循環(huán)流化床鍋爐低床壓防磨控制手段研究

宮立志

（中國石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

循環(huán)流化床鍋爐低床壓防磨控制手段研究

宮立志

（中國石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

在環(huán)?？刂迫遮厙栏竦男蝿菹拢鹆Πl(fā)電行業(yè)中，循環(huán)流化床鍋爐因低污染物排放而備受關注。但是，循環(huán)流化床的磨損失效問題始終制約著其長周期運行，當前多采用防護、緩沖、特種金屬材料等被動防護手段減緩主要換熱面磨損。分析磨損的根源因素，討論如何采取主動控制手段延緩鍋爐磨損，以延長鍋爐運行周期。

循環(huán)流化床鍋爐；低床壓；磨損

0 前言

近年來，我國制定和頒布了《中華人民共和國環(huán)境保護法》《中華人民共和國大氣污染防治法》等法律法規(guī)，以防范和控制環(huán)境污染問題，保護我們賴以生存的自然環(huán)境。生活過程中的能源消耗產(chǎn)物和各行業(yè)生產(chǎn)過程中的3廢排放，均會對環(huán)境造成影響。工業(yè)生產(chǎn)中對大氣污染最為嚴重的是的火力發(fā)電生產(chǎn)，自2012年1月1日起《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223——2011）開始執(zhí)行，對火力發(fā)電廠NOx，SO2，DST等污染物排放控制指標進一步降低，汞排放控制也有所要求；2015年12月2日，國務院常務會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，其中東、中部地區(qū)要提前至2017年和2018年達標，超低排放已經(jīng)開始全面推行?？梢?，在當今乃至未來較長時期，環(huán)保排放都將是生產(chǎn)經(jīng)營單位亟待解決的問題或有持續(xù)提高的要求，相應的對電力生產(chǎn)將有更加嚴格的要求，火電鍋爐的清潔生產(chǎn)和低污染排放控制已經(jīng)成為電力企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的重點工作之一。

在污染物排放控制方面，循環(huán)流化床鍋爐有著突出的優(yōu)勢，循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐具有較大優(yōu)勢，尤其在氮氧化物、二氧化硫等污染物生成控制方面有更突出的表現(xiàn)，一般流化床鍋爐工藝條件要求爐膛燃燒溫度在850～950℃，這恰好與爐脫硫脫硝最佳反應溫度850～1100℃相匹配。但是與煤粉爐相比，其長周期穩(wěn)定運行能力有明顯不足。例如，磨損失效問題涉及到灰渣沖刷磨損、蒸汽沖刷磨損、振動摩擦磨損等；過熱失效問題涉及到水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽循環(huán)系統(tǒng)等；輔助設備安全運行問題涉及到轉(zhuǎn)動設備故障問題、燃燒設備故障問題等；工藝控制因素涉及到床壓、汽溫、汽壓偏差以及偏差控制等。這里燃燒系統(tǒng)的灰渣沖刷磨損是導致鍋爐失效最為關鍵的、也是最難解決的問題。

以220 t/h循環(huán)流化床鍋爐的生產(chǎn)實踐為基礎，討論循環(huán)流化床鍋爐磨損失效的原因，研究在生產(chǎn)過程中如何采取有效措施控制鍋爐磨損，以避免計劃外停車，推進鍋爐長周期安全運行。

1220 t/h循環(huán)流化床鍋爐基本參數(shù)

通過在運行的循環(huán)流化床鍋爐看，各鍋爐制造廠家由于采取的工藝和技術特點不同，其生產(chǎn)的鍋爐運行過程中內(nèi)部物料濃度差別也很大，但均能取得很好的運行效果。運行經(jīng)驗表明，若想取得較好的循環(huán)流化工況，應該控制1 mm以下顆粒濃度＞80%，這有利于控制風機電耗和燃料燃盡度。

表1 循環(huán)流化床鍋爐的主要工作條件

2 鍋爐磨損情況實例

循環(huán)流化床鍋爐的工藝性要求其爐膛內(nèi)部的顆粒物料持續(xù)對換熱面沖刷，造成換熱面磨損導致鍋爐故障的問題較多。結合運行實際經(jīng)驗看，鍋爐部件磨損主要集中在：爐膛過渡區(qū)水冷壁、無耐火耐磨澆筑料稀相區(qū)水冷壁、水冷屏或屏過管排、給煤口附近、排渣口附近、風帽磨損等等，以及爐膛內(nèi)部突出部位、渦流區(qū)域、流向改變區(qū)域等部位（圖1）。

圖1 耐磨澆筑料的磨損和水冷壁的磨損泄漏

3 循環(huán)流化床鍋爐磨損基本理論

由于循環(huán)流化床鍋爐工藝要求其循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部保證滿足循環(huán)需要的顆粒狀物料，并且要以良好的粒度級配以實現(xiàn)分級燃燒，顆粒物料對鍋爐各受熱面的磨損控制，是保證鍋爐穩(wěn)定運行的核心問題。針對于循環(huán)流化床鍋爐磨損問題，一些熱工研究單位進行了專門的研究，一般公認的，物料對管壁磨損的速率與物料運動速度、濃度和粒度有關，具體為式（1）。

式中E——磨損速率，μm/100 h

W——物料速度，m/s

D——物料粒度，mm

U——物料濃度，kg/m2·s

從關系式（1）可見，物料對換熱面磨損速率與物料速度相關度最大，受物料粒度影響次之，與物料濃度關系較小。事實上為保證鍋爐的良好運行，物料粒度要保證一個合理數(shù)值，實際運行過程D值是有限度的，過大顆粒不能形成快速床狀態(tài)，并且其粒徑達到一定尺寸后，在送風和顆粒等摩擦力作用下無法達到無澆筑料的水冷壁區(qū)域，不能對換熱面造成磨損，其最直接的影響是床料流化異常，大顆粒大量沉積后造成流化風穿透、翻床甚至結焦等問題。因此，在研究過程中需要重點討論的是物料速度和物料濃度控制問題。

4 鍋爐低床壓運行及其可靠性

循環(huán)流化床鍋爐技術發(fā)展到現(xiàn)階段，控制低床壓運行是其發(fā)展趨勢。在各鍋爐制造企業(yè)、調(diào)試單位、電力生產(chǎn)企業(yè)等已達成共識，尤其在電力生產(chǎn)企業(yè)，從實踐中積累了較豐富的經(jīng)驗。低床壓的目的主要是控制循環(huán)物料量，按前文所述，若鍋爐床壓從15 kPa（靜止床料量1.1 m）降至7 kPa（靜止床料量0.6 m），按靜止床料量分析，爐膛內(nèi)循環(huán)床料減少50%，相應沖刷磨損速率要降低一倍。

（1）低床壓運行的先決條件和優(yōu)點。一是要保證鍋爐布風板的良好性能，由于布風板上部床料量減少，布風的均勻性尤為重要，圖2為布風板阻力試驗的實測曲線，布風板結構（包括風帽等附屬部件）是不變的，但其阻力與送風量有明顯的線性關系，圖2是220 t/h循環(huán)流化床鍋爐布風板阻力系數(shù)K值可依測試數(shù)據(jù)按（2）式計算，計算后得K=19。（2）式中流量和風壓變化量取自實測結果。K值對運行控制判斷有重要意義，實際應用過程可以根據(jù)運行床壓，依據(jù)系數(shù)K，計算此床壓下的布風板阻力，以運行床壓與布風板阻力床估算床料量。

圖2220 t/h循環(huán)流化床鍋爐布風板阻力曲線在線測試圖

式中ΔQ——流量變化量，km3/h

ΔP——風壓變化量，kPa

二是入爐燃料的粒度限制低床壓運行的穩(wěn)定性，如果床壓過低，鍋爐送風很容易穿透床層，出現(xiàn)溝流，尤其是入爐燃料粒度過大，在床壓過低情況下，一次風對床料的流化作用減弱，床料顆（大顆粒）粒間隙增多、增大，送風直接穿透料層，造成死床狀態(tài)，另外燃料揮發(fā)分迅速燃燒（觀察創(chuàng)面，床層不動，火苗自顆?？障陡Z出），床層不流化，造成床層結焦。

三是低床壓運行，床層蓄熱量降低，床溫不穩(wěn)定性增強，燃料品質(zhì)不變化時，床溫會比較低，燃料的燃盡度降低，鍋爐排渣一出現(xiàn)較多不完全燃燒成分。

四是一次風送風阻力減小，運行過程布風板阻力降低，風機電流明顯降低，有利于降低風機功耗，控制生產(chǎn)成本。

（2）低床壓運行的可靠性分析。高床壓運行狀況除風機功耗高、磨損嚴重等問題外，還有一個重要問題就是壓床。圖3為鍋爐壓床狀態(tài)下的床壓波動曲線?？梢姡矇侯l繁劇烈波動，波峰值為壓床狀態(tài)，物料流化減弱甚至局部出現(xiàn)不流動。這種壓床很容易造成鍋爐結焦、非金屬補償器損壞、風箱撕裂等嚴重問題。此時料層壓力為9.5 kPa，與啟動前冷態(tài)試驗阻力比較，瞬間床料量已經(jīng)達到啟動用床料的兩倍。鍋爐基本處于不流化狀態(tài)，送風勉強維持鼓泡床狀態(tài)，爐膛出口溫度急劇下降，鍋爐負荷降低40%以上，風室壓力已經(jīng)達到風機額定出力，爐膛負壓嚴重超標。

低床壓運行可以更有效地保障鍋爐穩(wěn)定運行。運行調(diào)整中兼顧灰渣含碳損失控制、床料流化性能控制和床溫均勻性控制，結合鍋爐6 kPa和16 kPa工況等極限狀態(tài)工藝指標情況，鍋爐穩(wěn)定運行最低床壓控制在7～8 kPa范圍較為理想。這種低床壓工況相比15 kPa運行狀態(tài)，循環(huán)灰量大幅減少，對控制磨損，促進鍋爐長周期運行極為有利。并且，實踐證實，鍋爐在6.5 kPa左右床壓參數(shù)下可以穩(wěn)定運行。因此，關于上述提出的控制范圍屬于安全范圍。

圖3 鍋爐壓床狀態(tài)床壓波動曲線

另外低床壓時，密相區(qū)和稀相區(qū)的過渡段降低，可將顆粒返混高度很好的控制在有耐磨澆筑料的區(qū)域；相應的密相區(qū)物料濃度也有明顯降低，有利于給煤和回料的順利進入爐膛；低床壓運行，一般床溫較低，可以有效規(guī)避結焦風險。

5 結論

所討論的低床壓運行方法是對磨損源頭的控制，其與其他防磨手段配合應用，可實現(xiàn)鍋爐長周期穩(wěn)定運行，循環(huán)流化床鍋爐主要換熱面可以穩(wěn)定運行200 d以上。鍋爐故障率的下降，有利于降低檢維修工作量，有利于延長鍋爐使用壽命，更有利于降低生產(chǎn)成本。

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〔編輯利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.11