安化公司220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)改造的效果

程建軍(河南省安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 安陽(yáng) 455133)

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)是：燃料適應(yīng)性廣、爐溫偏度、煙氣中氮氧化物含量偏低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、單位爐膛熱負(fù)荷大、爐內(nèi)傳熱能力強(qiáng)等[1-2]。循環(huán)硫化床鍋爐引進(jìn)后在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐比其他燃煤鍋爐起步晚、歷史短，循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)律還沒(méi)有完全被廣大設(shè)計(jì)、運(yùn)行、檢修技術(shù)人員全面掌握，造成新建的一些鍋爐實(shí)際運(yùn)行效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[3-4]，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了許多影響鍋爐安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的問(wèn)題，鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益也不理想。

1 循環(huán)流化床鍋爐基本情況介紹

安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的11#鍋爐為唐山信德鍋爐集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的220t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐結(jié)構(gòu)布置為“Π”型，鍋爐爐膛四周布置有膜式水冷壁管和爐膛內(nèi)上部稀相區(qū)依次布置有一級(jí)蒸發(fā)器(進(jìn)、出口煙溫1004℃、902℃)；三級(jí)過(guò)熱器(進(jìn)、出口煙溫902℃、820℃)、二級(jí)過(guò)熱器(進(jìn)、出口煙溫820℃、748℃)、一級(jí)過(guò)熱器(進(jìn)、出口煙溫748℃、622℃)；二級(jí)蒸發(fā)器(進(jìn)、出口煙溫622℃、548℃)及二級(jí)省煤器(進(jìn)、出口煙溫548℃、459℃)；爐膛出口布置二個(gè)中溫旋風(fēng)分離器(進(jìn)、出口煙溫459℃、450℃)；鍋爐尾部煙道布置有一級(jí)省煤器(進(jìn)、出口煙溫450℃、307℃)及空氣預(yù)熱器(進(jìn)、出口煙溫307℃、140℃)等受熱面。燃料為當(dāng)?shù)刂苓叺臒o(wú)煙煤、發(fā)熱量在4500kcal/kg左右；鍋爐設(shè)計(jì)熱效率為88%；設(shè)計(jì)煤耗為35.8t/h。其中一級(jí)蒸發(fā)管位于爐膛床料上方約20m位置，由兩組管束組成，每組管束由兩排Φ32mm×5mm材質(zhì)為20G高壓鍋爐管制成。錯(cuò)列布置，橫向間距90mm，縱向間距60mm。管束底部迎風(fēng)面、背風(fēng)面及彎頭都裝有防磨護(hù)瓦，沿爐膛寬度方向用定位裝置固定管束，一級(jí)蒸發(fā)管向上起吊掛作用，起吊掛作用的鍋爐管變徑為Φ38mm×6mm，向上沿爐膛深度方向分為三排，支撐和吊掛各級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)蒸發(fā)器及高溫省煤器。二級(jí)省煤器布置在爐膛上部出口位置，采用Φ38mm×6mm材質(zhì)為20G的管彎成水平蛇形管，順列雙管圈布置光管式，橫向間距95mm、縱向間距115mm。因?yàn)榄h(huán)保對(duì)“N”排放的要求，在鍋爐尾部中溫分離器后一級(jí)省煤器前加裝了SCR脫硝系統(tǒng)。

2 220t/h循環(huán)流化床鍋爐存在的問(wèn)題

11#220t/h循環(huán)流化床鍋爐目前運(yùn)行情況相對(duì)穩(wěn)定，但存在著以下四個(gè)重要問(wèn)題，也是本次改造需要解決的問(wèn)題。

(1)鍋爐運(yùn)行周期短。布置在爐膛上部的一級(jí)蒸發(fā)器管束變形、磨損非常嚴(yán)重，經(jīng)常因?yàn)檎舭l(fā)器管束爆管而被迫停爐，鍋爐運(yùn)行周期短，嚴(yán)重影響各生產(chǎn)系的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)鍋爐負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計(jì)能力。由于爐膛內(nèi)一級(jí)蒸發(fā)管束變形、磨損嚴(yán)重，鍋爐運(yùn)行時(shí)的一、二次風(fēng)量和給煤量無(wú)法調(diào)整到設(shè)計(jì)值；鍋爐旋風(fēng)分離器的分離效率低和返料器的設(shè)計(jì)不合理等造成“鍋爐循環(huán)灰量”不足，引起爐膛超溫，也影響鍋爐負(fù)荷提。

(3)SCR脫硝系統(tǒng)超溫。脫硝系統(tǒng)SCR的工作溫度在320～410℃之間，在鍋爐脫硝系統(tǒng)改造時(shí)錯(cuò)誤地將脫硝系統(tǒng)放置在鍋爐中溫分離器和一級(jí)省煤器之間，而此處的設(shè)計(jì)工作溫度為450℃，因此SCR脫硝系統(tǒng)布置在此處，在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)就會(huì)發(fā)生超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

(4)爐膛前后墻床溫偏差大。鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，爐膛床溫前后溫度相差200℃左右，為保證鍋爐運(yùn)行安全，只能讓一部分爐溫保持在低溫下運(yùn)行，這嚴(yán)重想鍋爐負(fù)荷提升；同時(shí)也很容易造成鍋爐局部超溫，要保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須解決爐膛床溫前后溫差大的問(wèn)題。

3 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)改造方案

3.1 受熱面管束磨損的原因

(1)鍋爐受熱面管束在爐膛和煙道中受高溫?zé)煔獾臋M向沖刷，由于高溫?zé)煔鈹y帶的飛灰顆粒有一定的硬度和動(dòng)能，飛灰顆粒撞擊受熱面管束表面時(shí)，對(duì)金屬表面形成一定沖擊和切割作用導(dǎo)致了鍋爐管的磨損。鍋爐受熱面管束管壁金屬表面的磨損量與飛灰存在如式(1)所示的關(guān)系：

式中：T為管壁金屬表面磨損量(g/m2)；C為比例常數(shù)，代表飛灰顆粒的磨損特性，與鍋爐使用的煤種有關(guān)，煤中SiO2和Al2O3含量越高，C值越大，煤中Fe2O3和CaO含量越高，C值越?。沪菫轱w灰的管壁撞擊率，與飛灰濃度、飛灰顆粒直徑、煙氣流粘性、煙氣速度以及管子直徑有關(guān)，飛灰的顆粒的大小及其分布特性與煤的燃燒方式、燃燒特性、細(xì)度以及燃燒條件有關(guān)；μ為煙氣中飛灰質(zhì)量濃度(g/m3)；w為煙氣中飛灰顆粒的流速，它比煙氣速度小，計(jì)算式采用煙氣速度；t為時(shí)間(s)。

從式(1)可以看出，受熱面管束磨損量與煙氣速度、飛灰濃度和顆粒直徑、煙氣流粘性以及管子直徑、飛灰顆硬度、燃燒方式以及燃燒條件等多方面因素決定。

(2)煙氣速度對(duì)受熱面管束磨損的影響：受熱面管束的磨損量與煙氣速度成n(n＞3)次方關(guān)系，磨損源于飛灰顆粒具有動(dòng)能，動(dòng)能其速度平方成正比。磨損還與飛灰濃度(飛灰濃度與速度的一次方成正比)、飛灰顆粒撞擊因子和飛灰對(duì)被磨損物體的相對(duì)速度有關(guān)。若近似認(rèn)為vp(顆粒速度)≈vg(煙氣速度)時(shí)，磨損量就將和煙氣速度的三次方成正比。煙氣速度的提高，會(huì)促使上述原因的作用加強(qiáng)，所以煙氣速度越大，wn值也就越大。

根據(jù)以上受熱面管束磨損原因的分析，我們認(rèn)為降低高溫、高濃度、大顆粒煙氣的速度是減輕高溫、高濃度、大顆粒煙氣對(duì)受熱面管束沖刷磨損最有效、最直接的辦法；根據(jù)該循環(huán)流化床鍋爐的爐膛受熱面管的實(shí)際布置情況，將爐膛內(nèi)的一級(jí)蒸發(fā)器管橫向、縱向間距加大(將原來(lái)的橫向間距90mm增加到180mm；或?qū)⒖v向間距由原來(lái)的60mm加大到150mm)那么高溫、高濃度、大顆粒煙氣速度可以從原來(lái)7.4m/s降低到橫向3.7m/s、縱向4.1m/s。

3.2 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)改造措施

(1)一級(jí)蒸發(fā)器管束在原來(lái)爐膛懸浮段上方位置不變，管排數(shù)、錯(cuò)列布置不變，橫向間距不變?yōu)?0mm、縱向間距由原來(lái)的60mm加大到180mm；這樣就使管束最大的流通間距由原來(lái)的109mm加大到200mm(管束斜向間距)以上，煙氣速度可以從原來(lái)的7.4m/s降到3.9m/s；這樣可以極大的減輕高溫、高濃度、大顆粒煙氣對(duì)一級(jí)蒸發(fā)器管束的磨損程度；同時(shí)還保留一級(jí)蒸發(fā)器管束的支撐、吊掛的功能。

(2)將一級(jí)蒸發(fā)器管束由原來(lái)的Φ32mm×5mm G20管改Φ38mm×6mm，材質(zhì)G20不變，這樣可以將一級(jí)蒸發(fā)器管束和支撐、吊掛功能的三排管束直接對(duì)接，原來(lái)的大小頭可以取消；同時(shí)可以使一級(jí)蒸發(fā)器的受熱面積增加20%左右。

(3)將一級(jí)蒸發(fā)器管束的斜向上傾角由原來(lái)6°擴(kuò)大至12～15°，這樣可以避免低負(fù)荷時(shí)水循環(huán)動(dòng)力不足造成蒸發(fā)器管束內(nèi)汽水分層、局部過(guò)熱、變形爆管。

(4)將一級(jí)蒸發(fā)器的防磨瓦蓋板改成長(zhǎng)194mm、寬12mm、厚8mm的防磨筋片，防磨筋片材料選用310S；由于防磨瓦板長(zhǎng)時(shí)間在900℃以上溫度中工作，極容易發(fā)生高溫碳化而失去防磨功能，而防磨筋片是焊接在受熱面管上，防磨筋片的工作溫度和受熱面管一樣可以得到鍋爐水的及時(shí)冷卻，不會(huì)出現(xiàn)高溫而碳化問(wèn)題，防磨功能和效果不會(huì)被破壞。同時(shí)防磨筋片是和一級(jí)蒸發(fā)器管束直接焊接在一起的這樣就可以使一級(jí)蒸發(fā)器受熱面積增加近30%，采用防磨筋片確保一級(jí)蒸發(fā)管能夠長(zhǎng)周期運(yùn)行，根據(jù)同行業(yè)的使用情況采用防磨筋片可以確保一級(jí)蒸發(fā)管使用周期在5a 以上。

(5)將一級(jí)蒸發(fā)器下集箱2根Φ159mm×15mm的進(jìn)水管該成4根Φ159mm×15mm的進(jìn)水管，下集箱重新進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，可以確保一級(jí)蒸發(fā)器管束在低負(fù)荷時(shí)不會(huì)發(fā)生因冷卻水量不足出現(xiàn)過(guò)熱變形的現(xiàn)象(下集箱原進(jìn)、出水管的截面比只有0.35；理論要在0.6以上，改成4根以后就可以達(dá)0.6以上)，同時(shí)也使一級(jí)蒸發(fā)器下集箱進(jìn)、出水分布均勻。

(6)將布置在爐膛最上部出口位置的二級(jí)省煤器也采用Φ38mm×6mm材質(zhì)為20G的鍋爐管彎成水平蛇形管的結(jié)構(gòu)，順列布置，橫向間距90mm、縱向間距105mm保持不變。將光管省煤器改成膜式鰭片式省煤器使二級(jí)省煤器的受熱面積增加，確保爐膛出口的煙氣溫度降到360℃左右，確保SCR系統(tǒng)的工作溫度在320～410℃之間。

(7)針對(duì)分離器“循環(huán)灰量”不足的問(wèn)題做了兩方面改造：①改造旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，使其原來(lái)的“平面”螺旋進(jìn)氣方式改成“立體”螺旋進(jìn)氣方式，降低進(jìn)口煙氣速度(原設(shè)計(jì)煙氣進(jìn)口速度36m/s改造后速度為理論25m/s)使煙氣向下螺旋進(jìn)氣，提高旋風(fēng)分離器的分離效率；②將目前旋風(fēng)分離器的返料器改造成標(biāo)準(zhǔn)的“U”型閥結(jié)構(gòu)的返料器可以使旋風(fēng)分離器分離出來(lái)的“循環(huán)灰”及時(shí)返回鍋爐爐膛，解決鍋爐“循環(huán)灰量”不足的問(wèn)題。

(8)將分離器的細(xì)灰返料口的高度從原來(lái)的500mm提高到1000mm，同時(shí)加裝細(xì)灰返料風(fēng)，這樣可以使低溫的細(xì)灰進(jìn)爐膛后均勻分散到爐膛內(nèi)，縮小爐膛前后墻溫差(按原來(lái)設(shè)計(jì)此處細(xì)灰溫度應(yīng)該是430℃左右，現(xiàn)在只有360℃左右)為鍋爐提升負(fù)荷創(chuàng)造條件。

4 220t/h循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)改造后達(dá)到的效果

(1)解決鍋爐爐膛內(nèi)一級(jí)蒸發(fā)器管束的磨損和過(guò)熱變形爆管問(wèn)題，保證一級(jí)蒸發(fā)管束正常使用周期；(2)解決SCR脫硝系統(tǒng)工作溫度超溫問(wèn)題，確保其工作溫度控制在320～400℃范圍，延長(zhǎng)了SCR脫硝催化劑的使用壽命；(3)解決鍋爐負(fù)荷不足問(wèn)題，鍋爐正常運(yùn)行后，鍋爐達(dá)到正常額定負(fù)荷220t/h；(4)提高旋風(fēng)分離器的分離效率和增加旋風(fēng)分離器的“循環(huán)灰量”，確保鍋爐床溫在900℃左右，不僅保證了鍋爐運(yùn)行指標(biāo)的穩(wěn)定，而且有效降低了鍋爐煙氣中的氮氧化物含量；(5)解決了鍋爐爐膛前后床溫溫差的偏大問(wèn)題，為鍋爐提負(fù)荷創(chuàng)造了條件。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于唐山信德鍋爐集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，其為安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的220t/h循環(huán)流化床鍋爐問(wèn)題較多，經(jīng)過(guò)公司技術(shù)人員長(zhǎng)期觀察、研究、參觀、學(xué)習(xí)、分析、討論形成了整體改造技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)45d 的現(xiàn)場(chǎng)施工，改造工作順利完成，鍋爐投運(yùn)后達(dá)到預(yù)期效果，鍋爐負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)能力220t/h，運(yùn)行周期提高120d 以上，鍋爐前后墻溫差縮小至100℃以內(nèi)，鍋爐運(yùn)行更加平穩(wěn)，飛灰殘?zhí)枷陆?%，噸蒸汽煤耗下降5kg。