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循环流化床燃烧技术在锅炉改造中的应用


全国化工热工设计技术中心站年会论文集

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循环流化床燃烧技术在锅炉改造中的应用
姜鸿安 张益 (中国科学院工程热物理研究所工程中心)

[内容摘要] 内容摘要]

本文介绍了循环流化床燃烧技术发展、特点及在锅炉改造中的应用,并结合典型炉型进行实例

介绍,对中小

型锅炉改造有一定的指导意义。

一、前言
煤炭是我国最重要的一次能源,其储量在各类矿物资源中约占 75%。1990 年起,我国煤炭 的年生产量已经超过 11 亿吨,成为世界上煤炭生产和消费大国,其中有 80%以上是通过直接燃 烧而被利用的。 在燃煤技术方面,我国与发达国家相比还有较大的差距。市场上供应的煤炭品种,不仅在不 同地区有千差万别,即使在同一地区也是频繁多变。高灰分、高水分、低挥发份的劣质煤,在煤 炭生产中占有相当的比例,另外 SO2 排放带来的大气污染和酸雨问题日趋严重。开发完善和推 广应用一种高效、低污染的新型燃煤技术,是保证我国国民经济持续稳步发展和人民生活水平不 断改善的重要条件。 煤的循环流化床燃烧技术是近二十年发展起来的一种新型燃煤技术, 是对传统的炉排炉和煤 粉炉的一个重大革新。由于炉内物料的高热容量、强掺混和低温燃烧的特点,它可以有效燃用褐 煤、烟煤和无烟煤,也可燃用造气炉渣和石油焦等劣质燃料,在同一台锅炉上还可以同时燃用多 个煤种,燃料适应性好。循环流化床燃烧可以通过添加石灰石,进行炉内烟气脱硫处理,为高硫 煤的合理利用提供了途径,而一般的尾部脱硫技术成本高,难以在中国的中小锅炉上推广应用。

二、发展状况
国家“六五”期间,中国科学院工程热物理研究所承担了国家科委组织的“煤的流化床技术研 究”的专项课题,和“六五”攻关中“ 劣质煤流化床燃烧的关键技术和基础研究” 专题,率先在国内 开展了循环流化床燃烧技术的科研和开发工作,建起了国内第一台 4 t/hr (热功率为 2.8MWt)循 环流化床燃烧装置,顺利进行了试验和运转。进行了有关物料循环,床内气固流动、燃烧、传热 及物料分离,以及燃用多煤种等的试验。就循环流化床燃烧系统的一般工作过程原理、循环倍率 和物料分离装置性能等理论方面作了分析。基本掌握了循环流化床燃烧技术工作过程的一般规 律、及结构设计要领。 1988 年,采用工程热物理研究所技术的、我国第一台蒸发量为 10 t/hr 的循环流化床工业锅

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炉通过产品鉴定并投入批量生产。1989 年国内第一台 35 t/hr 循环流化床发电锅炉通过了由中国 统配煤矿总公司和中国科学院联合组织的技术鉴定。1992 年 75 t/hr 循环流化床锅炉于在浙江省 嵊州市热电厂投入运转。 在我国,循环流化床燃烧技术发展很快,各种形式的循环流化床锅炉不断出现,并逐渐向大 型化发展,循环流化床锅炉的优势已得到了广大用户的认可。从洁净煤燃烧角度看,也是我国近 期解决环保问题的一个重要出发点。随着国家政策法规的不断完善、人民环保意识的不断增强, 企业迫切需要新的技术和新的产品以满足市场的需求。对链条炉来说,适于燃用块状烟煤,它对 煤质变化 (灰份、水份、挥发份、热值等) 比较敏感,也受到操作运行水平的很大影响,要燃用 多碎屑的煤是困难的。而煤粉炉适合于大型电站锅炉,它在燃用劣质煤和负荷调节方面也受到限 制。在污染物 SO2、NOx 的控制方面,由于链条炉和煤粉炉都属高温燃烧,NOx 的排放高,而脱 除 SO2 的系统显得复杂和昂贵。 针对中小型煤粉锅炉、 抛煤机炉、 正转链条炉存在着燃烧效率和热效率较低, 环境污染严重、 有害气体排放较高等问题,结合锅炉大修,应用分级分离循环流化床燃烧技术,对一些锅炉进行 技术改造,并对相关的辅机加以改进,可以将以上三种炉型锅炉改造为具有高效低污染燃烧特点 的循环流化床锅炉。

三、技术路线
循环流化床锅炉遍布世界各地,经过多年的发展,形成了结构各异、形式多样的许多炉型。 其基本环节和工作过程可以概述为,在燃烧室中存有一定量的处于流化状态的热物料,燃煤被送 入燃烧室后,迅速被热物料加热,着火燃烧,较大的煤粒在燃烧室内“ 沸腾” 燃烧,较小煤粒被 烟气夹带出流化床密相区,在燃烧室上部悬浮燃烧,同时对水冷壁放热。被夹带出燃烧室的一部 分细颗粒通过分离器后被收集下来,由返料器送回炉膛循环再燃,烟气则进入尾部受热面完成换 热过程,最后经除尘器的净化由烟囱排向大气。燃料经过反复循环燃烧,使锅炉燃烧效率得到大 幅度提高。由于燃烧温度被控制在 850°C 左右,炉内温度场很均匀,为添加石灰石脱硫提供了 良好的条件。 在循环流化床燃烧技术中, 分离器与返料器是保证必需的物料循环量的关键部件。锅炉只有 达到设计的物料浓度,才能达到设计负荷。提高分离效率,将增加炉内物料浓度,炉内热负荷及 传热系数也将增大,可以相应减少锅炉受热面积和降低炉体高度,从而弥补在锅炉改造中遇到的 炉膛高度不足带来负面影响,还可以降低锅炉成本。 为使循环流化床燃烧技术易于在常规锅炉改造上应用, 锅炉结构改动少并简单可靠,改造采 用一种经济实用并适应我国国情的炉型结构-----分级分离循环流化床燃烧技术。第一级采用新型 槽形分离器,布置在炉膛出口,目的是分离颗粒较大的物料,它们通常占总量的 60%以上,从 而能够保证锅炉大负荷下稳定、高效率燃烧;第二级采用新型旋流叶栅分离器,布置在两级省煤 器之间(有时布置在过热器之后转弯烟道),目的是进一步提高锅炉的燃烧效率。 新型槽形分离器是利用颗粒与气流的惯性差异对粗颗粒进行分离。 在很多改造工程里只采用 两排错列布置,分离效率可达 80%,阻力为 200Pa。这种形式分离器结构简单、布置方便、热 惯性小、阻力低,最大限度地避免了颗粒反弹及气流返混对分离不利的影响;改造中曾选用耐磨 耐热不锈钢和铸钢,都取得令人满意的效果,分离元件也不存在大的磨损问题。这一新技术已取 得了国家实用新型发明专利(ZL 96 2 07499.3)。 旋流叶栅分离器是一种新型旋风分离器, 增加叶栅装置对细颗粒再次进行分离,可以达到较

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高的分离效率。设计烟气进口速度为 20m/s,分离效率为 95%,阻力为 400Pa。由于是下排气 设计方式, 分离器可以布置在锅炉水平烟道与尾部烟道连接的换向室处。 保持了锅炉的紧凑布置, 并能达到较高的分离效率。这一新技术已申报国家实用新型发明专利。 返料器选用具有自动调整功能的 U 型返料器,其能随锅炉负荷的变化自动适应循环灰量的 变化。一级采用风帽式流化密封返料器,二级采用风管式流化密封返料器,都是由料腿和与燃烧 室相联的流化床组成。它可以将低压侧的床料送入高压侧的燃烧室,而料腿灰柱防止燃烧室的烟 气经返料器短路进入分离器,起到密封作用,保证循环回路的正常运行。

四、给煤与排渣
根据对循环流化床锅炉用户的调查表明, 百分之八九十的停炉事故是由辅机和附属设备的故 障而造成的,因而对这些设备的购置、安装、维护等应给予足够的重视。循环流化床锅炉与其它 形式锅炉的主要区别就在于燃烧系统,辅机的差别也主要表现在燃烧系统的辅机。给煤与排渣在 锅炉运行时保持稳定就显得十分重要。 循环流化床锅炉炉膛压力对给煤机的影响是人们普遍关注和急需解决的问题。 目前有采用气 控的办法来抑制炉膛返风时造成的给煤机断煤现象, 由于没有在落煤口处建立起一个稳定的较强 的负压区域,所以受炉膛压力波动影响严重。新型结构的给煤引射器,针对上述问题提供了一种 构造简单、安装方便可有效地阻止炉膛返风的装置,采用部分一次风做为气源,保证了加煤机加 入的煤能够顺利地落入锅炉输煤管中,达到对锅炉的稳定连续供煤。这一新技术可在流化床锅炉 上推广应用,并已申报国家实用新型发明专利。 因锅炉容量、运行负荷、燃料含灰量、燃料粒度等情况不同,循环流化床锅炉运行时一般采 用间断地排放高温炉渣。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,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连续、自动控制排渣。水冷铰笼式冷渣装置是一种间接式冷渣冷 却装置。高温渣由铰笼螺旋杆推进,水在轴内和螺旋外面的套管内流动,两种介质流程呈逆向, 通过金属壁换热。在渣量不大的情况下,冷却效果很好。这一新技术已取得了国家实用新型发明 专利(ZL 96 2 07498.5)。

五、典型锅炉改造介绍
(一)煤粉锅炉改造为循环流化床锅炉 广西河池氮肥厂热电厂 2#锅炉是一台已运行了近二十年的 35t/hr 中温中压煤粉炉。 在采用 分级分离循环流化床燃烧技术进行技术改造时,一级槽形分离器布置在炉膛出口,二级旋流叶栅 分离器布置在转弯烟道。因为二级分离器的烟气流速较一级分离器的烟气流速要高,故磨损情况 可能较一级分离器严重。因此,要考虑分离器易磨损部件的维修、更换的方便、灵活,所以采用 了各部件间的套叠结构设计。96 年底投入试运行,二年多的运行情况表明:这台循环流化床锅 炉比改造前可节约燃煤约 50 吨/日(燃料煤按现煤粉炉燃煤统计);负荷可增加约 5t/hr;飞灰 可燃物从~30%下降到 7%以下;大渣含炭量小于 2%(可供其附属水泥厂作为添加剂);总的 电负荷也较原煤粉炉小。按一年连续 7000 小时运行,可增加经济效益约 470 万元,而改造总投 资为 450 万元,因此当年便可收回投资且略有盈余,用户准备在其资金及其它条件允许的情况 下,要把其它三台煤粉锅炉均改造为循环流化床锅炉。这一新技术已取得了国家实用新型发明专

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利(ZL 96 2 07473.X)。 (二)抛煤机锅炉改造为循环流化床锅炉 在首台黑龙江万力木业有限公司(原佳木斯合林家具有限公司)的 20t/hr 抛煤机锅炉改造为循 环流化床锅炉的基础上,一九九六年五月进行了四川省大竹县发电厂的 20t/hr 抛煤机锅炉的改 造。在改造方案设计中,结构更加简化,改造更趋于合理与完善。根据电厂统计数据,原锅炉发 电煤耗为 1.85kg 原煤(标煤 1.06kg/kw.hr),改造后降为 1.21kg 原煤(标煤 0.69kg/kw.hr),四川 电力试验研究院测试鉴定后得出结论为: 本炉由原机械式抛煤机倒转炉排改造成循环流化床锅 “ 炉后, 锅炉炉渣可燃物和飞灰可燃物由改前的 30~40%左右分别降至 1.76~2.81%和 3.07~3.67% 左右,锅炉热效率提高到 86~87%左右。煤耗将大幅度下降,表明大竹县发电厂和中科院共同合 作改造本炉为循环流化床锅炉是成功的,是较理想的。” 大竹县发电厂已将两台此种炉型锅炉全 部改造完毕。新疆芳草湖糖厂自备电厂一台锅炉也已改造完毕,目前正在调试中。这一新技术已 取得了国家实用新型发明专利(ZL 96 2 07497.7)。 (三)正转链条锅炉改造为循环流化床锅炉 98 年 6 月受四川省宣汉发电厂的委托,为该厂 35t/hr 正转链条炉作技术改造可行性分析报 告和经济分析报告,并在此基础上签订了技术改造合同。8 月又与河南永城发电厂签订技术改造 合同,将其 3#炉改造为循环流化床锅炉。为了保证改造的可靠性和先进性,改造采用膜式水冷 壁结构, 整个锅炉前吊后支, 过热器保持不变。 上级省煤器改用鳍片管, 下级省煤器仍采用光管。 增加二次风空气预热器,一次风空气预热器保持不变,尾部烟道保持不变。更换一、二次风机及 引风机,增加煤的破碎及筛分系统。目前在调试阶段,准备进行 72 小时试运行并交付使用。这 一新技术已取得了国家实用新型发明专利(ZL 98 2 01858.4)。

六、结论
经多台锅炉改造证实, 分级分离循环流化床燃烧技术应用于常规锅炉改造是成功的,结合锅 炉大修, 改造投资约为新锅炉本体价格的二分之一, 投资少、 见效快。 由于原锅炉初始情况不同, 加之发电成本的差异,投资回收期一般为一年至一年半。改造后锅炉具有下列特征: (一)燃料适应性广 可以燃用烟煤、褐煤、无烟煤、含碳量较高的炉渣及城市生活垃圾。 (二)节省燃料 由于燃料在炉内反复循环燃烧,延长煤粒在炉内的停留时间,使得燃料可以充分燃烧,可将 炉渣含碳量降至 2%以下,飞灰含碳量可将至 7%以下,同时避免了炉排漏煤造成的浪费。 (三)故障率低 由于取消了炉排,减少了转动设备,同时也减少了事故点,事故停炉次数降低,并减轻了工 人的劳动强度。 (四)符合环保需要 对于日趋严格的环保立法,这些经过改造的锅炉具备了有效控制 SO2 排放的能力。


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