劉愛成，于在海

(1.太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021;2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

0 引言

自國家TSG G0002－2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》［1］從2010年8月頒布實(shí)施以來，全國各地的鍋爐企業(yè)積極行動(dòng)，已完成大量的鍋爐新產(chǎn)品定型能效測(cè)試?？傮w而言，太鍋集團(tuán)經(jīng)過測(cè)試的9臺(tái)流化床鍋爐能效測(cè)試結(jié)果表明:基于流態(tài)重構(gòu)節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐［2］總體的技術(shù)水平和運(yùn)行效果都已得到了國家權(quán)威部門和使用單位的認(rèn)可。

1 基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)原理

1.1 流態(tài)重構(gòu)的目的與意義

目前，我國循環(huán)流化床發(fā)電裝機(jī)容量已接近1億kW［3］，在煤電市場中占有舉足輕重的地位。但在新的發(fā)展方向上還存在一些問題，主要表現(xiàn)在:與煤粉鍋爐相比，循環(huán)流化床鍋爐的廠用電率偏高、燃燒效率和鍋爐熱效率偏低，而且可靠性不高，磨損也較為嚴(yán)重等，同時(shí)在新的排放標(biāo)準(zhǔn)下，開發(fā)一種循環(huán)流化床鍋爐的超低排放技術(shù)極為必要。

基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐的理論研究和工程實(shí)踐表明:對(duì)于任何一臺(tái)CFB鍋爐而言，當(dāng)運(yùn)行在最佳低床壓狀態(tài)時(shí)，其燃燒效率、廠用電率、爐內(nèi)磨損、脫硫脫硝等綜合性能將會(huì)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

1.2 流態(tài)重構(gòu)的理論方法

定態(tài)理論［4］指出，CFB的下部為鼓泡床，上部為快速床，不同煤種對(duì)應(yīng)著不同的最佳鼓泡床及最佳快速床狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)就是要確定最優(yōu)的快速床和鼓泡床狀態(tài)。其中，最佳細(xì)顆粒量的確定應(yīng)從物料的傳熱、顆粒聚團(tuán)概率、氣體擴(kuò)散混合作用以及二次風(fēng)的穿透效果來綜合考慮，并且最佳細(xì)顆粒的床存量是根據(jù)《循環(huán)流化床流態(tài)設(shè)計(jì)圖譜》［5］進(jìn)行優(yōu)化確定(見圖1)。

圖1 循環(huán)流化床流態(tài)設(shè)計(jì)圖譜

圖2 基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐物料變化

最佳粗顆粒量的確定應(yīng)從床溫、燃料中大顆粒的燃盡程度、受熱面的磨損情況，以及風(fēng)機(jī)的能耗和二次風(fēng)的穿透擴(kuò)散能力來進(jìn)行考慮，同時(shí)，最佳粗顆粒床存量是根據(jù)《多粒度物料平衡模型》［6］和《不同粒度燃料燃盡時(shí)間曲線》［7］進(jìn)行優(yōu)化確定。流態(tài)重構(gòu)后，構(gòu)成鼓泡床的粗顆粒量大大減少，而構(gòu)成快速床的細(xì)顆粒量略有增加，總的床存量大大減少且細(xì)顆粒比例大幅度提升，基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐爐膛物料變化(見圖2)。鍋爐配套一次風(fēng)機(jī)主要作用是保持循環(huán)流化床鍋爐底料的正常流化和進(jìn)入爐膛的燃料及時(shí)引燃［8］，鍋爐配套二次風(fēng)機(jī)主要作用是在適宜時(shí)段和區(qū)域及時(shí)補(bǔ)入燃料燃燒所需的氧氣，既保證燃料的完全燃盡，又要控制煙氣中盡量少產(chǎn)生CO、SOx和 NOx?；诹鲬B(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐，因構(gòu)成鼓泡床的粗顆粒量大大減少而使得鍋爐配套一次風(fēng)機(jī)功率可大大降低，合理的二次風(fēng)的穿透擴(kuò)散能力設(shè)計(jì)使得鍋爐配套二次風(fēng)機(jī)功率可適當(dāng)降低，對(duì)整體鍋爐配套輔機(jī)電耗有很大補(bǔ)益。

實(shí)現(xiàn)流態(tài)重構(gòu)所需要具備的兩個(gè)核心條件是:首先應(yīng)預(yù)先了解有關(guān)燃料煤的成灰磨耗特性，即通過將煤進(jìn)行熱態(tài)靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩磨耗的方式進(jìn)行分析［9］，而此煤的成灰磨耗試驗(yàn)方法為清華大學(xué)岳光溪院士首先提出，由太鍋集團(tuán)進(jìn)行大量實(shí)際驗(yàn)證，解決了國際上通行的必須在熱態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的弊端。其次應(yīng)保證循環(huán)系統(tǒng)具有高效的分離效率，太鍋集團(tuán)的分離器、回料閥、二次風(fēng)以及風(fēng)帽等核心部件作為循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)綜合分離的結(jié)構(gòu)保證，重點(diǎn)是保證鍋爐循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)粒子濃度(熱量搬運(yùn)工)及粒徑分布，使得分離器下物料取樣分析d50在10 ～12 μm，d99 在 100 μm 以內(nèi)，整個(gè)循環(huán)回路物料循環(huán)量滿足運(yùn)行狀態(tài)2.5～3.0 kg/Nm3要求。該類專有技術(shù)均形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)導(dǎo)則并申請(qǐng)專利保護(hù)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2 基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)成果

針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展目前所存在的瓶頸問題，研究團(tuán)隊(duì)歷盡10余年堅(jiān)持不懈的努力，終于取得了重大突破，提出了“定態(tài)設(shè)計(jì)理論”，推出了基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)成果。重點(diǎn)在防止受熱面磨損、提高分離器分離效率、降低爐渣和飛灰含碳量等對(duì)提高循環(huán)流化床鍋爐能效方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

受熱面磨損的主要因素是煙氣中所夾帶的飛灰顆粒的動(dòng)能磨損，與飛灰顆粒的質(zhì)量成正比，與飛灰顆粒的速度成三次方關(guān)系［10］;因此飛灰顆粒越大，速度越高，動(dòng)能磨損也就越嚴(yán)重，降低煙氣流速，減小平均顆粒的粒徑是減輕磨損的重要手段，稱為主動(dòng)防磨技術(shù)。鍋爐膛內(nèi)流速取5 m/s，該流速兼顧防磨及傳熱，使大顆粒的揚(yáng)析高度降低，又不破壞爐膛上部快速床的狀態(tài)，同時(shí)爐膛下部燃燒區(qū)采用較高的防磨層。

分離效率越高，則循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)及尾部的平均粒徑越細(xì)，采用專有技術(shù)的高溫絕熱旋風(fēng)分離器，在結(jié)構(gòu)上較常規(guī)分離器進(jìn)行了重大的改進(jìn)，根據(jù)多臺(tái)鍋爐的實(shí)測(cè)結(jié)果，其分離效率達(dá)到d99小于100 μm，d50小于10 μm，大量的細(xì)顆粒實(shí)際降低了飛灰的動(dòng)能，有效地保護(hù)尾部受熱面，同時(shí)對(duì)鍋爐燃燒效率有很大補(bǔ)益。

基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐的床溫一般控制在850～920℃。鍋爐底部排渣口盡量遠(yuǎn)離給煤口，增加粗顆粒在床內(nèi)的停留時(shí)間，有利于粗顆粒的燃盡降低底渣含碳量。顆粒循環(huán)燃燒一次停留時(shí)間大于5 s，保證物料的燃盡。爐膛下部為灰高濃度區(qū)域，碳顆粒與氧分子的混合性較差，二次風(fēng)采用前后墻單層布置設(shè)計(jì)，二次風(fēng)口數(shù)量少，流速高，剛度大利于穿透和使氧分子與碳顆粒盡快混合，降低飛灰含碳量。

在鍋爐密封和膨脹方面，凡是在熱態(tài)運(yùn)行工況下有膨脹的區(qū)域，均采用鋼制或非金屬補(bǔ)償器予以密封，鍋爐爐膛水冷壁連接件全部采用雙面焊接密封，鍋爐尾部除膜式壁雙面焊接密封外，其余煙道全部采用鋼護(hù)板焊接密封，將鍋爐整體漏風(fēng)降到最小程度，煙氣中含氧量控制在3% ～5%。

基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐總體設(shè)計(jì)，確保鍋爐爐膛煙氣上升速度依據(jù)燃料煤的成灰磨耗特性，保持在最佳4.8～5.0 m/s范圍，適宜的循環(huán)物料量保證鍋爐運(yùn)行床溫、爐膛出口煙溫、分離器返料溫度和分離器出口溫度均在850～880℃之間，溫度變化范圍在50℃，鍋爐燃燒實(shí)際產(chǎn)生的SOx和NOx較國際通常產(chǎn)品大大偏低。再加上鍋爐爐膛前后墻二次風(fēng)口噴石灰石粉脫硫，在分離器進(jìn)口處采用SNCR，目前實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果，當(dāng)燃料含硫量小于1%時(shí)，在基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐上不增加昂貴的尾部脫硫和SCR脫銷裝置，就可以達(dá)到國家GB13223－2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［11］中鍋爐尾部煙氣SOx和 NOx排放均小于100 mg/Nm3的要求。

2005年5月，岳光溪院士在加拿大多倫多召開的第18屆國際CFB燃燒會(huì)議上首次提出了“定態(tài)設(shè)計(jì)理論”，為傳統(tǒng)的CFB鍋爐進(jìn)行流態(tài)重構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。2008年10月，《基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)及產(chǎn)品》通過了由教育部和山西省經(jīng)委聯(lián)合組織的技術(shù)成果鑒定。2010年1月，《基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)》獲得2009年度教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2011年8月，基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐獲得國家四部委聯(lián)合頒發(fā)的國家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書。2012年2月，國家科技部將《基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能/超低排放型循環(huán)流化床鍋爐關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范》正式列為“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題，標(biāo)志著流態(tài)重構(gòu)技術(shù)已經(jīng)被提升到國家戰(zhàn)略層面，成為國家潔凈煤技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

3 基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐的測(cè)試結(jié)果

3.1 影響鍋爐產(chǎn)品能效的因素

式中 q2——排煙溫度，鍋爐出口過?？諝庀禂?shù);

q3——煙氣中CO含量，鍋爐二次配風(fēng);

q4——鍋爐爐渣、飛灰含碳量及比例;

q5——鍋爐爐墻外壁溫度，密封及保溫材料;

q6——爐渣熱能綜合利用能力;

q7——鍋爐內(nèi)填加石灰石脫硫?qū)π视绊憽?/p>

3.2 能效測(cè)試結(jié)果分析

太鍋集團(tuán)已對(duì)9臺(tái)鍋爐進(jìn)行能效測(cè)試，本文重點(diǎn)對(duì)烏蘭浩特的240 t/h高溫高壓鍋爐和嵊州新中港的150 t/h超高壓鍋爐的風(fēng)機(jī)配套、鍋爐煤耗、污染物排放值、鍋爐磨損情況和能效測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總和分析，體現(xiàn)產(chǎn)品節(jié)能效果。具體如下:

(1)烏蘭浩特240 t/h高溫高壓鍋爐

鍋爐配套風(fēng)機(jī)電功率對(duì)比:類比同鍋爐房相同參數(shù)鍋爐，配套風(fēng)機(jī)總電功率見表1，集團(tuán)鍋爐運(yùn)行節(jié)電44.48%。

表1 鍋爐配套風(fēng)機(jī)總電功率

鍋爐煤耗:其它鍋爐的供電煤耗分別為546.1 g/kWh，而集團(tuán)鍋爐的供電煤耗為478.87 g/kWh。

鍋爐污染物排放值:滿負(fù)荷未采取脫硫脫銷措施，折合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下SOx為180 mg/Nm3，NOx為108 mg/Nm3。

鍋爐磨損情況:鍋爐運(yùn)行三年，至今未發(fā)現(xiàn)受熱面特別是爐膛下部防磨層與膜式壁交界處以及風(fēng)帽等部件有磨損現(xiàn)象。

(2)嵊州新中港150 t/h超高壓鍋爐

鍋爐配套風(fēng)機(jī)電功率對(duì)比:類比同鍋爐房相近參數(shù)(130 t/h高壓)鍋爐，配套風(fēng)機(jī)總電功率見表2，集團(tuán)鍋爐運(yùn)行節(jié)電40%。

表2 鍋爐配套風(fēng)機(jī)總電功率

鍋爐煤耗:采用全背壓機(jī)組、按實(shí)際供熱供汽綜合效果在 150 g/kWh［13］。

鍋爐污染物排放值:摻燒石油焦，滿負(fù)荷采取爐內(nèi)脫硫，未采用脫硝措施，由于鍋爐爐膛運(yùn)行溫度在850～880℃，折合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 SOx為208 mg/Nm3(73 ppm)，NOx為 98 mg/Nm3(48 ppm)。2012 年12月該爐在分離器頂部投入SNCR，鍋爐出口NOx實(shí)測(cè)為43.7 mg/Nm3［14］。

鍋爐磨損情況:鍋爐運(yùn)行一年，近期停爐檢查受熱面特別是爐膛下部防磨層與膜式壁交界處以及風(fēng)帽等部件未見磨損。

3.3 基于流態(tài)重構(gòu)循環(huán)床鍋爐的能效測(cè)試結(jié)果

根據(jù)中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院國家鍋爐壓力容器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心對(duì)太鍋集團(tuán)9臺(tái)流化床鍋爐的能效測(cè)試報(bào)告［15］，主要數(shù)據(jù)指標(biāo)匯總見表3。

表3 基于流態(tài)重構(gòu)循環(huán)床鍋爐能效測(cè)試結(jié)果

由表3可以看出，得益于良好的一、二次風(fēng)配置和鍋爐整體膨脹密封設(shè)計(jì)，鍋爐排煙處氧含量在3.10% ～5.97%，結(jié)合較低的排煙溫度，q2大大降低。在燃用無煙煤或摻燒石油焦時(shí)飛灰含碳量仍可控制在8%以內(nèi)，較低的爐渣和飛灰含碳量使得q4損失降低。通過測(cè)試的鍋爐測(cè)試熱效率高出《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》鍋爐限定值3.1% ～8.67%，有 8臺(tái)鍋爐高出鍋爐目標(biāo)值 0.5% ～3.67%，充分體現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》的實(shí)施，對(duì)企業(yè)提升技術(shù)水平，體現(xiàn)節(jié)能效果有積極的促進(jìn)作用，能效測(cè)試結(jié)果是對(duì)鍋爐產(chǎn)品性能最權(quán)威的驗(yàn)證。通過對(duì)基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐針對(duì)能效提升設(shè)計(jì)，良好的測(cè)試結(jié)果為企業(yè)在市場競爭中創(chuàng)造有利條件，產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)受益，基于流態(tài)重構(gòu)超低排放循環(huán)流化床鍋爐已成為目前市場上采購循環(huán)流化床鍋爐主導(dǎo)產(chǎn)品。正在建設(shè)的4臺(tái)300 MW超高壓一次再熱節(jié)能/超低排放型循環(huán)流化床鍋爐項(xiàng)目的示范工程(國家科技支撐計(jì)劃，課題編號(hào)2012BAA02B01－09)，將于2013年12月開始進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，該項(xiàng)目的成功運(yùn)行將證明:循環(huán)流化床鍋爐的節(jié)能環(huán)保綜合技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤粉鍋爐。

［1］中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院.TSG G0002－2010:鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程［S］.2010.

［2］楊石，楊海瑞，呂俊復(fù).等.基于流態(tài)重構(gòu)的低能耗循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)［C］.全國電力行業(yè)CFB機(jī)組技術(shù)交流協(xié)作網(wǎng)第九屆年會(huì)論文集，2012，95－104.

［3］金燕，劉娟娟，齊曉磊，等.循環(huán)流化床鍋爐中飛灰顆?？紫督Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2012，27(1):71 －75.

［4］楊海瑞，呂俊復(fù)，岳光溪.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定［J］.動(dòng)力工程，2006(2):42－49.

［5］馮俊凱，岳光溪，呂俊復(fù).循環(huán)流化床燃燒鍋爐［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［6］楊海瑞，岳光溪，王宇，等.循環(huán)流化床鍋爐物料平衡分析［J］.熱能動(dòng)力工程，2005(5):291－295.

［7］岳光溪.基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)［C］.2012循環(huán)流化床鍋爐年會(huì)報(bào)告.

［8］呂俊復(fù)，岳光溪，張建勝，等.循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行與檢修［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［9］趙石鐵，楊海瑞，呂俊復(fù)，等.循環(huán)流化床鍋爐燃煤的成灰和磨耗特性研究［J］.能源研究與利用，2004(5):12－14.

［10］岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［11］環(huán)境保護(hù)部 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB13223－2011:火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.2011.

［12］陳學(xué)俊，陳聽寬.鍋爐原理［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1991.

［13］謝百軍.加速實(shí)現(xiàn)”六個(gè)轉(zhuǎn)變”全面攀登”效率極限”［C］.中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)熱電專業(yè)委員會(huì)交流會(huì)論文集，2012.05.

［14］嵊州市環(huán)境保護(hù)檢測(cè)站.嵊州新中港熱電有限公司廢氣監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.2012.12.

［15］國家鍋爐壓力容器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心.鍋爐能效測(cè)試報(bào)告［R］.2011～2012.