無(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐的節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃榮捷

(廣西柳鍋鍋爐制造有限公司，廣西 柳州 545005)

無(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐的節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃榮捷

(廣西柳鍋鍋爐制造有限公司，廣西 柳州 545005)

結(jié)合Ⅱ類無(wú)煙煤的特點(diǎn)，分析探討了針對(duì)低揮發(fā)分循環(huán)流化床20t/h無(wú)煙煤鍋爐的節(jié)能設(shè)計(jì)，其中采用較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區(qū)布置合適數(shù)量的埋管受熱面等環(huán)保技術(shù)措施。

循環(huán)流化床鍋爐;結(jié)構(gòu);節(jié)能;設(shè)計(jì);技術(shù)措施

工業(yè)鍋爐是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門及人民日常生活所需的熱能動(dòng)力設(shè)備，安全、節(jié)能、環(huán)保是國(guó)家對(duì)工業(yè)鍋爐產(chǎn)品考核的必要條件。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家在節(jié)能減排方面對(duì)工業(yè)鍋爐行業(yè)提出了更為嚴(yán)格的要求。2008年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的“‘十一五’十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見(jiàn)”將燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能列為十大重點(diǎn)節(jié)能工程首項(xiàng)，并提出開(kāi)發(fā)工業(yè)鍋爐節(jié)能產(chǎn)品和對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐進(jìn)行節(jié)能改造的要求。為此工業(yè)鍋爐行業(yè)積極響應(yīng)和努力貫徹，通過(guò)提高企業(yè)創(chuàng)新能力、加大科研、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的投入力度等措施，開(kāi)發(fā)出了不少行之有效的節(jié)能減排新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品，以滿足國(guó)家和市場(chǎng)的需求。

1 無(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐是近三十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型燃燒設(shè)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(yīng)性廣，具有強(qiáng)化燃燒及傳熱的特點(diǎn)，且是一種低溫燃燒方式，有利于爐內(nèi)除硫，故受到國(guó)內(nèi)外鍋爐行業(yè)的廣泛重視，加上產(chǎn)品在運(yùn)行熱效率及環(huán)保性能等方面水平的不斷提高，是當(dāng)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(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐是為了適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需要而開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，針對(duì)Ⅱ類無(wú)煙煤燃燒特性和節(jié)能、環(huán)保的要求，設(shè)計(jì)時(shí)采用了較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區(qū)布置適當(dāng)數(shù)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(fēng)分離器、熱管空預(yù)器等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，形成了高效燃燒爐膛，燃燒Ⅱ類無(wú)煙煤時(shí)取得了顯著的節(jié)能和環(huán)保效果。該鍋爐的研制成功標(biāo)志著我國(guó)循環(huán)流化床燃用Ⅱ類無(wú)煙煤的燃燒技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段，為廣大無(wú)煙煤鍋爐用戶提供了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的鍋爐新產(chǎn)品，成功地解決了我國(guó)低揮發(fā)分無(wú)煙煤在循環(huán)流化床鍋爐上著火、穩(wěn)定燃燒及燃盡的技術(shù)難題，并取得了重大突破。經(jīng)國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)機(jī)械工業(yè)鍋爐及環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)，該產(chǎn)品燃用Ⅱ類無(wú)煙煤時(shí)，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好，鍋爐熱效率為83.49%，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高18.49%，每臺(tái)鍋爐一年（按300天計(jì)）可節(jié)約煤7267t；20臺(tái)可節(jié)約煤14.5萬(wàn)t；煙氣黑度小于林格曼1級(jí)，符合《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GWPB3-1999）中二類地區(qū)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(fēng)噪聲和鍋爐房噪聲等環(huán)保指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，環(huán)保效益顯著。通過(guò)熱工和環(huán)保測(cè)試，證明SHXF20-1.6-WⅡ型循環(huán)流化床鍋爐各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前該高效節(jié)能鍋爐已批量投產(chǎn)，暢銷國(guó)內(nèi)各地，深受用戶好評(píng)。

2 鍋爐設(shè)計(jì)主要規(guī)范

2.1 鍋爐參數(shù)

額定蒸發(fā)量20t/h；額定蒸氣壓力1.6MPa；額定蒸氣溫度204℃；給水溫度105℃；設(shè)計(jì)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(duì)流管受熱面積283.74m2；省煤器受熱面積354m2；熱管空預(yù)器受熱面積35.29m2；布風(fēng)板有效面積6.08m2；密相區(qū)空截面風(fēng)速（150℃）1.03m/s；稀相區(qū)空截面氣速2.47m/s；風(fēng)帽小孔平均風(fēng)速（150℃）48.76m/s；風(fēng)帽平均開(kāi)孔率2.12%；設(shè)計(jì)燃料為Ⅱ類無(wú)煙煤Vr（可燃基揮發(fā)分）≤5%。

2.2 設(shè)計(jì)煤種及特性

該鍋爐設(shè)計(jì)煤種為極低揮發(fā)分（Vr≤5%）的Ⅱ類無(wú)煙煤。無(wú)煙煤是埋藏年代最久、炭化程度最深、揮發(fā)分最低的一個(gè)煤種。我國(guó)的無(wú)煙煤儲(chǔ)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(qū)，如陽(yáng)泉礦區(qū)、晉城礦區(qū)、焦作礦區(qū)、京西礦區(qū)、遵義礦區(qū)、芙蓉礦區(qū)的無(wú)煙煤都很出名，而福建省的五個(gè)礦務(wù)局幾乎全部為 Vr≤5%的低揮發(fā)分無(wú)煙煤。據(jù)調(diào)查了解，目前全國(guó)已有23個(gè)省市（約400個(gè)礦）大量開(kāi)采無(wú)煙煤資源，并用作工業(yè)鍋爐燃料。無(wú)煙煤表面具有明亮的黑色光澤，燃燒時(shí)僅有很短的青蘭色火焰。無(wú)煙煤按其著火程度分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類無(wú)煙煤中，Ⅱ類無(wú)煙煤燃燒化學(xué)性能差、熱傳導(dǎo)能力低，著火非常困難，燃盡也極為不易。

Ⅱ類無(wú)煙煤的主要特性是：

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

（2）細(xì)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(zhì)硬而脆，燃燒時(shí)會(huì)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(fā)熱量較高。

由于Ⅱ類無(wú)煙煤質(zhì)硬且細(xì)碎，在高溫的爐膛內(nèi)還會(huì)爆裂成更細(xì)的煤屑，故在運(yùn)行中實(shí)際的微細(xì)顆粒比原來(lái)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(guān)重要的問(wèn)題。采用循環(huán)流化床鍋爐燃用Ⅰ類無(wú)煙煤的爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒組織、分離器形式、物料循環(huán)系統(tǒng)和防磨損等的設(shè)計(jì)必須有特別的技術(shù)措施。

3 鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鍋爐采用雙鍋筒橫置式M形布置，螺旋給煤機(jī)并列布置在爐前，燃煤由滑差變速電機(jī)帶動(dòng)給煤機(jī)正壓送入循環(huán)流化床內(nèi)。從送風(fēng)機(jī)出來(lái)的冷空氣經(jīng)熱管空氣預(yù)熱器加熱至150℃左右。經(jīng)熱風(fēng)道大部分進(jìn)入等壓風(fēng)室，流經(jīng)布風(fēng)板小風(fēng)帽進(jìn)入流化床參加燃燒，另一部分作為播煤風(fēng)，回料風(fēng)及二次風(fēng)進(jìn)入爐膛參加燃燒。所產(chǎn)生的煙氣先后流經(jīng)密相區(qū)、稀相區(qū)、凝渣管、U形慣性分離器煙道、組合式旋風(fēng)分離器、燃盡室、對(duì)流管束、最后流經(jīng)I級(jí)省煤器、熱管空預(yù)器、Ⅱ級(jí)省煤器和除塵器后由煙囪排入大氣。

3.1 爐膛設(shè)計(jì)

針對(duì)Ⅱ類無(wú)煙煤著火溫度高，煤末比例大的特性在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，要?jiǎng)?chuàng)造兩個(gè)高效燃燒爐膛的條件：

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

（2）保證微米級(jí)的灰粒（高中溫分離器不容易分離下來(lái)的細(xì)小飛灰粒子）在爐內(nèi)有一定的停留時(shí)間。因?yàn)檩^大的煤顆粒能被高溫分離器分離下來(lái)，重新進(jìn)入爐內(nèi)循環(huán)燃燒，爐內(nèi)停留時(shí)間很長(zhǎng)，燃盡率高；而微小飛灰顆粒所占的比例不少，但其經(jīng)過(guò)高溫爐膛的機(jī)會(huì)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(guān)鍵因素之一。為此采取了下列設(shè)計(jì)措施：

1）對(duì)于難燃的低揮發(fā)分Ⅱ類無(wú)煙煤的工業(yè)鍋爐不宜采用高速循環(huán)床，而只能采用低倍率循環(huán)床，保持較少的循環(huán)物料是合適的。流化速度的選取十分重要，因?yàn)椴煌牧骰俣仁紫葧?huì)影響燃煤的停留時(shí)間，不但會(huì)影響燃煤一次通過(guò)爐膛能否燃盡的最大顆粒徑，而且會(huì)影響循環(huán)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(qū)和稀相區(qū)之間的熱量分配比例不同。顯然，密相區(qū)流化速度較低時(shí)，大量燃煤在密相區(qū)內(nèi)燃燒。為了保持合適的密相區(qū)溫度，可在該區(qū)布置較多的埋管受熱面，當(dāng)密相區(qū)流化速度較大時(shí)則不布置埋管受熱面，而在稀相區(qū)布置較多的水冷壁。密相區(qū)和稀相區(qū)較低的流化速度加上較高的爐膛，可使煤粒的停留時(shí)間延長(zhǎng)，提高燃盡程度。

該鍋爐設(shè)計(jì)了較高的爐膛高度。密相區(qū)布置了埋管受熱面，其流化速度為3.1m/s左右，稀相區(qū)流化速度為2.4m/s，這樣煤粒在高溫爐膛內(nèi)停留時(shí)間達(dá)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(tài)燃料與密相區(qū)熾熱燃料混合并可迅速加熱到著火溫度以上。為保護(hù)給煤機(jī)頭部不被燒壞和避免煤進(jìn)入爐內(nèi)堆集及提高燃燒效率，給煤機(jī)頭部外殼加裝了播煤二次風(fēng)。布風(fēng)板縱向采用不等開(kāi)孔率的小風(fēng)帽，使得密相區(qū)燃料形成爐內(nèi)循環(huán)，有助于延長(zhǎng)煤在爐內(nèi)高溫區(qū)的燃燒時(shí)間，進(jìn)而有利于提高飛灰的燃盡程度。

3）密相區(qū)布置有斜橫埋管，額定負(fù)荷下，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，密相區(qū)沸下、沸上溫度均在1000℃～1060℃，分離器分離下來(lái)的灰顆粒用熱風(fēng)輸送亦在沸上處進(jìn)入循環(huán)燃燒，在沸上與稀相區(qū)下部間爐膛不布置受熱面，稀相區(qū)中上部只在前后墻布置水冷壁，而兩側(cè)墻不布置水冷壁，形成了有一定高度的爐膛衛(wèi)燃帶。爐膛內(nèi)襯用高鋁耐火磚，在內(nèi)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(shè)計(jì)保證了整個(gè)爐膛溫度始終保持在Ⅱ類無(wú)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(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該鍋爐灰粒分離循環(huán)系統(tǒng)有三級(jí)，第一級(jí)是爐膛出口的U形慣性分離器；第二級(jí)是組合式旋風(fēng)分離器；第三級(jí)是對(duì)流管束下部煙氣轉(zhuǎn)彎慣性分離室。前二級(jí)屬高溫分離。這三級(jí)分離器分別與立管和回料器組成5個(gè)獨(dú)立的灰粒循環(huán)系統(tǒng)并均用熱風(fēng)送入密相區(qū)或密相區(qū)上方高溫區(qū)內(nèi)循環(huán)燃燒。由于三級(jí)分離均采用高、中溫爐內(nèi)分離循環(huán)方式，有較高溫度的灰粒用150℃左右的熱風(fēng)送入爐內(nèi)密相高溫區(qū)燃燒，其效果是十分顯著的。

3.3 防磨設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外的循環(huán)流化床鍋爐研制過(guò)程中都會(huì)碰到某些部件磨損和防磨設(shè)計(jì)的問(wèn)題。該設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)理尚不完全清楚，但流化速度對(duì)磨損有直接影響。因此該設(shè)計(jì)采用較低的流化速度。密相區(qū)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(nèi)表面及磚縫磨損，設(shè)計(jì)時(shí)在整個(gè)爐膛及U形段等后面幾個(gè)部位涂上科光871高溫膠泥，如在密相區(qū)周圍內(nèi)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(tài)時(shí)以化學(xué)黏結(jié)為主，以及在高溫狀態(tài)時(shí)以陶瓷燒結(jié)為主的雙重黏結(jié)功能，并且高溫性能好，黏接力強(qiáng)，抗熱震，耐磨擦，防腐蝕。

3.4 采用熱管空氣預(yù)熱器

在兩級(jí)省煤器之間布置有熱管空氣預(yù)熱器，熱管向上傾斜10°。煙氣段長(zhǎng)1.5m，空氣段長(zhǎng)1.2m，光管規(guī)格為Ф32mm，縱向l0排，橫向26排，總受熱面積35.29m2。熱管空氣預(yù)熱器與列管式空氣預(yù)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(jié)構(gòu)十分緊湊。同時(shí)由于熱管管壁溫度較高，對(duì)防止低溫腐蝕和黏結(jié)性積灰十分有利。該鍋爐采用熱管空氣預(yù)熱器，熱風(fēng)達(dá)到150℃左右；作為一次風(fēng)、回料風(fēng)、播煤風(fēng)和二次風(fēng)，對(duì)促進(jìn)無(wú)煙煤穩(wěn)定燃燒是有利的。

4 鍋爐的主要特點(diǎn)

該鍋爐采用了一系列特別的技術(shù)措施，盡可能多地將較粗煤顆粒在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。對(duì)于被氣流帶出爐膛的細(xì)顆粒，通過(guò)高中溫分離裝置和回料器輸入爐膛實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)燃燒，以提高煤粒的燃盡程度，從而解決了Ⅱ類無(wú)煙煤在循環(huán)流化床鍋爐上著火、燃燒和燃盡等技術(shù)難題，并同時(shí)降低了鍋爐出口的煙塵濃度，在環(huán)保方面取得較好的效果。經(jīng)測(cè)試，燃用Ⅱ類無(wú)煙煤時(shí)鍋爐熱效率＞80%，煙塵排放濃度等指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ類無(wú)煙煤循環(huán)流化床鍋爐，針對(duì)無(wú)煙煤的燃燒特性和節(jié)能、環(huán)保的要求，采用較高爐膛及較低空截面氣速，在密相區(qū)布置合適數(shù)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(fēng)分離器、熱管空預(yù)器等技術(shù)措施，形成了高效燃燒爐膛，燃燒Ⅱ類無(wú)煙煤時(shí)取得顯著的節(jié)能和環(huán)保效果，為廣大無(wú)煙煤、劣質(zhì)煙煤鍋爐用戶提供了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的鍋爐產(chǎn)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(jí)工程師，主要從事Ⅱ類無(wú)煙煤和燃油燃?xì)飧咝Ч?jié)能工業(yè)鍋爐的研究與設(shè)計(jì)。參與研制的 8個(gè)項(xiàng)目均獲福建省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)，2000年獲第五屆福建青年科技獎(jiǎng)。