孫美枝， 樊竹娟

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，普遍認(rèn)為，循環(huán)流化床鍋爐是目前最實(shí)用和可行的高效低污染燃煤設(shè)備之一。循環(huán)流化床鍋爐以其突出的環(huán)保性能，較強(qiáng)的煤種適應(yīng)性，較廣的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍逐漸成為電站鍋爐的投運(yùn)方向。不僅燃煤，循環(huán)流化床鍋爐在生活垃圾、工業(yè)固廢及生物質(zhì)等的燃燒再利用中優(yōu)勢更為突出。國外也早有循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒。美國、日本及歐洲一些國家燃用垃圾衍生燃料RDF的循環(huán)流化床鍋爐早已工業(yè)化應(yīng)用。

利用循環(huán)流化床鍋爐焚燒生活垃圾、工業(yè)固廢、生物質(zhì)不僅能進(jìn)一步減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)垃圾的綜合利用，同時(shí)能夠保證尾部煙氣中粉塵、氮氧化物、二氧化硫的排放量滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而且與燃煤混燒能夠有效抑制燃燒過程中二噁英的生成。

根據(jù)溫州一用戶要求，針對其所供資料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，下面針對這家用戶的具體情況以及設(shè)計(jì)的過程詳盡說明。

1 鍋爐基本參數(shù)

鍋爐型式:高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐；額定蒸發(fā)量:150t/h；主蒸汽溫度:540℃；主蒸汽壓力:9.81 MPa；給水溫度:215℃；地震烈度:6度；設(shè)計(jì)燃料:煤、污泥、造革廢料按 2.00∶0.45∶1.00 摻燒。

煤質(zhì)資料見表1；污泥元素分析見表2；造革元素分析見表3.

表1 煤質(zhì)資料

表2 污泥元素分析

表3 造革元素分析

2 設(shè)計(jì)主要考慮問題

用戶有摻燒污泥及造革廢料的要求，污泥除含水率高之外還有入爐后粒徑較細(xì)，而造革廢料有類 似于生物質(zhì)的特性，同時(shí)密度小，故此次設(shè)計(jì)與通常燃煤循環(huán)流化床鍋爐相比有一定的特殊性，需注意如下問題。

2.1 腐蝕和積灰問題

摻燒的造革廢料中含有堿金屬，首先需考慮高溫腐蝕以及堿金屬沉積導(dǎo)致的受熱面結(jié)渣和積灰。

含氯氣體穿透金屬表面氧化膜與內(nèi)部金屬直接發(fā)生反應(yīng)形成金屬氯化物。固態(tài)堿金屬氯化物和熔融態(tài)堿金屬氯化物均會(huì)引起腐蝕[1]。

灰中富含鉀和鈉，它們的化合物與SiO2反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的共晶體。煙氣中夾帶的熔化或半熔化的灰粒（堿金屬硅酸鹽）接觸到受熱面并凝結(jié)下來，不斷生長積聚。造革廢料中堿金屬鹽在高溫下?lián)]發(fā)進(jìn)入氣相后，流經(jīng)對流受熱面時(shí)，通過氣固相間的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在對流受熱面表面發(fā)生凝結(jié)、黏附、沉降。這樣造成積灰、結(jié)渣等問題。

腐蝕、積灰問題通過選取合理的煙氣流速、避開高溫腐蝕溫度、采用合理的受熱面布置形式來減少或避免[2]。

2.2 污泥及造革廢料的入爐結(jié)構(gòu)

造革廢料較輕，有些類似于布條狀，摻燒量29%，設(shè)計(jì)專門的給料口進(jìn)入爐膛，給料口上方設(shè)置螺旋給料機(jī)，同時(shí)給料機(jī)選型避免造革廢料纏繞堵死。給料管結(jié)構(gòu)上可以通過設(shè)置環(huán)形風(fēng)來提升入爐順暢度。給料裝置位于給煤裝置的上部，均位于爐前。污泥據(jù)用戶反應(yīng)為自然風(fēng)干后直接進(jìn)入爐膛，污泥摻燒量13%，初步設(shè)計(jì)考慮風(fēng)干后的污泥同給煤一同通過給煤管進(jìn)入爐膛，如果污泥摻燒量增加，可在爐膛前部留設(shè)專門的污泥入料口。通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，輔機(jī)選型的配合保證摻燒物料的入爐順暢穩(wěn)定。

2.3 受熱面的布置考慮

2.3.1 尾部管排

為避免高溫腐蝕，尾部煙道最上級管排金屬壁溫不超500℃，這樣受熱面的布置需要特別注意。設(shè)計(jì)時(shí)將高溫過熱器及中溫過熱器置于爐膛之內(nèi)，尾部煙道最上級布置工質(zhì)溫度較低的低溫過熱器，同時(shí)低溫過熱器上部布置一組對流管束，這樣可以保證低過管排壁溫低于500℃。同時(shí)尾部所有管排采用順列排布，有效避免結(jié)渣、積灰。

2.3.2 空預(yù)器

空預(yù)器結(jié)構(gòu)做特殊考慮，因?yàn)榛抑械腘a、K與SO3結(jié)合形成的化合物低于200℃就會(huì)結(jié)晶，而這個(gè)溫度肯定會(huì)出現(xiàn)在空預(yù)器中。采用立管式空預(yù)器，同時(shí)采用大直徑刺片管，提高煙速，具體結(jié)構(gòu)能夠保證管子與灰結(jié)晶物存在膨脹差，避免灰在管子上吸附堆積。同時(shí)增加了換熱面積，布置結(jié)構(gòu)緊湊有效。

2.3.3 爐膛內(nèi)的高溫過熱屏及中溫過熱屏

設(shè)計(jì)時(shí)控制爐膛溫度不高于850℃，提高循環(huán)物料量，提高爐膛上部空間灰濃度，灰對置于爐膛內(nèi)屏式過熱器的沖刷，能夠減輕其腐蝕情況，同時(shí)過熱屏可采用既耐高溫又耐腐蝕的TP304材質(zhì)。

2.3.4 爐膛受熱面及省煤器

控制合理的流化速度，應(yīng)該低于常規(guī)燃煤循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)速度。結(jié)構(gòu)上縮床比例同一二次風(fēng)配比保持一致，同時(shí)考慮防磨措施，采用讓管結(jié)構(gòu)以及使用可塑料對易磨損部位進(jìn)行包覆。為避免高溫腐蝕，低過管排入口煙溫較低，這樣為保證尾部吸熱量，需要省煤器受熱面多一些，本方案設(shè)置五組順列布置的光管省煤器。

2.4 燃燒系統(tǒng)的考慮

2.4.1 一、二次風(fēng)比例

針對燃料特性，考慮運(yùn)行時(shí)爐膛內(nèi)粗細(xì)顆粒份額，選擇合理的一二次風(fēng)比例，讓鍋爐設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)吻合，便于鍋爐運(yùn)行。由于摻燒固廢，爐內(nèi)細(xì)顆粒份額增大，本方案采用一二次風(fēng)比例為45∶55。

2.4.2 布風(fēng)裝置

布風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)直接影響鍋爐的流化，流化是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵。選擇合理的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，布置足夠的風(fēng)帽個(gè)數(shù)，保證床內(nèi)布風(fēng)均勻，流化穩(wěn)定，防止床內(nèi)局部結(jié)焦，防止大渣在床內(nèi)沉積。采用易更換夾套鐘罩式風(fēng)帽，既可保證鍋爐運(yùn)行時(shí)流化床的物料無流化死角，風(fēng)帽數(shù)量適中，不漏渣，磨損輕，流化均勻，床內(nèi)物料和空氣混合充分。風(fēng)帽的結(jié)構(gòu)防止灰渣落入風(fēng)室，避免風(fēng)帽頂部結(jié)焦及風(fēng)帽小孔堵塞。

2.4.3 分離器、回料系統(tǒng)

分離器及回料系統(tǒng)可謂循環(huán)流化床鍋爐的心臟結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌肆骰?，循環(huán)是循環(huán)流化床鍋爐的另一個(gè)關(guān)鍵。采用高效絕熱旋風(fēng)分離器，在結(jié)構(gòu)上采取具體進(jìn)口下傾，中心筒偏置等優(yōu)化措施，有效提升分離器效率，增加循環(huán)能力。配合高流率、低阻力的非機(jī)械型自平衡回料閥，徹底解決分離過程中的細(xì)灰二次揚(yáng)析問題，保證回料順暢穩(wěn)定。讓分離下來的細(xì)灰和煙氣一起快速向下回到爐膛，保證上述循環(huán)物料系統(tǒng)具有極高的分離效率。給煤口和給料口前面內(nèi)容已提及具體不再贅述。

2.5 各工況下均可實(shí)現(xiàn)低排

考慮污泥揮發(fā)分高，顆粒很細(xì)，運(yùn)行時(shí)有益于爐膛上部物料量。但是污泥及造革廢料的摻燒會(huì)引起NOx的原始生成增加。鍋爐結(jié)構(gòu)上采用高效的分離燃燒循環(huán)系統(tǒng)，努力提高旋風(fēng)分離器的分離效率，保證足夠的循環(huán)物料量。同時(shí)選用合理的爐膛溫度800～850℃，這樣有益于控制NOx的原始生成。有效控制鍋爐NOx的原始生成再配合SNCR裝置即可滿足國家煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于二噁英，由于煤的摻燒量高達(dá)58%，它與工業(yè)固廢混燒能夠有效抑制燃燒過程中二噁英的生成。

需要值得注意的是尾部煙氣中CO的控制。為有效避免腐蝕積灰問題，保證氮氧化物低排放，對爐膛溫度做了一定控制，這樣勢必造成固廢物的燃盡問題。很多國外的RDF項(xiàng)目通過增加絕熱的尾部煙道來增加煙氣流程，這樣不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜還增加成本。采用大直徑單分離器配合高流率、低能耗、自平衡的回料閥，可使分離效率達(dá)到99.6%，保證100 μm以上的顆粒能夠全部分離，進(jìn)行多次循環(huán)，確保燃盡。同時(shí)結(jié)構(gòu)上將爐膛及尾部煙道高度增加，進(jìn)一步增加停留時(shí)間。通過如上措施能后有效控制煙氣中CO的排放。

3 總體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行時(shí)注意事項(xiàng)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本鍋爐為高溫高壓，單鍋筒橫置式，鍋筒置于頂板上，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架π型布置。鍋爐采用半露天布置，運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)置在8 m標(biāo)高。

鍋爐主要由爐膛、絕熱旋風(fēng)分離器、自平衡回料閥和尾部對流煙道組成[3]。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐中部是一個(gè)大直徑絕熱旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置蒸發(fā)管束、一級兩組對流過熱器，過熱器下方布置五組光管省煤器及一、二次風(fēng)各三組空氣預(yù)熱器。

爐前給料口和給煤口各布置2個(gè)，水冷床后部設(shè)置一次風(fēng)室及2臺(tái)點(diǎn)火裝置，水冷床下部設(shè)置3個(gè)排渣口，同時(shí)建議配置3臺(tái)冷渣器。

3.2 運(yùn)行注意事項(xiàng)

鍋爐運(yùn)行過程中，煤種、負(fù)荷等因素都有可能導(dǎo)致床溫變化，可通過調(diào)整冷渣機(jī)排渣量來控制爐內(nèi)循環(huán)物料量的多少，不同位置的排渣管排出渣的粒度不同，出渣量以維持合適的風(fēng)室風(fēng)壓為準(zhǔn)。所以根據(jù)爐膛內(nèi)燃燒狀況可實(shí)現(xiàn)選擇性排渣，以維持爐膛內(nèi)合適的循環(huán)物料量，來適應(yīng)鍋爐煤種、負(fù)荷的變化。正常運(yùn)行中，風(fēng)室風(fēng)壓一般控制在約6.5～8.0 kPa之間。

在保證床料流化、穩(wěn)定床溫和維持一定料層差壓的前提下，盡量降低一次風(fēng)量，一次風(fēng)量一般不做大的變動(dòng)，運(yùn)行中當(dāng)總風(fēng)量不足時(shí)（以過熱器后的氧量為準(zhǔn)），可逐漸增大二次風(fēng)門開度。

鍋爐急驟升降負(fù)荷，可能引起循環(huán)物料量的大幅度波動(dòng)，床壓不穩(wěn)，從而造成返料異常、風(fēng)室倒渣、排渣不暢等問題。因杜絕急驟升降負(fù)荷。