无烟煤循环流化床锅炉的节能及环保设计

福建省锅炉压力容器检验研究院何锦坤



无烟煤循环流化床锅炉的节能及环保设计

福建省锅炉压力容器检验研究院
何锦坤

[摘要]该文结合Ⅱ类无烟煤的特点，分析了针对低挥发分循环流化床无烟煤锅炉设计时采用较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置合适数量的埋管受热面等节能与环保的技术措施。

[关键词]循环流化床锅炉 结构 技术特点 节能环保

1 前言

SHXF20-1.6-WⅡ型Ⅱ类无烟煤循环流化床锅炉是为了适应市场发展的需要而开发的新产品，针对Ⅱ类无烟煤燃烧特性和节能、环保的要求，设计时采用较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置合适数量的埋管受热面及其它防磨措施，布置U形惯性分离器和组合式旋风分离器、热管空预器等方面进行了创新，形成了高效燃烧炉膛，燃烧Ⅱ类无烟煤时取得显著的节能和环保效果。该锅炉的研制成功标志着我国循环流化床燃用Ⅱ类无烟煤的燃烧技术进入一个新阶段，为广大无烟煤锅炉用户提供了一种高效、节能、环保的锅炉新产品，成功解决了我国低挥发分无烟煤在循环流化床锅炉上着火、稳定燃烧及燃烬的技术难题，并到得了重大突破。该产品燃用Ⅱ类无烟煤时，负荷调节性能好，锅炉热效率83.49%，比国家标准高18.49个百分点，每台锅炉一年（按300天计）可节约煤7267吨；20台可节约煤14.5万吨。同时烟气黑度小于林格曼1级，符合GWPB3-1999《锅炉大气污染物排放标准》中二类地区的要求。锅炉出口初始排尘浓度及锅炉烟尘排放和SO2排放、鼓、引风噪声和锅炉房噪声等环保指标均达到国家标准和设计要求，环保效益显著。通过热工和环保测试，证明锅炉各项性能指标均达到或超过了设计和有关标准的要求。鉴定意见认为：“SHXF20-1.6-WⅡ型循环流化床锅炉填补了我国工业锅炉行业产品系列型谱的空白，属国内首创，居国内领先水平，并具有同类产品国际先进水平。”目前该高效节能锅炉已批量投产，畅销省内外，深受用户好评。该项目荣获第四届“6.18”海峡两岸职工创新成果展金奖。

无烟煤循环流化床锅炉工艺详见图1。

2 锅炉设计主要规范

2.1 锅炉参数

①额定蒸发量：20 t/h；

②额定蒸汽压力：1.6 MPa；

③额定蒸汽温度：204 ℃；

④给水温度：105 ℃；

⑤设计效率：80.97 %；埋管受热面积：24.72 m2；水冷壁受热面积：32.19 m2；凝渣管受热面积：11.79 m2；对流管受热面积：283.74 m2；省煤器受热面积：354 m2；热管空预器受热面积：35.29 m2；布风板有效面积；6.08 m2；密相区空截面风速(150℃ )：1.03 m/s；稀相区空截面气速：2.47 m/s；风帽小孔平均风速(150℃ )：48.76 m/s；风帽平均开孔率：2.12%；设计燃料：Ⅱ类无烟煤Vr≤5%。

2.2 设计煤种及特性

本锅炉设计煤种为极低挥发分(Vr≤5%)的Ⅱ类无烟煤。无烟煤是埋藏年代最久、碳化程度最深、挥发分最低的一个煤种。我国的无烟煤储量较大，仅次于烟煤，约3600亿吨，多分布于华北、西南和中南地区，如阳泉矿区、晋城矿区、焦作矿区、京西矿区、遵义矿区、芙蓉矿区的无烟煤都很出名，而福建省的五个矿务局几乎全部为Vr≤ 5%的低挥发分无烟煤。据调查了解，目前全国已有23个省市(约400个矿)大量开采无烟煤资源，并用于工业锅炉作燃料。无烟煤表面具有明亮的黑色光泽，燃烧时仅有很短的青兰色火焰。无烟煤按其着火程度分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类无烟煤中，Ⅱ类无烟煤燃烧化学性能差、热传导能力低，着火非常困难，燃烬也极为不易。

3 锅炉结构特点

本锅炉采用双锅筒横置式M形布置，螺旋给煤机并列布置在炉前，燃煤由滑差变速电机带动给煤机正压送入循环流化床内。从送风机出来的冷空气经热管空气预热器加热至150℃左右。经热风道大部分进入等压风室，流经布风板小风帽进入流化床参加燃烧，另一部分作为播煤风，回料风及二次风进入炉膛参加燃烧。所产生的烟气先后流经密相区、稀相区、凝渣管、U形惯性分离器烟道、组合式旋风分离器、燃烬室、对流管束、最后流经I级省煤器、热管空预器、Ⅱ级省煤器和除尘器后由烟囱排入大气。

3.1 炉膛设计

针对Ⅱ类无烟煤着火温度高、煤末比例大的特性，在炉膛设计时要创造两个高效燃烧炉膛的条件：（1）保证整个炉膛自下而上的温度始终保持在Ⅱ类无烟煤着火温度900℃ 以上，以确保在不结焦的前提下煤颗粒沿整个炉膛高度处于着火燃烧状态。要保证反应活性差的Ⅱ类无烟煤的高效燃烧，保持适宜的床层和整个炉膛温度水平至关重要。本锅炉在各种负荷下运行时，沸下温度 1030～1060℃，稀相区上段930～990 ℃，炉膛出口900℃左右；（2）保证微米级的灰粒（高中温分离器不容易分离下来的细小飞灰粒子）在炉内有一定的停留时间。因为较大的煤颗料能被高温分离器分离下来，重新进入炉内循环燃烧，炉内停留时间很长，燃尽率高。而那些微小飞灰粒子所占的比例不少，它经过高温炉膛的机会只有一次，以后就被烟气带走，尽可能提高这部分飞灰中炭的燃烬程度，是提高锅炉热效率的关键因素之一。本锅炉设计了较高的炉膛高度。密相区布置了埋管受热面，其流化速度为3.1 m/s左右，稀相区流化速度为2.4 m/s，这样煤粒在高温炉膛内停留时间将达到4 s 。足够炉膛高度可有效提高燃料的燃烬率，降低飞灰含碳量，保证较高的燃烧效率。

3.2 灰粒分离循环系统设计

本锅炉灰粒分离循环系统有三级，第一级是炉膛出口的U形惯性分离器，第二级是组合式旋风分离器，第三级是对流管束下部烟气转弯惯性分离室。前二级属高温分离。这三级分离器分别与立管和回料器组成，形成了5个独立的灰粒循环系统，并均用热风送入密相区或密相区上方高温区内循环燃烧。由于三级分离均采用高、中温炉内分离循环方式，有较高温度的灰颗粒用150℃左右的热风送入炉内密相高温区燃烧，其效果是十分显著的。

3.3 防磨设计

国内外在循环床锅炉研制过程中都会碰到某些部件磨损和防磨设计的问题。为防止砖墙内表面及砖缝磨损，在整个炉膛及U形段等后面几个部位涂上科光871高温胶泥，如在密相区周围内墙壁上涂一层5～100 mm LS-8高温胶泥，分离器元件间用LS-硅，U形段及各隔墙砖缝也用871高温胶泥。这种高温胶泥具有在低温状态时以化学粘结为主、在高温状态时以陶瓷烧结为主的双重粘结功能，高温性能好，粘接力强，抗热震，耐摩擦，防腐蚀等特点。

3.4 采用热管空气预热器

在两级省煤器之间布置有热管空气预热器，热管向上倾斜10 °。烟气段长1.5m，空气段长1.2m，光管规格φ32，纵向10排，横向26排，总受热面积35.29m2。热管是高效传热元件，热管空气预热器与列管式空气预热器相比，其传热量可增加2～3倍，而且结构十分紧凑。同时由于热管管壁温度较高，对防止低温腐蚀和粘结性积灰十分有利。本锅炉采用热管空预器，热风达到150℃左右；作为一次风、回料风、播煤风和二次风，对促进无烟煤稳定燃烧是有利的。

4 结束语

SHXF20-1.6-WⅡ型循环流化床锅炉，针对无烟煤的燃烧特性和节能、环保的要求，采用较高炉膛及较低空截面气速，在密相区布置合适数量的埋管受热面及其他防磨措施，布置U形惯性分离器和组合式旋风分离器、热管空预器等技术措施，形成了高效燃烧炉膛，燃烧Ⅱ类无烟煤时取得显著的节能和环保效果，为广大无烟煤、劣质烟煤锅炉用户提供了一种高效、节能、环保的锅炉产品。