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研究与开发 1 3 0 t ／ h生物质直燃循环流化床锅炉设计与运行 1 9 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 3 0 2 - 0 0 1 9 - 0 4 1 3 0 t ／ h生物质直燃循环流化床 锅炉设计与运行 包绍麟。 ， 李诗媛 ， 吕清刚 ， 那永洁 ， 王 东宇 ， 孙运凯 ， 刘志斌 ， 洪 波 ， 张庆红 ， 黄 勃 ， 董伟国 1 ． 中国科学院工程热物理研究所 ， 北京 1 0 0 1 9 0 ； 2 ． 长沙锅炉厂有限责任公司， 湖南 长沙 4 1 0 1 1 4 ； 3 ． 鞍山锅炉厂有限公司 ， 辽宁 鞍山 1 1 4 0 4 6； 4 ． 河北新能电力集团， 河北 邯郸0 5 6 0 0 2 摘 要 介绍了一种1 3 0 h 生物质直燃循环流化床 简称C F B 锅炉的基本设计和运行状 况 ， 探讨了C F B锅炉直燃生物质时所存在的一些问题并提出了可行的解决方案， 对我国生物质 直燃 C F B锅炉的发展具有一定的参考意义。 关键 词 循环流化床锅炉 ； 生物质直燃 ； 设计 与运行 中图分类号 T K 2 2 9 ． 9 2； T K 2 2 7 文献标识码 B De s i g n ＆ Op e r a t i o n o f 1 3 0 t ／ h Ci r c u l a t i n g Fl u i d i z e d Be d Bo i l e r s wi t h 1 0 0％Bi o ma s s B A O S h a o 一 1 i n ， L I S h i y u a n ， 曲 Q i n g g a n g ， N A Y o n g - j i e ， WANG Do n g y u ， S UN Yu n k a i ， L I U Z h i b i n ， HONG Bo ， Z H A N G Q i n g h o n g ， HU A N G B o ， D O N G We i g u o ． 第一作 者 包 绍 麟 1 9 6 3一 ， 1 9 8 6年 毕业 于清华大学热 能工程系， 现任中国 科学 院工程热物理 研究所研 究员 ， 长期 从事循 环流化 床燃 烧理论 和技术 开发 工作 。 1 ．I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i e s ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0， C h i n a ； 2 ．C h a n g s h a B o i l e r P l a n t C o ． L t d ． ， C h a n g s h a 4 1 0 1 1 4， Ch i n a；3．An s h a n Bo i l e r Co mp a n y L i mi t e d，An s ha n 1 1 401 2，Ch i n a； 4 ．He b e i N e w E n e r g y P o w e r G r o u p ， H a n d a n 0 5 6 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t P r e s e n t s t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f t h e 1 3 0 t ／ h CF B b o i l e r wi t h 1 0 0 ％ b i o ma s s ．S o me p r o b l e ms f o r b o i l e r o p e r a t i o n a r e d i s c u s s e d a n d s e v e r a l f e a s i b l e s o l u t i o ns a r e p r o v i de d，wh i c h ha s i t s s i g ni f i c a n c e f o r r e f e r e n c e o f d e ve l o pme n t o f CFB b o i l e r wi t h 1 0 0％b i o ma s s i n Chi n a． 。 Ke y wo r d s c i r c u l a t i n g flu i d i z e d b e d b o i l e r ； c o m b u s t i o n 、 v i t h 1 0 0％ b i o ma s s ； d e s i g n a n d o p e r a t i o n O前 言 对生物质能源利用技术的研究和应用是世界各 国关注的焦点之一。我 国的生物质资源总量丰富 ， 但种类繁杂 ， 农业 生物质所 占比重较大 。在各种生 物质能源利用技术 中， 直接燃烧发 电是我 国现 阶段 能够实现生物质能源大规模高效产业化利用 的技术 之一 ， 同时也是 C O 减排量最大的一种利用形式之 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 中国科学院工程热物理研究所于 2 0 0 2年开始 进行燃烧生物质 的 C F B锅 炉的研究开 发工作 。通 过各种生物质燃料的燃烧试验和灰成分分析 ， 获得 了生物质燃料在流态化燃烧过程中 K、 N a等碱金属 的转化特性和迁移规律 ， 研究了生物质 中碱金属 、 碱 土金属元素在流化床内的粘结特性 ， 探 索了生物质 燃料在流化床燃烧过程 中防止床料粘结和腐蚀的控 制方法， 共发表研究性论文 2 0余篇。在此基础上， 开展了生物质直燃 C F B锅炉的研发工作 。 2 0 0 8年 8月 ， 采用工程热物理研究所技术 的直 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 工业锅炉 2 0 1 3年第 2期 总第 1 3 8期 燃玉米芯的 1 4 M Wt C F B热水锅炉投入商业运行， 用户为甘肃酒泉先锋种业有 限公司 ， 长沙锅炉厂有 限责任有限公司负责锅炉的设计和制造。锅炉运行 稳定可靠 ， 很好地完成 了每年玉米收获期 间的供热 任务。 2 0 1 0年 3月 ， 采用工程热物理研究所技术的 7 5 t ／ h生物质混合燃料直燃 C F B发电锅炉投运 ， 长沙 锅炉厂有限责任有 限公司负责锅炉的设计和制造 ， 用户为浙江长广 集 团 有 限责任公司生物质发 电 分公司。锅炉主要燃用稻壳 、 锯木屑 、 山林薪柴 、 竹 制品废料等不 同类 型生物质混 合燃料。2 0 1 1年 9 月 1 6日， 该项 目通过 了中国电力企业联合会和中国 机械工业联合会在北京联合组织的科技成果鉴定 。 在上述研发成功经验基础上 ， 工程热物理研究 所开始了 1 3 0 t ／ h生 物质直燃 C F B发 电锅 炉 的研 发 。2 0 1 1年 7月， 采用工程热物理研究所技 术 、 由 鞍 山锅炉厂有限公 司设计制造的 1 3 0 t ／ h生物质直 燃 C F B锅炉 1号炉 在河北省邯郸市馆 陶新能生 物质热电有限公司投入商业运行， 并顺利通过 了7 2 小时试运行考核 。2 0 1 2年 2月 ， 采用 同样技术 的、 由长沙锅炉厂有限责任公司设计制造 的2号炉也顺 利通过了7 2小时试运行考核。 目前 ， 这 2台锅炉均 投入商业运行 ， 锅炉主要燃用木片 、 树根 、 玉米秆和 棉杆的混合燃料。 以下主要介绍该 1 3 0 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉 运行一年多出现的一些 问题 ， 并就生物质直燃 C F B 锅炉的设计和运行经验进行分析总结。 1 1 3 0 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉 结构特点 1 3 0 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉采用单汽包 自然 循环 、 全悬 吊膜式水冷壁的封闭结构 ， 布风板到炉膛 顶的高度为 2 9 m， 炉膛横截面积为 3 5 m ， 炉膛 内布 置 3片高温过热蒸汽屏 、 3片中温过热蒸汽屏和 4 片水冷蒸发屏。炉膛底部的布风板上布置有 内嵌逆 流柱型风帽 ， 布风板上有两个排渣 口均接入滚筒式 排渣机。 炉膛前墙下部设有 4个水平布置的生物质给料 口 。 两 台燃烧器布 置在布风板下面 的水冷风室后 墙 ， 用于锅炉的启动 。炉膛和尾部烟道之间布置有 2只绝热的蜗壳式旋风分离器。 锅炉的主要性能设计参数见表 1 。锅炉燃用的 生物质设计燃料、 性能测试燃料的元素和工业分析 见表 2 。 表 1 锅炉主要性 能设计参数 2 0 1 2年 8月 1 2日， 国家质量监督检验检疫总 局所属中国特种设 备检测研究 院节 能研究测试 中 心 ， 对长沙锅炉厂有限责任公司生产的 2号炉在额 定负荷下做 了产品性能测试 ， 结果见表 3 ， 测试 时的 燃料分析见表 2 。从测试结果看 ， 锅炉运行达到性 能设计要求。 表 2 锅炉燃用生物质燃 料特性 表 3 锅炉效率测试 数据 2 锅炉运行经验 生物质燃料与燃煤相比， 主要有 3点特殊性 1 生物质燃料堆积密度小 ， 结构松散 ， 能量的 体积密度远小于燃煤 ， 给生物质燃料 的加入带来 了 较大的困难。 2 生物质直燃 C F B锅炉的飞灰中存在大量含 K、 N a等元素的盐类物质 ， 这些物质熔点较低 ， 飞灰 易粘结在受热面上 ， 形成沉积 ， 造成受热面的沾污。 3 生物质燃料的挥发性很高， 燃尽 比较容易。 经过几年的生物质直燃技术研究 ， 我们认识到 生物质直燃 C F B锅炉虽然可借用 C F B燃煤锅炉的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 3 0 t ／ h生物质直燃循环流化床锅炉设计与运行 2 1 技术经验 ， 但需要针对生物质燃料 的特性对锅炉进 行结构的调整， 要通过炉型设计 、 关键技术的突破和 集成才能真正实现生物质燃料直燃的 目的。 2 ． 1 炉膛燃烧温度设计基点 与燃煤相 比， 生物质燃料灰 中的碱金属含量较 高 ， 导致灰熔点较低 ， 不同的生物质燃料灰的粘结温 度在 6 0 0～ 8 0 0 o C， 如果设计时炉膛燃烧温度还用燃 煤锅炉的 8 5 0～8 9 0℃设计 ， 炉 内床料将 很容易粘 结 ， 导致密相 区物料流化恶化， 被迫停炉。好在生物 质燃料的燃尽性 较好 ， 在 6 5 0～7 5 0 o C的燃烧温度 下 ， 仍能得 到满 意 的燃烧 效率。所 以生 物质 直燃 C F B锅炉的首要特点是 ， 要求炉膛保持 7 5 0 o C左右 的燃烧温度 ， 以确保炉膛 内的物料不粘结 。在设计 锅炉时按照该温度进行炉膛受热面的设计 ， 进 而设 计尾部的过热器 、 省煤器和空气预热器等 。如果所 燃烧的生物质燃料中灰熔点低 于 7 5 0℃， 炉膛燃烧 温度要进一步降低 ， 或必须采用混烧其它生物质 、 添 加高灰熔点 的惰性床料等措施 ， 以保证循环物料不 会粘结结团。 2 ． 2 受热面表面的粘结腐蚀问题 C F B锅炉燃烧生物质燃料时， 过热器表面很容 易 出现积灰腐蚀 等问题。如图 1 ， 受热 面腐蚀速度 和管壁温度有关 ， 当管壁温度在 5 0 0～ 7 0 0 o C时 ， 管 壁腐蚀速率飞升。正因为如此 ， 多数生物质直燃锅 炉均选取较低的过热蒸汽温度 ， 如 4 5 0 以下 ， 以防 止过热器表面的腐蚀 。但过低 的蒸汽温度会降低电 厂的发电效率 ， 不利于生物质能源的利用， 虽然生物 质电厂的电价 比燃煤 电价要 高， 但 电厂的利润空间 还不是很多。 就国内 目前生物质电厂情况来说 ， 中温 中压蒸 汽参数的生物质直燃锅炉发电厂盈利 的不多 ， 而高 温高压蒸汽参数的生物质直燃锅炉发电厂可 以做到 不赔 ， 赔赚就在于锅炉蒸汽参数的选择 ， 从而决定 了 发电厂的发电效率。要采用较高蒸 汽参数 的锅炉 ， 就必须解决高温蒸汽管的高温积灰腐蚀 问题 。 空气 预热 器 岗湓过热 器 0 De 0 w I 2 0 0 子 3 0 壁 0 4 O 0咖 噬 0 0 7 t 管 子壁温 ℃u盎 图 1 锅炉受热面腐蚀速率 如图 1 ， 高温受热面表面有含碱金属元素灰 的 粘结才有高温腐蚀问题 ， 如果能够减轻灰的粘结 ， 高 温腐蚀就会减轻 。工程热物理研究所在进行高温高 压过热蒸汽参数的 1 3 0 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉设 计时 ， 将高温级和中温级过热器 以屏 的形式 布置在 炉膛内， 利用循环物料对高温过热器和 中温过热器 表面的冲刷， 减轻受热面表面的灰粘结 ， 从而可大幅 减少高温腐蚀。运行结果显示 ， 过热蒸汽屏表 面虽 然结了一层灰壳 ， 但停炉以后剥去灰壳检查 ， 过热蒸 汽屏表面没有腐蚀现象 ， 证 明 C F B锅炉 的循环物料 能够有效地保护过热蒸汽屏不被粘结物腐蚀 ， 而尾 部过热器由于蒸汽温度较低 ， 约为 4 2 0℃左右 ， 含碱 金属元素灰， 对受热面的腐蚀减轻较多。 2 ． 3 空气预热器的低温腐蚀 如图 1 ， 当管壁温度 为 1 0 0～ 1 5 0 o C时， 管壁 的 腐蚀也会大幅度增加 。这正是空气预热器的管子表 面温度工作区问 ， 1 3 0 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉实 际运行结果也是这样 ， 锅炉运行 3 0 0 0小时后 ， 虽然 空气预热器的末两级用的是耐腐蚀的考登钢 ， 仍 出 现大量管壁锈穿现象 ， 大量的空气直接从 空气预热 器进入烟气中， 降低 了锅炉效率 ， 显示 的烟气氧含量 较高 ， 而炉 内是缺氧状态 ， C O的排放较高。目前 ， 馆 陶新能生物质热电有 限公司准备将锅炉最后两级空 气预热器更改为搪瓷管 ， 以保护管子不受腐蚀。搪 瓷管空预器的使用效果有待改造后的运行考核。 2 ． 4 生物质燃料的加料和储存 馆陶新能生物质热 电有限公 司的 1 3 0 t ／ h生物 质锅炉采用类似给煤 的方式加料 ， 当时计划采用压 块技术将生物质燃 料加工成型 ， 像燃煤一样从 5 5 。 倾斜管加进炉膛。但用户考查 了国内的生物质成型 机市场后 ， 发现压块技术将增加 1 0 0～1 5 0元／ 吨的 燃料成本 ， 另外国内现有成型机的处理量不大 ， 大多 在 2 t ／ h左右 ， 1台 1 3 0 t ／ h生物质直燃锅炉的燃料 消耗量是 4 0 t ／ h ， 需要配备 2 0台压块成 型机 ， 显然 不现实。由于电力设计 院已经完成 电厂基础设计 ， 电厂的施工 已经开始 ， 所 以无法将 已采用 的倾斜布 置进料方式更改为直推进料方式 ， 这是 目前锅炉运 行的一个薄弱环节 ， 需要时刻巡视加料现场 ， 防止生 物质燃料搭桥等故障。 浙江长广 集团 有限责任公司生物质发电分 公司的7 5 t ／ h生物质直燃 C F B锅炉， 采用炉膛下部 双螺杆直推加料技术。从 以上两个发电厂的运行结 果看 ， 双螺杆直推加料技术较优越 ， 既稳定可靠又简 单。建议今后 的生物质直燃 C F B锅炉 的进料采用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 工业锅炉 2 0 1 3年第 2期 总第 1 3 8期 直推加料技术。我国生物质直燃锅炉已经推广应用 多年 ， 在锅炉燃料直推加料技术方面比较成熟 ， 有较 为可靠的设备供应商可供选择。 馆陶新能生物质热电有限公司每天要烧 1 8 0 0 吨生物质燃料 ， 料场需要储存约 5万吨生物质燃料 ， 由于生物质燃料的密度小 ， 料场 比燃煤的要大很多 ， 管理不严容易出现料场燃料燃烧现象。造成燃烧的 原因有燃料 自燃、 汽车尾气引燃和燃料中混入生石 灰等。为了防止料场燃料燃烧现象， 料场需要布置 大量 的监视摄像头 ， 在燃料 冒烟时就要及时采取灭 火措施。有厂房的可 以设计 喷水装置 ， 有情况就喷 水降温 ， 防止燃料的燃烧 。 生物质进炉 的燃料水分应该尽量保持在 4 5 ％ 以下 ， 燃料低位 热值应该控 制在 1 8 0 0 k e a l ／ k g以 上 ， 违反这两个参数 ， 锅炉燃烧控制将很 困难 ， 过热 汽温也很难保住 ， 与其增加锅炉操作的难度 ， 还不如 在燃料 的收购、 储存环节下功夫为佳 。 2 ． 5 锅炉的运行控制 生物质燃料 的干燥无灰基挥发分一般在 5 0 ％ 以上 ， 极易气化。生物质直燃 C F B锅炉运行时和燃 煤锅炉一样 ， 炉膛 内有大量的高温循环物料 ， 虽然床 温只有 7 0 0℃ ， 一旦一次风系统出故障 ， 生物质燃料 加进炉膛以后会立刻发生气化 ， 产生大量 的可燃气 体 ， 稍微控制不当就会出现爆燃现象。所 以， 锅炉控 制系统一定要保证在供风系统出现故障时能够迅速 停止燃料的加入 ， 连锁控制装置要可靠稳妥 ， 防止爆 燃的发生。 2 ． 6炉膛的流化布风 馆陶新能生物质热电有 限公司 1 3 0 t ／ h生物质 直燃 C F B锅炉采用了工程热物理研究所的内嵌逆 流柱型风帽专利技术 ， 风帽的型式与燃煤锅炉的一 样 ， 风帽 的节距为 1 6 0 mm， 布风板 的阻力 为 4 k P a 左右 ， 风室的压力一般控制在 8～1 0 k P a ， 正常运行 时不需要放渣。虽然生物质燃料的灰很细 ， 但经过 近一年的运行考验 ， 风室没有漏渣现象 ； 布风板上部 由于燃烧温度控制得较低， 极少出现床料流化不均 现象 。可见 ， 只要设计合理， 物料循环系统的烟气温 建设节约型社 度控制得 当， C F B燃煤锅炉的物料流化 、 分离和回送 技术完全可以用到生物质直燃 C F B锅炉上。 由于生物质燃料无法过筛及破碎 ， 进料 中很难 完全避免7 昆入石块 、 砖头等杂物， 锅炉运行中又不容 易将它全部放出来 ， 虽然采取了增大放渣管直径的 措施 ， 但锅炉运行一个月左右还是需要停炉 ， 清除随 燃料混入炉膛内难以流化的石块等杂物。 2 ． 7 锅炉受热面的磨损 馆陶新能生物质热 电有 限公司 1 3 0 t ／ h生物质 锅炉炉膛壁 面的防磨设计 完全采纳 了燃煤 C F B锅 炉的技术 在炉膛下部 、 炉膛上部烟气 出口区域的水 冷壁表面敷设耐火耐磨浇注料 ； 在炉膛下部水冷壁 与耐火耐磨层的交界区域采用让管技术； 另外炉膛 的烟气速度控制在 4 ． 5 m ／ s 以下 。目前还没有出现 水冷壁磨损现象 ， 尾部 的受热面与燃煤 C F B锅炉一 样 ， 没有磨损现象， 但存在管子积灰现象。 2 ． 8 锅炉省煤器的布置 生物质燃料的含水率一般较高， 大多在 3 0 ％ ～ 4 0 ％， 有时甚至达到 5 0 ％ ， 锅炉 的烟气量 比同样容 量的燃煤锅炉多 2 5 ％左右， 省煤器 的面积需要布置 较多 ， 烟气流速又不能设计得很高， 该 1 3 0 t ／ h项 目 采用的是错排布置 ， 运行实践证明， 错排布置容易搭 桥堵塞 ， 所以生物质直燃 C F B锅炉省煤器只能顺排 布置 ， 横 向截距不能太小 ， 设计要尽量保守 ， 多布置 一 点为好 。 3 结论 采用工程热物理研究所技术 的 1 3 0 t ／ h生物质 直燃 C F B锅炉已经投入商业运行 ， 锅炉主要燃用木 片、 树根 、 棉杆的混合燃料 ， 锅炉运行可靠 ， 燃烧效率 较高。 炉膛燃烧温度的设计基点取 7 5 0℃， 将高温级 和中温级过热器以屏 的形式布置在炉膛 内， 以避免 积灰的高温腐蚀 ， 建议进料采用直推加料技术 ， 供风 和加料必须严格联锁控制 ， 炉膛 布风和防磨可 以借 用燃煤锅炉的技术 ， 省煤器的设计需要多布置。盈 推 进资 源综合 利 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m