程建軍(河南省安陽化學工業(yè)集團有限公司，河南 安陽 455133)

0 引言

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。

1 循環(huán)流化床鍋爐基本情況介紹

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)。

2 220t/h循環(huán)流化床鍋爐存在的問題

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。

3 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術改造方案

3.1 受熱面管束磨損的原因

(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。

3.2 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術改造措施

(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。

4 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術改造后達到的效果

(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。

5 結語

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。