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220th節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的設計

文檔作者：包紹麟呂清剛那永潔等文檔來源： 1．中國科學院工程熱物理研究所 2．無錫華光鍋爐有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月29日
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· 研究與開發(fā)· 220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的設計 15
文章編號：1004—8774(2013)05-0015-05
220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的設計
包紹麟 ，呂清剛 ，那永潔 ，孫運凱 ，王海剛 ，周 托
沈解忠 ，毛軍華 ，蘇小平 ，楊 浩 ，錢 剛 ，景 磊
(1．中國科學院工程熱物理研究所，北京100190；
2．無錫華光鍋爐有限公司，江蘇無錫214028)
摘要：介紹了220 t／h節(jié)能環(huán)保型循環(huán)流化床(簡稱CFB)鍋爐的設計原則，探討了降低
鍋爐有害氣體NO 和sO：排放的措施，對滿足我國環(huán)保政策的CFB鍋爐研發(fā)具有參考意義。
關鍵詞：CFB鍋爐；節(jié)能環(huán)保；設計
中圖分類號：TK229：6 6 文獻標識碼：A
Design of 220 t／h Circulating Fluidized Bed Boilers with
Energy Conservation ＆ Environmental Protection
BAO Shao—lin ，LYU Qing—gang ，NA Yong-jie ，SUN Yun．kai ，
WANG Hai．gang ，ZHOU Tuo ，SHEN Jie—zhong ，MAO Jun hua ，
SU Xiao。ping ，YANG Hao ，QIAN Gang ，JING Lei
第一作者：包紹麟
(1963一)，男，中國
科學院工程熱物 m
研究所研究員，長
從事循環(huán)流化床燃
燒理論和技術開發(fā)
工作。
(1．Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing·100190，China；
2．Wuxi Huaguang Boiler Co．Ltd．，Wuxi 214028，China)
Abstract：The design principle of 220 t／h circulating fluidized bed(CFB)boilers with energy conservation and envi—
ronmental protection is introduced，and the measures to reduce NO and SO2 emission are discussed．It is hoped to provide
some reference for the research and development of CFB boilers which meet the environmental requirement in China．
Key words：CFB boHer；energy conservation and environmental protection；design
1 前言
煤的CFB燃燒是一種高效和低污染的清潔燃
燒技術，CFB鍋爐具有負荷調節(jié)范圍廣和對燃料的
適應性強等突出優(yōu)點。CFB鍋爐的爐膛溫度通常在
850～900℃，這是一個理想的石灰石分解脫硫反應
溫度區(qū)問，通過直接向爐膛加入石灰石，可使煙氣中
的SO 脫除效率達到90％ 以上；同時，采用低溫和
分級送風燃燒，可大大降低NO 的生成。
中國科學院工程熱物理研究所與無錫華光鍋爐
股份有限公司于2004年成功開發(fā)了240 t／h高溫高
壓CFB鍋爐，首臺鍋爐建在洛陽華潤熱電有限公
司 J。隨后，廣東東莞理文280 t／h和南京協(xié)鑫240
t／h等近200多臺同容量等級、不同蒸汽參數(shù)的CFB
收稿日期：2013-05-06
基金項目：中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項資助
(XDA07030100)
鍋爐陸續(xù)建成并投入商業(yè)運行，這些CFB鍋爐的運
行調整時間短，系統(tǒng)設計簡單，可以做到按需停爐，
年連續(xù)運行時間達到7 000小時以上，特別適應中
國的煤質特性和運行條件，形成了具有獨立自主知
識產權的CFB鍋爐技術設計體系，獲得用戶的普遍
好評。其中，洛陽華潤熱電有限公司的220 t／h CFB
鍋爐在燃用5 200 kcal／kg山西晉城無煙煤時，鍋爐
熱效率為91．10％ ；陜西渭河沽能有限公司的
240 t／h CFB鍋爐在燃用5 300 kcal／kg煙煤時，鍋爐
熱效率為92．50％ 。
我國政府于2012年頒布了火電廠大氣污染物
排放標準GB 13223-2011，要求新建鍋爐煙氣排放
中SO2<100 mg／m (標態(tài))、NO <100 mg／m (標
態(tài))，2014年將在全國主要省區(qū)推廣，并逐漸推廣到
全國。過去，CFB鍋爐首先要保證煤的高效燃燒，現(xiàn)
在，NO 、SO 排放是否達標是新的關注點，如果鍋爐
的煙氣污染物排放不達標，鍋爐的高效燃燒也就失
去了意義。CFB鍋爐的科研工作者必須根據市場需
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· 研究與開發(fā)· 220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的設計 17
效的措施抑制NO 的生成。下面簡要介紹NO 的
生成機理。
鍋爐燃燒中產生的NO 主要有燃料型NO 和
熱力型NO ，燃料型NO 由燃料中的氮成分在燃燒
中產生，熱力型NO 是由于空氣中的N：高溫氧化
產生。由于CFB鍋爐的燃燒溫度一般在850～950
cI二，空氣中N 氧化形成的熱力型NO 很少，可忽略
不計。燃料型NO 在CFB鍋爐里的生成過程比較
復雜，與煤種、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)、空氣分級供
入等因素有關。
煤種不同，揮發(fā)分和氮含量不同，CFB鍋爐燃燒
中NO 的排放也不同。燃料中的氮含量高，燃燒中
產生的NO 就高；揮發(fā)分高的煤種，如褐煤，NO 的
排放較高，揮發(fā)分低的煤種，如無煙煤和貧煤，NO
的排放較低。
研究已經確認，爐膛燃燒溫度在850～880 oC是
最低NO 的生成反應區(qū)間，高于這個溫度，NO 將
大幅度升高，低于這個溫度，煤將不能得到很好的燃
盡。
爐膛內供人的氧氣越少，生成的NO 就越少，
但進一步減少氧氣的供應，會增加飛灰含碳量，CO
排放也會增加，鍋爐燃燒效率會明顯下降。經驗表
明，爐膛出口的煙氣氧含量控制在2％ ～3％，NO
生成比較小，燃燒效率也能夠得到保證。
CFB鍋爐采取空氣分級供入技術，大約50％ 的
空氣從爐膛下部進入爐膛，使爐膛下部基本上處于
還原性氣氛中，生成的NO 被還原，抑制了NO 的
生成。另外50％的燃燒空氣從爐膛的中下部給人，
此時燃料中的N成分燃燒生成的NO 就少很多。
根據以上研究成果，220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB
鍋爐將通過合理設置爐膛受熱面，控制爐膛燃燒溫
度設計點(860～880 oC)；嚴格進行空氣分級供入，
低于50％總風量作為一次風從爐膛布風板下送人，
另外高于50％的空氣作為二次風從爐膛布風板上
給入。根據尾部煙氣中的氧含量為2％ ～3％決定
總風量的加入量。通過采取以上措施，220 t／h節(jié)能
環(huán)保型CFB鍋爐的NO 排放可控制在100 mg／m
(標態(tài))以下。對于含氮較高的煤種，NO 的排放濃
度可能會超過100 mg／m (標態(tài))，但不會超過200
mg／m。(標態(tài))，可通過在旋風分離器的進口采取簡
單的選擇性非催化還原(selective non—calalytic re—
duction，SNCR)技術，將尾部煙氣的NO 排放控制
在100 mg／m (標態(tài))以下。
在眾多的煙氣脫硝技術中，SNCR是應用較為
廣泛的技術，特別適合CFB鍋爐。SNCR的還原溫
度窗口在800～950℃ ，正好落在最佳的脫硫脫硝溫
度860—880 oC以內，是比較適合CFB鍋爐應用的，
它不需要催化劑，運行費用較低，尿素通?？捎米?
NO 的還原劑；氨水也是較好的還原劑，但由于環(huán)境
及安全因素，使用不多。大量的工業(yè)應用實踐表明，
CFB鍋爐的高溫旋風分離器是很好的脫NO 場所，
還原劑和煙氣在這里能夠進行最好的摻混，采用
SNCR技術可以獲得60％ ～85％的脫NO 效率。
現(xiàn)在，新開發(fā)的220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐
均在高溫旋風分離器的進口煙道上設置了用于
SNCR脫硝的加人口，大多在進口煙道的外側垂直
方向布置2～5個噴入口，也有布置在進口煙道的內
側，外面用盲板封住，用戶可自己選擇專業(yè)的環(huán)保0
司進行SNCR系統(tǒng)的設計和現(xiàn)場安裝。可以設計一
套系統(tǒng)同時對應幾臺CFB鍋爐。
5 脫硫方面采取的措施 J
CFB鍋爐燃燒技術最突出的優(yōu)勢是，能夠通過
向爐膛內加入石灰石粉的簡廉方法實現(xiàn)煙氣SO 排
放濃度達標，這也是CFB鍋爐能夠在中國得到大規(guī)
模應用的重要原因。石灰石加入爐膛的位置以及方
式對脫硫效果的影響很大，因此220 t／h節(jié)能環(huán)保
型CFB鍋爐有必要根據國內脫硫科研成果進行優(yōu)
化設計。
國內科研機構在脫硫方面的多年研究得出的主
要結論是，對于大多數(shù)含硫量小于1％ 的煤種，采取
有效的脫硫措施后，SO 排放濃度能夠達到
100 mg／m (標態(tài))以下；對于含硫量大于1％ 的煤
種，sO 排放能夠達到200 mg／m (標態(tài))以下，但達
到100 mg／m (標態(tài))以下有難度，解決辦法是采用
爐內石灰石加入系統(tǒng)之后，尾部再增加一級濕法脫
硫系統(tǒng)，這樣就完全能夠達到100 mg／m (標態(tài))以
下的國家排放標準。
石灰石加入爐膛的工藝有兩種，一是通過二次
風管將石灰石粉送進爐膛，這是國內較普遍采用的
方法；第二個是通過返料器送進爐膛，石灰石粉先與
高溫循環(huán)灰混合、被分解，再吸收煙氣中的SO 。工
業(yè)實踐證明第二個方法更為有效，可大幅度減少石
灰石粉的用量。
為保證220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的煙氣達
到新的國家環(huán)保標準，在建設發(fā)電廠的時候都需在
尾部設計一套濕法脫硫系統(tǒng)?，F(xiàn)在尾部濕法脫硫系
統(tǒng)的設備造價已經很低，大多數(shù)發(fā)電廠能接受。在
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18 工業(yè)鍋爐 2013年第5期(總第141期)
鍋爐運行時，當煙氣中的SO 排放濃度超過
100 mg／m (標態(tài))時，啟動尾部濕法脫硫系統(tǒng)，將
SO 排放濃度控制在100 mg／m (標態(tài))以下。鍋爐
運行經驗表明，在脫硫塔中噴少量水就能夠大幅度
降低煙氣中s0 濃度，原因是煙氣中含有大量多余
未反應的石灰粉，這些石灰粉和水形成Ca(OH) ，
其脫硫反應活性極佳。
現(xiàn)在，新開發(fā)的220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐
上石灰石均從返料器加入，尾部還安裝了一套濕法
脫硫系統(tǒng)，可依據脫硫工況隨時投入使用。與煤粉
爐尾部脫硫系統(tǒng)相比，CFB鍋爐的濕法脫硫系統(tǒng)噴
入的石灰石漿明顯減少，CFB鍋爐又能夠以清潔環(huán)
保的新面貌出現(xiàn)。
6 節(jié)能方面的措施
洛陽華潤熱電有限公司的240 t／h CFB鍋爐的
一次風機和二次風機的壓頭選型分別是21．6 kPa
和14．7 kPa，而實際運行表明，CFB鍋爐通常不需要
這樣高的壓力儲備系數(shù)(見表1)。發(fā)電廠操作人員
都將一次風機出口壓力控制在12 kPa以內，由于采
取了變頻技術，能夠很好地解決風機風壓出力問題，
降低廠用電，后續(xù)的其它用戶在進行220 t／h鍋爐
風機選型也就一直延續(xù)這個參數(shù)。
從表1可知，220 t／h CFB鍋爐的一次風機和二
次風機完全可以選擇更低的壓頭參數(shù)。綜合實際的
運行情況，220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的一次風
機和二次風機的壓頭選型參數(shù)分別是15—17 kPa
和10～12 kPa。這樣的壓頭選型參數(shù)已經有很大的
富裕量，再配合變頻技術，可進一步降低廠用電，實
現(xiàn)節(jié)能降耗。
表1 220 t／h CFB鍋爐實際運行中風機出口壓力數(shù)據匯總 kPa
7 保證排煙溫度達到設計值的措施
中國科學院工程熱物理研究所一直致力于提高
旋風分離器分離效率的工作，研制出了CFB鍋爐用
的高效蝸殼式進口旋風分離器，分離效率高，流經尾
部受熱面的飛灰粒徑很細，尾部受熱面一直積灰較
為嚴重。220 t／h系列CFB鍋爐運行結果證明，過
熱器的進口煙氣流速可以在以前基礎上進一步提
高，有效實現(xiàn)受熱面管子的自吹灰能力，保證額定的
過熱汽溫。如果是褐煤，煙氣流速還可進一步提高。
提高煙氣流速還可以減少受熱面的鋼耗，降低成本。
但控制鍋爐排煙溫度到140 qC以下則比較困
難，主要是省煤器管子的積灰問題長期沒有很好解
決?；谛L分離器提高分離效率后飛灰粒度變細
的實際情況，2011年，浙江嘉化工業(yè)園投資發(fā)展有
限公司的240 t／h CFB鍋爐省煤器首次全部采用了
錯排布置，鍋爐運行兩年后沒有發(fā)現(xiàn)省煤器有磨損
痕跡，且積灰明顯減輕，排煙溫度可一直控制在120
～ 130℃ ，經校核，錯排省煤器的傳熱系數(shù)可比順排
大1倍左右，既節(jié)省了鋼材，又提高了鍋爐效率。
基于省煤器煙氣流速的運行實踐，220 t／h節(jié)能
環(huán)保型CFB鍋爐采用了較高的過熱器煙氣流速，省
煤器采用錯排布置，鍋爐設計排煙溫度為120～140
℃ ，鍋爐的額定汽溫和排煙溫度不再依靠吹灰器的
頻繁操作來保證。
8 進一步提高旋風分離器分離效率的措施
煤的燃燒溫度高，飛灰含碳量肯定低。220 t／h
CFB爐膛燃燒溫度由920～950℃降低到860～880
℃之后，飛灰含碳量會增加。為保證SO 、NO 低排
放又不降低燃燒效率，就只能進一步優(yōu)化旋風分離
器，進一步提高旋風分離器的分離效率。旋風分離
器的分離效率越高，飛灰含碳量就越低，但進一步提
高旋風分離器分離效率的實驗難度也越來越大。采
用工程熱物理研究所220 t／h CFB鍋爐技術的鍋爐尾
部飛灰臨界粒度d 視煤種不同一般在10～25 m。
采用數(shù)值模擬是切實有效的辦法，可替代一些
難于開展的實驗，通過對不同結構尺寸的旋風分離
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· 研究與開發(fā)· 220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐的設計 19
器結構進行流場計算，可以找到提高分離效率的方
向。根據數(shù)值模擬的研究結果，我們得到了優(yōu)化旋
風分離器措施：
(1)旋風分離器的中心筒煙氣出口管位置進行
了重新布置，使得中心筒的位置與主旋流中心相適
應，和進口煙氣主流保持合適的距離。
(2)中心筒的插入深度進行了優(yōu)化。研究和實
踐均表明，過深的插入深度不一定有高的分離效率，
反而會出現(xiàn)中心筒變形、脫落等影響鍋爐安全的故
障。我們重新設計了220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐
的旋風分離器中心筒的插入深度，并采用了增強型
防變形結構。 ．
(3)在合適的煙氣阻力參數(shù)保證下，進一步優(yōu)
化旋風分離器的煙氣進出口速度。
在旋風分離器的結構優(yōu)化之后，下一步優(yōu)化的
方向是旋風分離器進口煙道。圖2中左側是洛陽
華潤240 t／h CFB鍋爐爐膛與旋風分離器之間的位
置關系，右側是優(yōu)化后的220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB
鍋爐爐膛與旋風分離器之間的位置關系。數(shù)值模擬
計算表明右側的煙氣流場要明顯優(yōu)于左側的流場，
煙氣進入旋風分離器的流線更加平順，煙氣在旋風
分離器內的主旋流中心和中心筒幾何中心完全重
合。數(shù)值計算下來的結論如下：旋風分離器的進口
側邊和爐膛側墻的夾角越小，流場越平穩(wěn)，如果是0
角度則最好；在煙道的入口處增加一個45。過渡折
角，煙氣在進口附近形成的渦流明顯減少。
一 』
圖2 220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐旋風分離器進口優(yōu)化布置圖
9 結語
中國科學院工程熱物理研究所與無錫華光鍋爐
股份有限公司合作，參考了過去已經投運的200多
臺220 t／h CFB鍋爐的運行經驗，以控制SO 和NO
的低排放為首選因素，兼顧降低廠用電和鍋爐成本，
并繼續(xù)保持原有鍋爐高的爐效；采取數(shù)值計算方法
研究旋風分離器流場，找到了提高旋風分離器效率
的途徑，開發(fā)了220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐產品，
該產品對爐膛、旋風分離器和尾部受熱面等都進行
了全新優(yōu)化設計。新一代220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB
鍋爐將更加環(huán)保高效。
首臺220 t／h節(jié)能環(huán)保型CFB鍋爐用戶為山東
青島新源熱電有限公司，鍋爐熱力計算匯總見表2、
表3，預計2014年鍋爐將投入運行，屆時將分析報
道實際運行效果。
表2 220 t／h CFB鍋爐熱力計算匯總
表3 220 t／h CFB鍋爐結構熱力計算匯總
參考文獻 鍋爐技術，2006(5)：32—34
[1]包紹麟，等．220 t／h循環(huán)流化床鍋爐熱力性能分析[J]．

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