1、前言
    循環(huán)流化燃燒具有燃燒效率高，易于在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫硫和控制氮氧化物排放量，煤種適應(yīng)性廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。長沙鍋爐廠早在80年代初就進(jìn)行了循環(huán)流化床鍋爐的研究和開發(fā)，設(shè)計(jì)和制造的10~35t/h循環(huán)流化床系列鍋爐被廣泛應(yīng)用于化肥、化工、小型發(fā)電廠。對(duì)于35t/h循環(huán)流化床鍋爐，長沙鍋爐廠有兩種結(jié)構(gòu)形式：、-種是與清華大學(xué)合作開發(fā)的三回程下排氣的高溫旋風(fēng)分離的循環(huán)流化床鍋爐；第二種是與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)的單回程中溫槽型分離的循環(huán)流化床鍋爐，在實(shí)際運(yùn)行中都取得一定的成效，但是也存在
一定的由于本身結(jié)構(gòu)難以解決的問題。如三回程下排氣的高溫旋風(fēng)分離的循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐熱效率高、飛灰含碳量低，但高溫旋風(fēng)分離器易變形、高溫結(jié)焦、各個(gè)受熱面磨損嚴(yán)重、使用壽命短等問題難以解決；單回程中溫槽型分離的循環(huán)流化床鍋爐燃燒穩(wěn)定、使用壽命長，但分離下來的細(xì)灰粒在爐膛停留時(shí)間短，飛灰含碳量偏高，鍋爐熱效率相對(duì)較低，在正常情況下燃燒效率比高溫分離的循環(huán)流化床鍋爐低5%，根據(jù)上述兩型鍋爐的優(yōu)缺點(diǎn)，長沙鍋爐廣以35t/h循環(huán)流化床鍋爐為基型研制開發(fā)10~75t/h第二代循環(huán)流化床鍋爐，其鍋爐結(jié)構(gòu)見圖1，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。
2、第二代循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
2.1鍋爐結(jié)構(gòu)和原理
    在國外，應(yīng)用循環(huán)流化床鍋爐主要是從環(huán)保的角度出發(fā)，采用低溫燃燒技術(shù)降低氮氧化物和二氧化硫的排放量。床料以石灰石顆粒為主，煤只占其中很少部分。飛灰主要是石灰石顆粒，含碳量相對(duì)而言較低。循環(huán)灰中殘?zhí)嫉娜急M并不是主要矛盾。而在國內(nèi)應(yīng)用則以燃燒劣質(zhì)煤，節(jié)約能源為目的。床料采用煤灰顆粒，煤只占其中很少部分。飛灰全部是煤灰顆粒，由于國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐人多使用劣質(zhì)煤，其揮發(fā)份較低，相對(duì)優(yōu)質(zhì)煤而言，燃料燃盡比較困難，大量的煤�？窘钩呻y以燃燒的焦碳粒子，而且作為床料的煤灰中已經(jīng)含有一定的殘余焦碳，因而飛灰中含碳量相對(duì)而言較高。所以，根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況，如何充分燃盡飛灰中的殘?zhí)迹�提高鍋爐熱效率，節(jié)約能源是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
    此新型鍋爐采用高溫慣性重力分離和中溫槽形分離兩級(jí)分離。本體布置在爐膛中，布置兩排膜式壁組成中隔墻，形成三回程燃燒室和燃燼室，其中燃燼室為二個(gè)回程；高溫慣性重力分離布置在U型燃燼室底部，同時(shí)設(shè)置了三個(gè)放灰點(diǎn)，根據(jù)灰中含碳量以確定排放和回送燃燼室中沉積灰。燃燼室后布置兩組過熱器，在過熱器后布置中溫槽形分離器，尾部布置兩級(jí)省煤器和兩級(jí)空氣預(yù)熱器。   眾所周知，循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)的好壞直接影響鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而其好壞很大程度上取決于分離器的分離效率。據(jù)資料介紹，循環(huán)流化床鍋爐分離器的分離效率均在95%左右。但是，長沙鍋爐廠通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行的物料測(cè)定，各類分離器單級(jí)分離均難達(dá)到90%以上的分離效率。為解決此問題，在此方案設(shè)計(jì)中，采用高溫慣性重力分離和中溫槽形分離兩級(jí)分離。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第一級(jí)采用高溫慣性重力分離，分離效率為50%～60%，第二級(jí)采用中溫槽形分離，分離效率為80%—85%，兩級(jí)分離效率達(dá)到92%～95%。通過采用兩級(jí)分離的布置方式，有效提高分離效率。
  高溫慣性重力分離布置在U型燃燼室底部，分離槽四周布置了水冷壁，盡管燃燼室煙氣溫度在Boo～900t，但是沉降下來的飛灰經(jīng)過分離槽中水冷壁管的冷卻，溫度降至60∞C左右，在分離槽中的飛灰不會(huì)產(chǎn)生二次燃燒、形成高溫結(jié)焦。同時(shí)，分離槽下部設(shè)置了三個(gè)放灰和回送點(diǎn)，根據(jù)灰中含碳量以確定排放和回送燃燼室中沉積灰。實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，此處分離下來的飛灰占總循環(huán)灰量的50%～60%。
    中溫槽形分離器布置在過熱器后，煙氣溫度在500℃之間，分離元件材質(zhì)要求不高，采用一般耐熱合金鋼制造即可。由于飛灰溫度較低，即使分離區(qū)有新鮮空氣泄漏進(jìn)去+也不會(huì)產(chǎn)生二次燃燒、產(chǎn)生局部高溫形成結(jié)焦、阻塞回料通道、影響順暢回料導(dǎo)致不能正常循環(huán)。中溫槽形分離器分離效率較高，實(shí)測(cè)均在80%-85%，其分離下來的飛灰占總循環(huán)灰量的40%~50%。
2.3帶內(nèi)循環(huán)的燃燒方式，點(diǎn)火成功率高，燃燒效果好
    該型鍋爐布風(fēng)系統(tǒng)采用碟形布風(fēng)板、等壓風(fēng)室、鴨嘴形定向風(fēng)帽和帶導(dǎo)流板的直風(fēng)帽。這種布風(fēng)方式能在密相區(qū)形成內(nèi)循環(huán)，顯著地加強(qiáng)了燃燒室密相區(qū)物料的橫向流動(dòng)，物料混合強(qiáng)烈，新人爐的燃料能夠迅速在床料中擴(kuò)散，均勻分布。爐膛密相區(qū)內(nèi)的流化狀況好，溫度場(chǎng)均勻，不會(huì)出現(xiàn)死角產(chǎn)生局部高溫形成結(jié)焦。鴨嘴形定向風(fēng)帽布置在碟形布風(fēng)板四周，小孔風(fēng)速設(shè)計(jì)為43m/s．小孔朝向由四周指向中央，可以把床內(nèi)不能流化的大顆粒集中到中央，在這種過程中，大顆粒會(huì)發(fā)生相互碰撞，部分結(jié)合力弱的大顆粒因而撞碎成小顆粒。在布風(fēng)板中央設(shè)有排渣口，不能撞碎和參與循環(huán)的大顆粒由此排出。因此，這種床內(nèi)內(nèi)循環(huán)具有一定的破渣和清除底部大顆粒的能力。對(duì)于密相區(qū)無法攜帶出去的大顆粒，通過這種床內(nèi)內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的破渣行為，將大顆粒撞碎成小顆粒后使得大顆粒中的碳等可燃物重新裸露出來，參與燃燒，降低了灰渣含碳量。實(shí)際測(cè)試結(jié)果均在3%～5%。這種布風(fēng)方式點(diǎn)火初期流化好，不易結(jié)焦，點(diǎn)火成功率相當(dāng)高。長沙鍋爐廠生產(chǎn)投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐都采用這種布風(fēng)方式，廣泛分布在湖南湘維股份有限公司、山西臨漪化工總廠、山東青島堿業(yè)股份有限公司等全國幾十家用戶，根據(jù)新鍋爐調(diào)試及用戶長期運(yùn)行過程中反饋的情況，事實(shí)證明，點(diǎn)火均一次成功，點(diǎn)火升溫快，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
  總之，從燃燒角度講，這是一種比較理想的穩(wěn)定、強(qiáng)化燃燒的布風(fēng)方式。
2.4降低飛灰含碳量，提高鍋爐熱效率
    循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程大致可以分為兩個(gè)部分，一是密相區(qū)燃料揮發(fā)份和不能攜帶出去的大顆粒燃料的燃燒，二是攜帶出去的細(xì)顆粒燃料的燃燒。對(duì)于第一部分燃燒過程，  由于密相區(qū)混合均勻、強(qiáng)烈，溫度水平較高，一般均在950℃左右，因而燃燒很好．燃盡率高達(dá)95%以上；而第二部分燃燒過程，由于攜帶出去的細(xì)顆粒燃料中可燃物成份大部分為焦碳，揮發(fā)份很少，燃燒和燃盡比較困難，必須保證較高的溫度、良好的混合和充足的停留時(shí)間才能夠燃燒好，溫度可以通過受熱面的布置來控制，混合和停留時(shí)間很大程度上取決于鍋爐的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于單回程中溫槽型分離的循環(huán)流化床鍋爐而言，細(xì)顆粒在稀相區(qū)停留時(shí)間較短；雖然一般鍋爐均設(shè)有二次風(fēng)，但是由于稀相區(qū)爐膛容積較大，爐膛中氣固混合物質(zhì)量相當(dāng)大，二次風(fēng)所占份額較少，其能量難以攪動(dòng)爐膛中氣固混合物，形成設(shè)想的切向圓旋流燃燒方式，混合效果比較差。對(duì)于三回程下排氣的循環(huán)流化床鍋爐而言，密相區(qū)出口截面急劇縮少，煙氣從爐膛后部流向前部，氣固混合物攪動(dòng)劇烈，混合效果相當(dāng)好。同時(shí)，由于布置了U型燃燼室，煙氣流向經(jīng)過兩次1800的轉(zhuǎn)彎，并且在燃燼室的第一回程，煙氣經(jīng)過先縮后擴(kuò)，形成螺旋狀向下流動(dòng)，煙氣擾動(dòng)十分劇烈，延長了飛灰在燃燒室和燃燼室的停留時(shí)間，燃燒條件和效果很理想；缺點(diǎn)是由于在燃燼室中布置了下排氣的高溫旋風(fēng)分離器，氣固分離過程中燃燒得到進(jìn)一步強(qiáng)化，極易產(chǎn)生1000℃以上的高溫，引起結(jié)焦。
     新設(shè)計(jì)中，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)并解決了兩者的缺陷，即保留三回程的結(jié)構(gòu)形式，去掉容易結(jié)焦的下排氣的高溫旋風(fēng)分離器，利用U型燃燼室的180。轉(zhuǎn)彎，在其下部布置分離槽作為一個(gè)高溫慣性重力分離器，同時(shí)尾部布置了一個(gè)中溫槽形分離器以補(bǔ)償高溫慣性重力分離器分離效率的不足。長沙鍋爐廠與湖南省節(jié)能設(shè)計(jì)中心聯(lián)合將湖南省辰溪電廠一臺(tái)35t/h拋煤機(jī)鏈條爐改造成此類鍋爐，實(shí)測(cè)飛灰含碳量在7%，熱效率高達(dá)86%。
2.5防止和減輕了磨損，提高了使用壽命
  因受熱面的磨損引起爆管而被迫停爐的事故是循環(huán)流化床鍋爐的主要故障，約占故障發(fā)生率的70%。因此，解決磨損問題是保證鍋爐安全正常運(yùn)行，提高使用壽命的最佳途徑。磨損跟飛灰濃度、灰粒硬度及煙氣流速有關(guān)，與飛灰濃度、煙氣流速的二分之三次方及灰粒硬度均成正比。在這三個(gè)因素中，除灰粒硬度不能調(diào)整外，其他兩個(gè)因素均可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)得到控制，以減輕磨損。新方案設(shè)計(jì)中，通過以下措施來解決磨損問題。
  (1)采用厚壁管，迎風(fēng)面焊防磨鰭片保護(hù)管壁，埋管順列排布，高位布置埋管。這種思路是將埋管布置在飛灰濃度相對(duì)較低、混合相對(duì)較弱處。這種結(jié)構(gòu)可以保證埋管使用壽命在四年以上。長沙鍋爐廠1996年制造安裝在山西臨漪化工總廠的一臺(tái)25t/h、2.4MPa、400℃的循環(huán)流化床鍋爐，埋管采用∮50x5mm材質(zhì)為20的無縫鋼管，防磨鰭片為5x12×2,00，材質(zhì)為Q235-A。該鍋爐于1996年1 1月投運(yùn)，年運(yùn)行時(shí)間均在7200h以上，于2000年12月停爐檢查，埋管沒有發(fā)現(xiàn)明顯磨損，防磨鰭片與管壁間的魚鱗狀焊縫仍然清晰可見，測(cè)定壁厚均在3.8mm以上。
    (2)對(duì)流過熱器受熱面煙氣流速設(shè)計(jì)在6m/s以下，第一排管子均加有防磨瓦片。實(shí)際使用效果良好，長沙鍋爐廠制造的帶過熱器的循環(huán)流化床安裝投運(yùn)以來，除了個(gè)別地區(qū)因水質(zhì)問題結(jié)垢過燒發(fā)生爆管外，沒有因磨損的問題而導(dǎo)致爆管。
    (3)省煤器爆管也是循環(huán)流化床鍋爐易發(fā)生故障。有關(guān)資料介紹，循環(huán)流化床新鍋爐投運(yùn)因磨損發(fā)生省煤器爆管的最短運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)月，長沙鍋爐廠也曾經(jīng)發(fā)生過循環(huán)流化床新鍋爐投運(yùn)因磨損發(fā)生省煤器爆管的最短運(yùn)行時(shí)間為六個(gè)月。因此，在新方案設(shè)計(jì)中，一是煙氣流速設(shè)計(jì)在6m/s以下；二是管排前兩排迎風(fēng)面全加防磨瓦片，彎頭和穿墻管處全部防磨；三是彎頭離爐墻距離盡量少，盡量減少此處煙氣流通面積，防止偏流和短路，爐墻設(shè)計(jì)加挑磚保護(hù)每組省煤器彎頭區(qū)；四是常規(guī)省煤器一般采用∮32x3的無縫鋼管，新方案中根據(jù)灰粒硬度與溫度成反比的關(guān)系，省煤器低溫段采用∮32xs的厚壁無縫鋼管。
3、結(jié)語
    綜上所述，此方案不失為一種既保持高效節(jié)能，又運(yùn)行可靠、使用壽命長的新型循環(huán)流化床鍋爐爐型。