一種循環流化床殘炭鍋爐的設計

趙拓 翟建楠 侯學軍

(中科清能燃氣技術(北京)有限公司，北京 100083)

0 引言

循環流化床煤氣化會產生灰渣和殘炭，灰渣的含炭量較低，低于8%，燃燒利用價值不大；而殘炭的低位發熱量約為3000kcal/kg 左右，含灰量大、揮發分低、燃燒利用價值高，在常規的燃煤CFB 鍋爐內燃燒困難。目前好多企業將殘炭送到鍋爐中燃燒，不僅燃燒效果不好，而且與煤的配比難，摻燒量有限，還會導致鍋爐尾部受熱面積灰嚴重，大大降低了鍋爐的效率。

為了有效處理循環流化床氣化產生的固廢殘炭，研發設計了循環流化床殘炭鍋爐，有效解決了環保與能源利用問題，使循環流化床煤氣化技術更加完善。殘炭鍋爐采取了特殊燃燒殘炭工藝，成功實現了煤氣化后殘炭的高效燃燒，殘炭鍋爐不僅處理了固廢，還可生產各種參數的蒸汽，為客戶提供了一條可靠的殘炭處理途徑，實現了環保與經濟雙贏。

1 鍋爐設計基本條件

1.1 鍋爐形式與設計參數

鍋爐型式：循環流化床鍋爐 額定蒸發量：20t/h。

額定蒸汽壓力： 3.82MPa 額定蒸汽溫度：450℃。

鍋筒工作壓力：4.2MPa 鍋爐循環方式：自然循環

給水溫度：104℃。

1.2 設計燃料

鍋爐設計燃料煤氣化后的殘炭，其粒徑為0～0.2mm，其元素分析、工業分析如表1 所示。

表1 殘炭的元素分析、工業分析

2 鍋爐總體布置

2.1 整體概述

鍋爐由爐膛、旋風分離器、返料器、尾部煙道等單元組成。爐膛采用膜式水冷壁結構，爐膛底部為水冷布風板，爐底布置點火燃燒器。旋風分離器布置在爐膛出口和尾部煙道之間，返料器布置在旋風分離器底部，尾部煙道中從上到下依次布置有高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器和空氣預熱器。殘炭從返料器加入，殘炭和循環灰混合后進入爐膛，延長了殘炭燃料在爐內的停留時間，可有效的提高殘炭的燃燒效率。

2.2 鍋爐汽水系統

鍋爐給水經過給水操作平臺后一路進入省煤器進口集箱，經過兩級錯排布置的蛇形管省煤器引至汽包。另一路進入噴水減溫器，調節低溫過熱器的出口蒸汽溫度。鍋爐汽包內的鍋水由下降管分配到膜式水冷壁下集箱，經膜式水冷壁加熱后成為汽水混合物，隨后將汽水混合物引入汽包進行汽水分離。被分離出來的水進入汽包水空間，進行再循環。分離出來的飽和蒸汽從汽包頂部連接管引至過熱器，經過過熱器將蒸汽過熱，最后引至熱器集汽集箱將過熱蒸汽外供。

2.3 鍋爐煙風系統

空氣采用一次風和二次風兩級送風。一次風分為二路，第一路引至爐前螺旋給煤機，作為播煤風，隨給煤一起進入爐膛，第二路進入經由風道引入爐膛下部的水冷風室，經過布風板上的風帽進入爐膛。高壓流化風機供給返料器所需的高壓流化風。殘炭在爐膛內燃燒后產生的高溫煙氣流經尾部煙道的高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器和空氣預熱器，然后經除塵系統和脫硫系統排向大氣。

2.4 鍋爐基本尺寸

鍋爐鋼架最高處標高：25500mm

鍋爐運轉層標高：6000mm

鍋爐中心左、右柱寬度：4300mm

鍋爐前、后柱深度：12400 mm

鍋筒中心標高：25000mm

爐膛布風板：1300×2900mm2

爐膛上部橫斷面：3000×3000mm2

過熱器煙道橫斷面：1600×2500mm2

省煤器橫斷面：1600×2500mm2

空預器橫斷面：1600×2500mm2

3 鍋爐主要系統的設計

3.1 燃燒過程組織

殘炭從返料器的返料腿加入，熱空氣從爐底風帽加入，殘炭和熱空氣在爐膛內摻混燃燒，并與膜式水冷壁受熱面進行熱交換。煙氣中攜帶的物料與細粉灰大部分被分離器分離下來，經返料器返回爐膛，其余煙氣攜帶少量的未被分離的細粉灰進入尾部受熱面繼續換熱。

3.2 爐膛下部結構

本鍋爐爐膛上部橫斷面為3000×3000mm2，工作溫度950℃，爐膛下部橫斷面為2900×1300mm2，工作溫度930℃，爐膛形成上大下小的結構。布風板上均勻布置142 只風帽，風帽帽頭采用高溫耐磨合金精密鑄造。

3.3 氣固分離與返料

本鍋爐旋風分離器為特殊的高效分離元件，進口速度可達30m/s,能夠有效的分離煙氣中攜帶100μm 以下的細灰。筒體內壁面及煙道進口通道內壁面均敷設防磨澆注料。整個物料分離和返料回路的工作溫度為950℃。

3.4 鍋爐的排渣

殘炭燃燒后的固廢以飛灰形式從尾部排出。就本設計燃料殘炭粒度而言，底渣排放量為0%，飛灰占總灰量的100%。如更換燃料需要排底渣時，底渣從布風板上的放渣管排出爐膛。

3.5 鍋爐殘炭的加入

點火啟動時需要先燃煤，待鍋爐建立循環且爐膛底部溫度900℃以上時可少量分多次投入殘炭，待殘炭燃燒后可逐步減少給煤，同時增加殘炭投入量，直至全部燃料為殘炭后停止給煤。

殘炭給料口布置在返料器下部的料腿上，給料方式為氣力輸送。殘炭和循環灰混合后從爐膛下部進入爐膛，可有效延長殘炭燃料在爐內的停留時間，提高殘炭的燃燒效率。

4 鍋爐設計特點

(1)鍋爐旋風分離器高效設計，可有效分離煙氣中攜帶的細粉灰。

(2)殘炭在鍋爐中燃燒，不用添加任何輔助床料，即可建立穩定物料循環。

(3)爐膛運行溫度為900～950℃。

(4)爐膛低流化速度，增加物料停留時間。

(5)殘炭采用氣力輸送到返料器處，經返料器預熱后再進入爐膛，提高殘炭的燃燒效率。

5 結語

目前，該循環流化床殘炭鍋爐已經在甘肅某地投入運行，并且運行狀況良好，各項指標都達到了設計要求，社會經濟效益明顯。殘炭鍋爐按照年平均80%負荷計算，每小時可消耗氣化飛灰4t，按照年運行8300h/a 可處理氣化飛灰33200t，節約標準煤15000t 左右，大大解決了環保問題，同時又帶來了經濟效益。