提高CFB锅炉机组效率的技术措施

【摘 要】 本文概述了近十几年来我国循环流化床锅炉的发展状况，列举了国内循环流化床锅炉运行中存在的普遍问题，针对影响锅炉热效率的主要问题－飞灰含碳量高、机械不完全燃烧损失大和排烟温度偏高、排烟热损失大，提出了提高CFB锅炉机组效率的主要技术措施，以改善锅炉运行的经济性。采用飞灰底饲/密相区回燃技术和螺旋鳍片管对流受热面/螺旋槽管空预器无论是在机理上，还是所取得的实际效果都是最好的。
【关键词】循环流化床，锅炉，飞灰，底饲/密相区回燃，螺旋鳍片管，螺旋槽管，无烟煤

• 循环流化床锅炉发展概况

循环流化床燃烧技术是国内外公认的一种洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉具有燃料适应性广、炉内脱硫成本低、污染物排放少、燃烧效率高、负荷调节比大和灰渣综合利用等独特的优势，成为实用化进程最为成功的洁净燃烧技术，目前在电力行业正向产业化、大型化方向迅速发展。我国是以煤为主要一次能源的国家，燃用的煤种最为齐全。近十几年来，我国循环流化床技术发展迅速。截至2005年中期，据不完全统计，我国共有35t/h以上不同容量等级的循环流化床锅炉2100多台、发电功率25000MW投入商业运行，约占电力行业锅炉总台数的三分之一强，装机总容量的8％。其中440～480t/h的CFB锅炉150多台，四川白马电厂从国外引进的300MW CFB锅炉机组已通过168试运行，即将投入商业运行。由哈尔滨锅炉厂有限责任公司开发的300MW CFB锅炉机组已在云南开远电厂通过168试运行。此外，在建和已获得批准的200MW机组2台、300MW机组约40台。现在，我国已成为世界上CFB机组数量最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家。
到上世纪末，世界上已投运的容量最大的循环流化床锅炉是位于法国Gardane的普罗旺斯电厂250MWe CFB锅炉。【1】进入新世纪以来，CFB锅炉大型化步伐进一步加快，目前已投运的最大容量CFB锅炉是安装于美国佛罗里达州Jacksonville的JEA电厂两台300MWe锅炉。在CFB锅炉大型化的进程中，以超临界参数为标志的第二代循环流化床锅炉以其优越的性能而引人注目。法国Alston公司已完成600MWeCFB锅炉的方案设计，美国Forster Wheeler公司已于2002年12月30日和波兰PKE电力公司签订了订购一台容量为460MWe超临界参数的CFB直流锅炉合同， 2003年3月开始工程设计，预计将于今年9月底投入商业运行【2】。我国“十一五”科技发展规划中，也把自主开发600MWe等级的超临界参数CFB锅炉列为战略目标和开放重点。

• 循环流化床锅炉目前存在的问题

在看到CFB技术在世界各地、特别是在我国得到快速发展的同时，还必须清醒地认识到，目前CFB技术在世界上仍属于正在发展之中的一种新的洁净煤燃烧技术，其商业应用历史还相对较短，我国尚处于引进国外软件技术向大型化发展的初期，加上我国煤炭资源分布广泛、煤炭种类繁多，还有优先考虑利用劣质煤的传统想法。燃用的燃料中，涵盖了从几乎无灰分的石油焦到极高灰分的油页岩、煤矸石，从以发挥分为主的秸秆等生物质到很低发挥分的贫煤、无烟煤，燃料特性的极大差异给锅炉的设计和运行带来了很大的难度。因此，无论就CFB锅炉本体、还是配套辅机与系统，都完全不可能像具有悠久历史、在电力行业中居统治地位的煤粉锅炉那样成熟，投运初期暴露出各种各样的问题，有些存在问题比较严重，带有普遍性，急待解决。
根据近期对国内已投运的135MW等级循环流化床锅炉产品典型用户运行状况的调查，目前135MW容量等级循环流化床锅炉存在的主要问题表现在可靠性、可用率和经济性三方面，即锅炉故障频繁、厂用电率高和锅炉热效率低。归纳起来，表现在以下几个方面：

• 冷渣器不能正常冷渣排渣

大部分锅炉选用风水联合冷却选择性排灰流化床冷渣器，由于燃用煤种灰分高且变化幅度大，排渣量远远超出设计值，冷渣器无法将排渣冷却到合适温度；或由于煤的破碎系统问题、不能控制破碎后入炉煤粒度要求，造成大量粗颗粒底渣在冷渣器内无法流化、排出，导致锅炉无法正常运行。经验表明，改用水冷滚筒式冷渣器、钢带式冷渣器，或对风水流化床冷渣器进行改造，降低隔墙高度、采用定向风帽，均可有效解决排渣问题。

• 炉膛受热面磨损严重

集中表现为炉膛下部耐磨浇铸料（耐磨可塑料）和水冷壁交接处管子磨损。采用合理的水冷壁让管方式、交接处管外喷涂、敷设合理高度和厚度的耐磨可塑料和控制合适的一次风量均可有效解决上述部位的磨损问题。

• 风帽磨损与漏渣

改进型钟罩式风帽或剑形风帽可有效解决漏渣和风帽磨损问题。

• 耐火材料的选择与施工不当

耐火材料的结构形式、材料选型、施工与养护如处理不当，将导致耐火材料很快开裂、磨损和脱落，应根据所在部分所处条件选用合适的材料、厚度和施工方式。

• 过热/再热蒸汽温度调节特性差

在炉膛和尾部竖井双烟道内合理布置水冷屏、屏式过热器、过热器和再热器，改善过热蒸汽和再热蒸汽的调节特性，尾部烟道烟气挡板也是调节气温的可靠手段。

• 锅炉点火耗油量大

采用床下热烟气点火或以床下点火为主结合床上油枪点火方式，既可较大幅度地减小点火耗油量，又可适当缩短启动时间。

• 锅炉飞灰含碳量高，锅炉燃烧效率和热效率低

锅炉飞灰含碳量普遍较高，特别是燃用贫煤和无烟煤等低挥发分煤种时飞灰含碳量高，有些机组达到20％以上，甚至30％以上。135MWe等级CFB锅炉的燃烧效率和热效率比煤粉锅炉低1～3％。本文将重点叙述降低锅炉飞灰含碳量、提高锅炉燃烧效率的技术措施。

• 锅炉辅机故障多、厂用电率高

煤破碎系统易磨损、不能保证燃料达到设计的颗粒度和尺寸分布，给煤系统常堵塞，风机容量余量过大，厂用电率达10～11％或更高。
当一台循环流化床锅炉经过一段试运行和规律摸索以后，随着积累的运行经验的日益增多和对锅炉设备进行适当改造和消缺，锅炉运行的可靠性逐渐提高、连续运行时间逐渐延长，锅炉运行的经济性必然提到议事日程上来。近两年由于煤价增长幅度大，提高锅炉热效率、降低机组发电煤耗、改善锅炉运行的经济性就显得更为迫切。

• 提高燃烧效率是提高锅炉热效率的关键

从反平衡法角度考虑锅炉热平衡，锅炉热效率ηb和燃烧效率ηc可以分别表示成式（1）和式（2），其中影响锅炉热效率的因素包括锅炉的排烟热损失q2、化学未完全燃烧热损失
ηb＝100－（q2+q3+q4+q5+q6）， ％ （1）
ηc＝100－（q3+q4）， ％ （2）
其中，
, ％ （3）
, ％ （4）
, ％ （5）
q3、机械未完全燃烧热损失q4、散热损失q5和灰渣物理热损失q6，它们的计算公式示于式（3～5）。对于大容量、高参数CFB锅炉，由于采用膜式水冷壁结构和良好的保温，散热损失q5很小；化学未完全燃烧热损失q3通常也很小，可以忽略；锅炉采用冷渣器后，排渣温度可降至200℃以下，灰渣物理热损失q6也很小。真正影响锅炉热效率的主要因素只有排烟热损失q2和灰渣中未燃尽碳引起的机械未完全燃烧热损失q4。以某台燃用Vdaf为23％烟煤的135MWe超高压再热CFB锅炉为例说明各项热损失所占份额，如表1所示。由表可见，q3近似为零，q5＝0.53%，q6＝0.59%，排烟热损失q2和机械未完全燃烧热损失q4的计算值分别为5.67％和2.93％，而实际运行时机械未完全燃烧热损失q4可能远远超过该计算值。对一批CFB锅炉的统计数据表明，某些燃用贫煤和无烟煤的CFB锅炉的飞灰含碳量达20％～30％，而个别燃用极低挥发分无烟煤或石油焦的锅炉的飞灰含碳量高达30％～40％，甚至接近50％。因此，要提高锅炉热效率，必须从降低排烟热损失q2和机械未完全燃烧热损失q4、特别是降低q4入手。要降低锅炉排烟热损失q2，必须从降低锅炉排烟温度和排烟过剩空气系数角度采取有效措施，如布置在尾部烟道的过热器和省煤器采用螺旋鳍片管，而空气预热器则采用螺旋槽管，既可以有效降低锅炉排烟温度，又可以降低尾部竖井烟道的有效高度，解决大容量循环流化床锅炉布置存在的尾部空间不足问题。本文在简要介绍强化传热技术在提高CFB锅炉效率的应用分析后【3】，主要从优化煤在循环流化床中的燃烧过程、降低飞灰含碳量、提高锅炉燃烧效率的角度，来提高锅炉运行的热效率。