(1)鍋爐爐膛內(nèi)含有大量的物料，這些物料循 環(huán)帶來了高傳熱系數(shù)，使鍋爐熱負荷調(diào)節(jié)范圍廣，對燃料的適應(yīng)性強，能夠改善鍋爐燃燒的能源結(jié)構(gòu)。
(2)循環(huán)流化床鍋爐運行溫度常在870——910℃ ，這是個理想的脫硫脫硝溫度區(qū)間，可以使脫硫效率達到96%左右，爐內(nèi)脫硫后SO2的排放量可以達到100mg/m3 ( 標態(tài)) 以下。同時循環(huán)流化床采用低溫分級送風(fēng)燃燒，使燃燒始終在低溫低過量空氣系數(shù)下進行，大大降低了NOx的生成和排放，采用低溫燃燒分級送風(fēng)后鍋爐本身的NOx排放量可以達到100mg/m3(標態(tài))以下，實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能和諧并存，這是其他爐型無法實現(xiàn)的。
(3)循環(huán)流化床鍋爐具有高燃燒效率、可以燃用劣質(zhì)燃料、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點，因此在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。隨著環(huán)保要求日益嚴格，循環(huán)流化床鍋爐成為目前最實用和可行的高效低污染燃煤設(shè)備之一。
下面以一臺160t/h的次高溫次高壓節(jié)能環(huán)保型循環(huán)流化床鍋爐為例，簡單介紹該種鍋爐的開發(fā)設(shè)計。
1 鍋爐概況
1.1 主要設(shè)計參數(shù)
1.2 設(shè)計燃料
(1)設(shè)計煤質(zhì)：AⅡ，燃料特性如下：
(2)煤的粒徑范圍：0——13mm，50%切割粒徑d50=1.5 mm，小于200μm的份額不大于10%，粒度大于13mm的不大于10%。
1.3 脫硫劑
脫硫劑為石灰石，成分見表1
該臺鍋爐創(chuàng)造性地在二次風(fēng)管內(nèi)設(shè)置了獨立的石灰石接口，通過氣力輸送設(shè)備噴入爐膛進行脫硫， 并控制脫硫時的溫度場，即流化床燃燒溫度一般應(yīng)控制在870——910℃ 。石灰石的粒度范圍在0——2mm，50%切割粒徑d50=250μm，入爐粒徑級應(yīng)滿足表 2 的要求。
1.4 鍋爐基本尺寸
1.5 理論計算風(fēng)量、風(fēng)壓
理論計算風(fēng)量、風(fēng)壓見表3。
1.6 鍋爐結(jié)構(gòu)簡介
該鍋爐為單鍋筒橫置式，單爐膛、自然循環(huán)、懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架π型布置 ，集中下降管。運轉(zhuǎn)層設(shè)置在8m標高，操作層5,4m設(shè)置鋼平臺。如圖1所示。
鍋爐燃燒系統(tǒng)主要由爐膛、絕熱旋風(fēng)分離器、自平衡回料閥和尾部對流煙道組成。爐膛采用全膜式水冷壁，鍋爐中部是絕熱旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置兩級三組對流過熱器，過熱器下方布置兩組光管省煤器，省煤器下部布置一二次風(fēng)各三組空氣預(yù)熱器，同時在爐膛上部沿爐膛高度在爐膛前側(cè)設(shè)置有屏式蒸發(fā)受熱面，使鍋爐負荷大范圍變動時蒸汽參數(shù)保持穩(wěn)定，改善爐膛溫度場的均勻性，提高鍋爐的低負荷運行能力。
鍋爐的給水經(jīng)過水平布置的兩組光管省煤器加熱后由導(dǎo)水管進入鍋筒。合格的飽和蒸汽從鍋筒頂部的蒸汽連接管引至吊掛上集箱、吊掛管束、過熱器管系、高溫過熱器出口集箱，最后引向汽輪機。
2 鍋爐設(shè)計特點及主要構(gòu)成介紹
2.1 設(shè)計特點
該鍋爐設(shè)計按照“定態(tài)設(shè)計、圖譜指導(dǎo)、流態(tài)重 構(gòu)”的理論指導(dǎo)，通過“物料平衡、顆粒級分、低床壓貧氧運行”的措施，達到“節(jié)能高效、低硫低氮”的效果。
該鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式，固體物料 (灰、未燃盡碳)在整個循環(huán)回路內(nèi)反復(fù)循環(huán)燃燒， 提高燃料的燃盡率及鍋爐熱效率。
該鍋爐采用獨創(chuàng)的脫硫脫氮技術(shù)，實現(xiàn)鍋爐的低排放目標：鍋爐根據(jù)噴射和擴散混合的原理，在二次風(fēng)風(fēng)管內(nèi)設(shè)置了獨立的石灰石接管，通過氣力輸送設(shè)備提供的高動力，把石灰石高速噴入爐膛進行脫硫，加強了石灰石和燃料的混合擾動效果，提高了脫硫效率及石灰石的利用率，在不投入其他額外設(shè)備的情況下保證鍋爐的SO2初始排放在100mg/m3(標態(tài))以下。通過調(diào)整鍋爐一次風(fēng)比例，控制鍋爐的過量空氣系數(shù)達到貧氧燃燒;在保證鍋爐循環(huán)燃燒的情況下，創(chuàng)造性地通過在鍋爐返料灰中加入冷 灰的方法，調(diào)節(jié)鍋爐爐膛燃燒溫度，保證鍋爐爐膛的低溫均勻，為鍋爐的低氮排放提供了充分條件;僅通過鍋爐本身的燃燒調(diào)整保證鍋爐的NOx初始排放在100mg/m3(標態(tài))以下。相比其他的循環(huán)流化床鍋爐需要配備額外脫硝脫硫設(shè)備，并且這些設(shè)備運行和維護費用很高，通過開發(fā)利用該鍋爐具有自身特色結(jié)構(gòu)，通過燃燒調(diào)整，達到了國家要求的環(huán)保指標，實現(xiàn)鍋爐節(jié)能低氮環(huán)保目的。
2.2 鍋爐主要構(gòu)成介紹
2.2.1 主要設(shè)計特點
鍋筒、鍋筒內(nèi)部設(shè)備及附屬部件
(1)鍋筒：鍋筒內(nèi)徑直徑1600mm，厚度為46mm，筒身長約9400mm，全長約11360mm，兩端采用球形封頭，材料為Q345R。
(2)鍋筒內(nèi)部設(shè)備：鍋筒內(nèi)采用單段蒸發(fā)系統(tǒng)， 布置有旋風(fēng)分離器、清洗孔板和頂部百葉窗等內(nèi)部設(shè)備，它們的作用在于充分分離汽水混合物中的水， 并清洗蒸汽中的鹽，平衡鍋筒蒸汽負荷，以保證蒸汽品質(zhì)。
(3)附屬部件：鍋筒上還設(shè)計有加藥管、緊急放水管、連續(xù)排污管等管座。鍋筒采用兩個U型吊架，將鍋筒懸吊在頂板梁上，吊點對稱布置在鍋筒兩端，鍋筒可向兩端自由膨脹。
2.2.2 水冷系統(tǒng)
(1)爐膛水冷壁
根據(jù)定態(tài)設(shè)計理論的原則，考慮到合理的爐膛 流化速度，爐膛截面尺寸設(shè)計為8610mm×4530mm ，呈長方形結(jié)構(gòu)，爐膛設(shè)計流速控制在5m/s以下，以提高燃料的一次燃盡率。同時在爐膛的中前上部布置有屏式蒸發(fā)受熱面。沿爐膛水冷壁高度方向上布置剛性梁(含三層止晃導(dǎo)向裝置)，以增加整個爐膛的剛性和抵抗爐內(nèi)正壓燃燒引起的水冷壁變形。主燃燒室工作溫度870——910℃，由于煙氣攜帶大量循環(huán)物料，其熱容量很大，故整個爐膛溫度較均勻，利于燃料和石灰石的混合，兼顧低氮燃燒，降低污染物排放。
鍋爐前后水冷壁下部密相區(qū)處管子與垂直線成一定夾角收縮，形成上大下小錐體。錐體底部是水冷布風(fēng)板組成水冷流化床，布風(fēng)板上布置低阻力、不倒灰鐘罩式風(fēng)帽，保證鍋爐的低床壓運行，實現(xiàn)節(jié)能目的。
爐膛中、上部，爐膛截面尺寸為8610mm×4530 mm。采用讓管及敷設(shè)耐磨澆筑料的方法防磨。
鍋爐爐膛風(fēng)帽、爐膛截面、爐膛讓管的結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮了運行時低床壓、低流速、低磨損，為鍋爐低耗電創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)。鍋爐的低床壓配合高穿透力的二次風(fēng)，達到最低的過量空氣系數(shù)、合適的爐膛燃燒溫度，為鍋爐的低氮燃燒創(chuàng)造了條件。氣力輸送的脫硫劑，加強了燃料和脫硫劑的充分混合，配合冷灰調(diào)節(jié)爐膛燃燒溫度，為鍋爐的低硫、低氮、達標排放創(chuàng)造了條件。
(2)固定裝置及其他
水冷壁全部重量都通過吊桿裝置懸吊在頂板上。水冷屏則通過其出口集箱上吊桿懸吊在頂板上。為了運行和檢修的需要，水冷壁上在不同高度設(shè)置了人孔、看火孔、溫度測點、壓力測點，水冷壁頂部設(shè)置了檢修繩孔。
2.2.3 過熱器系統(tǒng)及汽溫調(diào)節(jié)
鍋爐采用懸掛管吊掛形式，在尾部煙道布置有對流過熱器并配一級噴水減溫器的過熱器系統(tǒng)。其 中，高溫過熱器位于尾部煙道的最上部，雙管圈光管 水平順列布置;低溫過熱器位于高溫過熱器下部，共有二級，雙管圈光管水平順列布置;在低溫過熱器與高溫過熱器之間設(shè)置有一級給水噴水減溫器進行氣溫調(diào)節(jié)。這種布置方式，煙氣流動均勻，減少煙氣渦流產(chǎn)生額外能量消耗.
2.2.4 省煤器
省煤器布置在低溫過熱器之后，共有兩級，單管圈水平錯列、逆流布置。采用雙側(cè)進水、雙側(cè)出水， 最大限度地降低水泵的電耗。省煤器通風(fēng)梁支撐梁結(jié)構(gòu)獨立支撐在尾部護板的框架上。
2.2.5 空氣預(yù)熱器
在省煤器后布置有三級空氣預(yù)熱器，管束臥式順列布置，一次風(fēng)和二次風(fēng)管箱分別交錯并列平行布置。一二次風(fēng)空氣預(yù)熱器分上、中、下三個管箱，僅最末一級空預(yù)器管箱管子采用直徑50mm ×2mm的耐腐蝕的10CrNiCuP(考登管)?？諝忸A(yù)熱器的支撐通過箱形梁將其重量傳遞至鍋爐尾部鋼架上。
2.2.6 燃燒系統(tǒng)設(shè)備
燃燒系統(tǒng)設(shè)備主要有給煤裝置、布風(fēng)裝置、排渣
裝置、二次風(fēng)裝置、床下點火燃燒器等。爐膛前墻布置3個耐壓稱重式密閉皮帶(或鏈式)給煤機，以滿足爐膛微正壓燃燒的需要。布風(fēng)板上均勻布置鐘罩式風(fēng)帽。
經(jīng)過空預(yù)器預(yù)熱的二次風(fēng)由爐膛前墻、后墻分兩層分別送入爐膛下部空間內(nèi)以強化燃燒和供氧。
2.2.7 石灰石脫硫裝置
該鍋爐創(chuàng)造性地在二次風(fēng)管上設(shè)置了獨立的石灰石接口。為了達到低硫排放標準，石灰石的粒徑一般控制在0——2mm，同時控制流化床燃燒溫度(一般應(yīng)控制在870——910℃)。石灰石宜通過倉泵等設(shè)備單獨由氣力輸送系統(tǒng)噴進爐膛，燃料及脫硫劑經(jīng)多次循環(huán)，反復(fù)進行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，加之爐內(nèi)湍流運動劇烈，Ca/S摩爾比為2——2.2時，可以使脫硫效率達到96%以上，SO2 的排放量經(jīng)過爐內(nèi)脫硫即達到100mg/m3(標態(tài))以下。
2.2.8 鍋爐脫硝系統(tǒng)
通過燃燒調(diào)整降低NOx排放主要有兩種措施：一是控制燃燒過程中氧量的供給，從根本上抑制NOx的產(chǎn)生：二是采用合適的爐膛溫度，降低熱力型NOx的產(chǎn)生。
該鍋爐采用低溫分級送風(fēng)的爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)，在確保一次風(fēng)滿足床料流化需要的前提下，合理地將二次風(fēng)管噴嘴沿爐膛高度方向分兩層分別送入爐膛下部空間內(nèi)。運行中通過調(diào)節(jié)一二次風(fēng)的風(fēng)量及上下級二次風(fēng)的風(fēng)量來控制燃燒，可以使燃燒始終在低過量空氣下進行，從而大大降低了 NOx的生成;同時通過返料裝置上設(shè)計的冷灰入口，通過爐外冷灰的量控制爐膛溫度在870——910 ℃(這個溫度主要兼顧SOx的排放)，經(jīng)過以上措施，在鍋爐額定負荷下，氮氧化合物排放一般能夠達到100mg/m3甚至70mg/m3以下。
由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性，對于燃煤鍋爐，采用改進燃燒技術(shù)可以達到一定的NOx效果，但滿足國家將來的超低排放標準還有一定的差距。為了進一步降低NOx的排放，必須對燃燒后的煙氣進行脫硝處理。因此，鍋爐在設(shè)計時考慮了包括選擇性非催化還原法(SNCR)和選擇性催化還原法(SCR)、SNCR/SCR混合法工藝等接口和空間，以供用戶選擇。
2.2.9 分離返料系統(tǒng)
分離器是循環(huán)流化床鍋爐的核心組成部件，該鍋爐采用高效絕熱式旋風(fēng)分離器技術(shù)，在爐膛出口并列布置兩只絕熱式旋風(fēng)分離器，采用中心筒偏置方式及進口煙道下傾式結(jié)構(gòu)，這樣既結(jié)構(gòu)簡單，分離效率又高。
絕熱旋風(fēng)分離器與爐膛岀煙口之間、旋風(fēng)分離器的返料裝置與爐膛之間、絕熱旋風(fēng)分離器與分離器岀煙口之間分別裝有非金屬膨脹節(jié)，以補償其脹差。
每個絕熱旋風(fēng)分離器料腿的下部均裝有一個小風(fēng)量、低壓頭、高流率的自平衡返料系統(tǒng)，以使物料順暢地返回爐膛。
3 結(jié)束語
該鍋爐已經(jīng)在河南某地投入運行，在鍋爐負荷165 t/h工況下，鍋爐爐膛溫度為885℃，鍋爐排煙溫度約為132℃，過量空氣系數(shù)為1.25，尤其是SOx的監(jiān)測排放量為82mg/m3(標態(tài))，NO 的監(jiān)測排放量為65mg/m3(標態(tài))，達到國家標準要求的100mg/m3(標態(tài))以下，而鍋爐系統(tǒng)的自耗電低到了每噸汽9.4度，環(huán)保及節(jié)能效果明顯。鍋爐其他各項參數(shù)也達到了設(shè)計要求，鍋爐運行狀況良好，說明在設(shè)計上比較成功，尤其是鍋爐的低阻力風(fēng)帽設(shè)計，相對較大的床面積及爐膛截面積設(shè)計，從結(jié)構(gòu)上保證了鍋爐的低能耗; 鍋爐的低床壓運行，較低的一次風(fēng)供給量和較高二次風(fēng)流速，配合爐膛內(nèi)的水冷屏設(shè)計及冷灰調(diào)溫的理念，使鍋爐運行達到了合適的爐膛溫度，保證了鍋爐較低污染物排放，為下一代節(jié)能環(huán)保型的循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)設(shè)計提供一個有益借鑒。
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