劉愛成，于在海

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

0 引言

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

1 基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐的技術原理

1.1 流態(tài)重構的目的與意義

目前，我國循環(huán)流化床發(fā)電裝機容量已接近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，磨損也較為嚴重等，同時在新的排放標準下，開發(fā)一種循環(huán)流化床鍋爐的超低排放技術極為必要。

基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐的理論研究和工程實踐表明:對于任何一臺CFB鍋爐而言，當運行在最佳低床壓狀態(tài)時，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達到最優(yōu)狀態(tài)。

1.2 流態(tài)重構的理論方法

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

圖1 循環(huán)流化床流態(tài)設計圖譜

圖2 基于流態(tài)重構超低排放循環(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，以及風機的能耗和二次風的穿透擴散能力來進行考慮，同時，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間曲線》［7］進行優(yōu)化確定。流態(tài)重構后，構成鼓泡床的粗顆粒量大大減少，而構成快速床的細顆粒量略有增加，總的床存量大大減少且細顆粒比例大幅度提升，基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐爐膛物料變化(見圖2)。鍋爐配套一次風機主要作用是保持循環(huán)流化床鍋爐底料的正常流化和進入爐膛的燃料及時引燃［8］，鍋爐配套二次風機主要作用是在適宜時段和區(qū)域及時補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)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐，因構成鼓泡床的粗顆粒量大大減少而使得鍋爐配套一次風機功率可大大降低，合理的二次風的穿透擴散能力設計使得鍋爐配套二次風機功率可適當降低，對整體鍋爐配套輔機電耗有很大補益。

實現(xiàn)流態(tài)重構所需要具備的兩個核心條件是:首先應預先了解有關燃料煤的成灰磨耗特性，即通過將煤進行熱態(tài)靜態(tài)燃燒和冷態(tài)振篩磨耗的方式進行分析［9］，而此煤的成灰磨耗試驗方法為清華大學岳光溪院士首先提出，由太鍋集團進行大量實際驗證，解決了國際上通行的必須在熱態(tài)下進行測試的弊端。其次應保證循環(huán)系統(tǒng)具有高效的分離效率，太鍋集團的分離器、回料閥、二次風以及風帽等核心部件作為循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)綜合分離的結構保證，重點是保證鍋爐循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)粒子濃度(熱量搬運工)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)，整個循環(huán)回路物料循環(huán)量滿足運行狀態(tài)2.5～3.0 kg/Nm3要求。該類專有技術均形成了相應的設計導則并申請專利保護，具有完全自主知識產(chǎn)權。

2 基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐的技術成果

針對循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展目前所存在的瓶頸問題，研究團隊歷盡10余年堅持不懈的努力，終于取得了重大突破，提出了“定態(tài)設計理論”，推出了基于流態(tài)重構的循環(huán)流化床鍋爐的技術成果。重點在防止受熱面磨損、提高分離器分離效率、降低爐渣和飛灰含碳量等對提高循環(huán)流化床鍋爐能效方面進行技術改進。

受熱面磨損的主要因素是煙氣中所夾帶的飛灰顆粒的動能磨損，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系［10］;因此飛灰顆粒越大，速度越高，動能磨損也就越嚴重，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，稱為主動防磨技術。鍋爐膛內(nèi)流速取5 m/s，該流速兼顧防磨及傳熱，使大顆粒的揚析高度降低，又不破壞爐膛上部快速床的狀態(tài)，同時爐膛下部燃燒區(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，采用專有技術的高溫絕熱旋風分離器，在結構上較常規(guī)分離器進行了重大的改進，根據(jù)多臺鍋爐的實測結果，其分離效率達到d99小于100 μm，d50小于10 μm，大量的細顆粒實際降低了飛灰的動能，有效地保護尾部受熱面，同時對鍋爐燃燒效率有很大補益。

基于流態(tài)重構超低排放循環(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離給煤口，增加粗顆粒在床內(nèi)的停留時間，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，二次風采用前后墻單層布置設計，二次風口數(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)運行工況下有膨脹的區(qū)域，均采用鋼制或非金屬補償器予以密封，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板焊接密封，將鍋爐整體漏風降到最小程度，煙氣中含氧量控制在3% ～5%。

基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐總體設計，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口噴石灰石粉脫硫，在分離器進口處采用SNCR，目前實際運行測試結果，當燃料含硫量小于1%時，在基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐上不增加昂貴的尾部脫硫和SCR脫銷裝置，就可以達到國家GB13223－2011《火電廠大氣污染物排放標準》［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燃燒會議上首次提出了“定態(tài)設計理論”，為傳統(tǒng)的CFB鍋爐進行流態(tài)重構奠定了理論基礎。2008年10月，《基于流態(tài)重構的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術及產(chǎn)品》通過了由教育部和山西省經(jīng)委聯(lián)合組織的技術成果鑒定。2010年1月，《基于流態(tài)重構的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術》獲得2009年度教育部科學技術進步一等獎。2011年8月，基于流態(tài)重構的節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐獲得國家四部委聯(lián)合頒發(fā)的國家重點新產(chǎn)品證書。2012年2月，國家科技部將《基于流態(tài)重構的節(jié)能/超低排放型循環(huán)流化床鍋爐關鍵技術研究及工程示范》正式列為“十二五”國家科技支撐計劃課題，標志著流態(tài)重構技術已經(jīng)被提升到國家戰(zhàn)略層面，成為國家潔凈煤技術發(fā)展的重要方向之一。

3 基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐的測試結果

3.1 影響鍋爐產(chǎn)品能效的因素

式中 q2——排煙溫度，鍋爐出口過剩空氣系數(shù);

q3——煙氣中CO含量，鍋爐二次配風;

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 能效測試結果分析

太鍋集團已對9臺鍋爐進行能效測試，本文重點對烏蘭浩特的240 t/h高溫高壓鍋爐和嵊州新中港的150 t/h超高壓鍋爐的風機配套、鍋爐煤耗、污染物排放值、鍋爐磨損情況和能效測試結果進行匯總和分析，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

鍋爐配套風機電功率對比:類比同鍋爐房相同參數(shù)鍋爐，配套風機總電功率見表1，集團鍋爐運行節(jié)電44.48%。

表1 鍋爐配套風機總電功率

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

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

鍋爐磨損情況:鍋爐運行三年，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

鍋爐配套風機電功率對比:類比同鍋爐房相近參數(shù)(130 t/h高壓)鍋爐，配套風機總電功率見表2，集團鍋爐運行節(jié)電40%。

表2 鍋爐配套風機總電功率

鍋爐煤耗:采用全背壓機組、按實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，滿負荷采取爐內(nèi)脫硫，未采用脫硝措施，由于鍋爐爐膛運行溫度在850～880℃，折合標準狀態(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實測為43.7 mg/Nm3［14］。

鍋爐磨損情況:鍋爐運行一年，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帽等部件未見磨損。

3.3 基于流態(tài)重構循環(huán)床鍋爐的能效測試結果

根據(jù)中國特種設備檢測研究院國家鍋爐壓力容器質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對太鍋集團9臺流化床鍋爐的能效測試報告［15］，主要數(shù)據(jù)指標匯總見表3。

表3 基于流態(tài)重構循環(huán)床鍋爐能效測試結果

由表3可以看出，得益于良好的一、二次風配置和鍋爐整體膨脹密封設計，鍋爐排煙處氧含量在3.10% ～5.97%，結合較低的排煙溫度，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。通過測試的鍋爐測試熱效率高出《鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督管理規(guī)程》鍋爐限定值3.1% ～8.67%，有 8臺鍋爐高出鍋爐目標值 0.5% ～3.67%，充分體現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)能優(yōu)勢。

4 結論

《鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督管理規(guī)程》的實施，對企業(yè)提升技術水平，體現(xiàn)節(jié)能效果有積極的促進作用，能效測試結果是對鍋爐產(chǎn)品性能最權威的驗證。通過對基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐針對能效提升設計，良好的測試結果為企業(yè)在市場競爭中創(chuàng)造有利條件，產(chǎn)品技術領先企業(yè)受益，基于流態(tài)重構超低排放循環(huán)流化床鍋爐已成為目前市場上采購循環(huán)流化床鍋爐主導產(chǎn)品。正在建設的4臺300 MW超高壓一次再熱節(jié)能/超低排放型循環(huán)流化床鍋爐項目的示范工程(國家科技支撐計劃，課題編號2012BAA02B01－09)，將于2013年12月開始進行運行調(diào)試，該項目的成功運行將證明:循環(huán)流化床鍋爐的節(jié)能環(huán)保綜合技術性能和經(jīng)濟性能將會遠遠優(yōu)于煤粉鍋爐。

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

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