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研究与开发 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉的设计 1 5 文章编 号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 3 0 5 - 0 0 1 5 - 0 5 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉的设计 包绍麟 ， 吕清刚 ， 那永洁 ， 孙运凯 ， 王海刚 ， 周 托 沈解忠 ， 毛军华 ， 苏小平 ， 杨 浩 ， 钱 刚 ， 景 磊 1 ． 中国科学院工程热物理研究所 ， 北京 1 0 0 1 9 0 ； 2 ． 无锡华光锅炉有 限公 司， 江苏 无锡 2 1 4 0 2 8 摘要 介绍了2 2 0 t ／ h节能环保型循环流化床 简称 C F B 锅炉的设计原则， 探讨了降低 锅炉有害气体 N O 和 s O 排放的措施 ， 对满足我国环保政策的 C F B锅炉研发具有参考意义。 关键词 CF B锅炉 ； 节能环保 ； 设计 中图分类号 T K 2 2 9 6 6 文献标 识码 A De s i g n o f 2 2 0 t ／h Ci r c u l a t i n g Fl ui d i z e d Be d Bo i l e r s wi t h En e r g y Co n s e r v a t i o n ＆ En v i r o n me n t a l Pr o t e c t i o n B A O S h a o l i n ， L Y U Q i n g g a n g ， N A Y o n g - j i e ， S U N Y u n ． k a i ， W A NG Ha i ． g a n g ， Z HOU T u o ， S HEN J i e z h o n g ， MAO J u n h u a ， S U X i a o 。 p i n g ， Y AN G Ha o ， Q I A N G a n g ， J I N G L e i 第一 作 者 包 绍 麟 1 9 6 3一 ， 男， 中国 科学 院工程热物 m 研究所研究员， 长 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 c 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 ．Wu x i H u a g u a n g B o i l e r C o ．L t d ． ， Wu x i 2 1 4 0 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n p r i n c i p l e o f 2 2 0 t ／ h c i r c u l a t i n g fl u i d i z e d b e d C F B b o i l e r s w i t h e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n i s i n t r o d u c e d，a n d t h e me a s u r e s t o r e d u c e NO a n d S O2 e mi s s i o n a r e d i s c u s s e d ．I t i s h o p e d t o p r o v i d e s o me r e f e r e n c e f o r t he r e s e a r c h a nd de v e l o pme n t o f CFB bo i l e r s whi c h me e t t h e e n v i r o nme n t a l r e q ui r e me n t i n Chi na ． Ke y wor d sCFB bo He r；e ne r g y c ons e r v at i o n and e nvi r o nme nt a l pr o t e c t i on；de s i g n 1 前言 煤 的 C F B燃烧是一种 高效 和低 污染 的清洁燃 烧技术 ， C F B锅炉具有负荷调节范 围广和对燃料 的 适应性强等突出优点。C F B锅炉的炉膛温度通常在 8 5 0～ 9 0 0℃， 这是一个理想的石灰石分解脱硫反应 温度区问， 通过直接 向炉膛加入石灰石 ， 可使 烟气中 的 S O 脱除效率达 到 9 0 ％ 以上 ； 同时， 采用低温和 分级送风燃烧， 可大大降低 N O 的生成。 中国科学院工程热物理研究所 与无锡华光锅炉 股份有 限公 司于 2 0 0 4年成功开发了 2 4 0 t ／ h 高温高 压 C F B锅炉 ， 首 台锅炉 建在洛 阳华润 热 电有 限公 司 J 。随后 ， 广东东莞理文 2 8 0 t ／ h和南京协鑫 2 4 0 t ／ h等近 2 0 0多台同容量等级 、 不同蒸汽参数 的 C F B 收稿 日期 2 0 1 3 -05 -06 基 金 项 目中 国 科 学 院 战 略 先 导 科 技 专 项 资 助 X D A 0 7 0 3 0 1 0 0 锅炉陆续建成并投入商业运行 ， 这些 C F B锅炉的运 行调整时间短 ， 系统设计简单 ， 可以做到按需停炉 ， 年连续运行时间达到 7 0 0 0小 时以上 ， 特别适应 中 国的煤质特性和运行条件 ， 形成了具有独立 自主知 识产权 的 C F B锅炉技术设计体 系， 获得用户 的普遍 好评。其 中， 洛阳华润热电有限公 司的2 2 0 t ／ h C F B 锅炉在燃用 5 2 0 0 k c a l ／ k g山西晋城无烟煤时 ， 锅炉 热效 率 为 9 1 ． 1 0 ％ ； 陕 西 渭 河 沽 能 有 限 公 司 的 2 4 0 t ／ h C F B锅炉在燃用 5 3 0 0 k c a l ／ k g 烟煤时， 锅炉 热效率为 9 2 ． 5 0 ％。 我国政府于 2 0 1 2年颁布 了火 电厂大气污染 物 排放标准 G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 ， 要求新建锅炉烟气排放 中 S O 2 1 0 0 m g ／ m 标态 、 N O 1 0 0 mg ／ m 标 态 ， 2 0 1 4年将在全国主要省区推广 ， 并逐渐推广到 全 国。过去， C F B锅炉首先要保证煤 的高效燃烧 ， 现 在 ， N O 、 S O 排放是否达标是新的关注点 ， 如果锅炉 的烟气污染物排放不达标 ， 锅炉 的高效燃烧也就失 去 了意义。C F B锅炉的科研工作者必须根据市场需 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉的设计 1 7 效 的措施抑制 N O 的生成。下 面简要介绍 N O 的 生成机理。 锅炉燃烧 中产生 的 N O 主要有燃料 型 N O 和 热力型 N O ， 燃料型 N O 由燃料 中的氮成分在燃烧 中产生 ， 热力型 N O 是 由于空 气 中的 N 高温氧化 产生。由于 C F B锅炉的燃烧 温度一般在 8 5 0～9 5 0 c I 二 ， 空气中 N 氧化形成的热力型 N O 很少 ， 可忽略 不计。燃料型 N O 在 C F B锅炉里 的生成过程 比较 复杂， 与煤种、 燃烧温度、 过量空气系数、 空气分级供 入等因素有关。 煤种不 同， 挥发分和氮含量不 同， C F B锅炉燃烧 中 N O 的排放也不同。燃料 中的氮含量高， 燃烧 中 产生的 N O 就高； 挥发分高的煤种 ， 如褐煤 ， N O 的 排放较高 ， 挥发分低 的煤种 ， 如无烟煤 和贫 煤 ， N O 的排放较低 。 研究已经确认 ， 炉膛燃烧温度在 8 5 0～8 8 0 o C 是 最低 N O 的生成反应 区间 ， 高于这个温度 ， N O 将 大幅度升高 ， 低于这个温度 ， 煤将不能得到很好的燃 尽 。 炉膛内供人 的氧气越 少 ， 生成 的 N O 就 越少 ， 但进一步减少 氧气 的供应 ， 会增加飞灰含碳量 ， C O 排放也会增加， 锅炉燃烧效率会明显下降。经验表 明， 炉膛出 口的烟气 氧含量控制 在 2 ％ ～3 ％， N O 生成 比较小 ， 燃烧效率也能够得到保证 。 C F B锅炉采取空气分级供入技术 ， 大约 5 0 ％ 的 空气从炉膛下部进入炉膛 ， 使炉膛下部基 本上处 于 还原性气 氛中， 生成 的 N O 被还原 ， 抑制 了 N O 的 生成。另外 5 0 ％的燃烧空气从炉膛的中下部给人， 此时燃料中的 N成分燃烧生成 的 N O 就少很多。 根据 以上研究 成果 ， 2 2 0 t ／ h节能 环保型 C F B 锅炉将通过合理设置炉膛受热面 ， 控制炉膛燃烧温 度设计点 8 6 0～ 8 8 0 o C ； 严格进行 空气分级供入 ， 低 于 5 0 ％总风量作为一次风从 炉膛布风板下送人 ， 另外高于 5 0 ％的空气作为二次风从炉膛布风板 上 给入 。根据尾部烟气 中的氧含量为 2 ％ ～3 ％决 定 总风量的加入量。通过采取 以上措施 ， 2 2 0 t ／ h节能 环保型 C F B锅炉的 N O 排放 可控制在 1 0 0 m g ／ m 标态 以下。对于含氮较高的煤种 ， N O 的排放 浓 度可能会 超过 1 0 0 mg ／ m 标 态 ， 但不 会超 过 2 0 0 mg ／ m。 标态 ， 可通过 在旋风分离器 的进 口采取 简 单 的选择性非催化还原 s e l e c t i v e n o nc a l a l y t i c r e d u c t i o n ， S N C R 技术， 将尾部烟气的 N O 排放控制 在 1 0 0 m g ／ m 标态 以下。 在众多的烟气脱硝 技术 中， S N C R是应用较 为 广泛的技术 ， 特别适合 C F B锅炉。S N C R的还原温 度窗口在 8 0 0～ 9 5 0℃ ， 正好落在最佳的脱硫脱硝温 度 8 6 0 8 8 0 o C以内， 是 比较适合 C F B锅炉应用 的 ， 它不需要催 化剂 ， 运行 费用较低 ， 尿素通常可 用作 N O 的还原剂 ； 氨水也是较好 的还原剂 ， 但 由于环境 及安全因素， 使用不多。大量的工业应用实践表明， C F B锅炉的高温旋风分离器是很好 的脱 N O 场所 ， 还原剂和烟气 在这里 能够 进行最 好 的掺混 ， 采 用 S N C R技术可以获得 6 0 ％ ～ 8 5 ％的脱 N O 效率 。 现在 ， 新开发 的 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉 均在高 温旋 风 分离 器 的进 口烟 道 上 设置 了用 于 S N C R脱硝的加人 口， 大多在进 口烟道的外侧垂 直 方 向布置 2～ 5个喷入 口， 也有布置在进 口烟道的 内 侧 ， 外面用盲板封住 ， 用户可 自己选择专业 的环保0 司进行 S N C R系统的设计和现场安装 。可以设计一 套 系统同时对应几台 C F B锅炉。 5 脱硫 方面采取的措施 J C F B锅炉燃烧技术最突出的优势是 ， 能够通过 向炉膛 内加入石灰石粉的简廉方法实现烟气 S O 排 放浓度达标 ， 这也是 C F B锅炉能够在 中国得到大规 模应用 的重要原 因。石灰石加入炉膛 的位置以及方 式对脱硫效果 的影响很大 ， 因此 2 2 0 t ／ h节能环保 型 C F B锅炉有必要根据 国内脱 硫科研成果进 行优 化设计 。 国内科研机构在脱硫方面的多年研究得出的主 要结论是 ， 对于大多数含硫量小于 1 ％的煤种 ， 采取 有效 的 脱 硫 措 施 后 ， S O 排 放 浓 度 能 够 达 到 1 0 0 mg ／ m 标态 以下 ； 对 于含硫量 大于 1 ％ 的煤 种 ， s O 排放能够达到 2 0 0 m g ／ m 标态 以下 ， 但达 到 1 0 0 m g ／ m 标态 以下有难度 ， 解决办法是采用 炉内石灰石加入系统之后 ， 尾部再 增加一级湿法脱 硫系统 ， 这样就完全能够达到 1 0 0 mg ／ m 标态 以 下的国家排放标准。 石灰石加入炉膛 的工艺有两种 ， 一是通过二次 风管将石灰石粉送进炉膛 ， 这是 国内较普遍采用 的 方法； 第二个是通过返料器送进炉膛 ， 石灰石粉先与 高温循环灰混合、 被分解 ， 再吸收烟气 中的 S O 。工 业实践证明第二个方法更为有效 ， 可大幅度减少石 灰石粉的用量。 为保证 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉 的烟气达 到新的国家环保标准 ， 在建设发 电厂的时候都需在 尾部设计一套湿法脱硫系统。现在尾部湿法脱硫系 统的设备造价已经很低 ， 大多数发电厂能接受。在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 工业锅炉 2 0 1 3年第 5期 总第 1 4 1 期 锅炉 运 行 时， 当 烟 气 中 的 S O 排 放 浓 度 超 过 1 0 0 mg ／ m 标 态 时 ， 启 动尾部 湿法脱 硫 系统 ， 将 S O 排放浓度控制在 1 0 0 mg ／ m 标态 以下。锅炉 运行经验表明， 在脱硫塔中喷少量水就能够大幅度 降低烟气中 s 0 浓度， 原因是烟气中含有大量多余 未反应 的石灰粉， 这些石灰粉和水形成 C a O H ， 其脱硫反应活性极佳 。 现在 ， 新开发 的 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉 上石灰石均从返料器加入 ， 尾 部还安装了一套湿法 脱硫系统 ， 可依据脱硫工况随时投入使用。与煤粉 炉尾部脱硫系统相 比， C F B锅炉的湿法脱硫系统喷 入的石灰石浆 明显减少 ， C F B锅炉又能够 以清洁环 保的新面貌出现。 6 节 能方面 的措施 洛阳华润热电有限公司的 2 4 0 t ／ h C F B锅炉的 一 次风机和二 次风机的压头选 型分别是 2 1 ． 6 k P a 和 1 4 ． 7 k P a ， 而实际运行表明， C F B锅炉通常不需要 这样高的压力储备系数 见表 1 。发电厂操作人员 都将一次风机出口压力控制在 1 2 k P a以内， 由于采 取了变频技术 ， 能够很好地解决风机风压出力问题 ， 降低厂用 电， 后续的其它用户在进行 2 2 0 t ／ h锅炉 风机选型也就一直延续这个参数 。 从表 1 可知 ， 2 2 0 t ／ h C F B锅炉的一次风机和二 次风机完全可以选择更低的压头参数。综合实际的 运行情况， 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉的一次风 机和二次风机 的压头选型参数分 别是 1 51 7 k P a 和 1 0～1 2 k P a 。这样的压头选型参数已经有很大的 富裕量 ， 再配合变频技术 ， 可进一步降低厂用 电， 实 现节能降耗。 表 1 2 2 0 t ／ h C F B锅炉实际运行 中风机出 口压力数据汇总 k P a 7 保证排烟温度达到设计值的措施 中国科学院工程热物理研究所一直致力于提高 旋风分离器分离效率的工作 ， 研制 出了 C F B锅炉用 的高效蜗壳式进 口旋风分离器 ， 分离效率高， 流经尾 部受热面的飞灰粒径很细， 尾部受热面一直积灰较 为严重。2 2 0 t ／ h系列 C F B锅炉运行结果证 明 ， 过 热器的进 口烟气流速可 以在 以前基础 上进一步提 高 ， 有效实现受热面管子的 自吹灰能力 ， 保证额定的 过热汽温。如果是褐煤 ， 烟气流速还可进一步提高。 提高烟气流速还可以减少受热面的钢耗 ， 降低成本。 但控制锅炉排烟温度到 1 4 0 q C以下则比较困 难 ， 主要是省煤器管子的积灰问题长期没有很好解 决。基于旋风分离器提高分离效率后飞灰粒度变细 的实际情况 ， 2 0 1 1年 ， 浙江嘉化工业 园投 资发展有 限公司的 2 4 0 t ／ h C F B锅炉省煤器首次全部采用了 错排布置， 锅炉运行两年后没有发现省煤器有磨损 痕迹 ， 且积灰明显减轻 ， 排烟温度可一直控制在 1 2 0 ～ 1 3 0℃ ， 经校核 ， 错排省煤器的传热系数可比顺排 大 1 倍左右 ， 既节省 了钢材， 又提高了锅炉效率 。 基于省煤器烟气流速的运行实践 ， 2 2 0 t ／ h节能 环保型 C F B锅炉采用 了较高的过热器烟气流速 ， 省 煤器采用错排布置 ， 锅炉设计排烟温度为 1 2 0～1 4 0 ℃， 锅炉 的额定汽温和排烟温度不再依靠吹灰器 的 频繁操作来保证。 8 进一步提高旋风分离器分离效率的措施 煤的燃烧温度高 ， 飞灰 含碳量肯定低。2 2 0 t ／ h C F B炉膛燃烧温度由 9 2 0～ 9 5 0℃降低到 8 6 0～ 8 8 0 ℃之后 ， 飞灰含碳量会增加 。为保证 S O 、 N O 低排 放又不降低燃烧效率， 就只能进一步优化旋风分离 器， 进一步提高旋风分离器的分离效率。旋风分离 器的分离效率越高 ， 飞灰含碳量就越低 ， 但进一步提 高旋风分离器分离效率 的实验难度也越来越大。采 用工程热物理研究所2 2 0 t ／ h C F B锅炉技术的锅炉尾 部飞灰临界粒度 d 视煤种不同一般在 1 0～ 2 5 m。 采用数值模拟是切实有效的办法， 可替代一些 难于开展的实验， 通过对不同结构尺寸的旋风分离 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉的设计 1 9 器结构进行流场计算 ， 可 以找到提高分离效率 的方 向。根据数值模拟 的研究结果 ， 我们得到了优化旋 风分离器措施 1 旋风分离器的中心筒烟气 出 口管位置进行 了重新布置， 使得中心筒 的位置与主旋 流中心相适 应 ， 和进 口烟气主流保持合适的距离。 2 中心筒 的插入深度进行了优化 。研究和实 践均表 明， 过深的插入深度不一定有高的分离效率 ， 反而会 出现 中心筒变形 、 脱落等影 响锅炉安全 的故 障。我们重新设计 了 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉 的旋风分离器中心筒的插入深度 ， 并采用 了增强型 防变形结构。 ． 3 在合适 的烟气 阻力参 数保证下 ， 进一步优 化旋风分离器的烟气进 出口速度 。 在旋风分离器的结构优化之后 ， 下一步优化的 方向是旋风分离器进 口烟道。图 2中左侧是 洛 阳 华润 2 4 0 t ／ h C F B锅炉炉膛 与旋风分离器之 间的位 置关系 ， 右侧是优 化后 的 2 2 0 t ／ h节能环保 型 C F B 锅炉炉膛与旋风分离器之间的位置关 系。数值模拟 计算表明右侧的烟气流场要 明显优于左侧的流场 ， 烟气进入旋风分离器 的流线更加平顺 ， 烟气在旋风 分离器 内的主旋 流 中心和 中心筒几 何 中心完全 重 合。数值计算下来 的结论如下 旋风分离器的进 口 侧边和炉膛侧墙的夹角越小， 流场越平稳， 如果是 0 角度则最好 ； 在烟道 的入 口处增 加一个 4 5 。 过 渡折 角 ， 烟气在进 口附近形成 的涡流明显减少。 一 』 图2 2 2 0 t ／ h节能环保型C F B锅炉旋风分离器进口优化布置图 9 结语 中国科学院工程热物理研究所与无锡华光锅炉 股份有限公 司合作 ， 参考 了过去 已经投运的 2 0 0多 台 2 2 0 t ／ h C F B锅炉的运行经验 ， 以控制 S O 和 N O 的低排放为首选 因素 ， 兼顾降低厂用 电和锅炉成本 ， 并继续保持原有锅炉高的炉效； 采取数值计算方法 研究旋风分离器流场 ， 找到了提高旋风分离器效率 的途径 ， 开发 了2 2 0 t ／ h节能环保 型 C F B锅炉产品 ， 该产品对炉膛 、 旋风分离器 和尾部受热面等都进行 了全新优化设计 。新一代 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B 锅炉将更加环保高效。 首台 2 2 0 t ／ h节能环保型 C F B锅炉用户为山东 青岛新源热电有限公司， 锅炉热力计算汇总见表 2 、 表 3 ， 预计 2 0 1 4年锅炉将投入运行 ， 届时将分析报 道实际运行效果 。 表 2 2 2 0 t ／ h C F B锅炉热力计算汇总 表3 2 2 0 t ／ h CF B锅炉结构热力计算汇总 参考文献 锅炉技术， 2 0 0 6 5 3 2 3 4 [ 1 ] 包绍麟 ， 等．2 2 0 t ／ h循环流化床锅炉热力性能分析[ J ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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