循環(huán)流化床是比較成熟的潔凈煤燃燒技術(shù)，由于具有燃料適應(yīng)性好、燃燒效率高、污染物排放少、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、灰渣能綜合利用等優(yōu)點，在新設(shè)計循環(huán)流化床鍋爐和改造舊鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其目前在煤價上漲、能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的情況下，利用循環(huán)流化床特有的性質(zhì)對原有低效率舊鍋爐加以改造，顯得尤為重要。
目前，國內(nèi)數(shù)家單位已將電力、化工、鋼鐵等行業(yè)的鏈條爐、油爐、煤粉爐、鼓泡床鍋爐改造為循環(huán)流化床鍋爐，改造方案、鍋爐容量和經(jīng)濟(jì)效益各不相同。本文詳述了130t/h鼓泡床鍋爐改造為飛灰底飼回燃循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計思路和實施方案，分析對比了改造前后鍋爐參數(shù)，并進(jìn)行了投資經(jīng)濟(jì)性分析，為循環(huán)流化床設(shè)計和改造提供借鑒，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1、原有鍋爐特性及存在問題
    廣東粵陽發(fā)電有限公司是資源綜合利用坑口電站，燃燒當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的高灰份低熱值陽山無煙煤。2號鍋爐為上鍋生產(chǎn)的第一代中溫中壓、自然循環(huán)、單汽包、低循環(huán)倍率、鼓泡床鍋爐，型號為：SG-130/3. 82-115-0，于上世紀(jì)90年代初期投入運行。爐膛內(nèi)布置埋管和雙面管，爐體結(jié)構(gòu)緊湊，水平尺寸為7565 mm×4702mm，布風(fēng)板標(biāo)高為5m，汽包中心標(biāo)高為23 .5m。設(shè)計燃料為劣質(zhì)無煙煤、煤矸石等低熱值燃料，粒徑范圍為0～8mm。入爐煤由左右側(cè)墻各3只螺旋給料器加入。改造前鍋爐結(jié)構(gòu)示于圖1。
    由于該爐采用的是鼓泡床燃燒技術(shù)，與其后成熟的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)相比，存在燃燒效率低、飛灰不能保證回送再燃等缺點，鍋爐出力不足，鍋爐效率低下。飛灰含碳量高達(dá)60.18%，經(jīng)計算僅固體未完全燃燒損失一項就達(dá)40.5%。發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗高達(dá)918 .4g/kW．h。采用分隔床上油槍點火啟動，成功率很低。鍋爐運行后穩(wěn)定性一直較差，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
2、原因分析
    (1)經(jīng)過多次對該鍋爐進(jìn)行熱效率測試，其熱效率約為49.32%，大大低于設(shè)計值74.58%。主要原因是：鍋爐在燃用揮發(fā)份很少的劣質(zhì)無煙煤時，床截面表觀狀態(tài)煙速偏大，燃料中粒徑小于1.5mm顆粒在爐膛中停留時間僅為2.6s，而此類顆粒燃盡大概需要3~5s，引起顆粒未充分燃盡就隨煙氣排出爐膛，飛灰熱損失很大，這樣一方面大量含碳量較高的飛灰廉價出售，另一方面鍋爐為達(dá)到出力要多消耗煤，煙囪經(jīng)常冒黑煙，造成了環(huán)境污染。同時由于受熱面的磨損與粒子濃度成正比，導(dǎo)致受熱面磨損速度增加。
    (2)爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，主要表現(xiàn)在：①爐膛受熱面布置不足是鍋爐達(dá)不到設(shè)計蒸發(fā)量的原因之一；②爐膛凈高較低，大量細(xì)顆粒燃料在爐膛中的燃燒時間相對較短，飛灰未燃盡時即被帶到鍋爐尾部。
    (3)采用的床面飛灰回燃循環(huán)不合理，原因在于鼓泡床層表面上方稀相區(qū)的懸浮空間對飛灰顆粒的傳熱作用較弱，飛灰顆粒的溫度從200℃左右提高到未燃炭核開始燃燒的溫度需要相當(dāng)長的時間，而在完成此過程前，由于鍋爐凈高較低，飛灰顆粒已被帶出爐膛，燃盡度得不到有效提高，飛灰回燃效果不明顯。
    (4)鍋爐運行煤種是陽山無煙煤，煤質(zhì)情況見表l，該煤種具有“三高（高灰份、高硫份、高水份）二低（低揮發(fā)份、低熱值）”的特點。無煙煤的揮發(fā)份愈低，開始析出揮發(fā)份的溫度愈高，煤顆粒著火溫度也愈高；灰份是煤中不可燃雜質(zhì)，含量愈高，揮發(fā)份析出溫度也愈高，從而引起煤顆粒氣流火焰?zhèn)鞑ニ俾曙@著降低，增加燃盡時間；水分含量愈多，爐溫必然愈低。在爐膛設(shè)計溫度850～900℃下，該煤種較難燃盡。
3、改造原則與設(shè)計思路
    在保證鍋爐原有設(shè)計指標(biāo)的前提下，結(jié)合大修計劃，將原有鼓泡床鍋爐改為循環(huán)流化床鍋爐，重新進(jìn)行鍋爐熱力計算和各回路水力計算，在允許條件下，盡量提高鍋爐負(fù)荷。考慮各部分承壓受熱面在改造中利用的可能性，盡量保留原有部件如汽包、過熱器、省煤器、空預(yù)器、爐頂密封、上部水冷壁、上部承重爐墻、尾部爐墻以及鋼架等，維持鍋爐原有的Ⅱ形布置，能盡可能減少改造費用，提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性。原有場地布置已經(jīng)比較緊湊，改造時盡量減少額外占地面積。
    本方案采用飛灰底飼回燃低倍率循環(huán)流化床技術(shù)，可以大大增加飛灰在鼓泡床層中的停留時間，克服床高不足帶來的弊端。在飛灰顆粒和床內(nèi)物料之間強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)作用下，飛灰顆粒溫度由200℃左右迅速上升，飛灰中未燃盡炭在床內(nèi)開始燃燒并在懸浮段停留期間繼續(xù)進(jìn)行燃燒。底飼回燃的飛灰顆粒與床內(nèi)物料發(fā)生劇烈的摩擦，可將飛灰顆粒的灰層剝落，使未反應(yīng)的炭核暴露在灼熱的鼓泡層中，有利于燃盡。同時，回燃的飛灰從鼓泡層底部進(jìn)入，正是流化風(fēng)進(jìn)入床內(nèi)的地方，氧濃度較高，對提高飛灰中殘?zhí)康娜紵�速率十分有利。飛灰回燃還兼有二次風(fēng)的作用，對加強(qiáng)爐內(nèi)擾動混合，增加煙氣中懸浮顆粒與水冷壁的碰撞，延長滯留時間起到良好的促進(jìn)作用。盡管循環(huán)倍率愈高，燃燒效率愈高，但其要求的送風(fēng)機(jī)功率也愈高，對回燃系統(tǒng)的要求也愈高，爐膛上部受熱面磨損程度也愈嚴(yán)重。對于舊鍋爐改造，投資有限，自控程度不高，運行經(jīng)驗不足，從鍋爐能夠長期安全經(jīng)濟(jì)滿發(fā)的角度出發(fā)，采用低倍率循環(huán)流化床燃燒方式是較為經(jīng)濟(jì)合理的，改造時循環(huán)倍率設(shè)計為3.5。
4、擴(kuò)容方案的可行性
    增加鍋爐的蒸發(fā)量，必須滿足下列幾個條件。
    (1)爐膛截面熱負(fù)荷和爐內(nèi)受熱面是否有余量
    當(dāng)鍋爐負(fù)荷增至150t/h時，在不改變鍋爐截面的情況下，截面熱負(fù)荷為3. 75MW/m2，介于推薦值3。4MW/m2之間。降低埋管標(biāo)高和減少埋管傾角可使更多的埋管位于鼓泡層內(nèi)，同時將側(cè)墻水冷壁向外擴(kuò)張，降低布風(fēng)板標(biāo)高，可彌補(bǔ)受熱面不足。
    (2)汽包內(nèi)汽水分離裝置的汽水分離能力是否有余量
    汽包內(nèi)汽水分離裝置分為一次和二次分離裝置，其中一次分離裝置為44只+200mm旋風(fēng)分離器，二次分離裝置為位于汽包頂部的V形鋼絲分離器。中壓鍋爐汽包內(nèi)每只旋風(fēng)分離器平均設(shè)計負(fù)荷為3·3 .5t/h，本鍋爐的分離裝置最大分離能力為154t/h，能夠滿足出力增容至150t/h時汽水分離能力的要求。
    (3)尾部煙氣流速是否在合理范圍內(nèi)
    由于過熱器設(shè)計煙氣流速（高、低溫段）最大值為6.7 m/s，遠(yuǎn)小于推薦值9～15m/s，鍋爐負(fù)荷適當(dāng)增加不會造成過熱器明顯的磨損。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增至150t/h時，省煤器和空預(yù)器的煙氣流速分別為10.06和10.87m/s．分別介于推薦值7～13m/s和10～14m/s之間。
    (4)水循環(huán)是否可靠
    為了保證水循環(huán)安全可靠，把前、后及兩側(cè)墻水冷壁、埋管分成五個獨立的循環(huán)回路，重新計算每個回路中循環(huán)倍率和流速。鍋爐蒸發(fā)量變?yōu)?50t/h時，前級低溫段過熱器和后級低溫段過熱器的蒸汽質(zhì)量流速分別為492 kg/m2．s和511kg/m2．s，都介于推薦值400~ 800kg/m2．s之間；高溫段過熱器的蒸汽質(zhì)量流速為760 kg/m2．s，介于推薦值700~lOOOkg/M2．s之間；工質(zhì)在省煤器中的壓降為148kPa，滿足壓降不超過汽包壓力5 010的要求。
5、鍋爐改造實施方案
    改造后的流化床鍋爐總體布置如圖2所示，具體主要改造項目如下：
    (1)將點火方式由原來的床上點火改為床下點火。取消原有分床送風(fēng)結(jié)構(gòu)，實行全床啟動。新增燃油啟動燃燒器4臺，控制油燃燒火焰長度，使水冷風(fēng)室內(nèi)溫度均勻。燃油產(chǎn)生的煙氣通過布風(fēng)板在沸騰狀態(tài)下均勻加熱床料。該點火方式具有熱量交換充分、油量消耗低、點火勞動強(qiáng)度低、成功率高等特點。采用長頸蘑菇頭形風(fēng)帽，提高布風(fēng)均勻性，解決因布風(fēng)板局部結(jié)焦，堵塞風(fēng)孔的問題。
    (2)由于無煙煤著火溫度高、燃燒反應(yīng)速率低、顆粒致密等因素決定了它不易著火、不易燃盡，因此將鼓泡床溫度提高到1000℃。標(biāo)高7m以下兩側(cè)墻水冷壁逐漸向外擴(kuò)張，鼓泡段的床寬由7.565m增至9.5m，截面表觀狀態(tài)煙速由5.4m/s降至4.5m/s，減少了煙氣攜帶的飛灰量，減輕了旋風(fēng)分離器的工作負(fù)荷和尾部磨損，使更多的煤顆粒處于高溫的鼓泡層。同時將布風(fēng)板標(biāo)高下移300mm，提高煤顆粒在鍋爐內(nèi)的停留時間，有利于顆粒充分燃燒和提高鍋爐效率。增加床寬和爐膛凈高也相應(yīng)增加了受熱面面積。
    (3)鍋爐前后墻標(biāo)高8.2m以上的水冷壁仍采用+60×5的管子，下部水冷壁采用與側(cè)墻水冷壁相同的+42 x5厚壁管，中間用過渡集箱連接。下部四周水冷壁全改為膜式壁且往下延伸，包住爐膛鼓泡區(qū)和布風(fēng)板，形成水冷風(fēng)室和水冷布風(fēng)板，整個爐膛鼓泡區(qū)構(gòu)成一個整體，水冷壁倚靠彈簧吊掛在10m標(biāo)高主鋼架梁上，可自由往下膨脹。過渡集箱上部爐墻采用重型爐墻結(jié)構(gòu)，下部采用護(hù)板輕型爐墻結(jié)構(gòu)。爐體上所有給煤口、溢流渣排渣口、底部排渣口、啟動燃燒室都采用金屬膨脹節(jié)與膜式壁焊接相連的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)既保證了水冷壁的自由膨脹，又起到完全密封作用。
    (4)為了充分利用鼓泡層的高容積熱強(qiáng)度和埋管在鼓泡層高傳熱系數(shù)（其傳熱系數(shù)230～290W/mz．K是稀相區(qū)的6—7倍）的特點，彌補(bǔ)上部稀相區(qū)水冷壁受熱面不足的缺點，保持原有45組∮42×5斜埋管，每組6排，將傾角由原來15°變?yōu)?1°，且靠近前墻最后一排埋管中心距風(fēng)帽小孔中心高度由原來的2350mm降至450mm。埋管為順排布置，這樣既能有效控制爐膛溫度，又能提高鍋爐出力。由于鼓泡層屬于粒子密相區(qū)，埋管和四周膜式壁的防磨十分必要，埋管除采用順列布置、厚壁管措施外，還在埋管上焊接防磨鰭片，材料為lCr20N114Si2，厚度為5，高度為16mm。四周膜式壁上焊接3米高的防磨銷釘區(qū)，其上敷設(shè)傳熱系數(shù)較高的耐磨澆注料。這些措施基本上解決了鼓泡層的磨損問題。
    (5)由于飛灰循環(huán)量對鍋爐負(fù)荷、熱效率有非常明顯的影響，爐膛內(nèi)傳熱與顆粒濃度成正比，因此對鍋爐飛灰循環(huán)系統(tǒng)作了較為徹底的改動。具體措施有：①在尾部煙道與水平煙道的連接處增設(shè)四個中溫上排氣高效“PV”型旋風(fēng)分離器，分離器入口煙氣流速控制在23m/s左右，以確保分離效率大于95%。分離器進(jìn)出口由膜式水冷梁隔開。旋風(fēng)分離器采用內(nèi)保溫式，最里層為耐磨剛玉料，厚度為20mm，第二層為保溫高鋁輕質(zhì)澆注料，厚度為60mm，最外層為20G密封護(hù)板。耐磨剛玉料附著在龜甲網(wǎng)上，龜甲網(wǎng)由拉鉤固定在密封護(hù)板上。沿高度方向用高度80mm的筋板分成三段，每段留有膨脹縫。此結(jié)構(gòu)施工簡單，可保證密封護(hù)板溫度不大于60氣，且可防止耐磨保溫材料破損脫落，阻塞返料口；②增加飛灰回燃系統(tǒng)，將分離下來的飛灰重新送入爐膛，實現(xiàn)燃料循環(huán)，主要由羅茨風(fēng)機(jī)、集灰斗、閘閥、下灰立管、返料器、噴射器、水平輸送管、垂直輸送管、底飼風(fēng)帽組成。集灰斗安裝在旋風(fēng)分離器下方，閘閥供飛灰回燃系統(tǒng)投運和檢修用j回料器采用目前應(yīng)用最為廣泛的具有自調(diào)整能力的流化密封型返料器（圖3）。它由控制腔和輸送腔組成，二者都是小型鼓泡床，且有隔板分開。為了便于飛灰由控制腔流向輸送腔，布風(fēng)板上設(shè)有導(dǎo)向風(fēng)帽。控制風(fēng)和輸送風(fēng)均來自羅茨風(fēng)機(jī)。噴射器的作用是在羅茨風(fēng)機(jī)空氣流的作用下，在噴射器出口附近形成
負(fù)壓，抽吸回料器溢流管出來的飛灰。采用羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)作為輸送風(fēng)主要目的是防止?fàn)t膛內(nèi)的空氣反串進(jìn)入回料器為了解決噴射器之后的水平輸送管和垂直輸送管的磨損問題，管材改為耐磨耐高溫剛玉陶瓷復(fù)合管，并嚴(yán)格保證安裝在同一水平線上。旋風(fēng)分離器的飛灰最終由蘑菇形底飼風(fēng)帽周向噴人灼熱的料層。
(6)保留原有的槽形分離器．根據(jù)同行改造失敗的經(jīng)驗，決定不把槽形分離器的飛灰送入爐膛回燃而直接定期排放。原因是：①此處灰溫太高，會引起下灰斗鐵板變形甚至被燒穿，容易出現(xiàn)由于飛灰在灰斗內(nèi)二次燃燒引起的結(jié)焦和阻塞，影響回燃裝置正常投運；②該處飛灰顆粒較大，含碳量相對較低，回燃對熱效率影響不大；③對底飼回燃系統(tǒng)的材質(zhì)要求較高。
富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，同時我們還大量銷售木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。