循環(huán)流化床燃燒技術(shù)在層燃鍋爐改造中的應(yīng)用分析

張兵，林乃照，林震歐

（溫州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江溫州，325000）

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)在層燃鍋爐改造中的應(yīng)用分析

張兵，林乃照，林震歐

（溫州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江溫州，325000）

近年來，國家對(duì)節(jié)能減排的力度不斷加大，鍋爐的節(jié)能減排工作尚有潛力可挖。本文首先提出了針對(duì)燃煤鍋爐的技術(shù)改造方案，即利用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，在原有層燃鍋爐基礎(chǔ)上加置循環(huán)流化床爐膛及受熱面。其次分析了加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐改造的經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性及市場需求等方面，明確了鏈條爐排鍋爐進(jìn)行循環(huán)流化床爐膛改造項(xiàng)目的可行性。

鍋爐改造；燃燒；循環(huán)流化床

引言

隨著我國對(duì)安全、節(jié)能和環(huán)保方面的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定及要求逐年提高，加速推進(jìn)節(jié)能減排工作成為相關(guān)行業(yè)工作的重點(diǎn)，工業(yè)鍋爐技術(shù)改造面臨新課題和新挑戰(zhàn)。近年來，在我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展進(jìn)程中，能源利用率低、消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理、供需矛盾加劇等問題日益突出，生態(tài)環(huán)境惡化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾加劇，在很大程度上制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速健康發(fā)展。

“十二五”期間，我國頒布了《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》。規(guī)劃明確提出了九大重點(diǎn)節(jié)能工程，其中位列之首的就是工業(yè)鍋爐窯爐節(jié)能改造工程，其目標(biāo)是在五年間，鍋爐平均運(yùn)行效率提高5個(gè)百分點(diǎn)?！笆濉钡囊?guī)劃提出了更嚴(yán)格的措施，即要推動(dòng)低碳循環(huán)發(fā)展，一些效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重的舊式燃煤鍋爐將被改造、淘汰。

1 鍋爐改造背景與重點(diǎn)

1.1污染情況

據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)工業(yè)燃煤鍋爐分會(huì)調(diào)查情況可知：

（1）我國目前在用燃煤工業(yè)鍋爐約48萬余臺(tái)，每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4億噸，約占我國煤炭消耗總量的四分之一；

（2）我國燃煤工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率約60%～65%，這一指標(biāo)比國際先進(jìn)水平低15～20個(gè)百分點(diǎn)；

（3）我國每年排放煙塵約200萬噸，二氧化硫約600萬噸，是僅次于火電廠的第二大煤煙型污染源。不僅能源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且污染也較為嚴(yán)重。

上世紀(jì)80年代初，我國開始研究、開發(fā)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，其主要目的是解決劣質(zhì)煤的應(yīng)用問題。有關(guān)研究單位和高校積極參加，循環(huán)流化床鍋爐使用數(shù)量和單臺(tái)容量指標(biāo)等逐年增加，蒸汽參數(shù)從低壓、中壓、次高壓、高壓到超高壓。目前正在研制、開發(fā)超臨界參數(shù)的600 MW～800 MW循環(huán)流化床鍋爐，以滿足我國大型電站的迫切需求。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)正以高效、清潔、低污染的趨勢(shì)快速發(fā)展。

1.2改造重點(diǎn)

為了達(dá)到工業(yè)鍋爐節(jié)能減排目的，本文提出一種全新且有效的工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)：加置循環(huán)流化床爐膛及受熱面鍋爐，其思路是在原層燃鍋爐基礎(chǔ)上加置循環(huán)流化床爐膛及受熱面。技術(shù)重點(diǎn)有三方面［1-4］：

（1）加置方式。加置方式有兩種，一種是在原有鍋爐前部緊靠前墻加置循環(huán)流化床爐膛及受熱面；另一種是在原有鍋爐側(cè)面（左、右側(cè)）緊靠側(cè)墻加置循環(huán)流化床爐膛及受熱面。兩種方式有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是加置的爐膛及受熱面應(yīng)與原鍋爐前墻或側(cè)墻緊密連接，以充分利用燃燒熱量，降低散熱損失，提高鍋爐熱效率。

（2）煙氣流程。改造后的流程如下：燃料經(jīng)過煤斗，通過絞龍進(jìn)料到布風(fēng)板，在流化風(fēng)作用下進(jìn)行流化燃燒；燃燒產(chǎn)生的煙氣及未燃盡的細(xì)煤粒經(jīng)爐膛上方通過水平煙道，以切圓方向高速進(jìn)入氣固物料分離器；高速煙氣在氣固物料分離器的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，未燃盡的煤顆粒在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒。

（3） 循環(huán)再利用。分離出的煙氣進(jìn)入原層燃鍋爐爐膛進(jìn)行以對(duì)流為主的傳熱，再進(jìn)入省煤器、空氣預(yù)熱器等尾部受熱面。

2 鍋爐改造經(jīng)濟(jì)性分析

鍋爐改造后，燃料僅需破碎到10 mm以下，無需磨煤制粉系統(tǒng)。循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高，無煙煤可達(dá)97%，其它煤可達(dá)98%～99.5%，可與煤粉燃燒相當(dāng)。排煙溫度、排煙過量空氣系數(shù)和飛灰可燃物是影響鍋爐效率的三個(gè)主要因素。

為了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，循環(huán)流化床鍋爐可以在很小的負(fù)壓甚至微正壓下運(yùn)行，與改造前原有工業(yè)鍋爐相比，爐膛壓力更高，這使得爐膛煤灰粒子的揚(yáng)析作用加強(qiáng)，爐內(nèi)密相區(qū)一次風(fēng)夾帶作用加強(qiáng)，爐內(nèi)循環(huán)倍率得以提高，爐內(nèi)灰粒子濃度上升，從而有利于加強(qiáng)爐內(nèi)的傳熱作用。同時(shí)，由于小顆粒燃料在系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)，在爐內(nèi)停留時(shí)間延長，遠(yuǎn)大于其本身的燃燒時(shí)間，就使得燃盡程度得到提高，飛灰可燃物含量下降，燃燒效率上升至97%～99.5%。加置循環(huán)流化床鍋爐后，爐內(nèi)可燃物燃燒放出的化學(xué)熱不會(huì)被及時(shí)帶走，爐膛密相區(qū)床溫上升，可燃物燃盡條件優(yōu)越，燃燒效率上升。

因爐內(nèi)壓力上升，爐內(nèi)密相區(qū)可燃物粒子之間的碰撞、磨損、爆裂作用加強(qiáng)，從而致使?fàn)t內(nèi)燃燒程度加強(qiáng)，爐渣可燃物含量降低。加置循環(huán)流化床爐膛的鍋爐相對(duì)于原層燃鍋爐而言，爐膛密封性好，漏風(fēng)系數(shù)極小，從而便于控制參與燃燒的空氣量，進(jìn)而控制排煙的過量空氣系數(shù)，使排煙熱損失降到最低。表1是對(duì)某廠加置爐膛循環(huán)流化床鍋爐改造前后的測(cè)試數(shù)據(jù)分析。

表1　加置爐膛循環(huán)流化床鍋爐改造前后測(cè)試數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出：與鏈條鍋爐相比，加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐后，雖然電機(jī)總功率增加，但平均熱效率得到提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯，一年時(shí)間就能收回鍋爐改造投資。表1中是以煙煤計(jì)算的，在實(shí)際過程中，加置爐膛循環(huán)流化床鍋爐能夠燃用貧煤、煤矸石、焦炭等劣質(zhì)煤，經(jīng)濟(jì)效益則更加顯著。經(jīng)監(jiān)測(cè)，加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐符合《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》（GB24500-2009）及《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》（TSG G0002-2010）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定［5，6］。

3 鍋爐改造安全性分析

循環(huán)流化床鍋爐燃料適應(yīng)性廣，各種優(yōu)/劣質(zhì)燃料，如優(yōu)/劣質(zhì)煙煤（包括高硫煤）、無煙煤、泥煤、煤泥、矸石、爐渣、油焦、焦炭、生活垃圾、生物質(zhì)廢料等幾乎都可燃用。這可有效避免鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)燃料不相符帶來的安全隱患問題。改造后的加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐裝有就地水位指示表，并有高低水位及極限低水位連鎖自動(dòng)保護(hù)裝置，且有鍋爐出口蒸汽壓力超壓的報(bào)警信號(hào)和指示信號(hào)燈以及連鎖保護(hù)裝置，當(dāng)極限低水位和蒸汽壓力超壓連鎖保護(hù)裝置作動(dòng)時(shí)，能夠可靠地停止燃料的供給和送風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并裝設(shè)鼓引風(fēng)機(jī)電氣連鎖及啟動(dòng)、停止順序控制功能。爐膛設(shè)置有爐膛火焰監(jiān)測(cè)、負(fù)壓過低報(bào)警和保護(hù)裝置，并有給煤量調(diào)節(jié)裝置。床壓、床溫、排煙溫度等監(jiān)測(cè)信號(hào)均接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠使得床壓控制在合理范圍內(nèi)，既能夠保證鍋爐安全運(yùn)行，又能夠維持合理且穩(wěn)定的床溫，負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)使得安全可靠性得到保證。

煙氣在爐內(nèi)及尾部煙道的流動(dòng)速率降低，對(duì)對(duì)流受熱面及尾部受熱面的磨損作用下降，可有效防止受熱面管子磨損減薄。另外，原有鍋爐水冷壁管從原先的輻射傳熱改造為對(duì)流傳熱，熱流密度降低，可有效防止由于水垢等問題造成的變形、鼓包、爆管等問題。再加上低溫燃燒的特性，可有效防止?fàn)t膛受熱面出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。

改造設(shè)計(jì)書、受壓元件強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則、安全閥排放量計(jì)算準(zhǔn)則、水動(dòng)力計(jì)算書等可由改造設(shè)計(jì)單位進(jìn)行制定。

4 鍋爐改造環(huán)保性分析

爐內(nèi)可直接加石灰石脫硫，其成本低、脫硫效率高，且當(dāng)Ca/S比為1.5～2.5時(shí)，脫硫效率可達(dá)85%～90%。石灰石可循環(huán)利用，其利用率比常規(guī)流化床鍋爐提高近一倍。爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)分段送風(fēng)、低溫燃燒，且NOx排放量低（煤粉爐排放量的1/3～1/4）。

物料在鍋爐中反復(fù)循環(huán)再燃燒，形成較均勻的濃度場、溫度場，為燃盡和脫硫提供了良好的條件。循環(huán)流化床鍋爐需要加入石灰石進(jìn)行脫硫，而加置循環(huán)流化床鍋爐改造后，適用于6噸以上的鍋爐，這些鍋爐由于環(huán)保的要求，原先大都裝有水膜脫硫設(shè)備，因而可利用原有的脫硫設(shè)備進(jìn)行脫硫，降低投資成本。另一方面，流化床燃燒室的燃燒溫度是900℃左右，該值恰好是最佳的脫硫溫度，可有效抑制二氧化硫的生成。由于低溫燃燒以及分段送風(fēng)的特性，氮氧化物排放濃度可控制在120 ppm以下（氮氧化物的生成溫度約為1000℃），這是鏈條鍋爐難以實(shí)現(xiàn)的。表2是某廠鍋爐改造前后污染物排放的對(duì)比。

表2　鍋爐加置循環(huán)流化床改造前后污染物排放對(duì)比表

由表2可以看出：在鍋爐改造前，污染物排放濃度游離在國家標(biāo)準(zhǔn)之外，大部分企業(yè)由于自身管理不善，平常排放往往超出國家標(biāo)準(zhǔn)，長期以往，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。而改造后的鍋爐污染物排放均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是煙塵排放濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)的1/4，環(huán)保效益明顯，符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展。另外，灰渣可綜合利用，減少環(huán)境污染。因其低溫燃燒，灰渣可保持活性，故可用于制作水泥、提煉稀有金屬（如硒、鍺）等。

5 鍋爐改造市場性分析

我國在用燃煤工業(yè)鍋爐的80%為20噸以下的鍋爐，這些鍋爐分布于造紙、印染、電鍍、染整、紡織、化工等各個(gè)領(lǐng)域。然而，往往這些企業(yè)同時(shí)又是中小型企業(yè)，鍋爐管理不善，燃料燃燒效率、鍋爐熱效率均不理想，環(huán)境污染亦相當(dāng)嚴(yán)重。對(duì)這些鍋爐進(jìn)行加置循環(huán)流化床爐膛改造，可使企業(yè)、生態(tài)環(huán)境達(dá)到共贏。

加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐改造后燃料適應(yīng)性廣，可高效穩(wěn)定燃燒各種優(yōu)/劣質(zhì)燃料，如優(yōu)/劣質(zhì)煙煤（包括高硫煤）、無煙煤、泥煤、煤矸石、焦煤、生活垃圾以及生物燃料等。相比于循環(huán)流化床鍋爐，加置循環(huán)流化床爐膛鍋爐對(duì)燃料顆粒大小要求不高（僅 13 mm以下即可），故無需磨煤制粉系統(tǒng)，運(yùn)行管理靈活方便。負(fù)荷調(diào)節(jié)比例可達(dá)25%～110%，即即使在低達(dá)25%的負(fù)荷下仍可穩(wěn)定運(yùn)行，且熱效率仍可高達(dá)80%以上。負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，約為5 %/min。點(diǎn)火啟動(dòng)、停爐也比較方便。在冷爐情況下，點(diǎn)火只需20分鐘左右，達(dá)到熱爐狀態(tài)只需5分鐘左右，壓火時(shí)間可達(dá)24小時(shí)。

6 結(jié)束語

由于循環(huán)流化床燃燒技術(shù)鍋爐改造后的外部環(huán)境和它本身具備的一系列優(yōu)點(diǎn)，相信循環(huán)流化床燃燒技術(shù)鍋爐改造一定可以被社會(huì)接受認(rèn)可。

［1］孫艷芬， 丁洪生. 鏈條式燃煤鍋爐改造及其脫硫除塵措施［J］.廣東化工， 2009， 36（7）: 124-126.

［2］吳錦坤， 羅坤， 胡桂林，等. 鼓泡流化床流動(dòng)特性的直接顆粒模擬［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2007， 41（3）:155-156.

［3］王裕明， 張力， 冉景煜. 循環(huán)流化床鍋爐沸上結(jié)灰焦特性及防止方法［J］. 燃燒科學(xué)與技術(shù)， 2007， 13（5）:407-413.

［4］郭建軍， 丁永輝. 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)在130t/h煤粉鍋爐改造中的應(yīng)用［J］. 設(shè)備管理與維修， 2007（3）:32-34.

［5］TSG G0002-2010. 鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程［S］.

［6］TSG G0003-2010. 工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則［S］.

Application and Analysis of Circulating Fluidized Bed Combustion Technology in Boiler Retrofit

Bing Zhang， Naizhao Lin， Zhen'ou Lin（Wenzhou Special Equipment Inspection and Research Institute， Wenzhou， Zhejiang， 325000， China）

In recent years， efforts of energy conservation and emission reduction continue to increase in China. The boiler energy conservation work has the potential to be tapped. In this paper， the technical transformation scheme of coal fired boiler is put forward， which is by using the circulating fluidized bed combustion technology to add circulating fluidized bed furnace and heating surface. This paper also analyses the set of circulating fluidized bed boiler furnace transformation economy， safety， environmental protection and market demand aspects， indicating the feasibility of circulation fluidized bed boiler renovation project of chain grate boiler.

Boiler Reform； Burning； Circulating Fluidized Bed

TK4.1+

A

2095-8412 （2016） 04-602-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.005

張兵（1984-），男，工程師，研究方向：承壓類特種設(shè)備安全技術(shù)。

林乃照（1983-），男，工程師，研究方向：承壓類特種設(shè)備安全技術(shù)。

林震歐（1970-），男，工程師，研究方向：承壓類特種設(shè)備安全技術(shù)。E-mail: 326109580@qq.com