第三代CFB循环流化床锅炉技术

何 奇

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 镇江 212000）

煤的循环流化床燃烧是近二十多年来发展起来的燃煤新技术，是工业化程度最高的洁净煤燃烧技术，循环流化床锅炉采用流态化燃烧，主要结构包括燃烧室（包括密相区和稀相区）和循环回炉（包括高温气固分离器和返料系统）两大部分。与鼓泡流化床燃烧技术的最大区别是运行风速高，强化了燃烧和脱硝、脱硫等非均相反应过程，它是对传统层状燃烧(链条炉)和悬浮燃烧(煤粉炉)技术的一次重大革新。循环流化床锅炉的一些突出优点，如燃料适应性好、负荷调节范围宽、灰渣可综合利用等良好特性，已在国内运行的循环流化床锅炉上得到充分的体现。但是现在随着环境问题的日益突出，国家对于电厂的排放指标越来越严，新的环保要求需要严格控制NOx排放，由于尾部脱硝成本较高，所以迅速发展和应用大型低氮燃烧和高可靠性型循环流化床电站锅炉技术是正合时宜的。

DFG-150/9.8-M型高温高压循环流化床锅炉是江苏汇能重工有限公司为宁波经济开发区热电有限责任公司研制开发的150 t/h等级的第三代CFB循环流化床锅炉，对发展燃煤发电和供热，改善大气污染，节能降耗具有十分重要的意义。同时该锅炉的开发研制满足了市场需求，作为新一代的锅炉样板。本次设计、制造的150 t/h等级第三代CFB循环流化床锅炉遵循以下原则：

（1）采用经过长期运行考验过的燃烧设备、分离装置和返料装置。（2）采用经过长期运行考验过的前墙给煤与冷灰器。（3）采用经过长期运行考验过的大口径高动量二次风口布置。（4）采用可靠的一次风后墙点火燃烧筒进入布置。（5）具有安全运行可靠的防磨措施。（6）采用成熟可靠的膨胀密封结构，锅炉布置力求紧凑，外形整齐、美观。（7）最大可能地提高锅炉效率，节约能源，降低原始排尘浓度、NOx和SO2浓度。（8）最大可能地降低一二次风压头，降低一二次风机功率，降低能耗。（9）结构简单，便于安装、运行和维修，尽可能为用户创造方便条件。

通过近半年的运行，该炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、负荷调节范围广、运行电耗低、NOx、SO2污染物排放低和运行安全可靠等特点，深得用户的好评。2021年3月由中国特种设备检测研究院（国家锅炉压力容器质量监督检验中心）对150 t/h等级第三代CFB循环流化床锅炉分别进行了锅炉环保测试和电站锅炉定型产品能效测试，测试报告表明该锅炉性能指标达到了设计要求。

1 锅炉主要关键技术：

（1）满足低氮环保，高效、节能、高可靠性锅炉性能的设计方法。

（2）高温汽冷分离器进口宽度与高度之比采用0.2；中心筒与筒体直径之比采用0.44；中心筒插入分离器烟道内的高度之比采用0.25；这样设计既能保证足够高的分离效率，又能减少分离器内烟气阻力。

（3）布风系统：风帽接管采用不等距、变阻力设计，床层中阻力小的部位采用大阻力风帽接管结构；而床层中阻力大部位采用小阻力的风帽接管结构；排渣口处的风帽小孔设计成向上吹，使排渣时不喷渣；布风板冷态试验时先做200 mm薄料层试验，以检验风帽接管变阻力设计是否符合实际情况；若有偏差，则及时对风帽接管的小孔进行修正。

（4）二次风系统：采用单层布置，喷口数量少动量大，中间多边上少；喷口处风速达到90 m/s；小风管设计成有一段长度的变径管，风管内的风速从20 m/s逐渐加速到90 m/s，使二次风具有高的刚度，加大对料层的穿透力。对于CFB来说，炉膛中央缺氧，边上不缺氧，因此在设计时将前墙、后墙边上共四只二次风小风管向炉膛中央倾斜，加大对炉膛中央的补氧效果。

（5）给煤管：给煤管采用汇能专利技术，给煤管采用大斜角，送煤风、气垫风、播煤风、密封风可以保证不堵煤，烟气不反窜。

（6）为了防止下层空气预热器管子烟气温度低，烟气中硫酸氢氨由汽相变为液相，和烟气中的灰凝固在管子上而发生板结现象，在设计时将下层管箱的节距拉大，并在中层管箱的管子内放入可以增加传热的扰流片，保证下层管箱不堵塞，烟气阻力不加大，排烟温度不升高，保证锅炉连续运行时间。

（7）为了降低锅炉启动投煤期间NOx排放浓度无法控制的问题，设计了烟气再循环系统，单独设计了一台烟气再循环风机，通过氧量来控制进入到一次热风道内的烟气量，进而控制NOx原始排放浓度。

（8）为了保证锅炉低负荷运行工况时的稳定安全，设计了冷灰器系统，当锅炉低负荷运行时，开启冷灰器系统，将返料箱装置内的循环灰排掉一部分，降低炉膛差压，提高床温。

（9）为了保证低负荷时，上级省煤器进入脱硝摧化剂的烟气温度达到最佳烟气温度窗口，在上级省煤器进口集箱和出口集箱设置了水旁路，通过调节水旁路中的水量来提高进入催化剂中的烟气温度。

（10）兼顾NOx、SO2超低排放要求和满足较高热效率要求的结构设计。

2 第三代CFB循环流化床锅炉主要系统设计更新

2.1 锅炉的给煤设计

为了增加煤粒与床料的混合度，以及加大给煤口与二次风喷口之间的高度，通常将落煤口进行下移至沸中区域，此位置炉膛浓度较高炉内正压较大，极易造成落煤管反串现象的发生，对于锅炉正常运行和维护带来了安全隐患。为此采用方形落煤管结构，同时送煤风、密封风结构采用汇能专利技术，使得落煤管内每个位置的布风的风压较为均匀，不容易堵煤，并有效地控制烟气反窜。

为了进一步控制反串问题，需要在方形落煤管斜段处前端设置了密封风。密封风角度与地面倾斜角为80°，喷嘴略微朝向于炉膛。将密封风喷嘴制作成大小头的样子，降低沿程阻力，密封风喷嘴宽度为20 mm，通过大小头的形式，使其成为加压式喷嘴。利用较小的风量在落煤管内对炉膛的正压进行相互抵消，使其无法反串回落煤管上部。由于其风压来一次风冷风，故压头相较与炉内正压要高出了许多。对于控制正压反串具有较好的效果。

落煤口制作时底部采用新型防磨技术，防磨板与播煤风对接处做成台阶状，煤粒在下落至底部防磨板位置时就已经被吹走，减少对底部防磨板的冲击，延长使用寿命。在防磨板两侧增加一定高度的护板，护板两侧末端增加筋板，防止其变形（护板不宜全做，容易变形，有效保护底部冲击区域即可）。

给煤管的播煤风采用加压式风箱进行制作，播煤风底部与落煤管前端防磨板平行，播煤风口处高度为20 mm，风箱后端高度为100 mm，风箱后端顶部采用φ159 mm风管将一次热风送入风箱内，通过加压式播煤风，将煤粒抛向远方。由于防磨板和播煤风存在着30 mm的高度差，大颗粒在未接触到底板时即可被播煤风抛向远方，在播煤风的使用的情况下，对防磨底板形成了缓冲，使其在播煤的同时，也起到了气垫风的作用。

在理想状态下，煤颗粒均为10 mm左右细小颗粒，落煤口底板在30°的水平角状态下，可通过播煤风均匀把煤抛向于炉膛。在实际运用中，大部分煤颗粒无法满足颗粒度要求，大颗粒居多。由于大颗粒的存在，在通过落煤口下落的过程中，大颗粒会提前落下。在实践过程中，把落煤口底板角度进行了微调，角度向25°左右进行上调，播煤风采用了加压式喷嘴，角度随着落煤口角度进行调整，确保播煤风和底部防磨板在一条直线上。在落煤过程中，把大颗粒抛向于远处，使得抛洒更为均匀。由于落煤口底板角度调小，床料在流化过程中对落煤口的影响也会更小。落煤口区域为整个循环流化床浓度最高的区域，越靠近落煤口，浓度越高。抬高角度和对播煤风进行加压后，会使得整个浓度区域更加均匀。过小的播煤风也会导致炉前挂焦现象的发生。

为了进一步控制反串的发生，需要控制落煤口的大小。由于炉内正压是均匀的作用在炉墙上的，由于落煤口时凹陷于炉墙，此处的压力较小，若是在没有外部风源的情况下会导致反串的发生，过大的落煤口会使反串更加明显。为此需要缩小落煤口大小，对于控制炉内正压具有较为明显的作用。设计时落煤口底部增加防磨板，侧翼增加100 mm高的侧向防磨板，并在侧翼防磨板上安装加强筋板。待安装完成后通过再浇注料浇筑时控制落煤口大小。落煤口成长方形为宜，横向略大50 mm。

2.2 二次风系统的设计

循环流化床锅炉二次风系统布置，既要保证分级燃烧的效果，又要保证二次风对床层的穿透力并及时往炉膛中心区域补氧；根据多年的锅炉设计与调试经验，对第三代循环流化床锅炉的二次风系统进行了全新设计：

（1）二次风喷口采用单层布置，布置在距布风板高度3.5 m的位置。

二次风喷口布置按大口径、数量少，中间多、边上少，边上4个喷口往中心倾斜的原则进行；风管内的风速从20 m/s逐渐加速到90 m/s，使二次风具有高的刚度，加大对料层的穿透力。对于CFB来说，炉膛中央缺氧，边上不缺氧，因此设计时将前墙、后墙边上的二次风小风管和向炉膛中央倾斜，加大对炉膛中央的补氧效果。

（2）所有二次风小风管前端，都设计成较长的大小头形状的加速段，提高二次风的刚度。

（3）根据氧量高SO2初始浓度就低的规律，把炉内喷钙接口设置在二次风管内，这样在二次风喷口下面是密相床还原区域，NOx初始浓度低，而二次风喷口以上是富氧区域，SO2初始浓度低，同时降低NOx和SO2原始生成量。

2.3 烟气再循环系统的应用

循环流化床锅炉启动投煤过程中，由于炉膛出口烟气温度维持在450~700 ℃范围内，无法达到SNCR脱硝温度窗口，因此NOx原始排放量远远超标，经常性地被当地环保部门罚款，这是全国热电厂的一大痛点。

为了解决锅炉启动投煤过程中NOx超标排放的问题，采用了烟气再循环系统：单独设置一台再循环风机。烟气再循环系统可利用尾部低氧的烟气取代富氧的空气，既可以使炉膛床料充分流化，又能起到抑制氧量，抑制氮氧化物的生成，可使Nox的原始排放控制在150~200 mg/Nm3范围内，烟气再循环风机，为防止烟气腐蚀，材质采用304不锈钢，因为304不锈钢具有一定的耐酸、耐碱性能；从引风机出口接一根304不锈钢管到烟气再循环风机入口，然后再接一根304不锈钢管道到一次风出口大管箱内，在一次热风大管箱上设置氧量计，锅炉启动过程中通过氧量的变化来控制进入热风管箱的烟气量；烟气与一次热风混合后进入水冷风室再进入布风板风帽中，这样从布风板出来的烟气空气混合物料流化，又能控制住氧量，最终减少了NOx原始排放浓度；本锅炉采用了烟气再循环系统后，NOx原始排放浓度可以控制在150~200 mg/Nm3范围内；由于一般情况下锅炉都会与其他锅炉共用一根烟囱，在锅炉的启动过程中，其他正在运行的锅炉适当增加喷氨水量，将总的NOx排放浓度降低些，就可以保证所有烟囱总排口NOx不超标。

2.4 SCR系统的配合

（1）在上级省煤器与中级省煤器之间预留4.0 mSCR空间，为将来安装催化剂提供位置；由于催化剂区域的烟气速度要求低，而省煤器区域烟气速度较高，为了解决这一矛盾，把催化剂水平方向的空间设计的足够大，降低催化剂区域的烟气速度，从而保证催化剂的寿命。

（2）上级省煤器出口集箱与进口集箱之间设置水旁路，并设置阀门，当低负荷或煤种发生变化时，通过阀门的开度来控制进入上级省煤器蛇形管内的水量，从而保持进入催化剂的烟气温度达到温度窗口。锅炉在低负荷运行时，开启旁路阀，上级省煤器出口烟气温度可以提高10~15 ℃，从而提高了催化剂的反应效率。

2.5 锅炉的排渣设计

循环流化床同给煤设计一样，为了确保机组长期安全运行，必须选择可靠性高的灰渣冷却设备。本项目排渣设计是这样的流程，燃煤形成的底渣通过布风板底部的3个水冷放渣管排出炉膛，其中2根放渣管直接与2个水冷式滚筒冷渣器相连，冷渣器将底渣冷却后排到皮带输渣系统，此次设计将排渣管往后墙方向靠拢，增加煤在锅炉中的停留时间以降低底渣含碳量。

2.6 锅炉的防磨设计

为使锅炉可靠安全的长期运行，循环流化床锅炉必须考虑全面的防磨措施。循环流化床锅炉中磨损一般为冲刷磨损与撞击磨损，主要出现在密相区、高烟速区、受热面中不规则管子或个别突出部位区，例如炉膛下部、分离器入口、烟气走廊处、门孔让孔处、成排对流受热面中个别出列管处。采用可靠的防磨措施，首先炉内选用合理的烟气流速，其次是在炉膛密相区与稀相区交接处设计一段较长的让弯区，让水冷壁往处让出去，让弯区的浇注料与上部水冷壁的扁钢齐平，这样炉膛内的边壁流在往下流动的过程中就不会磨损水冷壁。

炉膛内水冷壁四角也是锅炉磨损的重灾区，第三代循环流化床设计时将炉膛的四角都敷上耐磨可塑料，从而解决了水冷壁四角的磨损问题。

在炉膛上部烟气出口处为高温烟气的高流速冲刷区域，此处水冷壁后墙及上部侧墙靠后墙的区域，也须敷上耐磨可塑料。

2.7 蜗壳式汽冷旋风分离器与返料器的设计

国内锅炉厂在研发低氮燃烧技术循环流化床锅炉时，为了追求高温旋风分离器的分离效率，往往分离器入口、出口烟气速度选取的比较高，分离器中心筒插入进口烟道的深度比较大；因此锅炉运行时高温旋风分离器内的烟气阻力往往超过了2 500 Pa；同时锅炉尾部空气预热器管箱往往又按常规循环流化床锅炉进行设计，尤其是下层管箱的管子之间的距离设计的都比较小，氨逃逸较高时，与烟气中的SO3反应产生硫酸氢氨，在空气预热器下层管箱处与灰一起粘附在管子上形成灰板结，造成烟气侧阻力越来越大，直至引风机拉不动被迫停炉清灰。针对循环流化床锅炉烟气系统阻力大的问题，对高温旋风分离器、下层空气预热器管箱等处的结构进行了优化：

（1）高温汽冷分离器进口宽度与高度之比采用0.2；中心筒与筒体直径之比采用0.44；中心筒插入分离器烟道内的高度之比采用0.25；这样设计既能保证足够高的分离效率，又能减少分离器内烟气阻力。

（2）返料器采用的是三风室的风箱，设有返料风、输送风、松动风；并配合高阻力的返料型风帽与松动型风帽进行合理布置，确保返料顺畅。

2.8 风帽的设计

布风系统：风帽接管采用不等距、变阻力设计，床层中阻力小的部位采用大阻力风帽接管结构；而床层中阻力大部位采用小阻力的风帽接管结构；排渣口处的风帽小孔设计成向上吹，使排渣时不喷渣；布风板冷态试验时先做200 mm薄料层试验，以检验风帽接管变阻力设计是否符合实际情况；若有偏差，则及时对风帽接管的小孔进行修正。

2.9 省煤器的设计

为了保证低负荷时，上级省煤器进入脱硝摧化剂的烟气温度达到最佳烟气温度窗口，在上级省煤器进口集箱和出口集箱设置了水旁路，通过调节水旁路中的水量来提高进入催化剂中的烟气温度。同时配合催化剂厂家，加大催化剂区域的横截面积，减少催化剂处的烟气阻力。上下级省煤器之间布置留有足够空间供SCR脱硝设备安装。

2.10 节能、脱硫及低氮燃烧设计

在炉膛设计方面，根据流态化燃烧理论优化选取合理的炉膛尺寸及受热面布置结构，一次风进风口改为从点火燃烧器处进风，通过后墙均匀进入布风板，即降低了一次风阻力，又能保证即使在30%的最低负荷条件下运行时，也能使床料充分流化，不影响燃烧稳定；高位二次风布置，根据需要合理布置单层二次风，偏心设计，分级燃烧，控制NOx排放，加强炉膛中心区域燃烧强度，降低飞灰可燃物。

循环流化床锅炉燃烧技术最突出的优势就是能够通过向炉内加入石灰石降低燃煤烟气中SO2的排放，这也是它能够在国际上，特别是在中国得到大规模发展的重要原因。第三代CFB循环流化床锅炉采用的是低氮燃烧技术，通过对锅炉合理的受热面布置，及对一、二次风配比的调整和二次风喷口标高位置的调整，将炉膛的燃烧温度控制在850~890 ℃这一炉内脱硫的最佳温度区间。由于煤中一般本身混有CaCO3、MgCO3，当燃烧温度（850~890℃）和合适的氧量时，CaCO3、MgCO3将直接分解成CaO、MgO并与反应烟气中的SO2进行反应，这种脱除烟气中的SO2的方式就是煤的自脱硫功能，一般自脱硫率可以到20~30%。

循环流化床锅炉的NOx排放比鼓泡床要低的主要原因是采取了空气分级供风，大约50%的空气从炉膛下部给入炉膛，此时锅炉燃烧室基本上处于还原性气氛，生成的NOx又被还原成N2和O2，抑制了NOx的生成；作为另外50%的燃烧空气从燃烧室的上部给入，此时燃料中的N成分燃烧生成的NOx自然就会少很多。研究表明，循环流化床锅炉运行时，燃料颗粒度对NOx生成影响也很大。燃料颗粒度越大，NOx生成量就越大，反之亦然(要求煤的颗粒度为0~10 mm；50%切割粒径d50=2.5 mm)。氮氧化物生成与一次风量和氧量有直接关联，减小颗粒度就可减少一次风，氧量也随应降低。因此控制颗粒度很有必要。按现设计要求，燃料颗粒度要控制在10 mm以内，实现低压床运行节省厂用电。提高循环倍率是很有益的，可降低NOx的排放。通过采取以上措施以后，150 t/h等级第三代CFB循环流化床锅炉的NOx初始排放可以控制在120 mg/m3以下，旋风分离器入口处采用了SNCR脱硝技术，尾部烟气中NOx含量可以轻松控制在50 mg/m3以下。此次设计的低氮燃烧和高可靠性型循环流化床锅炉经中国特种设备检测研究院、国家锅炉压力容器质量监督检验中心检测，初始NOX排放为88.52 mg/m3。

3 总结

第三代CFB循环流化床锅炉有其他煤直接燃烧技术无法比拟的优点，在于燃烧过程中实现对污染的生成进行高效严格控制，使煤的直接燃烧完全满足日益严格的环境保护的要求。因此通过锅炉产业化研发，可以在传统的锅炉行业中，采用高效低污染燃煤新技术，提升传统行业的产品，更新换代和促进产业的技术改造，并积极带动相关行业的发展。