化工項目熱動力站鍋爐選型研究

張瓊 許秉浩

（1.河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007；2.中國天辰工程有限公司，天津 300400）

化工項目熱動力站鍋爐選型研究

張瓊1許秉浩2

（1.河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007；2.中國天辰工程有限公司，天津 300400）

本文主要探討化工項目中熱動力站鍋爐的選型原則，分析不同因素對鍋爐選型的影響，通過典型案例來介紹鍋爐選型需要考慮的基本因素，從而為今后項目中鍋爐爐型的選擇提供一定的借鑒意義。

煤粉鍋爐；循環流化床鍋爐；選型

化工企業的發展是中國能源結構調整的重大舉措，尤其是近年來一批大型煤制氣、煤制油、煤制烯烴等項目的上馬，為保障我國能源供應的安全、優化產業結構、提高煤炭資源的工業附加值等做出了突出貢獻。

為確保化工企業的安全、穩定、長期運行，并且能適應各種負荷工況，需根據整個化工裝置的生產規模和熱、電需求情況，確定熱力系統的建設規模和鍋爐裝機容量。鍋爐容量確定后，再對鍋爐的選型進行綜合考慮，通過考察項目的輸入條件，如燃料煤種情況、環保要求、運行要求、投資占地情況等多種因素，再結合項目自身特點最終確定鍋爐設備的選型，以確保整個項目設計實現最優化。本文主要探討在化工項目中熱動力站鍋爐選型所考察的重點因素，為今后其他項目中鍋爐爐型的選擇提供一定的借鑒意義。

1 常見鍋爐爐型簡介

目前，化工項目中常見的鍋爐爐型按燃燒方式的不同可分為煤粉鍋爐（懸浮燃燒）、循環流化床鍋爐（流化床燃燒）2種爐型。

1.1 煤粉鍋爐

煤粉鍋爐將燃料煤經制粉系統磨制成粒度60～80μm的細煤粉，然后經燃燒器與送粉的熱一次風一起噴入爐膛，煤粉與助燃熱空氣在爐膛內強烈混擾、懸浮燃燒，爐膛溫度可達到約1 500℃，大約2s就完成了燃燒過程。燃料煤中的灰分約90%以細灰的形態存在于煙氣中，燃燒產生的煙氣與飛灰顆粒形成氣固兩相流以氣力輸送的形式掠過鍋爐的各級受熱面進行換熱后離開爐體。

制粉系統及燃燒器是煤粉鍋爐必不可少的設備，其作用是保證燃料的細度和燃燒用空氣在進入爐膛時能充分混合，及時著火和穩定燃燒。煤粉鍋爐配套制粉系統通常可分為直吹式系統和中間儲倉式系統2種，主要設備通常包含給煤機、磨煤機、給粉機等。燃燒器可分為直流燃燒器及旋流燃燒器，直流燃燒器多采用四角切圓燃燒；旋流燃燒器噴口噴射出的煤粉氣流能形成旋轉射流，其卷吸量較大但射程短，適用于揮發分較高的煤種，最常見的布置方式是前后墻對沖布置。制粉系統及燃燒器往往對鍋爐燃料煤的煤種有一定的要求，單只煤粉燃燒器的功率可以達到很大，NOx和SO2的排放量都很高，這也是其與循環流化床鍋爐的重要區別之一。

煤粉鍋爐的燃燒強度大、鍋爐容量大，自控水平高、運行穩定、廠用電耗少、設備損壞消除周期短、制造技術成熟，安全可靠，是目前我國燃煤電廠最常用的爐型。

1.2 循環流化床（CFB）鍋爐

循環流化床燃燒技術是國際上20世紀70年代中期發展起來的新型燃燒技術，其燃燒機理是把固態的燃料流體化，從而促進燃燒。燃料顆粒的粒徑通常為1～10mm，在一次風的作用下處于流化狀態，被煙氣夾帶在爐膛內向上運動，在爐膛的不同高度上，部分大顆粒將沿著爐膛邊壁下落，形成物料的內循環；較小固體顆粒被煙氣夾帶進入分離器進行分離，絕大多數顆粒被分離下來，通過回料閥再次返回爐膛，繼續燃燒，形成物料的外循環。通過爐膛的內循環和爐外的外循環，實現燃料不斷地往復循環燃燒。因此，循環流化床鍋爐可以實現高燃燒效率，達到97%～99%，其制粉系統簡單，只需簡單的干燥及破碎裝置即可滿足燃燒要求。

發展科技的目標，說到底就是為了大大改善人類的生存狀況。在過去的五十年時間里，我國的經濟發展速度迅猛，人們過多地關注經濟發展，從而導致一些生態問題的出現，比如水土流失、全球變暖和資源能耗高等。另外，垃圾與大氣污染也十分嚴重。在經歷了一系列生態環境給經濟發展帶來的惡劣影響之后，人類終于開始反思自己對地球母親到底做了些什么事情，并開始努力尋找一種新的發展模式。發展科技的本意是為了改善和優化人們的生存環境，但是科技發展帶來的弊端，已經嚴重危害了人類的生存與發展。

循環流化床鍋爐根據物料濃度的不同將爐膛分為密相區、過渡區和稀相區三部分。密相區中固體顆粒濃度較大，具有很大的熱容量，因此在給煤進入密相區后，可以順利實現著火；稀相區的物料濃度很小，是燃料的燃燒、燃盡段，燃燒后51%～63%的灰分進入煙氣，其余部分進入爐渣排放。循環流化床鍋爐的燃燒溫度為850～900℃，由于燃燒溫度低，NOx排放量較煤粉鍋爐低，同時可在爐膛添加石灰石進行爐內脫硫，降低SO2的排放濃度，因此，循環流化床鍋爐是一種清潔、環保的燃燒技術。

循環流化床鍋爐對燃料的適應性強，煤種多變和各種燃料的混合物均可適應，特別適合于低熱值劣質煤，如煤泥、煤矸石、洗混煤等，具有良好的經濟效益。同時，循環流化床鍋爐負荷調節范圍大，低負荷可降到滿負荷的30%左右；環保方面，NOx、SO2排放都低于煤粉爐。循環流化床鍋爐是目前中小型工業鍋爐采用最多的爐型。

2 鍋爐選型主要考慮的因素

影響鍋爐選型的主要因素有鍋爐燃料煤種特性、環保要求、運行要求、項目自身特點以及其他因素等。

2.1 燃料的煤種特性

鍋爐燃料的煤種特性是決定鍋爐選型最重要的因素之一，其通常應包括以下各項指標：全水分及工業分析指標：Mt、Mad、Aar、Vdaf；元素分析指標：Car、Har、Nar、Oar、Sar；收到基低位發熱量：Qar,net；煤灰熔融性溫度：DT、ST、FT等。在提供鍋爐設計煤質時，除揮發分需提供干燥無灰基值外，其他各項煤質指標均應提供收到基值，以便于鍋爐設計計算。

2.1.1 揮發分。揮發分是評定鍋爐燃燒性能的首要指標，主要用來衡量燃料煤點火及穩定燃燒的難易程度，通常認為干燥無灰基揮發分Vdaf≥15%的煤種宜選用煤粉鍋爐；Vdaf≤12%，采用煤粉鍋爐時燃料著火困難，難以穩定燃燒及燃盡，因此不宜選用煤粉鍋爐；12%～15%則屬于過渡區，應結合其他因素綜合考慮［1］。但當Vdaf≥35%時，由于煤粉鍋爐的燃料通常被磨制成60～80μm的細煤粉，同時煤粉采用熱風干燥及送粉，煤粉在輸送及存儲過程中極易發生自燃和爆炸，因此，不易采用煤粉鍋爐，若采用煤粉鍋爐，需在設計時考慮防爆。

2.1.2 灰分。循環流化床鍋爐在正常運行時必須保持一定濃度的爐內惰性物料，以確保物料的正常流化，在不投石灰石的情況下，床內惰性物料的來源完全依賴于燃料中的灰分，所以燃料中灰分的含量是循環流化床鍋爐能否正常運行的關鍵因素，只有燃料中灰分含量達到一定的數值，才能建立床內正常的灰平衡。有關文獻［2］指出：當燃料折算灰含量小于8.25g/MJ時，循環流化床鍋爐難以建立灰平衡，必須在運行中連續或間斷地向床內補充惰性物料（如細砂等），否則鍋爐將無法正常運行，因此，對于灰含量小于8.25g/MJ的煤種不宜采用循環流化床鍋爐。

由于煤粉鍋爐燃料煤中90%的灰分會進入煙氣之中，因此若煤種的灰分含量過高將會對后續除塵系統帶來較大壓力。因此，對于煤粉鍋爐，一般煤中收到基灰分Aar不宜超過30%。

2.1.3 水分。水分對鍋爐選型的影響主要體現在其對鍋爐制粉系統的影響。煤種的水分含量過高將影響循環流化床鍋爐的原煤破碎系統，致使粗碎機、篩板孔、給煤機出現粘煤現象，堵煤頻繁，從而影響循環流化床鍋爐的正常運行。而煤粉鍋爐的制粉系統具有熱風干燥作用，因而更適用于高水分的煤種。

對于褐煤開發利用項目及燃用印尼煤的項目，其共同點是需要燃用高水分的煤種。對于此類煤種，應優先選用煤粉鍋爐，通常應配風扇磨制粉系統比較適合。實際運行經驗表明，風扇磨制粉系統的干燥能力比中速磨制粉系統強很多，特別是對全水分Mt＞30%以上的褐煤，效果更為明顯。如果水分高于35%，應采用風扇磨配抽爐煙的制粉系統比較適合［3］。

2.1.4 發熱量。煤的收到基低位發熱量Qar,net是反映煤質好壞的一個重要指標，當煤的發熱量低到一定數值時，不僅影響燃燒的穩定性，而且會導致鍋爐熄火，影響安全運行。這種影響對煤粉鍋爐的作用尤為明顯。通常Qar,net低于12 000kJ/kg的煤種不應采用煤粉鍋爐［4］，而循環流化床鍋爐對發熱量則幾乎沒有要求。

2.1.5 灰熔融性溫度。煤灰熔融性溫度DT（變形溫度）、ST（軟化溫度）、FT（流動溫度）是用來定性地描述煤灰的熔化溫度范圍，煤灰成分十分復雜，其含量變化范圍也很大，主要是硅酸鹽、硫酸鹽和各種金屬氧化物的混合物。其沒有固定的熔化溫度，而只有一個熔化的溫度范圍。煤灰變形溫度DT在1 160℃以下者為易熔煤。為避免高溫對流管束的沾污和結焦，通常需要控制爐膛出口煙溫低于煤灰變形溫度DT 50～100℃以下［5］。

煤粉鍋爐燃燒溫度高，通常爐膛出口溫度在1 000～1 200℃，對于易熔煤，鍋爐結焦可能性大，因此不宜選用煤粉鍋爐。而循環流化床鍋爐屬于低溫燃燒，爐膛溫度在800～950℃，燃燒溫度低，灰渣不會達到熔融溫度，不易結焦，對于具有結焦傾向的易熔煤宜選用循環流化床鍋爐。

2.1.6 燃料來源。循環流化床鍋爐對燃料具有廣泛的適應性，可以燃燒高灰分煤、高硫煤、低揮發分煤、低熱值煤、煤矸石、煤泥、石油焦、尾礦、煤渣等，對劣質燃料的處理具有重要意義。循環流化床鍋爐是燃燒煤矸石的唯一可選爐型［6］，因煤矸石硬度大，極難破碎，很難到達煤粉鍋爐要求的粒徑。

目前，大型煤化工項目多距離煤源地較近，煤礦在洗選煤過程中會產生大量的煤泥、煤矸石等劣質燃料。因此，對于采用煤矸石、煤泥作為主要燃料或者輔助摻燒燃料的項目，應選用循環流化床鍋爐。

對于不同煤種，根據其特性不同，易選用的鍋爐爐型要求見表1。

表1 煤粉鍋爐和循環流化床鍋爐對煤種要求

2.2 環保要求

隨著我國經濟的發展，人們生活水平日益提高，民眾的環保意識及環保要求不斷增強，為此國家正不斷提高對鍋爐污染排放標準的要求。2014年，國家發展和改革委員會發布《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，要求新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值，即鍋爐污染物排放滿足：煙塵≤10mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，NOx≤50mg/Nm3，而目前各地新建煤化工項目的環評要求也大多參照此標準執行。針對此排放標準，無論是煤粉鍋爐還是循環流化床鍋爐，都需要采用額外的脫硫、脫硝、除塵措施。

循環流化床鍋爐在環保方面具有先天的優勢。因循環流化床鍋爐屬于低溫燃燒，其NOx原始排放濃度較煤粉鍋爐低很多，大約在300mg/Nm3，因此其后續脫硝的運行費用也較低。同時，循環流化床鍋爐物料反復燃燒，煤中原本含有的CaO、MgO等堿性氧化物易與SO2氣體發生反應，因此其SO2的原始排放濃度也要低于煤粉鍋爐。此外，還可以在爐內添加石灰石來實現煙氣預脫硫，從而減輕后續脫硫系統的壓力。當含硫量達到1.5%時，煤粉鍋爐爐外脫硫效率需要達到99%以上才能滿足35mg/Nm3的排放要求，而若采用循環流化床鍋爐，在添加石灰石進行爐內脫硫后，其爐外脫硫效率僅需96.6%即可達到排放標準。循環流化床鍋爐燃燒后煤中只有約60%的灰分進入煙氣，而煤粉鍋爐確達到了90%，對10mg/Nm3的煙塵排放要求，在采用相同的除塵技術條件下，循環流化床鍋爐也具有可燃燒高灰分煤的優勢。可見，循環流化床鍋爐是一種清潔環保的燃燒方式，在環保要求日趨苛刻的當下，循環流化床鍋爐應作為優先考慮的爐型。

2.3 運行要求

化工企業用汽屬于工業用汽，首要考慮的是蒸汽供應的連續性和穩定性。

煤粉爐由于一般燃用設計煤種，煤種變化不大，通過調試可以達到燃燒系統自動控制，自動化程度高，其連續運行時間可達7 000 h，基本上能做到按計劃檢修，且其檢修時間短，恢復快。而循環流化床鍋爐在運行中多采用煤泥、煤矸石等劣質燃料，燃料成分多變，且循環流化床鍋爐本身的燃料粒度大，流化燃燒物料多次循環致使受熱面磨損較嚴重。此外，循環流化床鍋爐的燃燒系統較煤粉爐復雜，對床壓、床溫、返料系統風量的控制，都是煤粉鍋爐所沒有的，其自動化控制難度較大，因此連續穩定運行時間低于煤粉爐，通常只有約2 000 h，且在爐本體磨損泄漏后檢修需經過停爐、冷卻、補焊、打水壓等過程，需要的時間也較長。

為確保蒸汽供應的連續性和穩定性，鍋爐會設有備用鍋爐，以便在一臺鍋爐檢修時，蒸汽供應依然能滿足工藝生產的需求。當項目因占地或其他原因不能設置備用鍋爐時，應優先考慮采用煤粉鍋爐。但采用煤粉鍋爐對鍋爐的燃料要求較高，煤種若經常偏離設計煤種，或采用劣質燃料時，煤粉鍋爐的運行也容易出現燃燒不穩、超溫、結焦、甚至爐膛滅火、爆管等問題，因此需要具體問題具體分析。

2.4 項目自身特點

除考慮煤種、環保要求及運行安全穩定性外，在決定鍋爐爐型時，還應結合項目自身的特點。例如，改擴建項目，鍋爐的選型應盡量考慮與已建鍋爐爐型保持一致，以便于項目的統一管理。

在鍋爐爐型沒有較大差別，即選用煤粉鍋爐與循環流化床鍋爐兩者皆可時，還應充分考慮項目業主的意見，盡量滿足業主的要求。

2.5 其他考慮因素

在考慮鍋爐爐型時還要其他很多因素，如投資、占地、運行費用等，往往需要對這些因素進行綜合考慮，如采用不同爐型時配套的制粉系統、脫硫脫硝系統、除塵系統可能都會發生較大變化，從而間接影響投資、占地、運行費用等，因此需要進行不同方案的技術經濟比較。通常情況下，這些因素的差別不是很大，不會對鍋爐的爐型選擇起到決定性影響。

3 鍋爐選型典型案例分析

3.1 典型煤粉鍋爐

某煤間接液化工業示范項目，經過全廠蒸汽平衡計算，確定熱動力站鍋爐規模為：3臺額定蒸發量480t/h，9.8MPa 540℃高溫高壓鍋爐，鍋爐產蒸汽全部用于驅動空壓機透平，為保障蒸汽供應，鍋爐設置為2開1備。

鍋爐燃料煤采用金雞灘洗選混末煤，其干燥無灰基揮發分Vdaf：38.6%，全水分：Mt：12.68%，收到基灰分：Aar13.52%，收到基流Sar：1%，收到基低位發熱量Qar,net：21.94MJ/kg，變形溫度DT：1 170℃，屬于高揮發分、低灰分、低水分、易燃、易結焦的煤種。從煤種及環保因素考慮煤粉鍋爐及循環流化床鍋爐都能滿足要求，采用循環流化床鍋爐鍋爐可以避免鍋爐的結焦，同時降低煤粉的自燃及爆炸危險性。

但從鍋爐的運行要求考慮，鍋爐產汽全部用于空分壓縮機，一旦蒸汽供應出現問題無疑將對全廠的連續滿負荷生產，甚至安全運行產生重大影響。因此，對鍋爐的安全穩定運行要求很高，宜采用煤粉鍋爐。同時，考慮到本項目的燃料煤采用火車專線供應，煤源穩定，為了保證煤粉鍋爐的穩定運行，最終推薦采用煤粉鍋爐作為設計爐型。

3.2 典型循環流化床鍋爐

某焦爐氣綜合利用制烯烴項目，根據全廠蒸汽平衡確定鍋爐規模為：4臺額定蒸發量260t/h，9.8MPa 540℃高溫高壓鍋爐。

此項目為擴建項目，原項目建有3臺循環流化床鍋爐，新建鍋爐與原項目鍋爐互為備用，不再新建備用鍋爐。

本項目采用洗中煤、煤泥、煤矸石的混煤作為鍋爐燃料，因此只能選用循環流化床鍋爐作為設計爐型。同時，業主基于對已建鍋爐運行特性的了解，為便于生產管理，也強烈要求采用循環流化床鍋爐，因此最終推薦采用循環流化床鍋爐作為設計爐型。

4 結語

鍋爐作為化工廠的動力中心，在化工項目中占有重要地位，鍋爐的選型正確與否決定了鍋爐能否安全、穩定、環保、連續運行；不同項目中鍋爐燃料煤的煤種特性、環保要求、運行要求及項目自身特點等對鍋爐的選型起到了決定性作用：對于燃用煤泥、煤矸石等劣質燃料的鍋爐，只能選用循環流化床鍋爐；對于運行要求較高，要求蒸汽連續供應的項目應選用煤粉鍋爐，選用煤粉鍋爐時對燃料煤的供應也要求具有穩定性；燃料煤收到基低位發熱量Qar,net≤12 000kJ/kg，干燥無灰基揮發分Vdaf≤15%的煤種不宜采用煤粉鍋爐；對于燃用高水分、低灰分煤種的鍋爐不宜采用循環流化床鍋爐；對于改擴建項目，鍋爐的選型應盡量考慮與已建鍋爐爐型保持一致，以便于項目的統一管理；在同等條件下，基于清潔、環保的考慮，應優先選用循環流化床鍋爐作為設計爐型，同時應充分考慮項目業主的意見。

［1］ 范新寬.煤源煤質確定和鍋爐爐型選擇的分析［J］.電力建設，1999（11）：26-28.

［2］ 劉升，劉德豐，王永紅.CFB鍋爐煤質選取的技術經濟分析［J］.華北電力技術，2001（10）：48-49.

［3］ 張方煒.高水分褐煤鍋爐及其制粉系統設計［J］.電力勘測設計，2007（6）：46-50.

［4］ 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 7562-2010.發電煤粉鍋爐用煤技術條件［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［5］ 李天榮.煤粉爐用煤質量標準與安全經濟運行的關系［J］.華北電力技術，1990（12）：37-42.

［6］ 閻維平，路長，馮培燒.燃燒高灰分貧煤的新概念電站鍋爐設計［J］.鍋爐技術，2014（4）：4-6.

Type Selection for the Thermal Power Station Boiler

Zhang Qiong1Xu Binghao2
（1.Henan Electric Power Survey&Design Institute，Zhengzhou Henan 450007；2.China Tianchen Engineering Corporation Company Limited，Tianjin 300400）

This paper mainly discussed the principles for model selection of the thermal power station in the chemical industry project,and analyzed the influence of different factors on the boiler type selection.Through the typical case to introduced the basic consideration of boiler type selection.It provides certain reference significance for the selection of boiler furnace type for the future projects.

coal dust boiler；CFB；type selection

TQ054

A

1003-5168（2017）11-0072-04

2017-10-09

張瓊（1988-），女，碩士，工程師，研究方向：工業鍋爐工藝設計。