程建軍(河南省安陽化學工業(yè)集團有限公司,河南 安陽 455133)
循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點是:燃料適應性廣、爐溫偏度、煙氣中氮氧化物含量偏低、負荷調節(jié)范圍大、單位爐膛熱負荷大、爐內傳熱能力強等[1-2]。循環(huán)硫化床鍋爐引進后在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。由于我國循環(huán)流化床鍋爐比其他燃煤鍋爐起步晚、歷史短,循環(huán)流化床鍋爐的設計和運行規(guī)律還沒有完全被廣大設計、運行、檢修技術人員全面掌握,造成新建的一些鍋爐實際運行效果達不到設計要求[3-4],在運行過程中出現(xiàn)了許多影響鍋爐安全、穩(wěn)定、長周期運行的問題,鍋爐運行的經(jīng)濟效益也不理想。
安陽化學工業(yè)集團有限責任公司的11#鍋爐為唐山信德鍋爐集團有限公司設計生產(chǎn)制造的220t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,鍋爐結構布置為“Π”型,鍋爐爐膛四周布置有膜式水冷壁管和爐膛內上部稀相區(qū)依次布置有一級蒸發(fā)器(進、出口煙溫1004℃、902℃);三級過熱器(進、出口煙溫902℃、820℃)、二級過熱器(進、出口煙溫820℃、748℃)、一級過熱器(進、出口煙溫748℃、622℃);二級蒸發(fā)器(進、出口煙溫622℃、548℃)及二級省煤器(進、出口煙溫548℃、459℃);爐膛出口布置二個中溫旋風分離器(進、出口煙溫459℃、450℃);鍋爐尾部煙道布置有一級省煤器(進、出口煙溫450℃、307℃)及空氣預熱器(進、出口煙溫307℃、140℃)等受熱面。燃料為當?shù)刂苓叺臒o煙煤、發(fā)熱量在4500kcal/kg左右;鍋爐設計熱效率為88%;設計煤耗為35.8t/h。其中一級蒸發(fā)管位于爐膛床料上方約20m位置,由兩組管束組成,每組管束由兩排Φ32mm×5mm材質為20G高壓鍋爐管制成。錯列布置,橫向間距90mm,縱向間距60mm。管束底部迎風面、背風面及彎頭都裝有防磨護瓦,沿爐膛寬度方向用定位裝置固定管束,一級蒸發(fā)管向上起吊掛作用,起吊掛作用的鍋爐管變徑為Φ38mm×6mm,向上沿爐膛深度方向分為三排,支撐和吊掛各級過熱器、二級蒸發(fā)器及高溫省煤器。二級省煤器布置在爐膛上部出口位置,采用Φ38mm×6mm材質為20G的管彎成水平蛇形管,順列雙管圈布置光管式,橫向間距95mm、縱向間距115mm。因為環(huán)保對“N”排放的要求,在鍋爐尾部中溫分離器后一級省煤器前加裝了SCR脫硝系統(tǒng)。
11#220t/h循環(huán)流化床鍋爐目前運行情況相對穩(wěn)定,但存在著以下四個重要問題,也是本次改造需要解決的問題。
(1)鍋爐運行周期短。布置在爐膛上部的一級蒸發(fā)器管束變形、磨損非常嚴重,經(jīng)常因為蒸發(fā)器管束爆管而被迫停爐,鍋爐運行周期短,嚴重影響各生產(chǎn)系的穩(wěn)定運行。
(2)鍋爐負荷達不到設計能力。由于爐膛內一級蒸發(fā)管束變形、磨損嚴重,鍋爐運行時的一、二次風量和給煤量無法調整到設計值;鍋爐旋風分離器的分離效率低和返料器的設計不合理等造成“鍋爐循環(huán)灰量”不足,引起爐膛超溫,也影響鍋爐負荷提。
(3)SCR脫硝系統(tǒng)超溫。脫硝系統(tǒng)SCR的工作溫度在320~410℃之間,在鍋爐脫硝系統(tǒng)改造時錯誤地將脫硝系統(tǒng)放置在鍋爐中溫分離器和一級省煤器之間,而此處的設計工作溫度為450℃,因此SCR脫硝系統(tǒng)布置在此處,在高負荷運行時就會發(fā)生超溫現(xiàn)象,導致SCR脫硝系統(tǒng)無法正常運行。
(4)爐膛前后墻床溫偏差大。鍋爐正常運行時,爐膛床溫前后溫度相差200℃左右,為保證鍋爐運行安全,只能讓一部分爐溫保持在低溫下運行,這嚴重想鍋爐負荷提升;同時也很容易造成鍋爐局部超溫,要保證鍋爐安全穩(wěn)定運行,必須解決爐膛床溫前后溫差大的問題。
(1)鍋爐受熱面管束在爐膛和煙道中受高溫煙氣的橫向沖刷,由于高溫煙氣攜帶的飛灰顆粒有一定的硬度和動能,飛灰顆粒撞擊受熱面管束表面時,對金屬表面形成一定沖擊和切割作用導致了鍋爐管的磨損。鍋爐受熱面管束管壁金屬表面的磨損量與飛灰存在如式(1)所示的關系:
式中:T為管壁金屬表面磨損量(g/m2);C為比例常數(shù),代表飛灰顆粒的磨損特性,與鍋爐使用的煤種有關,煤中SiO2和Al2O3含量越高,C值越大,煤中Fe2O3和CaO含量越高,C值越?。沪菫轱w灰的管壁撞擊率,與飛灰濃度、飛灰顆粒直徑、煙氣流粘性、煙氣速度以及管子直徑有關,飛灰的顆粒的大小及其分布特性與煤的燃燒方式、燃燒特性、細度以及燃燒條件有關;μ為煙氣中飛灰質量濃度(g/m3);w為煙氣中飛灰顆粒的流速,它比煙氣速度小,計算式采用煙氣速度;t為時間(s)。
從式(1)可以看出,受熱面管束磨損量與煙氣速度、飛灰濃度和顆粒直徑、煙氣流粘性以及管子直徑、飛灰顆硬度、燃燒方式以及燃燒條件等多方面因素決定。
(2)煙氣速度對受熱面管束磨損的影響:受熱面管束的磨損量與煙氣速度成n(n>3)次方關系,磨損源于飛灰顆粒具有動能,動能其速度平方成正比。磨損還與飛灰濃度(飛灰濃度與速度的一次方成正比)、飛灰顆粒撞擊因子和飛灰對被磨損物體的相對速度有關。若近似認為vp(顆粒速度)≈vg(煙氣速度)時,磨損量就將和煙氣速度的三次方成正比。煙氣速度的提高,會促使上述原因的作用加強,所以煙氣速度越大,wn值也就越大。
根據(jù)以上受熱面管束磨損原因的分析,我們認為降低高溫、高濃度、大顆粒煙氣的速度是減輕高溫、高濃度、大顆粒煙氣對受熱面管束沖刷磨損最有效、最直接的辦法;根據(jù)該循環(huán)流化床鍋爐的爐膛受熱面管的實際布置情況,將爐膛內的一級蒸發(fā)器管橫向、縱向間距加大(將原來的橫向間距90mm增加到180mm;或將縱向間距由原來的60mm加大到150mm)那么高溫、高濃度、大顆粒煙氣速度可以從原來7.4m/s降低到橫向3.7m/s、縱向4.1m/s。
(1)一級蒸發(fā)器管束在原來爐膛懸浮段上方位置不變,管排數(shù)、錯列布置不變,橫向間距不變?yōu)?0mm、縱向間距由原來的60mm加大到180mm;這樣就使管束最大的流通間距由原來的109mm加大到200mm(管束斜向間距)以上,煙氣速度可以從原來的7.4m/s降到3.9m/s;這樣可以極大的減輕高溫、高濃度、大顆粒煙氣對一級蒸發(fā)器管束的磨損程度;同時還保留一級蒸發(fā)器管束的支撐、吊掛的功能。
(2)將一級蒸發(fā)器管束由原來的Φ32mm×5mm G20管改Φ38mm×6mm,材質G20不變,這樣可以將一級蒸發(fā)器管束和支撐、吊掛功能的三排管束直接對接,原來的大小頭可以取消;同時可以使一級蒸發(fā)器的受熱面積增加20%左右。
(3)將一級蒸發(fā)器管束的斜向上傾角由原來6°擴大至12~15°,這樣可以避免低負荷時水循環(huán)動力不足造成蒸發(fā)器管束內汽水分層、局部過熱、變形爆管。
(4)將一級蒸發(fā)器的防磨瓦蓋板改成長194mm、寬12mm、厚8mm的防磨筋片,防磨筋片材料選用310S;由于防磨瓦板長時間在900℃以上溫度中工作,極容易發(fā)生高溫碳化而失去防磨功能,而防磨筋片是焊接在受熱面管上,防磨筋片的工作溫度和受熱面管一樣可以得到鍋爐水的及時冷卻,不會出現(xiàn)高溫而碳化問題,防磨功能和效果不會被破壞。同時防磨筋片是和一級蒸發(fā)器管束直接焊接在一起的這樣就可以使一級蒸發(fā)器受熱面積增加近30%,采用防磨筋片確保一級蒸發(fā)管能夠長周期運行,根據(jù)同行業(yè)的使用情況采用防磨筋片可以確保一級蒸發(fā)管使用周期在5a 以上。
(5)將一級蒸發(fā)器下集箱2根Φ159mm×15mm的進水管該成4根Φ159mm×15mm的進水管,下集箱重新進行設計制造,可以確保一級蒸發(fā)器管束在低負荷時不會發(fā)生因冷卻水量不足出現(xiàn)過熱變形的現(xiàn)象(下集箱原進、出水管的截面比只有0.35;理論要在0.6以上,改成4根以后就可以達0.6以上),同時也使一級蒸發(fā)器下集箱進、出水分布均勻。
(6)將布置在爐膛最上部出口位置的二級省煤器也采用Φ38mm×6mm材質為20G的鍋爐管彎成水平蛇形管的結構,順列布置,橫向間距90mm、縱向間距105mm保持不變。將光管省煤器改成膜式鰭片式省煤器使二級省煤器的受熱面積增加,確保爐膛出口的煙氣溫度降到360℃左右,確保SCR系統(tǒng)的工作溫度在320~410℃之間。
(7)針對分離器“循環(huán)灰量”不足的問題做了兩方面改造:①改造旋風分離器結構,使其原來的“平面”螺旋進氣方式改成“立體”螺旋進氣方式,降低進口煙氣速度(原設計煙氣進口速度36m/s改造后速度為理論25m/s)使煙氣向下螺旋進氣,提高旋風分離器的分離效率;②將目前旋風分離器的返料器改造成標準的“U”型閥結構的返料器可以使旋風分離器分離出來的“循環(huán)灰”及時返回鍋爐爐膛,解決鍋爐“循環(huán)灰量”不足的問題。
(8)將分離器的細灰返料口的高度從原來的500mm提高到1000mm,同時加裝細灰返料風,這樣可以使低溫的細灰進爐膛后均勻分散到爐膛內,縮小爐膛前后墻溫差(按原來設計此處細灰溫度應該是430℃左右,現(xiàn)在只有360℃左右)為鍋爐提升負荷創(chuàng)造條件。
(1)解決鍋爐爐膛內一級蒸發(fā)器管束的磨損和過熱變形爆管問題,保證一級蒸發(fā)管束正常使用周期;(2)解決SCR脫硝系統(tǒng)工作溫度超溫問題,確保其工作溫度控制在320~400℃范圍,延長了SCR脫硝催化劑的使用壽命;(3)解決鍋爐負荷不足問題,鍋爐正常運行后,鍋爐達到正常額定負荷220t/h;(4)提高旋風分離器的分離效率和增加旋風分離器的“循環(huán)灰量”,確保鍋爐床溫在900℃左右,不僅保證了鍋爐運行指標的穩(wěn)定,而且有效降低了鍋爐煙氣中的氮氧化物含量;(5)解決了鍋爐爐膛前后床溫溫差的偏大問題,為鍋爐提負荷創(chuàng)造了條件。
綜上所述,由于唐山信德鍋爐集團有限公司設計經(jīng)驗不足,其為安陽化學工業(yè)集團有限責任公司生產(chǎn)的220t/h循環(huán)流化床鍋爐問題較多,經(jīng)過公司技術人員長期觀察、研究、參觀、學習、分析、討論形成了整體改造技術方案,經(jīng)過45d 的現(xiàn)場施工,改造工作順利完成,鍋爐投運后達到預期效果,鍋爐負荷達到設計能力220t/h,運行周期提高120d 以上,鍋爐前后墻溫差縮小至100℃以內,鍋爐運行更加平穩(wěn),飛灰殘?zhí)枷陆?%,噸蒸汽煤耗下降5kg。