循环流化床燃烧技术在层燃锅炉改造中的应用分析

张兵，林乃照，林震欧

（温州市特种设备检测研究院，浙江温州，325000）

循环流化床燃烧技术在层燃锅炉改造中的应用分析

张兵，林乃照，林震欧

（温州市特种设备检测研究院，浙江温州，325000）

近年来，国家对节能减排的力度不断加大，锅炉的节能减排工作尚有潜力可挖。本文首先提出了针对燃煤锅炉的技术改造方案，即利用循环流化床燃烧技术，在原有层燃锅炉基础上加置循环流化床炉膛及受热面。其次分析了加置循环流化床炉膛锅炉改造的经济性、安全性、环保性及市场需求等方面，明确了链条炉排锅炉进行循环流化床炉膛改造项目的可行性。

锅炉改造；燃烧；循环流化床

引言

随着我国对安全、节能和环保方面的标准、规定及要求逐年提高，加速推进节能减排工作成为相关行业工作的重点，工业锅炉技术改造面临新课题和新挑战。近年来，在我国经济的高速发展进程中，能源利用率低、消费结构不合理、供需矛盾加剧等问题日益突出，生态环境恶化与经济发展的矛盾加剧，在很大程度上制约经济持续快速健康发展。

“十二五”期间，我国颁布了《工业节能“十二五”规划》。规划明确提出了九大重点节能工程，其中位列之首的就是工业锅炉窑炉节能改造工程，其目标是在五年间，锅炉平均运行效率提高5个百分点。“十三五”的规划提出了更严格的措施，即要推动低碳循环发展，一些效率低、环境污染严重的旧式燃煤锅炉将被改造、淘汰。

1 锅炉改造背景与重点

1.1污染情况

据中国电器工业协会工业燃煤锅炉分会调查情况可知：

（1）我国目前在用燃煤工业锅炉约48万余台，每年消耗标准煤约4亿吨，约占我国煤炭消耗总量的四分之一；

（2）我国燃煤工业锅炉平均运行效率约60%～65%，这一指标比国际先进水平低15～20个百分点；

（3）我国每年排放烟尘约200万吨，二氧化硫约600万吨，是仅次于火电厂的第二大煤烟型污染源。不仅能源浪费严重，而且污染也较为严重。

上世纪80年代初，我国开始研究、开发循环流化床燃烧技术，其主要目的是解决劣质煤的应用问题。有关研究单位和高校积极参加，循环流化床锅炉使用数量和单台容量指标等逐年增加，蒸汽参数从低压、中压、次高压、高压到超高压。目前正在研制、开发超临界参数的600 MW～800 MW循环流化床锅炉，以满足我国大型电站的迫切需求。循环流化床燃烧技术正以高效、清洁、低污染的趋势快速发展。

1.2改造重点

为了达到工业锅炉节能减排目的，本文提出一种全新且有效的工业锅炉节能技术：加置循环流化床炉膛及受热面锅炉，其思路是在原层燃锅炉基础上加置循环流化床炉膛及受热面。技术重点有三方面［1-4］：

（1）加置方式。加置方式有两种，一种是在原有锅炉前部紧靠前墙加置循环流化床炉膛及受热面；另一种是在原有锅炉侧面（左、右侧）紧靠侧墙加置循环流化床炉膛及受热面。两种方式有一个共同点，那就是加置的炉膛及受热面应与原锅炉前墙或侧墙紧密连接，以充分利用燃烧热量，降低散热损失，提高锅炉热效率。

（2）烟气流程。改造后的流程如下：燃料经过煤斗，通过绞龙进料到布风板，在流化风作用下进行流化燃烧；燃烧产生的烟气及未燃尽的细煤粒经炉膛上方通过水平烟道，以切圆方向高速进入气固物料分离器；高速烟气在气固物料分离器的作用下产生旋转，未燃尽的煤颗粒在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧。

（3） 循环再利用。分离出的烟气进入原层燃锅炉炉膛进行以对流为主的传热，再进入省煤器、空气预热器等尾部受热面。

2 锅炉改造经济性分析

锅炉改造后，燃料仅需破碎到10 mm以下，无需磨煤制粉系统。循环流化床锅炉燃烧效率高，无烟煤可达97%，其它煤可达98%～99.5%，可与煤粉燃烧相当。排烟温度、排烟过量空气系数和飞灰可燃物是影响锅炉效率的三个主要因素。

为了提高运行的经济性，循环流化床锅炉可以在很小的负压甚至微正压下运行，与改造前原有工业锅炉相比，炉膛压力更高，这使得炉膛煤灰粒子的扬析作用加强，炉内密相区一次风夹带作用加强，炉内循环倍率得以提高，炉内灰粒子浓度上升，从而有利于加强炉内的传热作用。同时，由于小颗粒燃料在系统中反复循环，在炉内停留时间延长，远大于其本身的燃烧时间，就使得燃尽程度得到提高，飞灰可燃物含量下降，燃烧效率上升至97%～99.5%。加置循环流化床锅炉后，炉内可燃物燃烧放出的化学热不会被及时带走，炉膛密相区床温上升，可燃物燃尽条件优越，燃烧效率上升。

因炉内压力上升，炉内密相区可燃物粒子之间的碰撞、磨损、爆裂作用加强，从而致使炉内燃烧程度加强，炉渣可燃物含量降低。加置循环流化床炉膛的锅炉相对于原层燃锅炉而言，炉膛密封性好，漏风系数极小，从而便于控制参与燃烧的空气量，进而控制排烟的过量空气系数，使排烟热损失降到最低。表1是对某厂加置炉膛循环流化床锅炉改造前后的测试数据分析。

表1　加置炉膛循环流化床锅炉改造前后测试数据分析

从表1可以看出：与链条锅炉相比，加置循环流化床炉膛锅炉后，虽然电机总功率增加，但平均热效率得到提高，经济效益明显，一年时间就能收回锅炉改造投资。表1中是以烟煤计算的，在实际过程中，加置炉膛循环流化床锅炉能够燃用贫煤、煤矸石、焦炭等劣质煤，经济效益则更加显著。经监测，加置循环流化床炉膛锅炉符合《工业锅炉能效限定值及能效等级》（GB24500-2009）及《锅炉节能技术监督管理规程》（TSG G0002-2010）等标准规范的规定［5，6］。

3 锅炉改造安全性分析

循环流化床锅炉燃料适应性广，各种优/劣质燃料，如优/劣质烟煤（包括高硫煤）、无烟煤、泥煤、煤泥、矸石、炉渣、油焦、焦炭、生活垃圾、生物质废料等几乎都可燃用。这可有效避免锅炉实际运行工况与设计燃料不相符带来的安全隐患问题。改造后的加置循环流化床炉膛锅炉装有就地水位指示表，并有高低水位及极限低水位连锁自动保护装置，且有锅炉出口蒸汽压力超压的报警信号和指示信号灯以及连锁保护装置，当极限低水位和蒸汽压力超压连锁保护装置作动时，能够可靠地停止燃料的供给和送风机的运转，并装设鼓引风机电气连锁及启动、停止顺序控制功能。炉膛设置有炉膛火焰监测、负压过低报警和保护装置，并有给煤量调节装置。床压、床温、排烟温度等监测信号均接入计算机监控系统进行自动控制，能够使得床压控制在合理范围内，既能够保证锅炉安全运行，又能够维持合理且稳定的床温，负荷的自动调节使得安全可靠性得到保证。

烟气在炉内及尾部烟道的流动速率降低，对对流受热面及尾部受热面的磨损作用下降，可有效防止受热面管子磨损减薄。另外，原有锅炉水冷壁管从原先的辐射传热改造为对流传热，热流密度降低，可有效防止由于水垢等问题造成的变形、鼓包、爆管等问题。再加上低温燃烧的特性，可有效防止炉膛受热面出现结焦现象。

改造设计书、受压元件强度计算准则、安全阀排放量计算准则、水动力计算书等可由改造设计单位进行制定。

4 锅炉改造环保性分析

炉内可直接加石灰石脱硫，其成本低、脱硫效率高，且当Ca/S比为1.5～2.5时，脱硫效率可达85%～90%。石灰石可循环利用，其利用率比常规流化床锅炉提高近一倍。炉内实现分段送风、低温燃烧，且NOx排放量低（煤粉炉排放量的1/3～1/4）。

物料在锅炉中反复循环再燃烧，形成较均匀的浓度场、温度场，为燃尽和脱硫提供了良好的条件。循环流化床锅炉需要加入石灰石进行脱硫，而加置循环流化床锅炉改造后，适用于6吨以上的锅炉，这些锅炉由于环保的要求，原先大都装有水膜脱硫设备，因而可利用原有的脱硫设备进行脱硫，降低投资成本。另一方面，流化床燃烧室的燃烧温度是900℃左右，该值恰好是最佳的脱硫温度，可有效抑制二氧化硫的生成。由于低温燃烧以及分段送风的特性，氮氧化物排放浓度可控制在120 ppm以下（氮氧化物的生成温度约为1000℃），这是链条锅炉难以实现的。表2是某厂锅炉改造前后污染物排放的对比。

表2　锅炉加置循环流化床改造前后污染物排放对比表

由表2可以看出：在锅炉改造前，污染物排放浓度游离在国家标准之外，大部分企业由于自身管理不善，平常排放往往超出国家标准，长期以往，环境污染日益严重。而改造后的锅炉污染物排放均低于国家标准，尤其是烟尘排放浓度低于国家标准的1/4，环保效益明显，符合经济社会健康可持续发展。另外，灰渣可综合利用，减少环境污染。因其低温燃烧，灰渣可保持活性，故可用于制作水泥、提炼稀有金属（如硒、锗）等。

5 锅炉改造市场性分析

我国在用燃煤工业锅炉的80%为20吨以下的锅炉，这些锅炉分布于造纸、印染、电镀、染整、纺织、化工等各个领域。然而，往往这些企业同时又是中小型企业，锅炉管理不善，燃料燃烧效率、锅炉热效率均不理想，环境污染亦相当严重。对这些锅炉进行加置循环流化床炉膛改造，可使企业、生态环境达到共赢。

加置循环流化床炉膛锅炉改造后燃料适应性广，可高效稳定燃烧各种优/劣质燃料，如优/劣质烟煤（包括高硫煤）、无烟煤、泥煤、煤矸石、焦煤、生活垃圾以及生物燃料等。相比于循环流化床锅炉，加置循环流化床炉膛锅炉对燃料颗粒大小要求不高（仅 13 mm以下即可），故无需磨煤制粉系统，运行管理灵活方便。负荷调节比例可达25%～110%，即即使在低达25%的负荷下仍可稳定运行，且热效率仍可高达80%以上。负荷调节速度快，约为5 %/min。点火启动、停炉也比较方便。在冷炉情况下，点火只需20分钟左右，达到热炉状态只需5分钟左右，压火时间可达24小时。

6 结束语

由于循环流化床燃烧技术锅炉改造后的外部环境和它本身具备的一系列优点，相信循环流化床燃烧技术锅炉改造一定可以被社会接受认可。

［1］孙艳芬， 丁洪生. 链条式燃煤锅炉改造及其脱硫除尘措施［J］.广东化工， 2009， 36（7）: 124-126.

［2］吴锦坤， 罗坤， 胡桂林，等. 鼓泡流化床流动特性的直接颗粒模拟［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2007， 41（3）:155-156.

［3］王裕明， 张力， 冉景煜. 循环流化床锅炉沸上结灰焦特性及防止方法［J］. 燃烧科学与技术， 2007， 13（5）:407-413.

［4］郭建军， 丁永辉. 循环流化床燃烧技术在130t/h煤粉锅炉改造中的应用［J］. 设备管理与维修， 2007（3）:32-34.

［5］TSG G0002-2010. 锅炉节能技术监督管理规程［S］.

［6］TSG G0003-2010. 工业锅炉能效测试与评价规则［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

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.005

张兵（1984-），男，工程师，研究方向：承压类特种设备安全技术。

林乃照（1983-），男，工程师，研究方向：承压类特种设备安全技术。

林震欧（1970-），男，工程师，研究方向：承压类特种设备安全技术。E-mail: 326109580@qq.com