410 t／h富氧燃烧循环流化床锅炉设计.pdf

研究与开发 4 1 0 t ／ h富氧燃烧循环流化床锅炉设计 1 5 文章编号 1 0 0 4 ． 8 7 7 4 2 0 1 4 0 l - 0 0 1 5 4 3 4 4 1 0 t ／ h富氧燃烧循环流化床 锅炉设计 包绍麟 ， 吕清刚 ， 那永洁 ， 孙运凯 沈解忠 ， 毛军华 ， 苏小平 ， 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 根据循环流化床 简称 C F B 锅炉的设计原则并结合富氧燃烧技术特点， 设计了一 台4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉。研究表明锅炉整体结构设计需要根据各部分吸热份额进行调 整， 总结的设计思路对于其它容量的富氧燃烧 C F B锅炉设计具有一定的参考意义。 关键 词 富氧燃烧 ； 吸热份额 ； C F B 中图分类号 T K 2 2 9 ． 6 6 文献标识码 A De s i g n 0 f on e 4 1 0 t ／ h Ox y g e n- e n r i c h e d Co m b u s t i o n 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 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 i e ， S U N Y u n ． k a i S HE N J i e z h o n g ， MAO J u n ． h u a ， S U Xi a o ． p i n g ， J I NG L e i 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 m o 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 ， J i a n g s u ， C h i n a 第一 作 者 包 绍 麟 1 9 6 3一 ， 男， 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。 Ab s t r a c t Co n s i d e rin g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f o x y g e n - e n r i c h e d c o mb u s t i o n a n d d e s i g n p rin c i p l e o f c i r c u l a t i n g flu i d i z e d b e d C F B b o i l e r ， o n e 4 1 0 t ／ h o x y g e n e n r i c h e d c o m b u s t i o n C F B b o i l e r i s d e s i gne d ． I t i s p r o v e d t h a t t h e g e n e r a l s t r u c t u r e o f t h e b o i l e r m u s t b e a d j u s t e d a c c o r d i n g t o t h e h e a t a b s o r p t i o n p o r t i o n ． I t i s b e n e fi c i al f o r t h e d e s i g n o f o x y g e n e n r i c h e d c o n b u s t i o n C F B b o i l e r s w i t h o t h e r c a p a c i t i e s ． Ke y wo r d s o x y g e n- e n r i c h e d c o m b u s t i o n；h e a t a b s o r p t i o n p o r t i o n；CF B O 前言 0 ／ C O 富氧燃烧技术是解决大气温室气体效 应的途径之一 ， 国内一些科研单位如 中国科学院工 程热物理研究所 、 东南大学和华 中科技大学进行了 一 些富氧燃烧 和燃烧后污染物 排放方面 的探 索研 究 。 根据 目的不 同， 富氧燃烧 大体可 分为三类 ①以捕获 C O ， 为 目的的富氧燃烧 ， 锅炉设有烟气再 循环系统 ， 燃烧气体 0 C O 中氧浓度在 2 7 ％左 右， 燃烧产物主要是 C O ， 富集后的C O 可直接深埋 或工业应用； ②以降低有害气体排放为目的的富氧 燃烧， 是为了提高炉膛的烟气温度， 降低 C O和二恶 收稿 E t 期 2 0 1 4 - 0 1 -02 基金项 目 中国科学院战略性先导科技专项“ 低阶煤清洁高 效梯级利用关键技术与示范” 资助项 目 X D A 0 7 0 3 0 1 0 0 英的生成， 主要用于垃圾焚烧炉； ③以提高锅炉经济 性为目的的富氧燃烧锅炉， 将燃烧气体中的含氧量 由大气中的2 1 ％提高到3 0 ％左右， 减少烟气量， 提 高锅炉效率， 降低锅炉本体重量。 山东某厂计划添置一 台 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B 锅炉 ， 要求锅炉厂提供锅 炉设 计方案 ， 尽量多用 氧 气 。该项 目正好属于前述第 3类富氧燃烧锅炉 。 中国科学 院工程 热物理研究所 长期进行 C F B 锅炉的研发工作 ， 与无锡华光锅炉股份有限公 司合 作， 目前已有2 0多台4 1 0／ h容量等级 C F B锅炉产 品投入商业运行， 如神华煤制油 自备电站的3 4 4 0 t ／ h C F B锅炉， 蒸汽参数为高温高压， 没有再热， 锅 炉结构见图 1 J 。针对 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉 用户的要求 ， 我们结合 已经投运的多台 4 1 0 t ／ h C F B 锅炉的经验和富氧燃烧 的特殊要求 ， 完成了 4 1 0 t ／ h 富氧燃烧 C F B锅炉的技术方案。 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 4 1 0 t ／ h富氧燃烧循环流化床锅炉设计 1 7 2 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉进气 中氧气 含量上限 常规 4 1 0 t ／ h C F B锅炉炉膛 内吸热 份额 受 热 面吸热比锅炉总吸热量 为 6 2 ％， 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉燃烧产生烟气量少 ， 为保持合适的炉膛烟 气速度 ， 锅炉炉膛横 截面要缩小。为保证细煤粉的 燃尽时间， 炉膛高度不能降， 在缩小的炉膛空间内要 尽可能多地布置受热面 ， 实际上就是布置水冷蒸发 屏和过热蒸汽屏。受热面的布置必须遵守 C F B锅 炉布置水冷蒸发屏和过热蒸汽屏 的原则 。另外 ， 进 气中氧气含量由 2 1 ％增加到 3 0 ％后 ， 炉膛出 口烟气 温度 不 变 ， 则 炉 膛 内吸热 份 额 将 由 6 2 ％ 增 加 到 7 6 ％ ， 见表 1 。如果再增加进气 中的氧气含量 ， 炉膛 横截面积和烟气量将进一步减小， 炉膛内吸热份额 将进一步增加 ， 炉膛 内能够布置的水冷蒸发屏和过 热蒸汽屏面积将到极限 ， 这样就存在着一个进气氧 气含量的最高值。 经反复计 算 ， 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅 炉进气 中氧气含量的最高值确定为3 0 ％。高于该值 ， 炉膛 吸热份额增加 ， 将很难再增加炉膛的受热面 ， 这时尾 部烟气量只相当于常规的 2 9 1 t ／ h C F B锅炉 的尾部 烟气量 。 3 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉低 负荷 运行 特点 4 1 0 t／ h富氧燃烧 C F B锅炉三种不同进气 空 气流量和氧气流量的混合 氧气含量运行时的主要 热力参数汇总见表 1 。保持 锅炉为 4 1 0 t ／ h额定负 荷 ， 当进气氧气含量 为 3 0 ％时 ， 炉膛 烟气 流化速度 是4 ． 6 3 m ／ s ， 当进气氧气含量从 3 0 ％降到2 7 ％时， 烟气流量增大， 炉膛烟气流化速度是 5 ． 1 5 m ／ s ， 再 减少氧气流量 ， 进入的空气流量会增加 ， 炉膛烟气速 度增加， 会带来炉膛水冷壁管的磨损， 此时锅炉应该 降负荷运行。当进气中没有氧气流量时， 根据炉膛 烟气速度为 5 m／ s 反推锅炉负荷 ， 此时是 8 0 ％额定 负荷。即当进气氧气含量从 2 7 ％变到 2 1 ％时 ， 锅炉 负荷应该线性从 1 0 0 ％负荷降到 8 0 ％负荷， 以保证 合适 的炉膛烟气速度。 进气全部为空气时， 炉膛内受热面过多， 炉膛出 口烟气温度下降， 锅炉效率和负荷都降低。为保证 锅炉的额定负荷， 富氧燃烧锅炉要保持一定的氧气 流量 。 4 带外置床的 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉 结构 带外置床的4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉布置图 见图 2 ， 主要热力参数见表 1 。外置床主要是依靠旋 风分离器分离的高温循环灰进行换热， 进灰温度接 近炉膛出口烟气温度。外置床通常布置过热器和再 热器， 工质温度一般为 4 0 0 c 【 左右。外置床 因炉膛 下部的循环灰温度不能设计得过低 ， 考虑一定 的经 济性一般设计为 5 0 0℃以上 。按照外置床的设计原 则， 循环灰不能全部进入外置床， 一般额定负荷时控 制 3 0 ％的循环灰量进入外置床。当负荷需要变化 、 床温需要调整时才有可能通过改变进人外置床的灰 量来实现控制。这样 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉外 置床吸热量是有上限的。根据上述设计原则， 燃烧 设计煤种的4 1 0 t ／ h C F B锅炉外置床吸热份额可控 制为 3 0 ％ 无锡华光锅炉股份有限公 司出 口非洲博 茨瓦纳 5 2 0 t ／ h再热 C F B锅炉外置床吸热份额设计 为 2 5 ％ ， 上海锅炉厂有限公司为云南国电开远发电 有限公司设计3 0 0 M W C F B锅炉外置床吸热份额设 计为 3 5 ％ 。 同样道 理， 带外置床 的 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B 锅炉相 比同样容量的常规带外置床的 4 1 0 t ／ h C F B 锅炉燃烧产生烟气量少。为保持合适 的炉膛烟气速 度， 炉膛横截面需要缩小， 炉膛高度仍然不变， 在缩 小的炉膛空间内要尽可能多地布置受热面， 实际上 也是布置水冷蒸发屏和过热蒸汽屏。外置床受热面 积根据吸热份额进行设计 ， 由于炉膛横截面积缩小 了， 烟气能够带进旋风分离器的循环灰流量也会相 应减少 ， 设计 中外置床吸热份额 由 4 1 0 t ／ h C F B锅 炉时的3 0 ％按照炉膛横截面积缩小比例降低， 同时 还要遵守 C F B锅炉布置水冷蒸发屏 和过热蒸 汽屏 的原则 。 增加进气中氧气流量， 炉膛横截面积和烟气量 将减小 ， 炉 内受热面与外置床总吸热份额将增加 ， 但 外置床吸热份额却降低 ， 到一定 程度炉膛和外置床 能够布置的受热面一样会到达极限， 这样就存在着 一 个进气氧气含量的最高值。经计算， 带外置床的 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉进气中氧气含量的上限 值为3 9 ％， 此时外置床的吸热份额为 1 6 ％， 设计中 取值 1 5 ％。外置床内布置了中温过热蒸汽受热面， 这时尾部烟气量相 当于 2 2 0 t ／ h常规 C F B锅炉的尾 部烟气量 。 因为锅炉进气氧浓度大到 3 9 ％， 带外置床的 4 1 0 t／ h富氧燃烧 C F B锅炉的启动将是难点， 需要 仔细考虑 。 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 4年第 1 期 总第 1 4 3 期 注 1 水冷壁 、 水冷蒸发屏、 过热蒸汽屏 、 汽冷旋风分离器面积汇总。 注2 水冷壁 、 水冷蒸发屏、 过热蒸汽屏 、 汽冷旋风分离器和外置床内过热器面积汇总。 注3 尾部烟道的过热器、 过热器包墙和省煤器面积汇总。 5 其它容量的富氧燃烧 C F B锅炉设计 其它容量的富氧燃烧 C F B锅炉可根据本文 的 分析方法进行设计考虑。需要指出的是 ， 富氧燃烧 C F B 锅炉的总体受热面积不会降低， 因为炉内传热 系数变化不大 ， 炉内吸热份额增加 ， 炉膛受热面积总 体是需要增加的。因烟气量减少， 尾部吸热份额降 低 ， 尾部的受热面积会减少 ， 整个炉膛 的受热面积按 照吸热份额进行设计 即可 。 如有烟气 C O 再循环， 就是将 N 换为 C O ， 进 气中氧气流量一样有限制， 不能任意增加。文献 [ 2 ] 介绍 A l s t o m公 司设计的炉膛 面积减少 3 6 ％值 得商榷。因为采用 富氧燃烧技术之后 ， 炉 内需要吸 收的热量增加 ， 炉膛传热系数没有明显变大 ， 炉膛面 积只能是增加而不应减少。 文献[ 5 ] 介绍富氧燃烧 C F B锅炉外置床吸热份 额随进气中氧气含量增加变大也值得商榷。因为外 置床是依靠进来的大量循环灰进行传热， 炉膛烟气 量减少之后 ， 烟气能够携带 的循环灰量会按照烟气 量的减少而同步降低 ， 进人外置床的循环灰量会随 着烟气中携带的总灰量减少同步减少 ， 这样外置床 的吸热份额是下降而不应变大， 如本文设计 中表述 的将由3 0 ％吸热份额降到 1 5 ％。另外外置床内受 热面和炉膛内受热面 的吸热能力相 当， 与炉 内水冷 壁传热过程相比， 外置床传热温压的降低抵消了传 热系数的增加 。 6 结语 本文根据成熟 的 4 1 0 t ／ h C F B锅炉设计 经验 、 受热面布置原则， 结合富氧燃烧技术特点， 进行了 4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉的设计计算， 得到如下 结论 1 随进气氧气含量的增加， 4 1 0 t ／ h 富氧燃烧 下转第2 5 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 探讨园地 垃圾焚烧炉热损失影响因素分析与建议措施 燃烧效率。经验表明， 一次风要有足够的风压 ， 一般 保证总风室的风压在 2～2 ． 5 k P a ， 才能穿透 6 0 0 8 0 0 m m的料层。垃圾的热值越低， 一次风的比例就 越大， 就 目 前我国垃圾热值情况， 一次风量占总风量 的 比例多数为 7 0 ％ 一8 0 ％ 。以上操作 均可减少 固 体不完全燃烧损失 g 、 固态排 渣热损失 q ， 提 高焚 烧炉的焚烧效率。强 参考文献 [ 1 ] 杨宏民， 李建刚， 杨小锟． 电站锅炉排烟热损失计算研究 [ J ] ． 电站系统工程 ， 2 0 0 0 ， 1 6 2 9 4 9 5 ． 上接第 1 8页 C F B锅炉的锅炉效率提高， 但进气氧气含量是有上 限的。本文根据设计计算， 建议进气中的氧气含量 上限为 3 0 ％ ， 当进气 氧气含量从 3 0 ％降低 到 2 7 ％ 时 ， 锅炉可以在额定负荷下运行 ， 低于 2 7 ％ 的进气 氧气浓度 ， 锅炉要降负荷运行 。 2 带外置床的4 1 0 t ／ h富氧燃烧 C F B锅炉进 气氧气含量也是有上限的， 本文根据设计计算， 建议 进气中的氧气含量上限为 3 9 ％。醢 参考文献 [ 1 ] 谭力 ， 段翠九， 赵科 ， 等． 循环流化床富氧燃烧的炉膛传 上接第 2 l 页 [ 2 ] 闫顺林， 李永华， 周兰欣． 电站锅炉排烟温度升高原因的 归类分析[ J ] ．中国电力， 2 0 0 0 ， 3 3 6 2 0 2 2 ． [ 3 ] 张锐， 信丹丹 ， 孙晓菲． 热管技术在降低电站锅炉排烟温 度中的应用[ J ] ． 电站系统工程， 2 0 1 1 ， 2 7 3 2 3 2 5 ． [ 4 ] E h s a n F i r o u z f a r ，M a r y a m A t t a r a n ． A R e v i e w o f H e a t P i p e H e a t E x c h a n g e r s A c t i v i t y i n A s i a [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f Wo r l d Ac a d e my o f S c i e n c e， E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8， 3 0 6 3 9 6 4 4． [ 5 ] 邹嵘， 雷明． 炉排式垃圾焚烧炉 中灰渣热灼减率的控制 [ J ] ． 能源研究与管理， 2 0 1 2 ， 2 7 3 7 4 ． 热特性[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 1 2 s 1 1 3 31 3 7 ． [ 2 ] 段伦博 ， 赵长遂， 屈成锐， 等．循环流化床 0 ／ C O 燃烧 技术的最新进展[ J ] ．动力工程， 2 0 0 8 4 6 0 5 6 1 1 ． [ 3 ] 刘豪， 邱建荣， 徐志英， 等．高浓度 C O 气氛下燃煤氮、 硫 污染物的释放特性[ J ] ．工程热物理学报， 2 0 0 8 2 3 5 4 35 6． [ 4 ] 牛天况．富氧燃烧锅炉初探[ J ] ．锅炉技术，2 0 0 8 1 2 53 1 ． [ 5 ] 侯伟军， 卢广 ， 蔡晓辉． 富氧燃烧技术在循环流化床锅炉 中的研究综述[ J ] ．应用能源技术， 2 0 0 9 9 2 22 5 ． 表 2 能效测试 结果 由表 2可见 ， 锅炉热效率 和排烟温度均达到或 优于设计要求 ， 其节能效果显著。据初步估算 ， 按年 运行4 0 0 0 h 计， 3 种锅炉每台年节能量分别为3 4 ． 8 1 0 m 标 态 、 9 4 ． 6 41 0 m 标态 、 1 0 3 ． 3 2 1 0 m 标态 天然气。 同时， 由检验机构根据 G B 1 3 2 7 1 --2 0 0 1 锅炉 大气污染物排放标准 对该系列炉型代表产品 7 0 M W燃气热水锅炉进行了环保测试， 其结果为 s O 初始排放为 0 m g ／ m ， N O 初始排放为 1 7 6 ． 2 5 m g ／ m ， 烟气黑度 I 林格曼级。其指标远远低于国家 标准规定值 ， 很大程度降低了对大气的污染， 降低了 排放处理成本 ， 真正实现 了低污染的清洁燃烧 。 4 结语 该系列锅炉的研发总体是成功的， 但根据 目前 的应用情况和我国用户的使用习惯， 对 D型结构系 列燃气热水锅炉在结构上作进一步的优化， 降低钢 耗； 对烟气冷却系统和冷凝水回收及深入利用作进 一 步研发， 以进一步提高锅炉热效率。瞄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m