停爐清理，否則鍋爐會出現引風機抽力不夠、負荷帶不上、爐膛結焦等現象。

2.2 問題分析

與原煤相比，生物質燃料密度小、體積大；含水量高，隨季節變化大，熱值較低；灰分低，揮發分高；氯及堿金屬成分較高；生物質燃料燃燒過程中，堿金屬導致飛灰聚團，容易造成分離器下灰不暢。大多數的生物質灰熔點較低，堿金屬在高溫下容易析出[4-8]。該鍋爐改燒生物質后，爐膛出口溫度高達900℃，不僅加大了鍋爐的高溫腐蝕，更加大了分離灰的聚團效應，加上尾部對流管束節距小，是造成分離器堵灰、尾部受熱面積灰的主要原因。

3 改造方案及效果

針對鍋爐運行中出現的分離器蓬灰堵塞，返料中斷、尾部受熱面積灰嚴重、爐膛布風板鐵釘沉積等問題，結合生物質燃料的燃燒特性，決定對鍋爐實施改造。

3.1 改造方案

3.1.1 分離器改造

生物質燃料灰熔點低，在高溫煙氣中呈熔融態，易在金屬管壁或爐壁上粘結；燃燒過程中易結焦、聚團。鍋爐使用單位由于生產工藝的特殊性，用熱車間負荷往往波動較為頻繁，高低負荷波動幅度大，加上流化床鍋爐變負荷速率較慢的特點，造成爐膛出口溫度不易控制穩定，短時間內甚至會高于灰熔點，加上生物質燃料飛灰流動性較差，飛灰進入到分離器以后極易粘結、蓬灰，最后在分離器錐段的末端形成松散性灰塊，分離器下灰口堵塞，造成返料中斷。通過對生物質燃料灰渣特性的取樣分析，在分離器內部增加了一套在線自動梳堵設備，結構如圖2所示，在分離器上部設計一套往復氣缸1，冷卻吹掃風管2，冷卻吹掃風推管3，吹掃風噴嘴4組成的系統。通過間斷式的吹掃，到達分離器下會暢通的目的。

圖2 在線自動梳堵設備結構示意圖

3.1.2 尾部受熱面改造

生物質鍋爐尾部受熱面積灰是一個比較常見的問題，加上該鍋爐原來設計燃料為原煤，尾部對流管束管間節距較小，前期運行堵灰尤為嚴重。針對此現象，采取將管子節距拉大，在每組管束上端加裝燃氣脈沖吹灰器的改造方案。由于管間節距拉大后受熱面積減少，在原鍋爐的尾部增加煙道豎井，補足受熱面，其結構如圖3所示。

3.1.3 爐膛布風板改造

生物質燃料常見有建筑木板、成型顆粒等，這些燃料中不可避免會含有鐵釘等金屬物體，燃料燃燒后鐵釘會沉積在布風板風帽處，不僅對風帽造成磨損，隨著時間的推移鐵釘會越積越厚，甚至會堵塞風帽小孔，造成床料因流化質量差而發生結焦。該鍋爐每運行15天左右停爐清理時，每次清理鐵釘的質量約300～400 kg。

該鍋爐布風系統為普通板式布風板結構，沉積的鐵釘因比重大基本不參與流化，靠排渣管很難實現自動排除。針對此情況，結合國內外設計經驗，自主開發設計了管式布風盤結構的布風系統，其結構如圖4所示。改造后，一次風通過一次風管2進入流化風帽1，一次風管2分上下兩排，風管之間節距比較大。通過連續排渣或間斷排渣，燃料燃燒后殘留的大顆粒固體顆粒、鐵釘等可通過風管之間的間隙下沉，從排渣口4排除。排除的底渣經過爐底篩分系統，合格的底料重新輸送至爐膛內循環使用。

3.2 改造效果

通過對鍋爐進行上述改造，鍋爐運行效果得到了很大的改觀，鍋爐負荷能滿足設計要求，鍋爐連續運行時間可以長達半年至一年。而且該鍋爐由于爐型選擇合理，爐膛設計考慮了低氮排放的要求，鍋爐運行尾排煙氣各項指標達到國家排放標準，尤其是在沒有任何脫硝設施的情況下，折算后NOX排放濃度平均值為48 mg/Nm3，達到超低排放的要求。

4 結束語

對于燃用原煤的鍋爐改燒生物質燃料后，鍋爐爐型與燃料不相適應的問題，可通過鍋爐改造與之匹配。文中對某燃用煙煤的循環流化床鍋爐改燒生物質燃料后出現的一系列問題進行分析，并采取了可行性改造方案，取得良好效果，望能給同類型企業轉型提供借鑒。