循環流化床鍋爐低床壓防磨控制手段研究

宮立志

（中國石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

循環流化床鍋爐低床壓防磨控制手段研究

宮立志

（中國石油吉林石化分公司，吉林吉林201608）

在環保控制日趨嚴格的形勢下，火力發電行業中，循環流化床鍋爐因低污染物排放而備受關注。但是，循環流化床的磨損失效問題始終制約著其長周期運行，當前多采用防護、緩沖、特種金屬材料等被動防護手段減緩主要換熱面磨損。分析磨損的根源因素，討論如何采取主動控制手段延緩鍋爐磨損，以延長鍋爐運行周期。

循環流化床鍋爐；低床壓；磨損

0 前言

近年來，我國制定和頒布了《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國大氣污染防治法》等法律法規，以防范和控制環境污染問題，保護我們賴以生存的自然環境。生活過程中的能源消耗產物和各行業生產過程中的3廢排放，均會對環境造成影響。工業生產中對大氣污染最為嚴重的是的火力發電生產，自2012年1月1日起《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223——2011）開始執行，對火力發電廠NOx，SO2，DST等污染物排放控制指標進一步降低，汞排放控制也有所要求；2015年12月2日，國務院常務會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節能改造，其中東、中部地區要提前至2017年和2018年達標，超低排放已經開始全面推行。可見，在當今乃至未來較長時期，環保排放都將是生產經營單位亟待解決的問題或有持續提高的要求，相應的對電力生產將有更加嚴格的要求，火電鍋爐的清潔生產和低污染排放控制已經成為電力企業生產經營的重點工作之一。

在污染物排放控制方面，循環流化床鍋爐有著突出的優勢，循環流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐具有較大優勢，尤其在氮氧化物、二氧化硫等污染物生成控制方面有更突出的表現，一般流化床鍋爐工藝條件要求爐膛燃燒溫度在850～950℃，這恰好與爐脫硫脫硝最佳反應溫度850～1100℃相匹配。但是與煤粉爐相比，其長周期穩定運行能力有明顯不足。例如，磨損失效問題涉及到灰渣沖刷磨損、蒸汽沖刷磨損、振動摩擦磨損等；過熱失效問題涉及到水循環系統、蒸汽循環系統等；輔助設備安全運行問題涉及到轉動設備故障問題、燃燒設備故障問題等；工藝控制因素涉及到床壓、汽溫、汽壓偏差以及偏差控制等。這里燃燒系統的灰渣沖刷磨損是導致鍋爐失效最為關鍵的、也是最難解決的問題。

以220 t/h循環流化床鍋爐的生產實踐為基礎，討論循環流化床鍋爐磨損失效的原因，研究在生產過程中如何采取有效措施控制鍋爐磨損，以避免計劃外停車，推進鍋爐長周期安全運行。

1220 t/h循環流化床鍋爐基本參數

通過在運行的循環流化床鍋爐看，各鍋爐制造廠家由于采取的工藝和技術特點不同，其生產的鍋爐運行過程中內部物料濃度差別也很大，但均能取得很好的運行效果。運行經驗表明，若想取得較好的循環流化工況，應該控制1 mm以下顆粒濃度＞80%，這有利于控制風機電耗和燃料燃盡度。

表1 循環流化床鍋爐的主要工作條件

2 鍋爐磨損情況實例

循環流化床鍋爐的工藝性要求其爐膛內部的顆粒物料持續對換熱面沖刷，造成換熱面磨損導致鍋爐故障的問題較多。結合運行實際經驗看，鍋爐部件磨損主要集中在：爐膛過渡區水冷壁、無耐火耐磨澆筑料稀相區水冷壁、水冷屏或屏過管排、給煤口附近、排渣口附近、風帽磨損等等，以及爐膛內部突出部位、渦流區域、流向改變區域等部位（圖1）。

圖1 耐磨澆筑料的磨損和水冷壁的磨損泄漏

3 循環流化床鍋爐磨損基本理論

由于循環流化床鍋爐工藝要求其循環系統內部保證滿足循環需要的顆粒狀物料，并且要以良好的粒度級配以實現分級燃燒，顆粒物料對鍋爐各受熱面的磨損控制，是保證鍋爐穩定運行的核心問題。針對于循環流化床鍋爐磨損問題，一些熱工研究單位進行了專門的研究，一般公認的，物料對管壁磨損的速率與物料運動速度、濃度和粒度有關，具體為式（1）。

式中E——磨損速率，μm/100 h

W——物料速度，m/s

D——物料粒度，mm

U——物料濃度，kg/m2·s

從關系式（1）可見，物料對換熱面磨損速率與物料速度相關度最大，受物料粒度影響次之，與物料濃度關系較小。事實上為保證鍋爐的良好運行，物料粒度要保證一個合理數值，實際運行過程D值是有限度的，過大顆粒不能形成快速床狀態，并且其粒徑達到一定尺寸后，在送風和顆粒等摩擦力作用下無法達到無澆筑料的水冷壁區域，不能對換熱面造成磨損，其最直接的影響是床料流化異常，大顆粒大量沉積后造成流化風穿透、翻床甚至結焦等問題。因此，在研究過程中需要重點討論的是物料速度和物料濃度控制問題。

4 鍋爐低床壓運行及其可靠性

循環流化床鍋爐技術發展到現階段，控制低床壓運行是其發展趨勢。在各鍋爐制造企業、調試單位、電力生產企業等已達成共識，尤其在電力生產企業，從實踐中積累了較豐富的經驗。低床壓的目的主要是控制循環物料量，按前文所述，若鍋爐床壓從15 kPa（靜止床料量1.1 m）降至7 kPa（靜止床料量0.6 m），按靜止床料量分析，爐膛內循環床料減少50%，相應沖刷磨損速率要降低一倍。

（1）低床壓運行的先決條件和優點。一是要保證鍋爐布風板的良好性能，由于布風板上部床料量減少，布風的均勻性尤為重要，圖2為布風板阻力試驗的實測曲線，布風板結構（包括風帽等附屬部件）是不變的，但其阻力與送風量有明顯的線性關系，圖2是220 t/h循環流化床鍋爐布風板阻力系數K值可依測試數據按（2）式計算，計算后得K=19。（2）式中流量和風壓變化量取自實測結果。K值對運行控制判斷有重要意義，實際應用過程可以根據運行床壓，依據系數K，計算此床壓下的布風板阻力，以運行床壓與布風板阻力床估算床料量。

圖2220 t/h循環流化床鍋爐布風板阻力曲線在線測試圖

式中ΔQ——流量變化量，km3/h

ΔP——風壓變化量，kPa

二是入爐燃料的粒度限制低床壓運行的穩定性，如果床壓過低，鍋爐送風很容易穿透床層，出現溝流，尤其是入爐燃料粒度過大，在床壓過低情況下，一次風對床料的流化作用減弱，床料顆（大顆粒）粒間隙增多、增大，送風直接穿透料層，造成死床狀態，另外燃料揮發分迅速燃燒（觀察創面，床層不動，火苗自顆粒空隙竄出），床層不流化，造成床層結焦。

三是低床壓運行，床層蓄熱量降低，床溫不穩定性增強，燃料品質不變化時，床溫會比較低，燃料的燃盡度降低，鍋爐排渣一出現較多不完全燃燒成分。

四是一次風送風阻力減小，運行過程布風板阻力降低，風機電流明顯降低，有利于降低風機功耗，控制生產成本。

（2）低床壓運行的可靠性分析。高床壓運行狀況除風機功耗高、磨損嚴重等問題外，還有一個重要問題就是壓床。圖3為鍋爐壓床狀態下的床壓波動曲線。可見，床壓頻繁劇烈波動，波峰值為壓床狀態，物料流化減弱甚至局部出現不流動。這種壓床很容易造成鍋爐結焦、非金屬補償器損壞、風箱撕裂等嚴重問題。此時料層壓力為9.5 kPa，與啟動前冷態試驗阻力比較，瞬間床料量已經達到啟動用床料的兩倍。鍋爐基本處于不流化狀態，送風勉強維持鼓泡床狀態，爐膛出口溫度急劇下降，鍋爐負荷降低40%以上，風室壓力已經達到風機額定出力，爐膛負壓嚴重超標。

低床壓運行可以更有效地保障鍋爐穩定運行。運行調整中兼顧灰渣含碳損失控制、床料流化性能控制和床溫均勻性控制，結合鍋爐6 kPa和16 kPa工況等極限狀態工藝指標情況，鍋爐穩定運行最低床壓控制在7～8 kPa范圍較為理想。這種低床壓工況相比15 kPa運行狀態，循環灰量大幅減少，對控制磨損，促進鍋爐長周期運行極為有利。并且，實踐證實，鍋爐在6.5 kPa左右床壓參數下可以穩定運行。因此，關于上述提出的控制范圍屬于安全范圍。

圖3 鍋爐壓床狀態床壓波動曲線

另外低床壓時，密相區和稀相區的過渡段降低，可將顆粒返混高度很好的控制在有耐磨澆筑料的區域；相應的密相區物料濃度也有明顯降低，有利于給煤和回料的順利進入爐膛；低床壓運行，一般床溫較低，可以有效規避結焦風險。

5 結論

所討論的低床壓運行方法是對磨損源頭的控制，其與其他防磨手段配合應用，可實現鍋爐長周期穩定運行，循環流化床鍋爐主要換熱面可以穩定運行200 d以上。鍋爐故障率的下降，有利于降低檢維修工作量，有利于延長鍋爐使用壽命，更有利于降低生產成本。

［1］岑可法，倪明江，洛仲泱，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京：中國電力出版社，1998：45-48.

［2］廖宏凱，王力.電站鍋爐試驗[M].北京：中國電力出版社，2007：36-125.

［3］路春美，程世慶，王永征.循環流化床鍋爐設備與運行[M].北京：中國電力出版社，2006.

［4］中華人民共和國國家標準.火電廠大氣污染物排放標準[M].北京：中國環境科學出版社，2011：1-5.

［5］劉向軍，徐旭常.循環流化床內稠密氣固兩相流動的數值模擬[J].中國電機工程學報，2003，23（5）：161-165.

［6］循環流化床鍋爐施工及質量驗收規GB50972-2014[M].北京：中國計劃出版社，2014：1-6.

［7］循環流化床鍋爐冷態與燃燒調整試驗技術導則DL/T1322-2014 [M].北京：中國電力出版社，2014.

［8］Barrena R.Vazquez F.Sanchez A.Bioresource Technology，2010，（99）：905.

［9］Khan，A A.De Jong W.Jansens P J，et al.Fuel Processing Technology，2009，（90）：21.

［10］ECLIPSE Process Simulator.Energy Reseach Center，Unibersity of Ulster，Jordanstown，Northern Ireland

［11］Clean Energy Plants for the 21st Century（Vision 21 Program Plan），US Department of Energy，Office of Fossil Energy&Federal Energy Technology Center.

〔編輯利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.11