循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是近20年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)、可燃用劣質(zhì)燃料等突出優(yōu)點(diǎn)。
    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，對城市集中熱水供暖的要求逐步提高。熱水供暖與蒸汽供暖相比具有節(jié)約能源、運(yùn)行方便、維修量少等優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展。隨著我國城市建設(shè)的加快和環(huán)保要求的提高，開發(fā)高效、環(huán)保型大容量熱水鍋爐勢在必行。采用清潔煤燃燒技術(shù)的循環(huán)流化床熱水爐的容量逐漸增加。目前，運(yùn)行最大容量的為58MW。清華大學(xué)和無錫鍋爐廠在若干臺蒸汽鍋爐成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，合作開發(fā)了116MW循環(huán)流化床熱水鍋爐。運(yùn)行實(shí)踐表明，采用水冷卻的方形分離器循環(huán)流化床大容量熱水爐完全可以滿足城市集中供熱的頻繁啟動和壓火的需要，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1、鍋爐概況與特點(diǎn)
1.1設(shè)計(jì)思想
    根據(jù)供熱鍋爐的變負(fù)荷和頻繁啟動的特點(diǎn)以及安全性要求，較高的可靠性和可用率是設(shè)計(jì)的核心指導(dǎo)思想�？紤]到鍋爐安裝在市區(qū)，S02、NO。以及粉塵的排放應(yīng)嚴(yán)格滿足環(huán)保要求。在此基礎(chǔ)上，兼顧最大可能地提高鍋爐效率，節(jié)約能源。另外，布置應(yīng)緊湊美觀，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝、運(yùn)行和維修，盡可能為用戶創(chuàng)造方便條件。
1.2鍋爐規(guī)范
    石家莊時(shí)光供熱公司安裝了2臺116MW水冷方形分離循環(huán)流化床熱水鍋爐。設(shè)計(jì)煤種為貧煤，見表1；設(shè)計(jì)參數(shù)示于表2。
1.3結(jié)構(gòu)與布量
    該爐結(jié)構(gòu)布置簡單、緊湊，與我國傳統(tǒng)的煤粉爐型相似。鍋爐本體由燃燒設(shè)備、給煤裝置、水冷系統(tǒng)、水冷方形分離器、省煤器、空氣預(yù)熱器、鋼架、扶梯、爐墻等組成。鍋爐為單鍋筒橫置式強(qiáng)制循環(huán)，Ⅱ型布置。采用全鋼架結(jié)構(gòu)，鍋爐總計(jì)3排柱（圖1）。鍋筒中心標(biāo)高為38650mm，本體寬度（柱中心線）為9400mm，鍋爐深度（柱中心線）為14800mm，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為8000mm。
    循環(huán)流化床鍋爐爐膛和分離裝置內(nèi)部的壓力較常規(guī)鍋爐高，再加上煙道及分離裝置的復(fù)雜連接，這對密封性能提出嚴(yán)格的要求。該爐自爐前向后依次布置燃燒室、分離器、尾部煙道，巧妙地將3部分結(jié)合起來成為一體，保持緊湊型布置，保證良好的密封性能，不用高溫?zé)煔馀蛎浌?jié)這一事故多發(fā)部件。高溫區(qū)采用全膜式壁密封結(jié)構(gòu)，全懸吊型，固定膨脹中心。料腿與爐膛水冷壁合成一體膨脹，提高運(yùn)行的可靠性，由于采用水冷分離方式，熱損失減少。高溫省煤器之前的所有爐墻均為膜式壁結(jié)構(gòu)，吊掛處理；高溫省煤器包墻出口與煙道連接處采用了柔性膨脹節(jié)。低溫省煤器采用全護(hù)板輕型爐墻，膨脹用波型板密封。
    前墻布置了4臺給煤機(jī)。鍋爐燃燒所需空氣分別由一、二次風(fēng)機(jī)提供，一、二次風(fēng)比與煤種有關(guān)，大致為流化一次風(fēng)：播煤風(fēng)：二次風(fēng)為50：15：35。一次風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后，由左右兩側(cè)風(fēng)道引入爐前的水冷風(fēng)室進(jìn)口，流經(jīng)安裝在水冷布風(fēng)板上的傘骨形風(fēng)帽進(jìn)入燃燒室，保證良好的流化質(zhì)量和密相區(qū)的燃燒；一部分一次風(fēng)由播煤風(fēng)口進(jìn)入燃燒室，吹散燃料并保證揮發(fā)份燃燒需要的空氣；二次風(fēng)經(jīng)預(yù)熱后從布置在四周的二次風(fēng)口進(jìn)入爐膛，補(bǔ)充燃燒空氣并加強(qiáng)擾動混合。燃料在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的大量煙氣攜帶物料，經(jīng)分離器的入口加速段加速，進(jìn)入水冷方形分離器，煙氣和物料分離。分離的物料經(jīng)分離器膜式壁延伸形成的水冷料斗和水冷料腿，流經(jīng)U型閥返回爐膛；煙氣自分離器的中心筒進(jìn)入分離器出口區(qū)，流經(jīng)轉(zhuǎn)向室進(jìn)入豎井對流煙道，經(jīng)過高溫省煤器、低溫省煤器、二次風(fēng)預(yù)熱器、一次風(fēng)預(yù)熱器后排出。大渣由爐底水冷排渣管排出。通過調(diào)節(jié)給煤量、一次風(fēng)和二次風(fēng)量及其配比、床存量，可以很方便地調(diào)節(jié)床內(nèi)溫度。
    熱水鍋爐的水循環(huán)安全性是一個(gè)重要的問題，合理的水流程是鍋爐安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)中，低溫回水先進(jìn)入熱負(fù)荷較高的水冷壁，依次流經(jīng)水冷分離器、包墻管、下級省煤器、上級省煤器至熱水出口集箱。回水先流經(jīng)水冷壁，由于進(jìn)口水溫低，即使存在少量熱偏差，也不會造成汽化和過冷沸騰，而且回水先進(jìn)入水冷壁再進(jìn)入省煤器可大大提高省煤器的進(jìn)口水溫，從而防止省煤器管壁結(jié)露和低溫腐蝕。各受熱面管均采用上行流程，水速均在合理的范圍之內(nèi)，確保水循環(huán)安全可靠。
    為保證停電時(shí)鍋爐的安全，爐膛水冷壁和鍋筒之間通過再循環(huán)管，停電條件下能形成自然循環(huán)。同時(shí)，采用全膜式水冷壁、水冷方形分離器，尾部采用水冷包墻結(jié)構(gòu)，爐墻采用輕型敷管爐墻，耐火材料耗量極少，整個(gè)爐子蓄熱量小，在偶然停電的情況下，可以通過排放部分床料使鍋爐很快得到冷卻。另外，停電后鍋爐壓力升至一定值時(shí)，可以開啟幾個(gè)閥門放汽促進(jìn)爐內(nèi)水循環(huán)。
    爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成，截面積約32m2，空塔速度約為4. 7m／s。燃燒室凈高約為26m，爐膛下部前后墻收縮成錐形爐底，前墻水冷壁延伸成水冷布風(fēng)板，并與兩側(cè)水冷壁共同形成水冷風(fēng)室。布風(fēng)板水冷壁的鰭片上安裝風(fēng)帽，風(fēng)帽采用傘骨形風(fēng)帽。在爐膛下部的密相床區(qū)水冷壁上密焊銷釘澆注耐磨爐襯，給煤口、返料口、風(fēng)口均設(shè)有特殊的防磨措施，防止?fàn)t內(nèi)管子的磨損。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐都證明：它是既經(jīng)濟(jì)有效的防磨措施，又有利于水冷壁的利用率。
    根據(jù)燃料的特性，燃燒室設(shè)計(jì)工作溫度為約897℃。燃燒室中物料濃度和循環(huán)量較高，而物料的熱容量很大，爐膛上下溫度較均勻。爐膛出口布置兩個(gè)方形水冷分離器，由膜式水冷壁構(gòu)成。分離器前墻與燃燒室后墻共用，其中燃燒室后墻的一部分向后彎制形成分離器入口加速段；分離器后墻同時(shí)作為尾部豎井的前包墻，該屏水冷壁向下收縮成料斗，向上的一部分直接引出吊掛，另一部分向前至燃燒室后墻向上，分別構(gòu)成分離器頂棚和分離器出口區(qū)前墻；分離器兩側(cè)墻水冷壁向上延伸形成分離器出口區(qū)側(cè)墻，與分離器出口區(qū)頂棚包墻一道構(gòu)成分離器出口區(qū)，直接與尾郝豎井的包墻相接，使燃燒室、分離器、尾部包墻連為一體，避免使用膨脹節(jié)，提高密封性能。水冷分離器膜式壁部分向下延伸，形成料腿的上半部分。
1.4關(guān)鍵部件
    返料裝置是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件之一。返料裝置由灰斗、料腿、U型閥構(gòu)成。根據(jù)分離器的設(shè)置，采用2套返料裝置�；叶酚煞蛛x器水冷壁收縮而成，設(shè)有防磨內(nèi)襯。料腿的上半部分是由分離器的膜式壁延伸形成矩形水冷結(jié)構(gòu)，下半部分為直接吊掛在水冷料腿上的絕熱結(jié)構(gòu)。
    返料閥采用高流率的具有自平衡性能的U型閥。運(yùn)行時(shí)只需打開送風(fēng)門，使回灰暢通；負(fù)荷變動時(shí)，不需要調(diào)節(jié)風(fēng)量，能根據(jù)回灰量的大小自動平衡，操作極其簡單、安全、可靠。
    采用水冷布風(fēng)板和水冷風(fēng)室，為床下點(diǎn)火創(chuàng)造條件。熱煙氣發(fā)生器兩個(gè)，設(shè)置在爐前左右兩側(cè)的風(fēng)室中。在冷態(tài)啟動時(shí)，床料溫度由室溫緩慢加熱升到煤的著火溫度，加煤著火后可關(guān)閉油槍給煤運(yùn)行。啟動升溫速度應(yīng)在5～10℃/min，冷態(tài)啟動約需2．
5h，每次冷態(tài)啟動用油It左右。
    分離器是循環(huán)流化鍋爐的核心部件之一，它直接影響循環(huán)床鍋爐的性能。大量的實(shí)踐表明：該分離器的優(yōu)異性能完全滿足循環(huán)流化床鍋爐對分離器的要求。尤其是頻繁啟動、壓火及負(fù)荷變化范圍較大且較快的熱水爐條件下，大熱慣性的分離器很難適應(yīng)這一苛刻的條件。
    由于分離器內(nèi)承擔(dān)一定吸熱負(fù)荷，高溫物料在分離器雖有二次燃燒，但二次燃燒釋放的熱量可以及時(shí)得到冷卻，不會結(jié)焦，分離器工作穩(wěn)定。同時(shí)，可以大大簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使分離器與鍋爐本體很協(xié)調(diào)地組合在一起，鍋爐極其緊湊。
    借鑒國外水（汽）冷圓形旋風(fēng)筒成功的防磨經(jīng)驗(yàn)，分離器膜式壁采用壁面密焊銷釘涂一層很薄的耐磨澆注料的方法，由于較薄并受冷卻，防磨材料工作在較低的溫度，具有更強(qiáng)的防磨性能。耐火材料較薄，重量輕，能縮短啟動、壓火時(shí)間，啟動和壓火速度不受較大熱慣性的絕熱材料對溫度變化的嚴(yán)格要求。
2、鍋爐運(yùn)行概況
2.1鍋爐運(yùn)行概況
    第一臺鍋爐于2001年11月投入使用。由于供暖負(fù)荷隨著氣溫的變化比較大，鍋爐負(fù)荷變化頻繁且幅度大，每天要壓火兩次，典型的負(fù)荷見圖2。運(yùn)行燃料變化較大，低位發(fā)熱量為12000～26000kj/kg，其中主要為22000kj/kg。鍋爐穩(wěn)定地在50%～110%額定負(fù)荷下運(yùn)行。在運(yùn)行中，NOx排放濃度低于140mg/Nm3。燃燒效率高，燃用貧煤時(shí)飛灰含碳量為8%～10%；鍋爐密封性能好；循環(huán)灰量大，燃燒室上下溫度均勻；回灰溫度可維持與比分離器進(jìn)口溫度相當(dāng)（圖3）。由于燃料揮發(fā)份較低，后燃性較強(qiáng)，分離器中存在相當(dāng)大的燃燒份額，分離器的冷卻作用使得分離器、料腿、返料裝置從未出現(xiàn)結(jié)焦問題。經(jīng)過一個(gè)采暖季的運(yùn)行，分離器內(nèi)防磨材料和尾部煙道中的受熱面毫無損壞。鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)較快，鍋爐現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，負(fù)荷變化率在50%～110%時(shí)每分鐘為5%，50%以下時(shí)每分鐘為3%。鍋爐可在30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并有10%的超負(fù)荷能力。整個(gè)采暖季，鍋爐運(yùn)行安全穩(wěn)定，用戶對該爐的性能給予了高度評價(jià)。實(shí)際運(yùn)行典型燃料示于表3，運(yùn)行參數(shù)示于表4。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2.2分離器的分離效率
    116MW水冷方形分離循環(huán)流化床熱水鍋爐運(yùn)行后，為進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，多次對該爐爐進(jìn)行測試試驗(yàn)。該鍋爐的分離器為4000mm×4000mm。對飛灰和底渣的粒度采用機(jī)械篩分法分析，見圖4、圖5。與130t/h的情況非常接近‘6]。    在本文中，灰渣的燒失量代表含碳量。飛灰的平均含碳量為9. 61%，底渣的平均含碳量為1．07%。對于不同粒徑顆粒含碳量的了解有益于提高燃燒效率。圖6、圖7是飛灰和底渣含碳量在不同粒徑段中的分布。飛灰含碳量較高的顆粒主要來源于一次通過爐膛而分離器無法有效捕集的細(xì)顆粒，而底渣的含碳量較高的顆粒主要是排渣中大顆粒攜帶的未燃盡的細(xì)煤粒。
2.3性能測試
    通過一個(gè)采暖期的運(yùn)行表明：該爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。2002年工業(yè)鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對該爐進(jìn)行熱工測試。測試主要結(jié)果示于表5。
3、結(jié)論
    采用水冷方形分離器的116MW循環(huán)流化床熱水鍋爐的運(yùn)行實(shí)踐表明：
    (1)該鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，耐火材料消耗少且維修量低。
    (2)燃料適應(yīng)性強(qiáng)，密封性好。
    (3)分離器和尾部豎井受熱面均無磨損。
    (4)適應(yīng)城市供暖頻繁啟動、壓火的苛刻條件，運(yùn)行穩(wěn)定，可用率高。
    富通新能源不但銷售生物質(zhì)鍋爐，而且銷售木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。