循環流化床有機熱載體鍋爐技術綜述

謝國利，龐樂民，欽 峰，向夏楠，何 燕

（1.湖州市特種設備檢測中心，浙江 湖州 313000；2.湖州煒業鍋爐容器制造有限公司，浙江 湖州 313000）

能源與環境，是當今社會發展的兩大問題。我國是產煤大國，也是用煤大國，煤在我國的一次能源構成中，占據著絕對主要的地位。煤炭中又有84%直接用于燃燒，因此燃煤工業鍋爐，仍將是工業鍋爐的主導產品。

隨著經濟的發展，環境品質標準的不斷提高，環境壓力的增大，國內對各種清潔煤技術的需求進一步增長。潔凈、高效地開發利用煤炭資源，將成為我國的必然選擇[1]。

對目前社會上普遍應用的燃煤有機熱載體爐而言，其燃燒方式均為層燃方式（即手燒固定爐排、往復爐排、鏈條爐排等），這種燃燒方式技術成熟、便于實現，但存在著燃燒效率低、煤種適應性差等諸多不足。同時鏈條等機械化爐排構造復雜，金屬耗量多，運行故障多。

循環流化床（CFB）鍋爐，以其特殊的流體動力特性，使爐內的質量和熱量交換非常充分，未燃盡的燃料顆粒，通過多次循環，延長其在爐內的停留時間，燃燒中多次參與床層中劇烈的質量和熱量交換，十分有利于燃料的燃盡，故其燃料的適應性較好，對于高灰分低熱值的劣質煤而言，也可獲得經濟而穩定的燃燒。同時，爐內燃燒溫度相對較低，可以抑制氮氧化物的生成，可方便采取脫硫措施，降低排放[2]。

有鑒于此，國內諸多大專院校、科研單位、鍋爐制造廠家和用戶，均在有機熱載體鍋爐領域進行流化床燃燒技術的嘗試，并對循環流化床的流動特性、傳熱特性、燃燒特性進行深入的研究和試驗，并開發出不同特色的循環流化床有機熱載體爐。

1 循環流化床有機熱載體爐

1.1 n型爐管流化床有機熱載體鍋爐

如圖1所示，為山東某鍋爐制造單位設計的n型爐管流化床有機熱載體鍋爐[3]。

圖1 n型爐管流化床有機熱載體鍋爐

該鍋爐輻射受熱面采用n型管結構，可根據設計需要，在一定的空間布置多層n型管。其中，靠近爐膛內側的n型管，是雙面爆光的油冷壁，其吸熱量為單面的2倍，整個外表面上，都能接受爐膛火焰的高效輻射，強化了傳熱效果，有效降低了鍋爐本體鋼材耗用量。該鍋爐的爐膛由沸騰層和懸浮室組成，即采用慣性分離的方法。

該鍋爐結構簡單，布置方便，慣性分離器與鍋爐匹配性好，熱慣性好，流動阻力一般也不大。但是，慣性分離器分離效果欠佳，流化床物料循環質量往往難以保證[4]。

1.2 縱向膜式壁管流化床有機熱載體鍋爐

另外，國內某鍋爐企業，還研發出了縱向膜式壁管流化床有機熱載體爐[5]。與螺旋盤管作為輻射受熱段不同，該鍋爐由縱向膜式壁管圍成輻射傳熱空間，燃燒室產生的高溫煙氣由下向上高速流動，膜式壁管內的導熱油沿管壁由下向上以大于2 m/s的速度流動，并與高溫煙氣完成熱交換。中部，高溫煙氣經過旋風分離器，向上轉彎進入右側對流室，在分離器內旋轉分離出來的煤灰向下流動，回到燃燒室進一步燃燒，完成一個循環過程。所布置的旋風分離器，分離效率在97%～98%之間，分離效果比n型管鍋爐有明顯提高。對流傳熱部件的多組對流管束與煙氣對流換熱，下部為空氣預熱裝置，回收余熱。被加熱的熱空氣送到左側的燃燒室內，以利于燃燒。

采用膜式水冷壁，能使爐膛具有良好的密封性，減少了漏風。同時，由于采用敷管爐墻（管承爐墻），爐墻的全部重力由懸吊的水冷壁支撐。并且，由于水冷壁吸收大量輻射熱，使爐墻內壁溫度大大降低，因此爐墻的厚度和總質量可以減小[6]。

該種鍋爐的缺點是，因爐膛內未布置傳熱系數高的埋管埋管受熱面，需采用增大爐膛出口過量空氣系數的方法控制爐內溫度，但該舉措因燃料在爐內的停留時間減少，將導致固體不完全燃燒熱，損失增大，且煙氣量過多，也會導致排煙熱損失增加，甚至可能會引起分離器超溫，并伴隨著爐膛溫度過高，容易產生有害氣體等問題[7]。

圖2 縱向膜式壁管流化床有機熱載體鍋爐

2 循環流化床油水雙介質鍋爐

上述兩種以有機熱載體為單一工質的循環流化床鍋爐，盡管采取了一些提高熱效率的方法（如增設空預器等），但因有機熱載體的加熱溫度往往較高，尾部受熱面對流換熱后，鍋爐排煙溫度仍較高。為克服該問題，國內科研單位和制造廠家，研發出了多種循環流化床油水雙介質鍋爐。該種形式的鍋爐與普通循環流化床的最大區別，在于其兩部分，分別為蒸汽（熱水）鍋爐部分及有機熱載體爐部分，即同時接入以水（蒸汽）為工質的低溫供熱系統。

2.1 油水雙介質循環流化床工業鍋爐

如圖3示，某鍋爐廠開發了一種油水雙介質循環流化床工業鍋爐[8]。

圖3 油-水雙介質流化床鍋爐

經過軟化處理的水，先進入省煤器進口集箱，均勻地分配給省煤器管束，并與經過對流換熱的煙氣進一步換熱，再從省煤器出口集箱排出，進入埋管進口集箱，各埋管管束直接伸入爐膛，與高溫火焰直接換熱，最終從熱水出口集箱接至熱用戶。為減少埋管磨損，提高埋管使用壽命，選取壁厚較大的埋管，并且在埋管四周焊接鰭片，借此增加水冷壁溫度，降低爐膛溫度，即有效克服了縱向膜式壁管流化床鍋爐的缺點。

而對有機熱載體鍋爐部分而言，有機熱載體經熱媒循環泵輸入進口集箱，進口集箱連通對流受熱面（含多支對流管組，以增加對流受熱面積，起到分流作用），對流管束與高溫煙氣換熱后，進入對流出口集箱，后通過連通集箱，將熱載體導入輻射進口集箱均勻地分配給各輻射管，輻射管盤旋環繞而上，圍成密閉的矩形爐膛。管子的向火面共同組成輻射受熱面，加熱有機熱載體。工質最終進入頂上集箱，通過頂棚管到達出口集箱，在接至用戶換熱，繼而再返回重新加熱。

該鍋爐因煙氣經過對流管組、省煤器管束和空氣預熱器換熱，能進一步降低排煙溫度、提高熱效率。

有機熱載體爐上采用循環流化床技術，要特別注意的，就是克服磨損，一旦磨損爆管，損失將十分巨大。相對于尾部對流受熱面磨損問題，已有成熟的技術而言，爐膛磨損至今仍是國際上的研究課題之一，故對爐膛內布置介質為有機熱載體管壁的爐型，仍應慎重選擇[9]。

2.2 熱汽聯產循環流化床工業鍋爐

筆者通過對一種熱汽聯產循環流化床鍋爐（DHX4-1.25-WII+YXL-12 000MW型）進行制造監督檢驗期間，對該種鍋爐積累一定認識。鑒于上述各爐型的流化床鍋爐均存在一些缺點和不足，故對此新型流化床鍋爐進行介紹。

圖4所示鍋爐，也由有機熱載體鍋爐和蒸汽鍋爐兩部分構成。對于有機熱載體鍋爐，熱載體經熱媒循環油泵輸入進口集箱，集箱連通對流受熱面。對流管束與高溫煙氣換熱后，進入對流出口集箱，再接至熱用戶換熱，繼而再返回重新加熱。

圖4 DHX4-1.25-WII+YXL-12 000MW型熱汽聯產循環流化床工業鍋爐

對于蒸汽鍋爐部分，其經軟化處理的水，先進入省煤器進口集箱，均勻分配給省煤器管束，使之與對流換熱后的煙氣進一步換熱，再從省煤器出口集箱排出，進入埋管進口集箱，各埋管管束、膜式水冷壁在爐膛內與高溫火焰直接換熱，最終從汽包接至熱用戶。在埋管上施焊鰭片，并增加壁厚以防磨。

尾部的對流管上均布置防磨片，以減弱煙氣對管束的嚴重沖刷。該鍋爐除具備油水雙介質流化床鍋爐的各項優勢外，因爐膛內工質為水和蒸汽，更能保證安全運行的要求。

3 結束語

有機熱載體爐與蒸汽鍋爐相比，由于其運行時壓力低，溫度高，安全可靠，供熱穩定，溫度調節精確，節約能源，能短期收回投資，因而被越來越多的工業用戶采用。而流化床與有機熱載體爐結合的創新設計，也成為了工業鍋爐領域的一個熱點。本文介紹了幾種不同型式的流化床有機熱載體爐，總的來說，該類爐型的開發必須克服兩個關鍵障礙：一是如何有效克服磨損，二是如何合理增設尾部受熱面。文中介紹的DHX4-1.25-WII+YXL-12000MW型熱汽聯產循環流化床鍋爐，因其技術先進，性能優越，經濟效益明顯，且能有效地克服以上關鍵障礙，具有非常大的潛力和競爭力，是值得推廣的產品。

[1]呂俊復，張建勝，岳光溪.循環流化床鍋爐運行與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[2]黃榮捷.Ⅱ類無煙煤循環流化床工業鍋爐的研制探討[J].中國環保產業，2006，(2)：34-37.

[3]張文玉，呂春香，劉曉飛.流化床有機熱載體鍋爐的設計開發[J].工業鍋爐，2010，(1)：25-27.

[4]馮俊凱，岳光溪，呂俊復.循環流化床燃燒鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2003.

[5]牟春濤，張文國，史文彬，等.循環流化床導熱油爐[P].中國：N201811432U，2011–04-27.

[6]張 力.電站鍋爐原理[M].重慶：重慶大學出版社，2009.

[7]薛曉壘，盧嘯風，劉漢周，等.我國中小型循環流化床工業燃煤鍋爐存在的問題及分析[J].工業鍋爐，2010，(1)：13-16.

[8]李守泉，李 平.流化床油水雙介質循環鍋爐[P].中國：CN201672675U，2010-12-15.

[9]張保平，孟 慶.循環流化床在導熱油加熱爐方面的設計開發[A].中國機械工程學會工業爐分會第八屆全國工業爐學術年會論文集[C].煙臺：中國機械工程學會，2011.209-217.