汪佩寧,蔡潤(rùn)夏,柳成亮，蘇 虎,張 縵，楊海瑞

(1.清華大學(xué)熱能工程系 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西 汾陽(yáng) 032200；3.東方鍋爐廠(集團(tuán))股份有限公司 技術(shù)中心，四川 成都 611731)

300 MWe節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

汪佩寧1,蔡潤(rùn)夏1,柳成亮2，蘇 虎3,張 縵1，楊海瑞1

(1.清華大學(xué)熱能工程系 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西 汾陽(yáng) 032200；3.東方鍋爐廠(集團(tuán))股份有限公司 技術(shù)中心，四川 成都 611731)

依照清華大學(xué)提出的定態(tài)設(shè)計(jì)理念及基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)，東方鍋爐集團(tuán)公司完成了采用節(jié)能型設(shè)計(jì)的1 000 t/h循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品的制造與安裝。該產(chǎn)品已在晉能集團(tuán)國(guó)峰電廠投運(yùn)，運(yùn)行結(jié)果及各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：與采用相似設(shè)計(jì)參數(shù)的傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐相比，采用節(jié)能型設(shè)計(jì)的循環(huán)流化床鍋爐可以在更低的床壓降下運(yùn)行，廠用電率更低，受熱面磨損更?。欢物L(fēng)出口位置顆粒濃度更低，二次風(fēng)穿透更深，飛灰含碳量、SO2排放可以得到有效控制；受益于爐內(nèi)還原性氣氛的構(gòu)造，NO排放相較于燃用類似煤種的傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐也大為降低。

循環(huán)流化床鍋爐；節(jié)能型；低床壓降；低NO排放

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)是一種在我國(guó)劣質(zhì)煤燃用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的清潔煤技術(shù)，其近些年來(lái)的發(fā)展主要集中在兩個(gè)方面：高參數(shù)大型化及低能耗低排放。隨著CFB鍋爐可用率、可靠性的提高，以及更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，節(jié)能減排日益成為CFB燃燒技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。就經(jīng)濟(jì)性而言，傳統(tǒng)CFB鍋爐與煤粉爐相比仍存在較大差距，比如供電煤耗平均要高1%～3%、廠用電率則要高2%～3%[1]；在污染物排放方面，CFB鍋爐由于爐內(nèi)脫硫的采用及更低的NO原始排放而表現(xiàn)出的在污染物控制成本方面的優(yōu)勢(shì)，也隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格而受到挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)基于自身在理論研究和工業(yè)實(shí)踐方面取得的經(jīng)驗(yàn)與成果，在定態(tài)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上[2]，提出了基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，并形成了全套的設(shè)計(jì)導(dǎo)則及計(jì)算方法。此前于小容量CFB鍋爐上的工程實(shí)踐已實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染排放的優(yōu)異性能[3-5]。東方鍋爐集團(tuán)公司完成采用節(jié)能型設(shè)計(jì)的1 000 t/h循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品的制造與安裝，并在晉能集團(tuán)國(guó)峰電廠投運(yùn)。

1 節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)理論

循環(huán)流化床鍋爐爐膛作為一種氣固垂直流動(dòng)系統(tǒng)，爐膛內(nèi)的氣固流態(tài)及與之相關(guān)的顆粒濃度軸向分布對(duì)于爐內(nèi)燃燒、傳熱、傳質(zhì)性能有著決定性的影響。CFB鍋爐爐膛內(nèi)的氣固流態(tài)可以認(rèn)為是由爐內(nèi)有效床料構(gòu)成的快速床及底部無(wú)效床料構(gòu)成的鼓泡床疊加形成的復(fù)合流態(tài)[6]。所謂有效床料，即終端速度小于流化風(fēng)速，能夠使物料循環(huán)，直接影響爐內(nèi)傳熱系數(shù)及受熱面布置的物料顆粒。無(wú)效床料則是終端速度大于流化風(fēng)速，只能在爐膛底部形成鼓泡床或湍動(dòng)床，幾乎不影響爐膛傳熱性能的部分顆粒[7]。所謂流態(tài)重構(gòu)，是指利用快速床的多態(tài)性，在維持爐膛上部顆粒濃度及與之相關(guān)的傳熱性能的前提下，通過(guò)優(yōu)化床料質(zhì)量，減少無(wú)效床料，達(dá)到減小風(fēng)機(jī)壓頭、降低廠用電率、減輕受熱面磨損的目的。

實(shí)現(xiàn)流態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵在于床料質(zhì)量的優(yōu)化，而床料質(zhì)量是由爐內(nèi)物料平衡決定的，即流態(tài)重構(gòu)需要通過(guò)爐內(nèi)物料平衡的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。具體而言，需要的條件如下：

1)分離器具有足夠高的分離效率，以保證鍋爐對(duì)有效床料的保存能力；

2)配有優(yōu)化的物料回送裝置，以防止氣體反竄對(duì)分離器效率的不利影響；

3)合理控制入爐煤粒度，以保證其成灰主要集中在有效床料的粒度范圍[9]。

此外，在爐內(nèi)的物料濃度分布、傳熱系數(shù)及燃燒份額分配等方面，流態(tài)重構(gòu)將使得節(jié)能型CFB鍋爐與傳統(tǒng)鍋爐有較大差別。因此，需要重新調(diào)整受熱面布置面積和布置形式，以滿足鍋爐的性能要求[10]。

流態(tài)重構(gòu)同樣會(huì)對(duì)二次風(fēng)穿透深度、爐內(nèi)氧化還原氣氛分配產(chǎn)生深刻影響，進(jìn)而影響鍋爐燃燒效率及污染物排放水平。清華大學(xué)節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)建議減少二次風(fēng)層數(shù)以增強(qiáng)二次風(fēng)剛度，提高其穿透深度[11]；調(diào)高二次風(fēng)高度以保證燃料在一次風(fēng)區(qū)還原性氣氛下的停留時(shí)間，保持低NO生成[12]。

2 節(jié)能型300MWe CFB鍋爐簡(jiǎn)介

2.1 鍋爐設(shè)計(jì)規(guī)范

該鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 燃料特性

該爐設(shè)計(jì)煤種為當(dāng)?shù)責(zé)熋海涮匦匀绫?所示。干燥無(wú)灰基揮發(fā)分高達(dá)30%，收到基水分為9.2%。

表2 煤種特性

注：燃料的入爐粒度范圍為：0～9 mm，d50=1.5 mm。

循環(huán)流化床中，參與物料循環(huán)的有效床料主要是來(lái)自于煤中的灰和脫硫劑。因此，CFB鍋爐的物料平衡主要取決于灰的平衡[8]。對(duì)于低床壓降下運(yùn)行的CFB鍋爐，由于床存量的降低，無(wú)效床料通過(guò)退檔現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為有效床料的過(guò)程將受到限制，物料平衡對(duì)于煤的本征成灰特性將變得更為敏感?；谀ズ暮退榱褜?duì)煤最終成灰的粒徑分布的影響是相互獨(dú)立的，清華大學(xué)提出了靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩的方法開展煤種成灰特性的實(shí)驗(yàn)研究[9]，依此得到了設(shè)計(jì)煤樣的成灰特性，如圖1所示。

圖1 華寶中煤的成灰特性

華寶中煤的灰分含量約為41.5%，低位熱值為14 510 kJ/kg，揮發(fā)分含量較高，燃燒劇烈，熱應(yīng)力及揮發(fā)分析出會(huì)導(dǎo)致劇烈爆裂現(xiàn)象。由圖1可知，在0～500 μm檔的煤顆粒成灰中，100～300 μm 的份額占64%，其余各檔成灰在100～300 μm的份額也往往大于10%。因此，華寶中煤的成灰性能較好，但受給煤粒度的影響較大。通過(guò)合理控制給煤粒度，應(yīng)該可以滿足低床壓降運(yùn)行時(shí)鍋爐對(duì)循環(huán)流率及爐膛上部顆粒懸浮濃度的要求。

2.3 鍋爐基本結(jié)構(gòu)

該鍋爐為亞臨界、單汽包、自然循環(huán)、循環(huán)流化床鍋爐，主體結(jié)構(gòu)由膜式水冷壁爐膛、3臺(tái)冷卻式旋風(fēng)分離器和尾部豎井組成，每臺(tái)旋風(fēng)分離器下方各布置一臺(tái)一進(jìn)二出結(jié)構(gòu)的U型回料閥。8個(gè)給煤口在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。6個(gè)排渣口布置在爐膛后墻水冷壁下部，分別對(duì)應(yīng)6臺(tái)滾筒式冷渣器，如圖2所示。

圖2 節(jié)能型300 MWe循環(huán)流化床鍋爐的基本結(jié)構(gòu)

循環(huán)流化床鍋爐能夠進(jìn)行流態(tài)遷移的關(guān)鍵在于新的物料平衡的構(gòu)筑。CFB鍋爐作為一進(jìn)二出的開口系統(tǒng)，其物料平衡及與之相關(guān)的物料粒度、濃度分布是由給煤粒度及成灰特性、分離器效率、排渣粒度特性、料腿反竄控制、流化風(fēng)速選取等綜合作用的結(jié)果[6]。即是說(shuō)，節(jié)能型設(shè)計(jì)對(duì)鍋爐上述部件的性能提出了更高的要求。

2.4 主要技術(shù)特點(diǎn)

為保證系統(tǒng)對(duì)有效床料的保存能力，該鍋爐分離器采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化以獲得更高的分離效率。通過(guò)優(yōu)化返料風(fēng)量，在保持回料閥高流率返料能力的同時(shí)，降低料腿內(nèi)的氣體反竄量，避免氣體反竄對(duì)分離效率的影響。此外，通過(guò)二次風(fēng)口及風(fēng)道布置設(shè)計(jì)優(yōu)化，增強(qiáng)二次風(fēng)噴射剛度，提高其穿透深度，抑制爐內(nèi)貧氧區(qū)的形成；同時(shí)，上移上、下二次風(fēng)口高度，優(yōu)化爐內(nèi)氧化還原氣氛的分配，以獲得更低的污染物排放。

為保證鍋爐在低床存量下仍能滿足爐膛傳熱的要求，節(jié)能型CFB鍋爐需要在新的流態(tài)、新的氣固懸浮背景下對(duì)爐內(nèi)燃燒份額分配、傳熱系數(shù)選取進(jìn)行重新考慮，并據(jù)此安排受熱面布置面積及布置形式。該鍋爐前墻布置有6片中溫過(guò)熱器管屏、6片高溫過(guò)熱器管屏、6片高溫再熱器管屏及1片水冷隔墻，后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。

3 鍋爐實(shí)際運(yùn)行性能

目前，該節(jié)能型1 000 t/h CFB鍋爐已經(jīng)在晉能集團(tuán)國(guó)峰電廠投運(yùn)數(shù)月有余，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)計(jì)值基本吻合。

3.1 低床壓降運(yùn)行

該鍋爐由于采用了節(jié)能型設(shè)計(jì)，可以在較低的床壓降下運(yùn)行。床壓降的降低顯著地降低了風(fēng)機(jī)壓頭，使得風(fēng)機(jī)能耗大幅降低。如表3中所示，維持負(fù)荷在220 MWe附近，床壓降由9.57 kPa降低至6.64 kPa，一次風(fēng)機(jī)能耗可以降低21%；由于二次風(fēng)出口位置顆粒濃度降低，二次風(fēng)機(jī)背壓降低，風(fēng)機(jī)能耗也同樣略有下降。同時(shí)，由于節(jié)能型CFB鍋爐床料平均粒徑較細(xì)，床存量的降低對(duì)稀相區(qū)顆粒濃度的影響有限，表3中稀相區(qū)壓差僅略有降低。與之對(duì)應(yīng)的，床溫在降低床存量后略有升高。受益于二次風(fēng)出口背壓的降低，二次風(fēng)穿透深度隨之增加，爐內(nèi)燃料與氧氣的混合得到加強(qiáng)。因此，飛灰含碳量隨床壓降的降低而有所下降。床壓降的降低并未顯著改變爐內(nèi)NO的生成量，且NO排放水平始終維持在100 mg/Nm3以下。

表3 節(jié)能型300MWe循環(huán)流化床鍋爐低床壓降運(yùn)行

3.2 一、二次風(fēng)運(yùn)行優(yōu)化

對(duì)于該節(jié)能型CFB鍋爐，在低床壓降運(yùn)行的前提下，通過(guò)優(yōu)化其一、二次風(fēng)配比，鍋爐性能有望得到進(jìn)一步的提升。得益于節(jié)能型CFB鍋爐爐內(nèi)更高的床料質(zhì)量，該鍋爐在二次風(fēng)率較高的條件下依然可以維持足夠的物料循環(huán)，保證鍋爐正常的帶負(fù)荷能力。如表4所示，二次風(fēng)率升高后，稀相區(qū)壓差僅略有下降，床溫有所升高，但依然可以滿足鍋爐的負(fù)荷要求。此外，二次風(fēng)的增加提升了二次風(fēng)的穿透深度，加強(qiáng)了爐內(nèi)的氣固混合效率，使得飛灰含碳量有所降低。另外，由于二次風(fēng)機(jī)出口壓力遠(yuǎn)小于一次風(fēng)機(jī)，二次風(fēng)率的增加在一定程度上還可起到降低風(fēng)機(jī)能耗的效果。

表4 節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐一、二次風(fēng)運(yùn)行優(yōu)化

3.3 污染物排放控制

該鍋爐燃用煤種含氮量為1.15%，如表3、表4所示，在不同運(yùn)行工況下，NO排放量始終低于100 mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行168 h滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，NO原始排放可以控制在59 mg/Nm3左右，顯著低于燃用類似煤種的傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐。造成這一現(xiàn)象的原因與節(jié)能型設(shè)計(jì)的CFB鍋爐內(nèi)存在更強(qiáng)的局部還原性反應(yīng)氣氛有關(guān)。更低的床料粒徑將使得密相區(qū)氣泡相與乳化相間的傳質(zhì)阻力加大，增強(qiáng)了乳化相中的還原性氣氛；另一方面，由于粒徑更細(xì)的顆粒更傾向于團(tuán)聚，再考慮到流態(tài)重構(gòu)往往會(huì)使稀相區(qū)顆粒濃度相較于傳統(tǒng)流化床鍋爐更高，因此，采用節(jié)能型設(shè)計(jì)的CFB鍋爐稀相區(qū)往往存在更多的顆粒團(tuán)，顆粒團(tuán)內(nèi)部由于燃料顆粒的富集往往處于還原性氣氛下，從而抑制了NO的生成[12]。

該鍋爐燃用煤種含硫量為1.57%，屬高硫煤種。因此，在采用爐內(nèi)脫硫的同時(shí)，還加裝了半干法脫硫裝置，以保證鍋爐污染物排放達(dá)標(biāo)。因?yàn)槲膊繜煔饷摿蜓b置的存在，實(shí)際運(yùn)行中爐內(nèi)脫硫的負(fù)擔(dān)得以減輕，無(wú)需全力運(yùn)行，其噴鈣脫硫鈣硫比往往小于1.5。如表4所示，在這樣的運(yùn)行條件下，二次風(fēng)率的升高帶來(lái)了脫硫塔入口SO2濃度的降低。造成這一現(xiàn)象的原因可能與二次風(fēng)穿透深度隨二次風(fēng)率的增加而增加有關(guān)。二次風(fēng)穿透深度增加，氧氣與石灰石的接觸效率隨之提升，從而使得爐內(nèi)脫硫效率升高，脫硫島入口SO2濃度降低。

4 結(jié) 論

1)對(duì)采用節(jié)能型設(shè)計(jì)的某1 000 t/h循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)踐研究，其結(jié)果表明，基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床低床壓降運(yùn)行技術(shù)有助于減少風(fēng)機(jī)能耗，降低CFB鍋爐的廠用電率，減輕磨耗；

2)低床壓降運(yùn)行有助于提高二次風(fēng)穿透深度，降低飛灰含碳量，提高鍋爐燃燒效率；

3)一、二次風(fēng)的運(yùn)行優(yōu)化有助于提升節(jié)能型CFB鍋爐的性能表現(xiàn)；

4)更高的二次風(fēng)率有助于加強(qiáng)爐內(nèi)氧氣與脫硫劑的混合，提高脫硫效率；

5)成功的流態(tài)重構(gòu)有助于優(yōu)化爐內(nèi)氧化還原氣氛的分配，降低NO的原始排放。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對(duì) 佟金鍇)

Design and Operation of a 300 MWe Low Energy Consumption CFB Boiler

WANG Pei-ning1,CAI Run-xia1,LIU Cheng-liang2,SU Hu3,ZHANG Man1,YANG Hai-rui1

(1.Department of Thermal Engineering,Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry Education,Tsinghua University,Beijing 100084; 2 Shangxi Guofeng Coal Power Plant Co.Ltd.,Fenyang 032200,Shanxi Province;3 Dongfang Boiler (Group) Co.Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan Province)

Based on the concept of State Specification Design Theory and Low Energy Consumption (LEC) CFB Technology,a 300MWe LEC CFB boiler had been designed and installed by Dongfang Boiler Group Co.,Ltd.and was put into operation in Guofeng Power Plant,Jinneng Group Co.,Ltd..The operation performance of this CFB boiler demonstrated that the LEC design could not only make the boiler operate with a lower bed pressure drop and a lower energy consumption,but also lessen the formation of NO and enhance the performance of pollution control of CFB boilers.

Circulating fluidized bed boiler;Low energy consumption;Low bed pressure drop;NO formation

2016-09-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAA02B01)；科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(2011DFA60390)

汪佩寧(1991-)，男，甘肅會(huì)寧人，博士研究生。

楊海瑞(1972-)，男，北京人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事循環(huán)流化床鍋爐相關(guān)研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.004

TK229.6

A

1673-1603(2016)04-0308-06