均勻性設(shè)計(jì)理念對循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行影響的分析

張雙慶，董巖峰，李文軍，王國武

(北京國電電力有限公司薩拉齊電廠，包頭 014100)

0 引 言

循環(huán)流化床鍋爐對燃料的適應(yīng)性廣，尤其在燃用煤泥、煤矸石、油頁巖和生物質(zhì)等劣質(zhì)燃料具有煤粉鍋爐無法比擬的優(yōu)勢。因循環(huán)流化床鍋爐采用低溫燃燒技術(shù)，熱力型NOx生成量非常低，在鍋爐原始NOx排放的控制上也優(yōu)于煤粉鍋爐。近些年，因?yàn)槊禾烤C合利用率的提高，可供應(yīng)火電廠使用的優(yōu)質(zhì)煤炭越來越少，且價(jià)格越來越高，煤粉鍋爐的市場份額和盈利能力受到排擠。煤洗選過程中產(chǎn)生大量的煤泥和矸石等劣質(zhì)燃料，化工產(chǎn)生的焦炭和廢氣等也需要焚燒處理，而以上劣質(zhì)燃料在循環(huán)流化床鍋爐中均可燃燒。近些年國家環(huán)保要求提高，鍋爐NOx排放控制力度加強(qiáng)，而循環(huán)流化床鍋爐因采用低溫燃燒技術(shù)，NOx原始排放比煤粉鍋爐更低。基于以上因素，循環(huán)流化床鍋爐在近些年得到大力的推廣。以往循環(huán)流化床鍋爐以低參數(shù)小型化爐型為主，污染物排放指標(biāo)要求也比較寬泛，均勻性設(shè)計(jì)理念沒有得到深入的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高循環(huán)流化床鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和充分發(fā)揮低污染物排放的優(yōu)勢，循環(huán)流化床鍋爐正在向大型化高參數(shù)的方向發(fā)展。鍋爐向大型化發(fā)展之后，爐膛尺寸增大，同級受熱面的布置區(qū)域變大，從燃燒側(cè)和汽水側(cè)均會出現(xiàn)偏差大的問題，為解決此問題，均勻性設(shè)計(jì)理念成為了大型化鍋爐設(shè)計(jì)的核心思想。

1 均勻性設(shè)計(jì)理念在爐膛燃燒和傳熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1 均勻性設(shè)計(jì)對燃燒效率的影響

保證較高的燃燒效率，是鍋爐設(shè)計(jì)的核心思想之一。大型循環(huán)流化床鍋爐爐膛尺寸增加，布風(fēng)板尺寸變大，對入爐煤是否能充分燃燒提出了更高的要求。流化的均勻性對入爐煤的充分燃燒有決定性的影響。循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)有足夠的湍流狀態(tài)下流化的床料，可使入爐的煤進(jìn)行充分的加熱和均勻的摻混，實(shí)現(xiàn)均勻燃燒。如床料流化不均勻，部分區(qū)域床料流化不均勻，造成入爐煤的堆積，會造成燃燒不充分，從而降低鍋爐效率，嚴(yán)重的時(shí)候會造成床料結(jié)焦，直接影響鍋爐運(yùn)行可靠性。影響流化的均勻性，主要是布風(fēng)板的布風(fēng)均勻性和返料均勻性，進(jìn)風(fēng)方式的選取成為鍋爐設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。入爐煤的播散均勻性是影響燃燒均勻性的另外一個(gè)重要方面，入爐煤能均勻播散到整個(gè)床面，才能和流化的物料均勻混合，從而實(shí)現(xiàn)均勻燃燒。

1.2 均勻性設(shè)計(jì)對NOx原始生成的影響

循環(huán)流化床鍋爐采用低溫燃燒技術(shù)，燃燒溫度約為850～900 ℃，在此燃燒溫度下熱力型NOx生成量很少，鍋爐NOx排放主要由燃料型NOx決定。如果爐內(nèi)布風(fēng)不均勻，出現(xiàn)局部風(fēng)量過大的現(xiàn)象，會使局部燃燒量過大，床溫均勻性變差，出現(xiàn)局部高溫點(diǎn)，使熱力型NOx的生成量增加，影響到整個(gè)鍋爐的原始NOx排放。

1.3 均勻性設(shè)計(jì)對爐內(nèi)高溫受熱面屏間偏差的影響

爐膛內(nèi)部流化均勻性、給煤均勻性和布風(fēng)均勻性出現(xiàn)偏差，將直接使?fàn)t內(nèi)內(nèi)部煙氣溫度場和速度場出現(xiàn)偏差，而爐膛煙氣從下向上流動過程中，橫向混合能力有限，使?fàn)t膛內(nèi)部不同位置的受熱面出現(xiàn)熱負(fù)荷偏差，受熱面偏差作用于高溫屏式受熱面上，直接使同級受熱面出現(xiàn)壁溫偏差。鍋爐在300 MW等級亞臨界參數(shù)的中小型化和低參數(shù)階段，因?yàn)殄仩t爐膛面積較小，高溫受熱面布置區(qū)域比較集中，煙氣側(cè)產(chǎn)生的偏差不大，使受熱面壁溫偏差較小。因亞臨界參數(shù)以下鍋爐的主汽溫度一般在540 ℃以下，即使出現(xiàn)溫度偏差，也是在材料可承受的范圍內(nèi)，所以早期對于循環(huán)流化床鍋爐煙氣側(cè)偏差的控制的重視程度不高。近些年，循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展到350 MW超臨界和660 MW超超臨界等級之后，因?yàn)殄仩t整體尺寸放大，爐膛同一截面上的流場偏差也會變大且更難控制。同級受熱面布置區(qū)域變大，且水冷壁由自然循環(huán)變?yōu)橹绷鳎煌瑓^(qū)域的受熱面熱負(fù)荷偏差更難控制。因?yàn)槌R界鍋爐主汽溫度提高，使用材料的抗氧化溫度余量變小，控制壁溫偏差要求更加嚴(yán)格，控制煙氣側(cè)流場均勻性成為鍋爐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1.4 均勻性在爐膛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

爐膛內(nèi)部燃燒和流化均勻性得到很好的控制，鍋爐工質(zhì)側(cè)的偏差也會得到很好的控制。均勻性設(shè)計(jì)理念在爐膛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在布風(fēng)均勻性設(shè)計(jì)、給煤均勻性和排渣均勻性設(shè)計(jì)。

一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式對燃燒和流化都會產(chǎn)生很大影響，CFB鍋爐的一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式有水冷風(fēng)室中部多點(diǎn)進(jìn)風(fēng)、水冷風(fēng)室單側(cè)進(jìn)風(fēng)和兩側(cè)進(jìn)風(fēng)等多種方式，影響布風(fēng)板靜壓分布，從而影響到布風(fēng)板一次風(fēng)的分布，使流化和燃燒出現(xiàn)不同程度的偏差。水冷風(fēng)室兩側(cè)進(jìn)風(fēng)使布風(fēng)板靜壓分布偏差大，布風(fēng)板靜壓特性呈現(xiàn)中間高兩端低的趨勢，布風(fēng)板中間的一次風(fēng)量大，兩側(cè)風(fēng)量小，直接導(dǎo)致中間床溫高，NOx生成量大，同時(shí)使水冷壁相關(guān)區(qū)域熱負(fù)荷升高，壁溫偏差大。大型循環(huán)循環(huán)流化床一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式推薦水冷風(fēng)室中部多點(diǎn)均勻進(jìn)風(fēng)，使布風(fēng)板靜壓分布均勻，從而使一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)均勻，物料流化均勻，避免了布風(fēng)板的局部高溫，使水冷壁壁溫更均勻，提高鍋爐可靠性。

大型循環(huán)流化床鍋爐的給煤方式采用前墻給煤方式，增加給煤口數(shù)量，使給煤沿鍋爐寬度方向分布均勻。給煤口底部設(shè)置播煤風(fēng)，使給煤在鍋爐深度方向播散均勻，從而使燃燒均勻。采用后墻多點(diǎn)排渣方式，排渣口均勻布置，與給煤和返料布置方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)的均勻，使鍋爐煙氣側(cè)均勻性更好，達(dá)到控制NOx和受熱面偏差控制的目的。

2 均勻性設(shè)計(jì)理念在尾部煙道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鍋爐容量增加之后，鍋爐尾部煙道寬度增加，尾部煙道內(nèi)并聯(lián)布置的蛇形管受熱面被分離器出口煙道內(nèi)流場分布的影響變大，使并聯(lián)的每一片蛇形管受熱面的壁溫產(chǎn)生不可忽略的偏差。以350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐為例，分析分離器出口煙道布置方式對尾部煙道內(nèi)受熱面的影響。

圖1為一種350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的分離器出口煙道，該爐型共3個(gè)旋風(fēng)分離器，3路出口煙道匯集成一路煙道進(jìn)入尾部豎井煙道，因分離器中間煙道偏置，沒有按照對稱原則布置，且兩側(cè)煙道向匯集后煙道的中間集中，造成煙氣流場偏差。從流場模擬結(jié)果看，進(jìn)入尾部豎井煙道區(qū)域的煙氣出現(xiàn)明顯偏差，中間煙道正對的一側(cè)區(qū)域煙氣流速高，豎井煙道兩側(cè)煙氣流速明顯低于中間區(qū)域，使尾部豎井內(nèi)的受熱面熱負(fù)荷呈現(xiàn)兩側(cè)低，中間局部高的現(xiàn)象，熱負(fù)荷高的區(qū)域蛇形管受熱面溫度嚴(yán)重偏高。為使受熱面滿足要求，必須加大高等級金屬材料的比例，提高受熱面的強(qiáng)度和抗氧化性。

圖1 方案優(yōu)化前尾部煙道流場

為降低尾部豎井煙道內(nèi)的煙溫偏差，必須使用均勻性設(shè)計(jì)理念。圖2為優(yōu)化后的分離器出口煙道，在結(jié)構(gòu)三個(gè)煙道匯集到一個(gè)煙道之前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對煙氣進(jìn)行導(dǎo)流，使煙氣匯合之前即完成方向調(diào)整。從流場模擬結(jié)果來看，尾部豎井煙道內(nèi)的煙氣流場已經(jīng)明顯優(yōu)于原有方案，煙氣流場均勻性變好，有效降低受熱面壁溫偏差。

圖2 方案優(yōu)化后尾部煙道流場

3 結(jié)束語

均勻性設(shè)計(jì)通過控制燃燒側(cè)的溫度場和流場的均勻性，來達(dá)到偏差控制、提高鍋爐效率和控制污染物排放的目的。大型化循環(huán)流化床鍋爐各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)要求越來越高，均勻性設(shè)計(jì)理念已經(jīng)成為鍋爐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。