一种循环流化床残炭锅炉的设计

赵拓 翟建楠 侯学军

(中科清能燃气技术(北京)有限公司，北京 100083)

0 引言

循环流化床煤气化会产生灰渣和残炭，灰渣的含炭量较低，低于8%，燃烧利用价值不大；而残炭的低位发热量约为3000kcal/kg 左右，含灰量大、挥发分低、燃烧利用价值高，在常规的燃煤CFB 锅炉内燃烧困难。目前好多企业将残炭送到锅炉中燃烧，不仅燃烧效果不好，而且与煤的配比难，掺烧量有限，还会导致锅炉尾部受热面积灰严重，大大降低了锅炉的效率。

为了有效处理循环流化床气化产生的固废残炭，研发设计了循环流化床残炭锅炉，有效解决了环保与能源利用问题，使循环流化床煤气化技术更加完善。残炭锅炉采取了特殊燃烧残炭工艺，成功实现了煤气化后残炭的高效燃烧，残炭锅炉不仅处理了固废，还可生产各种参数的蒸汽，为客户提供了一条可靠的残炭处理途径，实现了环保与经济双赢。

1 锅炉设计基本条件

1.1 锅炉形式与设计参数

锅炉型式：循环流化床锅炉 额定蒸发量：20t/h。

额定蒸汽压力： 3.82MPa 额定蒸汽温度：450℃。

锅筒工作压力：4.2MPa 锅炉循环方式：自然循环

给水温度：104℃。

1.2 设计燃料

锅炉设计燃料煤气化后的残炭，其粒径为0～0.2mm，其元素分析、工业分析如表1 所示。

表1 残炭的元素分析、工业分析

2 锅炉总体布置

2.1 整体概述

锅炉由炉膛、旋风分离器、返料器、尾部烟道等单元组成。炉膛采用膜式水冷壁结构，炉膛底部为水冷布风板，炉底布置点火燃烧器。旋风分离器布置在炉膛出口和尾部烟道之间，返料器布置在旋风分离器底部，尾部烟道中从上到下依次布置有高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器。残炭从返料器加入，残炭和循环灰混合后进入炉膛，延长了残炭燃料在炉内的停留时间，可有效的提高残炭的燃烧效率。

2.2 锅炉汽水系统

锅炉给水经过给水操作平台后一路进入省煤器进口集箱，经过两级错排布置的蛇形管省煤器引至汽包。另一路进入喷水减温器，调节低温过热器的出口蒸汽温度。锅炉汽包内的锅水由下降管分配到膜式水冷壁下集箱，经膜式水冷壁加热后成为汽水混合物，随后将汽水混合物引入汽包进行汽水分离。被分离出来的水进入汽包水空间，进行再循环。分离出来的饱和蒸汽从汽包顶部连接管引至过热器，经过过热器将蒸汽过热，最后引至热器集汽集箱将过热蒸汽外供。

2.3 锅炉烟风系统

空气采用一次风和二次风两级送风。一次风分为二路，第一路引至炉前螺旋给煤机，作为播煤风，随给煤一起进入炉膛，第二路进入经由风道引入炉膛下部的水冷风室，经过布风板上的风帽进入炉膛。高压流化风机供给返料器所需的高压流化风。残炭在炉膛内燃烧后产生的高温烟气流经尾部烟道的高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器，然后经除尘系统和脱硫系统排向大气。

2.4 锅炉基本尺寸

锅炉钢架最高处标高：25500mm

锅炉运转层标高：6000mm

锅炉中心左、右柱宽度：4300mm

锅炉前、后柱深度：12400 mm

锅筒中心标高：25000mm

炉膛布风板：1300×2900mm2

炉膛上部横断面：3000×3000mm2

过热器烟道横断面：1600×2500mm2

省煤器横断面：1600×2500mm2

空预器横断面：1600×2500mm2

3 锅炉主要系统的设计

3.1 燃烧过程组织

残炭从返料器的返料腿加入，热空气从炉底风帽加入，残炭和热空气在炉膛内掺混燃烧，并与膜式水冷壁受热面进行热交换。烟气中携带的物料与细粉灰大部分被分离器分离下来，经返料器返回炉膛，其余烟气携带少量的未被分离的细粉灰进入尾部受热面继续换热。

3.2 炉膛下部结构

本锅炉炉膛上部横断面为3000×3000mm2，工作温度950℃，炉膛下部横断面为2900×1300mm2，工作温度930℃，炉膛形成上大下小的结构。布风板上均匀布置142 只风帽，风帽帽头采用高温耐磨合金精密铸造。

3.3 气固分离与返料

本锅炉旋风分离器为特殊的高效分离元件，进口速度可达30m/s,能够有效的分离烟气中携带100μm 以下的细灰。筒体内壁面及烟道进口通道内壁面均敷设防磨浇注料。整个物料分离和返料回路的工作温度为950℃。

3.4 锅炉的排渣

残炭燃烧后的固废以飞灰形式从尾部排出。就本设计燃料残炭粒度而言，底渣排放量为0%，飞灰占总灰量的100%。如更换燃料需要排底渣时，底渣从布风板上的放渣管排出炉膛。

3.5 锅炉残炭的加入

点火启动时需要先燃煤，待锅炉建立循环且炉膛底部温度900℃以上时可少量分多次投入残炭，待残炭燃烧后可逐步减少给煤，同时增加残炭投入量，直至全部燃料为残炭后停止给煤。

残炭给料口布置在返料器下部的料腿上，给料方式为气力输送。残炭和循环灰混合后从炉膛下部进入炉膛，可有效延长残炭燃料在炉内的停留时间，提高残炭的燃烧效率。

4 锅炉设计特点

(1)锅炉旋风分离器高效设计，可有效分离烟气中携带的细粉灰。

(2)残炭在锅炉中燃烧，不用添加任何辅助床料，即可建立稳定物料循环。

(3)炉膛运行温度为900～950℃。

(4)炉膛低流化速度，增加物料停留时间。

(5)残炭采用气力输送到返料器处，经返料器预热后再进入炉膛，提高残炭的燃烧效率。

5 结语

目前，该循环流化床残炭锅炉已经在甘肃某地投入运行，并且运行状况良好，各项指标都达到了设计要求，社会经济效益明显。残炭锅炉按照年平均80%负荷计算，每小时可消耗气化飞灰4t，按照年运行8300h/a 可处理气化飞灰33200t，节约标准煤15000t 左右，大大解决了环保问题，同时又带来了经济效益。