300MW循环流化床锅炉原理

1 概述

云南开远电厂300MW循环流化床锅炉，是引进法国ALSTOM公司技术，哈尔滨锅炉厂有限公司生产。锅炉型号为HG-1025/17.5-L.HM37，该锅炉系超高压参数、单汽包、自然循环、单炉膛、平衡通风、半露天岛式布置。炉膛宽度15.051m，深度14.703m，高度35.5m。锅炉采用全密封结构，燃用煤质为小龙潭褐煤，设计燃煤量226.5t/h。

2 循环流化床锅炉原理

循环流化床（CFB）锅炉是八十年代发展起来的高效率、低污染和良好综合利用的燃煤技术，由于它在煤种适应性和变负荷能力以及污染物排放上具有的独特优势，使其得到迅速发展。 2.1燃烧机理

循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，是介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。在循环流化床锅炉中,存有大量床料,首次启动时人为添加床料,在锅炉运行时床料主要由煤中的灰、未反应的石灰石、石灰石脱硫反应产物等构成。床料在从布风板下送入的一次风的作用下处于流化状态，煤粒、床料及石灰石被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度部分大颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；较小固体颗粒被烟气夹带进入分离器，进行分离，绝大多数颗粒被分离下来，一部分通过回料阀直接返回炉膛，另一部分通过外置式换热器后返回炉膛，形成物料的外循环；飞灰随烟气进入尾部烟道。通过炉膛的内循环和炉外的外循环，从而实现燃料不断的往复循环燃烧。

循环流化床根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分，密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火；与密相区相比，稀相区的物料浓度很小，稀相区是燃料的燃烧、燃尽段，同时完成炉内气固两相介质与蒸发受热面的换热，以保证锅炉的出力及炉内温度的控制。 2.2脱硫原理

循环流化床锅炉处在830-900℃的工作温度下，在此温度下石灰石可充分发生焙烧反应，使碳酸钙分解为氧化钙，氧化钙与煤燃烧产生的二氧化硫进行盐化反应，生成硫酸钙，以固体形式排出达到脱硫的目的。

石灰石脱硫反应方程 CaCO3=CaO+CO2-热量Q

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4+热量Q

因此循环流化床锅炉可实现炉内高效廉价脱硫，一般脱硫率均在90%以上。同时，由于较低的炉内燃烧温度，循环流化床锅炉中生成的NOX主要由燃料NOX构成即燃料中的N转化成的NOX；而热力NOX即空气中的N转化成的NOX生成量很小；同时循环流化床锅炉采用分级送风的方式即一次风从布风板下送入，二次风分二层从炉膛下部密相区送入，可以有效地抑制NOX的生成。因此循环流化床锅炉中的污染物排放很低。 3 燃用褐煤的优势

该厂设计燃用煤质为小龙潭煤矿褐煤，煤质特性见表1。 表1：煤质特性

数

值

名 称

符 号

单 位

设计煤种

校核煤种

收到基碳

Car

%

36.72

39.78

收到基氢

Har

%

1.87

2.56

收到基氧

Oar

%

12.59

13.78

收到基氮

Nar

%

1.01

1.04

收到基硫

St.ar

%

1.66

0.73

收到基灰分

Aar

%

11.45

9.51

收到基水分

Mar

%

34.7

32.6

空干基水分

Mad

%

11.00

13.58

干燥无灰基挥发分 Vdaf % 52.70 50.85

低位发热量

Qnet.ar

MJ/kg

12.435

13.86

灰变形温度

DT

℃

1060

1170

灰软化温度

ST

℃

1110

1210

灰熔化温度

FT

℃

1130

1230

由于该煤质收到基水分为30%以上，内水高达11%，经过破碎后的煤粒进入炉内后同860℃左右的炽热物料接触，煤粒被迅速加热，内水及挥发份迅速膨胀析出，导致煤粒爆裂，故燃用该煤质时原煤粒度控制可以放宽至12～15mm；又由于该煤质挥发份含量较高，使煤的着火温度降低，在流化状态下500℃左右就能着火；又由于该煤质灰分含量较底，灰渣含量较小，故锅炉可靠性大为提高；又由于该煤质灰分中sio2含量较小，对锅炉受热面磨损较轻。综合以上各点，燃用褐煤的锅炉具有极大的优势。

4 锅炉整体布置

炉膛采用裤衩腿、双布风板结构，炉膛内蒸发受热面采用膜式水冷壁及水冷壁延伸墙结构。采用水冷布风板，大直径钟罩式风帽。

在炉膛上部左右两侧各布置有2个高温绝热旋风分离器，分离器上部为圆筒形，下部为锥形。每个高温绝热分离器回料腿下布置一个回料阀和一个外置式换热器。回料阀为气力式自平衡型，流化风用高压风机供给。每个回料阀一侧与炉膛相连，另一侧与外置式换热器相连。分离器分离下来的高温物料一部分直接返送回炉膛，另一部分通过锥型阀进入外置式换热器，通过调整锥型阀的开度来控制外置换热器和回料阀的循环物料分配。在炉膛两侧下部对称布置4个外置式换热器。靠近炉前的两个外置式换热器内布置高温再热器和低温过热器，这两个外置式换热器的主要作用是用来调节再热蒸汽温度；靠近炉后的两个外置式换热器内布置过热器I和过热器II，这两个外置式换热器的主要作用是用来调节床温。

炉膛、分离器、回料阀和外置式换热器构成了循环流化床锅炉的物料循环回路，煤与石灰石在燃烧室内循环往复接触，最终完成煤的燃烧及脱硫反应。烟气及细颗粒飞灰进入尾部对流烟道，飞灰由电除尘器收集。

为了减少燃料对外的散热及防止受热面、炉墙的磨损，在循环流化床锅炉内部衬有大量的耐磨耐火材料，耐磨耐火材料主要布置在水冷风室、燃烧室密相区、旋风分离器、回料阀、外置床及冷渣器内部。

①水冷风室 ②炉膛 ③分离器入口烟道 ④旋风分离器 ⑤回料阀斜腿 ⑥外置床及冷渣器 ⑦分离器中心筒 ⑧分离器出口烟道

5 锅炉辅机设置 5.1烟风系统

锅炉烟风系统配两台一次风机，两台二次风机，五台高压流化风机及两台引风机。一次风的作用是使床料在炉膛内流化，一次风量占总风量的35%； 二次风主要是补充燃烧所需的氧量，分上下两层进入炉膛，其中上层布置20个喷口，下层布置14个喷口，二次风量占总风量的52%。高压流化风的作用是使回料阀的返料鼓泡及外置床、冷渣器内的床料流化，压头要求较高。 5.2点火系统

锅炉启动采用床下床上联合点火方式。点火油枪床下4只，床上8只。其中床下油枪的热负荷占总的12%，床上油枪的热负荷占总的10%，床下油枪为压缩空气雾化，床上油枪为蒸汽雾化。

5.3给煤系统

原煤自煤场经布置在输煤皮带中的两级碎煤机破碎后进入原煤仓，从原煤仓下落后经称重皮带式给煤机和埋刮板式给煤机到达炉膛两侧。给煤分别由前后墙和侧墙进入燃烧室中，其中前后墙各布置两点，左右墙各布置一点。该炉由三级给煤组成，一级配4台称重皮带式给煤机，二级配4台埋刮板式给煤机，三级配8台螺旋给煤机。每台埋刮板给煤机设三个落煤口，第一、二个落煤口各配一台螺旋给煤机，前后墙落煤口用热二次风密封，两侧墙落煤口用冷一次风密封。两条埋刮板给煤机相同位置落煤口两两混合后由同一点进入炉膛。

左右侧墙给煤点设有播煤风和密封风，播煤风由一次热风供给，落煤口用一次冷风密封；前后墙落煤口用二次热风密封，给煤机用二次冷风密封。煤粒通过给煤系统进入炉膛后，在一次风作用下处于流化状态，并实现循环燃烧。所以，循环流化床炉膛内为正压燃烧区。

5.4灰渣排放系统

燃烧完全后的炉渣从布置在燃烧室密相区下部的排渣口排出，经冷渣器冷却到150℃后经输渣系统运走。排渣量的大小通过锥形阀的开度来控制，以保持床压、床温在允许范围内。

5.5石灰石系统

两台炉共设置一座石灰石粉库，几何容积为1200 m3，配置两个出料口，每个出料口设置一台仓泵。每台炉设置一个石灰石粉仓，几何容积为101 m3，布置在主厂房煤仓间内，每个石灰石粉仓配置2个出料口，每个出料口设置一台石灰石粉混合器及一台石灰石输送风机。

锅炉燃煤煤种及其它参数如下表2： 表2：锅炉设计数据

名称

单 位

设计煤种

校核煤种1

校核煤种2

硫含量（St.ar）

%

1.66

0.73

1.8

灰份（Aar）

%

11.45

9.51

14.05

钙硫比

≤1.7

脱硫率

%

93

排烟SO2浓度

mg/m3

≤400（在6%含氧量的干烟气状态）

原煤消耗量

t/h

228

214

217

为满足锅炉脱硫需要，需要向锅炉连续输送石灰石粉。有关设计数据如下表3：

表3：石灰石粉成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Mt

烧矢量

1.0%

0.14%

0.18%

55.11%

0.56%

0.23%

41.32%

石灰石粉堆积容重：1.3t/m3(石灰石粉粒径≤1mm)

石灰石粉耗量：22t/h（设计煤种）

石灰石气粉混合物由炉膛前后墙四点进入炉内参与燃烧反应，达到炉内脱硫降低SO2排放浓度的目的。

6 锅炉调试及运行中的控制重点

6.1结焦预防控制

循环流化床锅炉是靠床底部的一次风把物料流化并循环燃烧，其循环回路分为内循环和外循环。内循环是在炉膛内完成的，其流化动力是一次风；外循环是在分离器、回料阀、外置床内完成的，其流化动力是高压流化风。床面结焦，主要是指布风板上的物料因为流化不良、超温结焦。

（1）流化不良的预防方法：

①必需保证布风板风帽小孔的畅通，这就要求在加床料之前把风帽小孔及床面清理干净；

②运行后一次风量必需大于临界流化风量；

③升温升压过程中，控制升温速度，防止炉内耐磨耐火材料脱落堵塞风帽；④原煤粒度控制在6～10mm之间，避免因为原煤粒度过大流化不良；

⑤控制燃煤中矸石及铁块的含量，定期将大颗粒物料排除，确保流化良好。

⑥在升负荷及调整过程中，加煤和调风不能猛增猛减。

（2）超温结焦的预防控制方法：

①由于小龙潭褐煤灰变形温度仅1060℃，因此床温不能控制过高，运行时控制床温在860℃—900℃之间；炉膛布风板床温控制靠调整外置床返料量和密相区物料高度来实现；回料阀布风板、外置床布风板、冷渣器布风板床温靠调整高压流化风量及床料量来实现。

②控制合理的床压，防止燃煤直接接触风帽造成燃煤堆积爆燃超温结焦。

③点火启动阶段，控制合理油枪配风，保证燃油完全燃烧，避免未燃尽油雾沾附在煤粒上造成结焦。

6.2两床失稳预防控制

由于此锅炉炉膛为裤衩形，布置了双布风板、双燃烧室，床下燃烧器分别布置在两布风板下，床上油枪分别布置在两燃烧室密相区下部，给煤点分别布置在两燃烧室上部，每侧两套给煤系统。所以，如果两侧燃烧负荷如存在较大的偏差，就可能导致两床失稳，引起床压波动，严重时影响机组安全运行。在运行中，应从以下方面加以重视： （1）运行中给煤、返料量、排渣控制合理，保证两侧床压一致。

（2）给煤量调整时应将各点给煤均匀，使燃煤在整个床面分布均匀，如一侧给煤量减少时，应立即减少另一侧给煤量，控制炉膛两侧床压偏差小于2.5kPa。

（3）炉膛两侧外置床返料量调整基本一致，避免因为返料量偏差而产生床温床压偏差。 （4）调整炉膛两侧风量及给煤量，使两侧床温及一次风量均衡。 6.3汽温超温预防控制

由于小龙潭褐煤飞灰容重较小（0.85t/m3），导致稀相区飞灰份额增大，炉内热量分配与设计值出现偏差，因此应加强各风量、减温水量和外置床的控制，防止过热汽温和再热汽温超温事故发生。在调试及运行中，应从以下方面加以重视：

（1）运行中升降负荷时要缓慢进行，升负荷加煤时操作幅度不能过大，且应先加风后加煤，减负荷减煤时操作幅度也不能过大，应先减煤后减风，并采用少量多次的方式进行。给煤机断煤时应立即减少一次风量，防止煤粒在分离器内燃烧，造成分离器出口烟温升高，导致过热器、再热器汽温超温。恢复后加煤加风速度不能过快，保证给煤着火迅速。 （2）由于小龙潭褐煤内水含量较高，虽然热爆特性较好,仍应控制入炉煤粒度在8～10mm之间。

（3）合理调整外置床流化风量，防止外置床流化不良结焦，造成过热器、再热器汽温超温。合理调整外置床进料量，控制外置床内各级过热器、再热器进出口汽温在设计范围内。 （4）调整一次风量大小，以使炉膛浓相区和稀相区热量分配合理，控制炉膛出口烟温，保证尾部烟道过热器、再热器管换热系数合理，避免因换热系数过大而超温。 （5）加强尾部受热面吹灰，减少积灰及烟温偏差形成的汽温超温。

（6）高加停用及低负荷运行时注意调整减温水量和入炉一、二次风量的大小。 （7）运行中可适当增大床压，增大炉内灰浓度，保证合理的炉膛吸热量。 6.4堵煤预防控制

循环流化床锅炉无煤粉制备系统，粗、细碎煤机将原煤破碎成6～8mm的煤粒后进入原煤斗，再通过给煤机直接进入炉内。由于破碎后的煤粒表面积增大，加之小龙潭褐煤全水分高达30%，内水分高达11%，极易在碎煤机、原煤斗、给煤机落煤口等部位发生堵煤现象。堵煤时将直接危及锅炉的稳定运行，主要故障有：

（1）原煤破碎设备堵塞：原煤破碎设备堵塞是指原煤粘在破碎机出口及入口管道上，导致下煤不畅输煤中断，或原煤粘在破碎机内部导致破碎机堵塞；

（2）原煤斗堵煤：原煤斗堵煤是由于破碎后的煤粒在原煤斗内受到挤压，导致在原煤斗内搭桥下煤不畅；且原煤斗设计为方形，原煤和煤斗之间的接触面积增大，下煤阻力增大导致原煤斗堵煤；

（3）落煤口堵煤：进入落煤口的煤粒由于受到回灰的加热，导致煤粒中外水分大量蒸发，上升水蒸汽在落煤口聚集并冷凝成水滴，最终导致煤粒搭桥堵塞落煤口。

（4）运行中不但要加强给煤设备的监视及维护，还要注意以上区域是否堵煤，如发生堵煤应及时疏通，在给煤恢复后应注意燃烧及汽温的控制。 6.5耐磨耐火材料脱落预防控制

由于循环流化床锅炉在风道燃烧器、水冷风室、炉膛、旋风分离器、回料阀、外置床、冷渣器内衬有大量耐磨耐火材料，如温升控制不当，可能导致耐磨耐火材料脱落，影响物料流化及锅炉安全运行。为防止耐磨耐火材料脱落，首先安装时应保证安装质量，烘炉时严格按照耐磨耐火材料温升曲线进行烘烤，并把水分烘烤到2%以下；点火启动时保证炉膛整体温升及各部分局部温升小于100℃/h，并注意各风量配比合理，避免局部超温。