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前 言
循環(huán)流化床(CFB)鍋爐的優(yōu)點(diǎn)及大體結(jié)構(gòu)，已有文章作了介紹〔1，2〕，本文主要闡述CFB鍋爐發(fā)展中存在的問題，并介紹國(guó)內(nèi)外解決這些問題的具體措施、經(jīng)驗(yàn)和注意事項(xiàng)。
CFB鍋爐目前存在的主要問題有：達(dá)不到銘牌出力;高溫旋風(fēng)分離器達(dá)不到設(shè)計(jì)效率;耐火材料脫落引起其它部件堵塞;主床溫度過高，布風(fēng)板易燒壞;受熱面快速磨損等。
1 解決存在問題的經(jīng)驗(yàn)
1.1 返料器存在的問題及其改造
返料器的功能，一是返料，即將分離下來的物料送回主床;二是密封以防止主床煙氣反串入分離器。J型閥是返料器的一種，主要由下降管、上升段、返料斜管、風(fēng)室和布風(fēng)板等組成〔3〕(見圖1)。分離器捕集的灰粒經(jīng)下降管進(jìn)入布風(fēng)板，在流化風(fēng)的作用下經(jīng)上升段和返料斜管溢流進(jìn)入燃燒室反應(yīng)區(qū)。
以四川南川縣東勝火電廠的65 t/h CFB鍋爐為例。該廠在運(yùn)行中返料器的上升段(圖1)常發(fā)生沸騰燃燒，造成高溫結(jié)焦堵塞，嚴(yán)重時(shí)甚至停爐。另一問題是當(dāng)煤的灰分少或負(fù)荷減少時(shí)，羅茨風(fēng)機(jī)的高壓風(fēng)穿透下降管柱中的物料，反串進(jìn)入旋風(fēng)分離器，破壞了密封和物料的循環(huán)。
東勝火電廠對(duì)此作了改進(jìn)(如圖1)。返料風(fēng)取自空氣預(yù)熱器前的一次冷風(fēng)，并采用分段送風(fēng)法。部分風(fēng)作為返料器的鼓泡流化風(fēng)，另一股風(fēng)裝在J型閥的上升段出口處，再次增加返回物料的動(dòng)能;第3股風(fēng)裝在返料斜管燃燒室入口處，阻止鍋爐內(nèi)高溫物料和煙氣的反串，且能將返回物料以較高的速度進(jìn)入燃燒室與爐內(nèi)物料更強(qiáng)烈地?cái)嚢杌旌稀５?，3股風(fēng)出口處制成扁平型的噴咀，其方向與角度和物料的流向一致，各噴咀的下沿與返料道內(nèi)壁應(yīng)保持一定距離，以利于物料能順利進(jìn)入主床。
改進(jìn)后，消除了返料器沸騰燃燒結(jié)焦堵塞等現(xiàn)象，而且返料量有“自動(dòng)調(diào)節(jié)”的功能。負(fù)荷增減時(shí)，風(fēng)煤量隨之增減，循環(huán)物料亦增減，進(jìn)入返料器各段的風(fēng)量風(fēng)壓亦隨之增減，從而增減了返料量。該廠改進(jìn)后，從點(diǎn)火升爐到正常運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，一次風(fēng)壓穩(wěn)定在0.7～11 kPa之間，返料暢通，返回物料與爐中高溫物料的混合度甚高。這對(duì)燃燒傳熱有利，完全克服了主床被煙氣物料反串的現(xiàn)象。取消羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)運(yùn)行和檢修也有好處。
1.2 布風(fēng)板存在的問題及解決措施
布風(fēng)板存在的問題主要是床溫過高和顆粒倒流倒灌。內(nèi)江電廠410 t/h CFB鍋爐系芬蘭產(chǎn)品，它采用水冷布風(fēng)板和彎管式風(fēng)帽解決上述問題。
該爐布風(fēng)板的冷卻介質(zhì)與鍋爐蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)相連。自然循環(huán)系統(tǒng)中后墻下聯(lián)箱的部分爐水向水冷布風(fēng)板管子供水，經(jīng)布風(fēng)板管后再向前墻上聯(lián)箱流去，上聯(lián)箱與汽包聯(lián)通。此法有效地防止了布風(fēng)板過熱變形。
內(nèi)江電廠CFB鍋爐布風(fēng)板裝有彎管式風(fēng)帽。布風(fēng)板略向后墻傾斜，以利床底大顆粒能向布置在后墻方向的6個(gè)排渣孔位移并排出。排出的底渣經(jīng)底渣冷卻裝置處理后輸送到底渣倉(cāng)。
1.3 分離器存在的問題和再循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)
旋風(fēng)分離器用于CFB鍋爐，主要存在以下問題：保溫材料耐高溫性能和耐磨能力不夠，內(nèi)襯磨損嚴(yán)重;經(jīng)常出現(xiàn)再燃現(xiàn)象，甚至將分離器自身燒壞;保溫材料熱慣性大，導(dǎo)致啟停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷變化適應(yīng)能力低;自身體積大，密封和膨脹系統(tǒng)復(fù)雜，不利于CFB鍋爐大型化等。
圖2所示機(jī)組于1991年投運(yùn)，過熱汽溫510℃，汽壓10.6 MPa。鍋爐以嚴(yán)密膜式水冷壁作為爐膛的隔離墻。為了保證更好的混合，減小下部爐膛的橫斷面積，下部爐膛的截面積設(shè)計(jì)按滿負(fù)荷時(shí)煙氣流速6 m/s進(jìn)行。從下部爐膛管子表面到上部圓錐體的一段，覆蓋高傳熱耐火材料。一次除塵為撞擊式分離，由交錯(cuò)排列分布的槽形部件組成，故亦稱槽形分離器。它們被懸掛在爐頂，對(duì)煙氣和固體顆粒的通道形成迷宮封(如圖3)。有2排一次除塵器布置在水平煙道入口前的爐膛中，收集來的灰粒沿后墻返回爐膛如圖2所示。由水平煙道中另一排分離器，收集固體顆粒進(jìn)入灰斗，并經(jīng)4個(gè)J閥返回下部爐膛。
撞擊式分離器宜用于揮發(fā)分較低的煤種和粒徑分布偏大的入爐煤。用槽形分離器配合多管式除塵器，與旋風(fēng)分離器相比較，除結(jié)構(gòu)上可降低CFB鍋爐高度外，還有如下優(yōu)點(diǎn)：
a.槽形分離器組的阻力小，風(fēng)壓損失較小，下部爐膛的氣流擴(kuò)散密度甚低，風(fēng)壓可降低25%，經(jīng)計(jì)算，300 t/h的CFB鍋爐(風(fēng)機(jī)占鍋爐廠用電的60%)，僅此一項(xiàng)措施可降低鍋爐廠用電15%。
b.爐膛內(nèi)的顆粒分離，強(qiáng)化了顆粒內(nèi)部的再循環(huán)，促使沿爐膛高度的濃度變化較均勻。
c.這種分離器的結(jié)構(gòu)適宜于采用新的耐火材料，能增加分離器的壽命，且由于新材料的熱容量小，對(duì)加速啟停爐和負(fù)荷變化的反應(yīng)有利。
d.能捕捉粒徑小的顆粒，起到改善爐膛的熱交換、燃燒條件和吸附劑充分利用的作用。
使用上述槽形分離器加多管式除塵器的2臺(tái)美國(guó)拔伯葛—威爾考克斯公司的CFB鍋爐，經(jīng)2 a運(yùn)行良好。在合理的煙速下無磨損、無嚴(yán)重積灰現(xiàn)象;多管式除塵器除塵效率達(dá)99.5%;耐火材料除分隔墻壁有局部磨損外，其余部分無明顯磨損，是一項(xiàng)成功的改進(jìn)。
1.4 灰渣物理顯熱的利用
國(guó)外的CFB鍋爐多采用外置式灰熱交換器，以回收灰渣的物理熱，并對(duì)負(fù)荷及床溫進(jìn)行快速控制和調(diào)節(jié)。例如德國(guó)ABB/CE公司與魯齊公司共同生產(chǎn)的47臺(tái)CFB鍋爐都有外置式熱交換器，簡(jiǎn)稱FBHE。從分離器下來的循環(huán)灰溫高達(dá)899℃，F(xiàn)B-HE內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)受熱面、過熱器和再熱器等，充分利用了高溫灰的熱能。因受熱面埋在流動(dòng)的熱灰之中，故熱灰對(duì)管束傳熱系數(shù)高。國(guó)產(chǎn)CFB鍋爐由于多種原因未設(shè)計(jì)外置式灰熱交換器，故無上述功能。內(nèi)江高壩發(fā)電廠從芬蘭能源工程公司引進(jìn)的410 t/hCFB鍋爐，配有6套底灰渣冷卻裝置。底渣經(jīng)壓縮空氣脈動(dòng)控制的排灰管從爐底進(jìn)入流化型冷渣器內(nèi)，來自引風(fēng)機(jī)出口的再循環(huán)冷煙氣在冷渣器內(nèi)以0.5～1.0 m/s的速度流化渣料，進(jìn)行氣固流化換熱，同時(shí)還預(yù)熱部分除氧水，回收底渣物理熱。換熱后的流化煙氣從冷渣器頂部進(jìn)入爐膛，約300℃的底渣從冷渣器底部排入水冷絞龍。這套灰渣熱能的利用，筆者認(rèn)為值得推薦。
2 入爐煤粒徑和干燥問題
2.1 煤粒粒徑
2.1.1 顆粒過大將會(huì)造成磨損面積擴(kuò)大，磨損速度加快。浙江山乘縣熱電廠運(yùn)行初期入爐煤粒徑為0～12 mm，水冷壁磨損每年達(dá)1～2 mm，旋風(fēng)分離器嚴(yán)重磨損，除塵器效率顯著降低。
2.1.2 顆粒過大易造成床面結(jié)焦。入爐煤顆粒過大，再加上雜質(zhì)混合將損壞風(fēng)帽，使局部流化不良，局部床溫升高導(dǎo)致結(jié)焦。如再加上其它原因，如料層過厚、排渣不及時(shí)等則更容易結(jié)焦。燃用灰熔點(diǎn)較低的煤時(shí)，國(guó)產(chǎn)75 t/h CFB鍋爐曾發(fā)生過多起結(jié)焦事故，如項(xiàng)城熱電廠YG-75/5M型1號(hào)爐，在試運(yùn)期間曾發(fā)生4次整個(gè)床面結(jié)成一體，焦塊堅(jiān)硬，清理十分困難。
2.1.3 顆粒過大將使床溫偏低且不能滿負(fù)荷運(yùn)行。例如山乘縣熱電廠和葫蘆島電廠的3臺(tái)75 t/h CFB鍋爐，入爐煤粒徑在0～15 mm，平均粒度3～5 mm，加之漏風(fēng)嚴(yán)重，爐膛過?？諝庀禂?shù)高達(dá)1.15，是造成這些CFB鍋爐不能滿負(fù)荷運(yùn)行的重要原因。
2.2 國(guó)外對(duì)入爐煤粒度的要求
歐洲大型CFB鍋爐入爐煤粒徑級(jí)配大多為：粒徑0.1 mm的煤小于10%;粒徑小于1.0 mm的煤小于60%;粒徑小于4.0 mm的煤小于95%;入爐煤粒徑不允許大于10 mm。有人認(rèn)為入爐煤的粒徑要求和級(jí)配應(yīng)與煤的揮發(fā)分有關(guān)，即：Vr+A=85%～90%，式中 Vr為入爐煤可燃基揮發(fā)分，%;A為粒徑小于1 mm的份額，%。
2.3 入爐煤的粒徑級(jí)配
CFB鍋爐入爐煤粒徑的合理級(jí)配是個(gè)比較復(fù)雜的問題，它與煤種、鍋爐結(jié)構(gòu)、底爐料和循環(huán)倍率等有關(guān)。大粒徑的煤在濃相區(qū)漂浮停留時(shí)間較長(zhǎng)，它們主要在濃相區(qū)燃燒;小粒徑的煤在濃相區(qū)迅速上升，多在爐膛中上部燃燒。循環(huán)倍率高的CFB鍋爐在濃相區(qū)燃燒份額少于循環(huán)倍率低的，故2者級(jí)配亦不同;揮發(fā)分高的煤易著火，在濃相區(qū)燃燒份額高于無煙煤。
我國(guó)CFB鍋爐要求將原煤制成0～8 mm或0～10 mm顆粒，但實(shí)際入爐煤的備制達(dá)不到這個(gè)要求，運(yùn)行中尚含有大于10 mm的煤塊。我國(guó)CFB鍋爐大多采用煤粉爐原煤倉(cāng)前的破碎機(jī)輸送系統(tǒng)，即破碎機(jī)加篩分和皮帶運(yùn)輸機(jī)。這樣的系統(tǒng)當(dāng)原煤潮濕時(shí)，入爐煤中大于10 mm的煤塊就更多了。這種系統(tǒng)必須加以改進(jìn)，才能適用于CFB鍋爐。
2.4 入爐煤的干燥
2.4.1 入爐煤制備機(jī)械的選擇。許多火電廠的來煤是顆粒較碎的混煤。
氣候干燥的地區(qū)，如原煤水分Wy<6%，可采用篩分—破碎—皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，但Wy往往大于6%，尤其在南方多雨地區(qū)。潮濕的煤在一般振動(dòng)篩上，網(wǎng)孔將被潮濕的細(xì)粉所堵塞。濕煤進(jìn)入破碎機(jī)后，將在反擊板上結(jié)一層潮濕的粉煤層，降低機(jī)械破碎能力。嚴(yán)重時(shí)，濕煤能將整個(gè)破碎腔堵塞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)的入爐煤往往含有較多的粒徑大于10 mm的煤塊。較濕的成品煤入倉(cāng)后，能在煤倉(cāng)壁、下煤口、給煤絞籠、落煤管等處堆積堵塞，所以外水分大的煤應(yīng)有干燥系統(tǒng)。
2.4.2 CFB鍋爐的干燥系統(tǒng)。按西安熱工研究所提出的發(fā)電煤分類(VAWST)，外水分Wy分為3級(jí)：小于8%為正常水分，Wy=8%～12%為高水分，大于12%為超水分。故筆者認(rèn)為Wy≥8%的原煤都應(yīng)裝有干燥系統(tǒng)。
美、俄等國(guó)多采用流態(tài)化技術(shù)來干燥原煤，他們的規(guī)模都很大，一般可干燥原煤100～200 t/h。采用燃油或天然氣的熱煙爐產(chǎn)生400～600℃的高溫氣體，脫水率ΔWy可達(dá)10%～20%。
西安熱工研究所曾為舒蘭礦務(wù)局化工廠設(shè)計(jì)了1套錘擊式磨煤機(jī)，能生產(chǎn)0.2～2.0 mm粒徑的燃煤。錘擊磨為1300/944型切向進(jìn)風(fēng)式，設(shè)計(jì)出力10t/h，實(shí)際可達(dá)18 t/h。0～1 mm粒徑的份額占50%～70%(見圖4)。它與法國(guó)EM.H電廠的Lurgi型CFB鍋爐的入爐煤制備系統(tǒng)相似。這套設(shè)計(jì)的顆粒特性滿足CFB鍋爐ΔWy=10%的要求。設(shè)計(jì)制煤電耗率為6 kW·h/t，舒蘭廠實(shí)測(cè)≤3.5 kW·h/t。
西安熱工研究所與清華大學(xué)為220 t/h CFB鍋爐提出的錘擊式破碎機(jī)、熱風(fēng)分選干燥、負(fù)壓氣力輸送的燃煤制備系統(tǒng)與圖4相似。經(jīng)初破碎小于30mm的原煤，由進(jìn)煤管進(jìn)入分選干燥管。不同粒徑的煤粒將以各自沉降速度Vo下落。經(jīng)試驗(yàn)，分選干燥管的煤粒將被高溫氣流預(yù)分選。設(shè)熱風(fēng)速V1≥8 m/s，則原煤中小于6 mm粒徑的煤粒被熱風(fēng)托起上升，大粒徑的煤進(jìn)入錘擊磨，破碎后合格的煤粒又被熱風(fēng)托起上升。此系統(tǒng)分選和干燥同時(shí)進(jìn)行，破碎機(jī)內(nèi)不存在濕煤粘結(jié)，粒徑合格的成品煤送入成品煤倉(cāng)。
2.5 琴弦式振動(dòng)篩
對(duì)于小型CFB鍋爐可采用山乘縣熱電廠的自定中心琴弦式振動(dòng)篩。該廠原煤Wy高達(dá)15%，使用琴弦式振動(dòng)篩，毋須預(yù)先干燥。
自定中心琴弦式振動(dòng)篩主要由篩箱、撓性吊架和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。篩箱有2層篩網(wǎng)，上層為錳鋼板板篩，下層為不銹鋼絲的琴弦篩。整個(gè)篩網(wǎng)箱作橢圓振動(dòng)，經(jīng)破碎的煤在鋼板篩上作第1次篩分，篩下物落到下層琴弦網(wǎng)上，沖擊琴弦產(chǎn)生振動(dòng)，作第2次篩分。通過調(diào)整琴弦間距，可以控制煤的粒度，調(diào)整琴弦的弛度，可改變琴弦的振動(dòng)頻率。由于琴弦的振動(dòng)，物料不會(huì)在琴弦上粘結(jié)。
琴弦振動(dòng)篩出力可達(dá)120 t/h，目前尚有揚(yáng)塵等環(huán)保問題有待解決。
