2023年-第六章公用工程及辅助生产设施.docx

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1、循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计张临峰中国石化集团兰州设计院内容摘要本文以刘化热电厂4#锅炉扩建为例，阐述了循环流化床锅炉的原理、结构及其 特点与应用，并着重就烟风系统的工程设计提出了一些看法和见解。关键词循环流化床锅炉原理应用烟风系统设计一.前言循环流化床锅炉在国外是二十世纪六十年代研制成功投入运行的，目前大型循 环流化床锅炉在电站的运行越来越普遍。国内从二十世纪八十年代开始研制循环流 化床锅炉，虽然起步相对于国外较晚，但进步很快。许多科研单位和大专院校研究 和发展了各具特色的循环流化床锅炉，并且从试验室走向了工业应用。目前， 30t/h130t/h循环流化床锅炉的设计、制造、运行技术已

2、经比较成熟，而且正朝 着更大容量和更高参数的方向发展。许多建设单位把循环流化床锅炉作为新建锅炉 房的首选炉型。刘家峡化工总厂是一个原产10万吨/年合成氨、16万吨/年尿素的中型化工企 业。1997年通过技术改造将生产能力提高到15万吨/年合成氨、25万吨/年尿素。 化肥生产规模增大后，经全厂热平衡，蒸汽有较大的缺口，为保证工艺生产装置的 长期、安全、平稳的运行，根据国家有关热电联产的能源政策，刘家峡化工总厂决 定在原热电厂（3台35t/h次高压链条锅炉和1台6000KV背压汽轮发电机组）内 扩建1台75t/h的次高压蒸汽锅炉和1台12000KW汽轮发电机组。经各方面比较后， 最终确定选用无锡锅

3、炉厂生产的型号为UG-75/5. 3-M次高压循环流化床锅炉1台和 武汉汽轮机厂生产的型号为C12-4.9/1.37的12000KW抽汽凝汽式汽轮发电机组1 台。锅炉扩建投产后，生产运行平稳，各项指标均达到了设计的预期要求，为刘家 峡化工总厂工艺装置的扩能改造提供了稳定的热能保证。该项目的设计工作由我院 完成，作为我院设计的第一台次高压循环流化床锅炉项目，有许多需要认识和值得 总结的方面。本人参加了该锅炉扩建的烟风系统设计及设计代表工作，下面是本人 通过该工程设计后对循环流化床锅炉的应用及其烟风系统设计的一些认识。二.循环流化床锅炉的原理 的考虑和规划，以保证系统生产的连续性。2 .适宜设置循

4、环流化床锅炉的地方在劣质煤或废弃燃料供应充足的地方，煤源不固定、煤质变化较大的地方，以 及环保要求严格的地方设置中小型循环流化床锅炉，能最大限度地发挥其优势和特 点。当然在其它新建或扩建锅炉的地方，循环流化床锅炉也是首要考虑的炉型之一。3 .循环流化床锅炉对煤种的适用性尽管循环流化床锅炉对煤种的适应性强，燃烧效率高，但由于循环流化床锅炉 磨损问题还没有得到很好的解决，一味地追求燃用劣质煤，会使锅炉的磨损加重， 进而缩短锅炉的运行周期。在条件允许时，还是燃用煤质较好的煤为宜。参考文献1 .工业锅炉房设计手册（第二版）航天工业部第七设计研究院编2 .循环流化床锅炉理论与设计运行 岑可法等 中国电力

5、出版社3 .热能工程设计手册化工部热工设计技术中心站4 .无锡锅炉厂、四川锅炉厂资料循环流化床燃烧是近四十年来发展起来的新型燃烧技术，是对传统层燃炉燃烧 和煤粉炉燃烧的一个重大革新。利用这种燃烧技术的循环流化床锅炉，其燃烧特性 介于层燃炉和煤粉炉之间，它既不象煤粉炉那样要把燃煤磨成细粉吹进炉膛呈悬浮 态下燃烧，也不象层燃炉那样把燃煤铺在炉排上燃烧，而是把燃煤破碎成小颗粒（一 般2mm,随锅炉制造厂家的不同而略有不同），送进床层中呈流化态燃烧，床层 中积存有大量呈炽热状态的惰性物料（如灰份、砂粒等），在鼓风压头的作用下呈 流化状态，加入的燃料只占床料的很少一部分，床层温度保持在固定碳的着火温度

6、和灰渣开始变形温度之间，一般为850950之间。由于床料提供了大量的热 量，燃料的着火条件好，气固混合均匀，床中热质交换强烈。燃烬后的灰渣从炉膛 底部排渣口排出，烟气中携带的未燃尽的飞灰通过炉膛后部设置的飞灰分离器，被 分离出来，经返料器送入炉膛内循环燃烧，这样使得飞灰含碳量大为降低，提高了 锅炉的燃烧效率。通过向燃料或炉内添加脱硫剂（如石灰石、粒径W2mm）的方式 能脱除燃煤中85%以上的硫份，降低了锅炉尾部烟道的腐蚀，减少建设地区的二氧 化硫的排放量，减轻了烟气对大气环境的污染。三.循环流化床锅炉及其分离器的类型和结构特点1 .分离器的类型和结构特点循环流化床锅炉物料循环量的大小受燃烧粒度

7、、燃烧成灰特性、燃烧室的风速、 排灰系统的设置、分离器的分级分离效率、物料回送系统的性能、床料层厚度等诸 多因素影响，同时也受回灰温度的制约。而其中分离器的分级分离效率是首要因素。 因此分离器是循环流化床锅炉的至关重要的部件，锅炉结构与其有着直接的关系。 其有以下四种主要类型。（1）高温热旋风筒分离器（见图1）国内以济南锅炉厂为代表，国外以德国的Lurgi公司和芬兰的Ah I strom公司 为代表。其入口烟温在850左右，优点是技术成熟，锅炉燃烧效率高；缺点是体 积庞大，密封和膨胀系统复杂、内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、耐火材料用量大、 费用高、启动时间长、运行中易出现故障。在燃用可燃性较强

8、的煤种时，旋风筒内 温度可能比炉膛温度更高，易引起旋风筒内超温而结焦等。这样就使得分离器内防 磨材料磨损及启动热膨胀问题不易解决，分离器前后膨胀节是长期运行的隐患，分 离器内运行结焦不易控制。（2）中、低温热旋风筒分离器以德国Babcock公司为代表，分离器入口烟温在450550,可使旋风筒尺 寸减小、内衬减薄，解决高温旋风筒分离器的一系列问题，但因炉膛采用塔式布置， 炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，为减少磨损，设计烟速较低，而炉膛下部 又全部涂敷卫燃带，因而比其它炉型高、重许多。另外循环灰温度低，循环灰浓度 低，使得燃烧效率比较低。炉膛上部过热器和高温省煤器磨损问题需采用国外的专 利技术

9、来解决，国内无法满足。（3）水（汽）冷旋风筒分离器（见图2）国内以东方锅炉厂为代表，国外以美国Foster Wheeler公司为代表。水（汽）冷 旋风筒分离器可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，并 较好地解决了旋风筒防磨问题。但是该旋风筒制造工艺复杂、生产成本高、维修不 方便；不能取消分离器入口、出口的膨胀节，给运行带来隐患。（4）异型（方型）水冷分离器（见图3）国内以四川锅炉厂为代表，国外以芬兰的Ahlstrom公司为代表。该分离器是 四周用膜式水冷壁组成方形分离器，但烟气入口段用水冷壁管弯制成圆弧形加速段, 是一种非方非圆的结构。其解决了水（汽）冷旋风筒分离器制造成本

10、高的问题，保 留了高温水（汽）冷旋风筒分离器的所有优点，还取消了分离器入口、出口的膨胀 节，彻底解决了膨胀、密封及分离器内结焦问题。缺点是燃用低灰份煤时，回灰温 度低，锅炉燃烧效率下降。以上四种分离器是目前循环流化床锅炉发展的主流，从技术先进性来看，异型 （方型）水冷分离器技术具有明显的优势。在国内，四川锅炉厂、无锡锅炉厂、哈 尔滨锅炉厂等都向中国专利拥有者一清华大学购买了该技术。使用此四种分离器技术的循环流化床锅炉比较见表1。图32 .国内循环流化床锅炉的结构型式和特点以75t/h次高压锅炉为例，国内循环流化床锅炉基本上可分为三种结构型式, 如图4、5、6所示。表1循环流化床分离器技术比较表

11、类型高温热旋风筒 分离器中、低温热旋风筒 分离器冷却圆旋风筒 分离器异型水冷分离器项目点火方式耗有油高、起 动慢耗油较省、起动较 快耗油省、起动快耗油很省、起动很 快分离器分离效果好分离效果好分离效果好分离效果较好防磨不好、成 本高防磨较好、成本较 低防磨好、成本低防磨好、成本低整体性分离器前后有 膨胀节，密封、 膨胀性不好分离器前后有膨胀 节，密封、膨胀性 不好分离器前后有 膨胀节，密封、 膨胀性不好分离器与炉膛、尾 部烟道成为一个整 体，膨胀、密封性 好防磨材料耗量多、成本 高炉膛内均有内衬， 耗量多、成本高耗量少、成本低耗量少、成本低回料系统复杂简单复杂简单尾部烟道烟气速度高、 有磨损烟

12、气速度低、无磨 损烟气速度高、有 磨损烟气速度低、无磨 损风系统风机多、系统 复杂风机少、系统简单风机多、系统复 杂风机少、系统简单煤种适应性烟煤和无烟煤 不能通用对灰份大或成灰特 性好的煤，需排循 环灰煤种变化不能 太大较广燃烧效率燃烧效率高中、低温分离，燃 烧效率低燃烧效率高燃烧效率高，低负 荷时有所下降表2 国内753循环流化床锅炉主要技术特性制造 厂家锅炉外形尺寸m主蒸汽参数给水 温锅炉 热效燃料粒度mm循环 倍率、 *次风比负荷变 化范结构 形式汽包标高柱中心距温度压力MPa度率煤石灰七%率围北锅28. 4516. 76x8. 24505. 2915090. 330100210.35

13、0/5050100图4川锅24.74505.3150890130250/5050100图6无锅26.312. 35x6. 64505.315085 88013022050/5050100图5济锅27. 2214. 94x8. 84505.3150880130250/5050100图4图4为第一种结构型式，它采用二级分离，二级分离器采用百叶窗加旋风筒分 离器，分离效果好。图5为第二种结构型式，它借鉴了国外的成熟经验，采用两个旋风筒分离器, 分离出来的大颗粒灰经返料装置返回炉膛，循环燃烧；其分离效果好，飞灰少，燃 烧效率高。图6为第三种结构型式，采用一级惯性分离器和一级平面流陶瓷分离器，分离 出来

14、的未燃尽物料经回料阀送回到副床，再从副床溢流到主床燃烧。平面流分离器 虽然耐用，但分离效果则不如旋风筒分离器。四.循环流化床锅炉的技术特点1 .燃料适应性广：这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉 中，送入炉内燃料按重量计仅占床料的1-3%,其余是不可燃的惰性物料，其特殊 流体动力特性，使得燃料进入炉膛后被迅速加热到着火温度。因而它可以燃烧热值 较低的燃料，如油页岩、煤歼石、含碳炉渣等。2 .燃烧效率高：循环流化床锅炉气、固混合良好，而且绝大部分未燃尽的燃料 被分离器重新分离出来，返回炉膛循环燃烧，因而燃烧效率高，通常在97.599% 范围内，可与煤粉炉媲美。3 .制粉、给煤系统相

15、对简单：循环流化床锅炉的给煤粒度一般要求2mm, 与煤粉炉相比，其燃料的制备系统，不需要专门的制粉系统，省去了磨煤机等配套 辅机，仅需破碎筛分就可送入炉膛燃烧。由于床内扰动强烈，故可集中给煤，使得 给煤点数大大减少。4 .调节性能高：当负荷变化时只需调节给煤量、空气量和物料循环量；循环流 化床负荷可以在30100%范围内变化，负荷变化率可达每分钟5%05 .灰渣活性好，利用潜力大：由于灰渣未经高温熔融过程，保持其原有活性,且含碳量极低，可用作烧制水泥的掺合料，也可用于砖、瓦等的制作。6 .运转设备少：循环流化床锅炉设有3 (4)台风机及给煤机，较煤粉炉省去 了复杂的制粉、送粉等系统，较链条炉省

16、去了故障频繁的炉排部分，给设备的连续 运行创造了条件。7 .炉内脱硫效果好，氮氧化物排放量低：这也是循环流化床锅炉的主要优点之 o据有关资料介绍，在炉内或直接在燃料中掺入脱硫剂，如当加入石灰石，且钙 硫摩尔比为1.52. 5时，其脱硫效率达90%以上；由于采用低温燃烧和分段燃烧技 术，可使燃烧产生的氮氧化物排放量比其它类型的锅炉减少30%以上。这样就能以 最经济的方式解决能源供应和满足环境保护的要求，省去了昂贵的烟道气脱硫、脱 硝装置，减少了占地和建设投资。五.刘化锅炉扩建选用循环流化床锅炉的意义刘化总厂附近有丰富而且价格便宜的煤炭资源，扩建工程提供的煤质资料如下: 元素分析(空干基)CadH

17、adOadNadSadAadMad52.262.969.610.780.9628.514.92低位发热值：Q=13960k/kg (3334kCal/kg)由上可知，扩建工程的煤质情况比较差，另外热电厂原链条炉使用燃煤煤质与 设计煤种的变化较大，致使原有的三台对煤种适应性较差的链条炉燃烧效率降低， 灰渣中含有较多的未燃烬的碳份，而循环流化床锅炉的优点之一就是能燃用劣质煤 及含一定碳量的灰渣，刘化热电厂扩建工程中选用循环流化床锅炉能够很好地解决 上述两个问题，并且能产生比较好的经济效益，因而是适宜、可行的。六 .循环流化床锅炉烟风系统的设计循环流化床锅炉和其它形式锅炉的主要区别就在于烟风系统，辅

18、机的差别也主 要表现在烟风系统的辅机。其烟风系统的设计包括煤、渣、灰、冷、热风、烟气等 系统的设计。1 .刘化循环流化床锅炉烟风系统有关的辅助设备及参数一次风机 G9-19 No19D二次风机 G6-31 No116D循环风机 W7-16 No10D引风机 Y4-73-2 No22FQ= 84585m3/hQ= 56390m7hQ= 4400Nm3/hP=19587Pa 1 台P=9401 Pa 1 台P=9200Pa1 台Q= 240000m3/h P=5770Pa1 台水膜除尘器Q= 240000m3/h埋刮板输送机 SMS16 A型 Q=1416 m3/h2 .给煤系统的设计循环流化床锅

19、炉由于给煤点少，因而给煤系统的设计较为简单，目前有三种入 炉煤的输送方式：(1)从贮煤仓下接金属溜煤管直接进入炉前小煤斗。这种形式和链条炉一样, 系统简单，但遇到水份稍大的煤，就容易堵塞，且供煤不均匀，虽有阀控制给煤量， 但不能满足锅炉燃烧的要求。(2)从贮煤仓下接金属溜煤管至螺旋输煤煤机，然后由螺旋输煤煤机将煤送入 炉前小煤斗，这种形式虽可控制入炉煤量，但仍存在堵煤的可能性。(3)从贮煤仓下接金属溜煤管至水平输送机(如埋刮扳机)，将煤送至斜溜槽 进入炉前小煤斗，这种形式不堵煤，锅炉入煤均匀，且宜控制。刘化扩建锅炉本体只有两个受煤点，设计中采用上述第三种形式，用两台埋刮 版输送机来给煤。根据锅

20、炉投运后的实际情况来看，运行完全满足设计要求。3 .除渣系统的设计循环流化床锅炉的排渣是控制床层厚度，保证流化质量，以达到稳定燃烧的主 要手段。因锅炉容量、运行负荷、燃料含灰量、燃料粒度等情况的不同，循环流化 床锅炉运行时一般采用间断地排放高温炉渣。目前国内使用循环流化床锅炉的电厂 采用的排渣方式有如下四种：(1)水力冲渣至沉渣池。这种方式的缺点是排出的高温炉渣至冲渣沟后汽化, 产生大量的水汽和灰尘，使厂房受到很大的污染，而且系统复杂，投资较大，不利 于渣的综合利用。这里需要说明的是，为达到脱硫的目的，在燃料中加入石灰石后， 锅炉排出的灰渣中含有一定数量的CaS04,而CaS04遇水则生成二水

21、石膏浆液 (CaSO42H2。)，因此，循环流化床锅炉的灰渣不能采用管道水力输送，否则很容易 堵塞管道。(2)用小车将高温红渣运至厂房外渣场。但红渣在排放和运输过程中易造成烫 伤和火灾事故，现场污染较大。(3)采用风冷式装置。但设备、管道布置困难，且密封要求高，国内还没有成 熟的经验。(4)采用水冷螺旋出渣装置。其漏水和磨损问题严重。目前大多数厂家采用的是前两种方式，即无冷渣器，而使用冷渣器的厂家，使 用效果不佳，问题较多，需要不断的改进和完善。刘化扩建的75t/h循环流化床锅炉是在原预留的35t/h锅炉的场地上建设，要 布置冷渣装置，受场地条件的限制，是不可能实现的。在设计中根据其具体情况,

22、 结合其已有沉渣池的有利条件，排渣方式采用干式除渣和水力除渣相结合。在锅炉 排渣口，接出一裤衩管，一路通向水力冲渣沟，由水力冲渣至原有沉渣池；一路用小推车将渣运至厂房外渣场。在锅炉运行时可按照实际情况，采取不同的方式来除 渣。4 .烟气系统的设计循环流化床锅炉烟气系统的设计和其它类型的锅炉一样，着重需要考虑的是除 尘器及引风机的配套与烟道的布置。循环流化床锅炉的灰渣比一般为4:6,故其烟 尘的初始浓度比较高，需要配备高效率的除尘器才能满足国家颁布的锅炉大气污 染物排放标准（GB13271-91）和火电厂大气污染物排放标准（GB13223-1996） 两部标准。为此，大部分循环流化床锅炉的使用者

23、配备的是高效的电除尘器或水膜 除尘器。在刘化锅炉扩建工程中，由于受布置场地条件的限制，不可能配备电除尘器， 设计中采用了带文丘里管双旋筒湿式水膜除尘器。该锅炉烟气处理技术，是目前国 内中小型热电站推广使用的一门新技术，是近年来发展较快的一项环保措施，其除 尘效率达96%以上。文丘里管双旋筒湿式除尘器的优点是投资小、能耗低、运行可 靠、除尘效率高、运行费用低、尚有一定的脱硫功能等。本工程采用后，使锅炉烟 气得到了较好的处理，使偏低的烟囱能力更趋于安全。由于锅炉本体烟道出口低、除尘器烟道入口高（高差达14米），加之受布置场 地的的限制（烟道下有除渣沟，本工程的建设不能影响原有链条炉的运行），烟道

24、的支撑成了一个问题，通过现场实际测量及土建专业采取特殊措施后才得以实现。5 .冷、热风系统的设计循环流化床锅炉冷、热风系统包括一次风、二次风及烟气再循环系统，与其它 类型锅炉冷、热风系统相比，最大的区别是其风压高。随各锅炉生产厂家的炉型结 构和布风装置的不同，其风系统也不尽相同，有的复杂，有的简单。在刘化锅炉扩建工程的冷、热风系统的接口多，系统较为复杂。冷风系统设计 时，考虑到风压比较高，风机和风管的振动大，为减小振动及其传递，在风机进出 风管上各装加了一组波纹补偿器。热风系统是本次设计的一个难点，由于锅炉炉体 为倒挂式，当锅炉启动（停运）时整个炉体有一个向下（向上）的热位移量，而炉 体的热风

25、接口亦随炉体向下（上）移动，而热风管道的支架要生根在锅炉钢架上， 这样就势必使热风管道和炉体接口之间有一个比较大的上下错位。根据无锡锅炉厂 提供的资料，在一次风入口处炉体向下膨胀量有100多毫米，为防止热风管道撕裂事 故的发生，需设置补偿器。而在热风道布置距离受限制的情况下，这样大的补偿量， 单靠波纹补偿器是无法满足的，为此除在水平管上装加波纹补偿器与弹簧支架外， 还和有关厂家的技术人员协商，采用特殊型式的复式拉杆补偿器装加在热风管道和 炉体接口处，这种补偿器除轴向补偿量较大外，侧向位移量也较大。根据锅炉投运 后的情况看，此部分没出现任何问题，可见设计中采取的措施是的当的。七 .循环流化床锅炉

26、应用及其烟风系统设计存在的问题和建议1 .磨损问题由于循环流化床锅炉内的高颗粒度灰份和高运行风速，导致锅炉内部烟气冲刷 件（如过热器管束、省煤器管束等）的磨损比较严重，使锅炉的运行周期大大缩短。 目前解决磨损的措施主要有两种，一种是采用特殊的抗磨损金属材料；另一种是对 受磨损部位部位添加防磨护瓦和涂防磨涂料以减轻磨损。由于前一种防磨措施所需 的金属材料要从国外引进，而且价格昂贵，在国内使用较少。国内目前采用较多的 是后一种措施。因此，研制、生产适合循环流化床锅炉的耐磨材料是国内科研、锅 炉制造厂的主要问题。2 .冷渣器的设置目前循环流化床锅炉的除渣大多采用的是干式和水力除渣两种方式，此两种除

27、渣方式的不利之处是排渣处灰尘飞扬，工作条件恶劣，高温炉渣在排放和运送过程 中易发生人员烫伤事故，并且间断排放造成空气量波动，使得燃烧不稳定。为了使 循环流化床锅炉处于稳定工作状态，应根据料层厚度尽量实现连续、自动排渣。这 就需要设置相应的冷渣器，但国内目前还没有成熟可靠的冷渣器可供选择，这成为 设计过程中的一大难题，希望国内有关的科研单位和生产厂家能够研制、生产出适 合的冷渣器。3 .锅炉制造厂家的有关问题循环流化床锅炉发展迅速，更新换代比较快，锅炉制造厂家往往注重本体方面 的设计，而忽略了与设计院有关的外围烟风系统，给烟风管道的设计带来很大的困 难，发生如烟风管道和平台扶梯相撞、和本体管道相

28、撞、支撑困难、布置不合理等 问题，这样使得烟风管道和本体协调性差，给运行、检修留下了不方便因素。只要 锅炉厂和设计院多加强工程设计前期的协商、沟通，就能使此类问题得到很好的解 决。八 .结束语循环流化床锅炉正以其明显的特点和优势得到越来越广泛的应用。但由于循环 流化床锅炉的发展时间比较短，其基础理论还有待进行深入的研究，从锅炉本体到 配套辅机和附属设备尚需进一步完善。本人认为，选择应用循环流化床锅炉时应考 虑以下情况：1 .循环流化床锅炉对企业生产性质的适应性循环流化床锅炉对负荷的适应性强，适应各种性质的企业设置。但由于其磨损 问题还没有得到很好的解决，对连续性生产企业，需要对锅炉的容量及台数做全面