張建春¹，顧君蘋²，張縵²，劉青²，楊海瑞²，呂俊復(fù)²

(1．太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西太原030000；2．清華大學(xué)熱能工程系，熱能動(dòng)力工程與熱科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

　　摘要：充分利用循環(huán)流化床(簡稱“CFB”)爐膛中的受熱面受到循環(huán)物料不斷沖刷的特點(diǎn)，將壁溫較高的受熱面布置在爐膛，可以緩解高溫受熱面的結(jié)垢腐蝕問題，據(jù)此開發(fā)了130t/h純?nèi)加衩捉斩挼母邷馗邏篊FB鍋爐，其特征是爐膛中布置中級和末級過熱器；對流受熱面順列大間距布置，以低煙速緩解沾污，并密集布置吹灰器。爐前燃料系統(tǒng)中分開設(shè)置卸料器和輸料器；輸送到爐前的生物質(zhì)伴隨二次風(fēng)入爐，并控制給料口附近為負(fù)壓。這些設(shè)計(jì)思想得到實(shí)踐驗(yàn)證，機(jī)組投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，爐前燃料輸運(yùn)系統(tǒng)可靠，年運(yùn)行達(dá)到7600h，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過128天。運(yùn)行2年后爐內(nèi)過熱器未見腐蝕，對流受熱面沾污可控。測試表明，鍋爐熱效率可達(dá)91％以上。SO₂和NO_x排放濃度受燃料影響，但原始排放很低，接近于超低排放。采用高效旋風(fēng)分離器，當(dāng)玉米秸稈攜帶泥土超過8％時(shí)，無須外加床料就能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的良好性能。

　　0前言

　　化石能源的過量利用，對地球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了潛在的威脅。地球上的生物質(zhì)能資源非常豐富，每年通過光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)約1700億噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國可開發(fā)的生物質(zhì)能資源總量約為7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，由于沒有得到合理利用，出現(xiàn)了無組織野外焚燒、污染嚴(yán)重的現(xiàn)象，而廣泛利用生物質(zhì)資源可以減少化石能源的利用。因此，國家大力支持生物質(zhì)的資源化利用。目前，生物質(zhì)能的主要利用方式包括熱解、液化、氣化以及直接燃燒等，其中直燃發(fā)電具有顯著的可行性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的大規(guī)模減量化、無害化、資源化。

　　我國的生物質(zhì)與歐洲的生物質(zhì)有根本性的區(qū)別：歐洲的生物質(zhì)主要是林業(yè)廢棄物，以木質(zhì)生物質(zhì)為主；而中國是以農(nóng)業(yè)廢棄物，以秸稈為主。秸稈的性質(zhì)不同于木質(zhì)生物質(zhì)：熱值低，能量密度?。粨]發(fā)分極高，揮發(fā)分析出溫度低且析出迅速；水分含量高，最高可達(dá)60％～70％，變化大，春秋少，夏冬受雨雪影響；自身灰分少，但受收購條件影響，含土、石子等雜質(zhì)較多；灰熔點(diǎn)較低，易出現(xiàn)結(jié)渣；含有一定量低沸點(diǎn)鹽分，燃燒過程中形成鹽蒸氣，在煙氣冷卻過程中在對流受熱面表面凝結(jié)，引發(fā)受熱面沾污甚至煙道堵塞；受當(dāng)?shù)赝寥篮退|(zhì)條件影響，含有一定量氯，氯燃燒后轉(zhuǎn)化為氯化氫，導(dǎo)致受熱面存在腐蝕的潛在可能。這些特點(diǎn)要求設(shè)計(jì)中需要特別的技術(shù)應(yīng)對。當(dāng)采用摻燒時(shí)，由于生物質(zhì)資源的區(qū)域性，摻少比例一般較低，這些問題能夠通過與煤的混合稀釋，得到有效控制。

　　生物質(zhì)直燃技術(shù)中，摻燒無疑具有更大的優(yōu)勢，能夠緩解生物質(zhì)燃料存在的主要問題，但技術(shù)處理不當(dāng)也會(huì)有結(jié)渣、積灰和腐蝕。由于大容量火電機(jī)組分布有限，實(shí)現(xiàn)所有生物質(zhì)均摻燒是不可能的，必然要建設(shè)一部分以消耗生物質(zhì)為目的的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組。目前生物質(zhì)直接燃燒包括層燃和流化床燃燒。層燃以水冷振動(dòng)爐排為主，操作方便，運(yùn)行費(fèi)用低。但由于生物質(zhì)的燃燒特點(diǎn)，導(dǎo)致層燃實(shí)際上以懸浮燃燒為主，從而爐膛出口煙溫較高，堿金屬鹽在尾部受熱面粘污，進(jìn)一步引起腐蝕問題；生物質(zhì)的密度小，燃燒組織困難，化學(xué)不完全燃燒熱損失不可忽略。

　　鼓泡流化床直接燃燒生物質(zhì)燃料具有技術(shù)、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢：鼓泡床有著大熱容量的床層，因而對燃料種類、熱值和粒度等有很強(qiáng)的適應(yīng)性。但是，鼓泡流化床的熱負(fù)荷小、燃燒效率偏低、埋管磨損嚴(yán)重等問題要高度關(guān)注。

　　循環(huán)流化床(CFB)燃燒繼承了鼓泡流化床的燃料適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，并具有低成本污染控制的特點(diǎn)。本文介紹了130t/h純?nèi)加衩捉斩捀邷馗邏篊FB鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行情況。

　　1燃燒玉米秸稈的CFB鍋爐設(shè)計(jì)思想

　　秸稈灰分的特殊性是純?nèi)冀斩扖FB鍋爐設(shè)計(jì)需要特殊考慮的問題。秸稈燃燒揮發(fā)出來的鹽蒸氣在500℃以上的煙氣中存在，但煙氣通過對流受熱面的冷卻時(shí)，由于受熱面的溫度比較低，鹽蒸汽會(huì)逐漸冷凝在受熱面表面，成為飛灰沉積后顆粒之間的黏結(jié)劑，形成類似于結(jié)焦的沾污，影響到受熱面的傳熱。附著在受熱面表面的灰層，誘發(fā)了垢下腐蝕，見圖1。因此，控制受熱面腐蝕的有效措施是充分利用CFB爐膛中存在高濃度物料的特點(diǎn)，處于爐膛中的受熱面始終受到循環(huán)物料的不斷沖刷，能夠有效抑制了爐內(nèi)粘污問題。因而將壁溫較高的受熱面布置在爐膛，可以有效緩解高溫受熱面的結(jié)垢腐蝕問題，這是CFB燃燒生物質(zhì)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢。

　　由于生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)較低，為了避免結(jié)焦、影響正常流化，純?nèi)冀斩挼腃FB鍋爐床溫不宜偏高，應(yīng)嚴(yán)格控制在850℃以下。

　　生物質(zhì)的硫含量一般較低，即使不進(jìn)行控制原始排放也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但是生物質(zhì)中的氯的含量較高，燃燒生成的HC1不僅影響到受熱面的腐蝕，而且影響到酸性氣體的排放。因此設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取措施，如添加石灰石，對其進(jìn)行控制。

　　鑒于CFB鍋爐需要穩(wěn)定的物料來源以滿足物料循環(huán)的要求，石灰石的添加對生物質(zhì)CFB鍋爐的物料平衡是有益的。而玉米秸稈不可避免地夾帶大量的泥土砂石，這一方面降低了生物質(zhì)燃料的熱值；另一方面對于主循環(huán)回路的循環(huán)性能及結(jié)焦、沾污的改善也有積極意義。

　　2 130t/h純?nèi)加衩捉斩扖FB鍋爐的設(shè)計(jì)

　　130t/h純?nèi)加衩捉斩挼腃FB鍋爐為高溫高壓，配30Mw機(jī)組。設(shè)計(jì)燃料成分見表1，鍋爐基本尺寸見表2。

　　CFB是一種高效低污染燃燒技術(shù)，其主要特點(diǎn)是爐膛內(nèi)含有大量的物料，在燃燒過程中大量的物料被煙氣攜帶到爐膛上部，經(jīng)過布置在爐膛出口的分離器，將物料與煙氣分開，并經(jīng)過非機(jī)械式回送閥將物料回送至床內(nèi)，以此有限延長燃料的停留時(shí)間。由于物料濃度高，對爐膛內(nèi)受熱面的沖刷保證了受熱面表面的清潔；大量的高溫床料為燃料的著火提供了穩(wěn)定的熱源；傳熱依賴于氣固兩相流動(dòng)．因此對燃料的適應(yīng)性強(qiáng)。能夠適應(yīng)生物質(zhì)燃料的多變性和復(fù)雜性。

　　鍋爐為高溫高壓、單鍋簡橫置式、單爐膛、自然循環(huán)、全懸吊結(jié)構(gòu)、全鋼架兀型布置。鍋爐采用緊身封閉布置，運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)置在8m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。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐中部是絕熱旋風(fēng)分離器。給料機(jī)將燃料送入落料管進(jìn)入爐膛，燃燒所需空氣分別由一、二次風(fēng)機(jī)提供。一次風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后引入水冷風(fēng)室。通過水冷布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入燃燒室；二次風(fēng)經(jīng)二次風(fēng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱后，通過布風(fēng)板之上3．2m高的二次風(fēng)噴口噴人爐膛。下部密相區(qū)燃燒產(chǎn)生的煙氣向上流動(dòng)，攜帶床料和燃料在爐膛上部進(jìn)一步放熱。夾帶大量物料的煙氣流出爐膛進(jìn)入旋風(fēng)分離器之后，絕大部分物料被分離出來，經(jīng)返料器返回爐膛，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。分離后的煙氣流出分離器進(jìn)入尾部煙道。尾部煙道自上而下分別為轉(zhuǎn)向室、低溫過熱器、三組光管省煤器及一、二次風(fēng)各五級的空氣預(yù)熱器。為防止低溫腐蝕，空氣預(yù)熱器冷端采用搪瓷管。

　　為了解決高溫受熱面沾污以及垢下腐蝕問題，設(shè)計(jì)中將溫度最高的高溫過熱器和中溫過熱器以翼形墻的形式布置在爐膛中，確保其表面清潔．管子采用耐腐蝕的FP347H。低溫過熱器、省煤器順列大間距布置，以降低煙氣流速，緩解沾污；空氣預(yù)熱器臥式順列小管箱布置；對流受熱面密集布置吹灰器．強(qiáng)化吹灰。

　　秸稈的輸運(yùn)和給人爐膛是生物質(zhì)CFB鍋爐良好運(yùn)行的必要條件。玉米秸稈在含濕量較高時(shí)，破碎后纏繞性很強(qiáng)．必須實(shí)現(xiàn)有效破碎。為了避免爐前燃料倉中的物料全部壓在底部卸料器上，分開設(shè)置卸料器和輸料器，把料倉下部生物質(zhì)不斷送出料倉和送出料倉后的生物質(zhì)的水平送出這兩個(gè)過程分離開來，卸料器采用無軸蛟龍，見圖3，它承擔(dān)料倉內(nèi)的物料重力，輸料器僅僅負(fù)責(zé)水平輸送。卸料器密布于料倉下部截面，在播料器不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下能穩(wěn)定承載上部物料，沒有物料自流下落情況；對于生物質(zhì)燃料常見的糾結(jié)纏繞以及在料層重力作用下呈擠壓狀態(tài)的物料，通過播料器旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)有效剝離并將其拔下；能夠適應(yīng)燃料中的石塊、繩索等雜質(zhì)。

　　輸送到爐前的生物質(zhì)伴隨著二次風(fēng)進(jìn)入爐內(nèi)。為了有效防止給料不暢，下料管采用文丘里的配風(fēng)方式。降低爐內(nèi)負(fù)壓點(diǎn)的控制位置，基本上在給料口的標(biāo)高附近．以利生物質(zhì)在爐內(nèi)的流動(dòng)。引風(fēng)機(jī)的壓頭相對較高。生物質(zhì)的一次風(fēng)份額與二次風(fēng)相當(dāng)。風(fēng)機(jī)配置見表3。

　　3 130t/h純?nèi)挥衩捉斩扖FB鍋爐的運(yùn)行

　　130t/h純?nèi)挥衩捉斩扖FB鍋爐安裝于吉林省乾安生物質(zhì)熱電廠，2015年10月投入運(yùn)行，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行兩年。鍋爐燃料是玉米秸稈為主要燃料，其粒度為0～30mm。其形態(tài)見圖4.隨季節(jié)變化，也適當(dāng)摻燒稻殼、樹根、花生殼和蘆葦秸稈等，熱值平均月8000～11000KJ/kg，其中的沙土含量比較高。2016年，運(yùn)行達(dá)到7600h，期間連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過128天。設(shè)計(jì)采用的無軸蛟龍輸料系統(tǒng)比較可靠，交過良好。能效測試，鍋爐熱效率在秸稈受到基低位發(fā)熱量達(dá)到10692KJ/kg時(shí)可達(dá)91.1％～91.6％。

　　鍋爐設(shè)計(jì)床溫為850℃，實(shí)際運(yùn)行溫度基本與設(shè)計(jì)相同。由于生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高，而且易于被上升氣流帶起，因此上部稀相區(qū)的溫度普遍高于下部床溫，見圖5.排煙溫度也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

　　生物質(zhì)的灰分含量較低，其燃燒形成的灰分無法形成粒度合適的循環(huán)灰，因此需要外加床料。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，秸稈的收集過程中不可避免的夾帶一些沙土，有時(shí)夾帶的沙土量還比較大，可以利用秸稈攜帶的沙土作為循環(huán)物料的補(bǔ)充來源。借助于高效旋風(fēng)分離器，解決了生物質(zhì)灰分低、產(chǎn)生的灰不能形成循環(huán)灰的問題。經(jīng)過計(jì)算和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)當(dāng)玉米秸稈攜帶的泥土超過8％的時(shí)候，無須外加床料，物料循環(huán)即可達(dá)到理想的狀態(tài)。

　　兩年來的運(yùn)行實(shí)踐表明，通過受熱面的位置優(yōu)化，將金屬壁溫最高的中溫過熱器和高溫過熱器以翼形墻的形式布置在爐膛中，借助循環(huán)流化床燃燒的物料流動(dòng)有效沖刷受熱面表面，確保受熱面表面清潔，進(jìn)而解決了高溫受熱面由于沾污引起的腐蝕問題。500℃～800℃煙氣區(qū)，對流受熱面的沾污，可以通過減低煙速得到改善。主要積灰位置在空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器處的積灰基本呈現(xiàn)疏松的狀態(tài)。

　　實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低，容易沾污受熱面，因此，尾部受熱面強(qiáng)化吹灰是非常重要的，盡管在鍋爐設(shè)計(jì)中考慮了吹灰問題，但是由于吹灰設(shè)備可靠性不佳，實(shí)際投運(yùn)率不高，影響了吹灰效果，停爐后需要及時(shí)清理受熱面上的積灰。

　　污染物隨著燃料情況波動(dòng)，但SO₂原始排放就很低，并且與負(fù)荷關(guān)系很小，見圖6。而NO_x的排放濃度與機(jī)組負(fù)荷正相關(guān)，即使沒有干預(yù)，NO_x的排放濃度也不高，原始排放接近于超低排放。SO₂和NO_x的排放濃度與燃料關(guān)系比較大，由于燃料波動(dòng)，SO₂的排放濃度在20mg/m³范圍波動(dòng)，NO_x的排放濃度的波動(dòng)范圍更大，波動(dòng)范圍40mg/m³。

　　4結(jié)語

　　充分利用CFB爐膛中的受熱面受到循環(huán)物料不斷沖刷的特點(diǎn)，將壁溫較高的受熱面布置在爐膛，可以緩解高溫受熱面的結(jié)垢腐蝕問題，據(jù)此開發(fā)了130t/h純?nèi)加衩捉斩挼母邷馗邏篊FB鍋爐，其典型特征是爐膛中布置中溫和高溫過熱器。對流受熱面順列大間距布置，以低煙速緩解沾污，并密集布置吹灰器，強(qiáng)化吹灰。爐前燃料系統(tǒng)中分開設(shè)置卸料器和輸料器，改善輸運(yùn)條件。輸送到爐前的生物質(zhì)伴隨二次風(fēng)人爐。下料管采用文丘里配風(fēng)，并控制給料口附近為負(fù)壓。這些設(shè)計(jì)思想得到實(shí)踐驗(yàn)證，機(jī)組投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，爐前燃料輸運(yùn)系統(tǒng)可靠，機(jī)組年運(yùn)行達(dá)到7600h，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過128天。運(yùn)行2年后，爐內(nèi)過熱器未見腐蝕，對流受熱面沾污可控。鍋爐熱效率可達(dá)91％以上。鍋爐設(shè)計(jì)床溫為850℃，實(shí)際運(yùn)行基本與此相同，稀相區(qū)溫度普遍高于床溫。SO₂和NO_x排放濃度受燃料影響，但原始排放很低，接近于超低排放；SO₂排放濃度與負(fù)荷關(guān)系很小，NO_x排放濃度與負(fù)荷正相關(guān)。借助于高效旋風(fēng)分離器，當(dāng)玉米秸稈攜帶的泥土超過8％時(shí)，無須外加床料就能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的良好性能。