论文部分内容阅读
[摘 要]循环流化床锅炉技术在目前已成为煤炭清洁燃烧的首选炉型。在煤炭燃烧中，具有燃料适应性广、负荷调节范围大、燃烧效率高、直接脱硫等优点。在我国，煤炭消耗总量的不断增加给环境造成了巨大的压力，为解决能源和环保之间的矛盾，发展循环流化床锅炉技术很有必要。本文首先对循环流化床锅炉技术做了概述，然后分析了循环流化床锅炉技术的发展状况，最后详细阐述了循环流化床锅炉技术的发展前景。
[关键词]循环流化床；锅炉技术；脱硝；防磨损；环境
中图分类号：TE988.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0284-02
一、循环流化床锅炉技术概述
循环流化床锅炉技术的英文缩写是 CFB，兴起于 70 年代初，是当时新生的高效、低污染的清洁燃烧技术。循环流化床锅炉运行时，燃料会随着床料在锅炉内经过多次循环，燃料有足够的时间进行燃烧，从而使飞灰的含碳量得以降低。燃用高热值燃料、良好运行的循环流化床锅炉的燃烧效率可以达到 98% ～99%，也就是可以达到煤粉燃烧锅炉的燃烧效率。循环流化床锅炉技术的物料投入量是可控制的，因此循环流化床锅炉具有良好的调节负荷的性能以及低负荷运行性能，这样不仅使调峰机组的要求得到满足，更具有环境污染小的优点，因此，此技术在电力、化工生产等行业中的应用越来越广泛。
二、循环流化床锅炉技术的发展状况
（一）鼓泡流化床锅炉技术的产生与发展
鼓泡流化床（沸腾炉）产生于20世纪60年代末，随后，研究者们经过坚持不懈的研究工作解决了很多难题，在摸索中总结出了许多经验。使鼓泡流化床锅炉技术得到一定的发展。但是，在鼓泡流化床锅炉的研究和产品开发中，研究者发现此项技术的燃料有局限性，只能用高灰燃料，如：煤矸石、油页岩等，因此，鼓泡流化床技术的进一步发展受到了约束。
（二）小型循环流化床锅炉技术的产生与发展
20世纪80年代初，国家科委发布了“煤的流化床燃烧技术研究”的课题，我国随后就开展了循环流化床锅炉的研究和产品开发。1984年，在中国科学院工程热物理研究所中，一个热功率2.8MW的循环流化床燃烧试验装置诞生了，这说明流化床燃烧技术实从冷态试验研究和理论向热态试验研究达到一次大跃进。80年代中期开始，大部分中小型锅炉制造厂与研究院产生了合作关系，进行着循环流化床锅炉开发项目。截至90年代中期，已有近200台75t/h以下容量的循环流化床锅炉投入运行。这种小容量循环流化床锅炉在使用过程中也暴露出不少问题，主要是出力不够、磨损严重、主汽温度低、配套辅机故障率高、自动化水平低等，虽然进行了一系列的完善工作，解决了某些问题，使机组可用率得到了提高，但是小容量循环流化床锅炉的总体技术水平还是没有达到理想的效果，仍然有待完善。
（三）中等容量循环流化床的产生与发展
90 年代中期，当时我国的锅炉制造公司陆续引进了国外技术，220t/h 循环流化床锅炉投进市场，这些机组的中等容量的循环流化床锅炉使我国循环流化床锅炉技术水平整体性的提高，使其在商业市场的竞争中获得稳定的地位。期间最突出的就是四川的白马发电总厂高坝总电厂，该厂成功投运了 410t/h 高温高压循环流化床锅炉在我国成功运行，对我国循环流化床锅炉的发展具有重要意义，不仅表明了较大容量循环流化床锅炉，也证明了循环流化床锅炉在我国能适应无烟煤的燃烧。90年代末期，我国对环境问题加强重视，电力工业大幅度调整了产业结构，国家产业政策倾向于进行大批老机组面临技术改造，发展循环流化床锅炉，使循环流化床锅炉发展迎来一个转折点，在国家政策的支持下，我国大型锅炉制造厂进行了600M超临界CFB锅炉的前期准备，2009年1月7日，由西安热工研究院和哈尔滨锅炉厂开发研制的国产330MW CFB锅炉，在江西分宜发电厂通过168小时成功试运之后投入运行。
三、循环流化床锅炉技术的发展前景
近十年，经过科研的不断发展与创新，创造出下排气旋风分离器循环流化床锅炉、旋风扇和百叶窗两级分离器循环流化床锅炉、异型水冷分离器循环流化床锅炉。我国循环流化床技术朝着超临界大型化、深度脱硝和脱硫、防磨技术提高、综合利用能源的方向发展。
（一）超临界大型化的发展方向
循环流化床超临界的发展方向，与其自身固有的燃烧特性具有重要的联系。常规的循环流化床锅炉煤粉热流往往高于循环流化床锅炉，可降低对水冷壁的要求。在循环流化床锅炉中，固体的传热系数和固体的浓度与炉中的温度呈反比，有利于水冷壁的温度控制。采用超临界锅炉和具有污染物排放少、运行效率高、煤炭损耗量低的优点。
循环流化床锅炉技术采用的是一级飞灰分离循环燃烧技术，锅炉采用的系统较为简单，易于采用大型化的生产技术。另外，不论是国内开发的下排旋风分离器和水冷异型分离器，还是国外开发的方型分离器，都能够很好地和锅炉本体融为一体，使大型化的机型得以实现。
（二）深度脱硝和脱硫
循環流化床锅炉具有空气分级供给燃烧和低温燃烧的特性，故而有利于氧氮化物的形成，与同期的锅炉相比，能降低20%左右的氧氮含量，一氧化氮的浓度控制低于300mg/m3，随着国家对其排放标准的进一步提高，对锅炉进行深度脱硝是循环流化床锅炉技术发展的趋势。
尽管我国拥有世界上最多的CFB锅炉数量，但是CFB锅炉脱硫技术并不尽如人意。随着环境问题的日益严峻，煤炭的深度脱硫成为今后锅炉技术发展中亟待解决的问题。我国新公布的火电厂污染物排放标准中，将二氧化硫的排放标准降至400/m3，和传统的湿化脱硫相比，在循环硫化床中添加石灰石的脱硫方式效果更好。但是，此种方式还需处理灰渣，在实际运用的过程中，总体的竞争力正在降低，因此，对CFB锅炉进行深度脱硫是循环流化锅炉发展的题中之义。 （三）防磨损技术的提高
锅炉在高温中运行，且炉中是高速运动的高温固体材料，因此热冲击对炉内受力面的磨损十分地严重。因此，研究锅炉的防磨损技术对于延长设备的使用寿命意义重大。目前最有效的防磨方法是使用高性能的耐火材料，保证金属的使用寿命，确保流化床的安全运行。
（四）综合利用能源
能源短缺是世界性的问题，因此，开展能源的综合利用是今后循环流化床发展的另一个重要的方向。综合利用能源包含的范围较广，主要表现在以下三个方面：
首先，利用循环流化床锅炉技术对一些非高级的能源进行全面的整合利用。我国在这方面取得的成就较好，不仅开发出废旧垃圾、泥质等低级能源的处理锅炉，也开发出了石油焦煤、生物质的处理锅炉，在实际运用中取得了成功经验。
其次，利用其他原材料和能源与循环流化床锅炉技术对其进行加工和综合利用，在CFB技术中，这是一个重要的研究方向。
最后，对循环流化床锅炉燃烧产生的灰渣进行综合利用。就目前循环流化床锅炉技术的发展而言，这是其发展的难点。一方面，在锅炉内部添加石灰石进行脱硫，能够产生良好的脱硫效果；另一方面，却增加了灰渣的数量，又由于其化学形态和其他物质的化学性质具有差异，故而难以使用常规的方式对灰渣进行统一处理。因此，开发能够解决硫化过程中产生的灰渣，是目前我国甚至是国外综合探究循环流化床锅炉技术发展的发展趋势。
四、循环流化床锅炉技术的案例
（一）系统简介
某600MW循环流化床锅炉为我国完全自主研发的600MW超临界直流炉、循环流化床燃烧方式，一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、燃煤锅炉，锅炉为露天布置。总体上分为主回路、尾部、空预器三部分。双布风板、单炉膛，双面曝光中隔墙、等压风室，炉膛内布置屏式过热器；六台分离器、六台回料器、六台外置式换热器；尾部单烟道；回料器和外置床返料管联合给煤侧墙排渣，采用滚筒冷渣器；床上床下联合点火；两台四分仓回转式空预器；锅炉采用带再循环泵的内置式启动循环系统。炉膛采用全膜式水冷壁结构，宽52000mm，深75000mm，炉膛底部采用裤衩型将炉膛分为两个床。
锅炉配有两台50%容量离心式一次风机，为炉膛物料提供流化风；两台50%容量离心式二次风机，主要为锅炉燃烧提供足够的燃烧空气和给料系统的密封风；五台离心式高压流化风机，主要向外置床、冷渣器、回料器等提供流化风。为将烟气从炉膛吸出，克服阻力，配有两台静叶可调轴流式引风机。
（二）锅炉调试中的问题及处理方法
1、点火风道烧红变形
在冲管运行过程中，出现一次风道燃烧器区域烧红变形，局部区域超温。分析主要原因是内部浇注料烧坏脱落。
根据试运中总结的经验，制定了以下防止一次风道发生烧红变形的技术措施：
（1）调试人员在第一次点火前应做好油枪雾化试验，了解油枪特性，为风道油枪的安全运行提供保障，核对油枪出力大小，防止油枪出力过大，造成热负荷超出风道承受能力；
（2）点火配风正确，油压适当。依照风道燃烧器厂家提供的运行曲线，可以根据实际情况做出适当的调整。点火起始小风量，燃烧稳定后，逐步开大风道燃烧器一次风门，保证风道燃烧器火焰有足够的强度；
（3）加强对此区域的巡查工作，观察观火孔，便于调试人员和运行人员观察油枪的燃烧情况，做出相应调整；
（4）合理布置风室温度测点，防止风室局部超温，风室风温确保不超过900℃；
（5）运行过程中尽可能缩短风道燃烧器运行时间，选择合理的燃烧器运行方式。
2、中心给料机无法运行
在冲管期间，中心给料机多次出现电机过流跳闸的现象，导致给煤线无法正常工作，给机组运行带来严重威胁。在通过调试人员的多次试验后总结出了运行方式：初始启动时将频率设定为19Hz，启动成功将频率降至9Hz，加强对电机电流的监视，采用少量多次给煤的方式进行给煤。
3、称重式给煤机频发断链、堵煤
称重式给煤机在运行过程中频发断链、堵煤信号，导致整个给煤线无法正常投运。主要原因是在添加床料或投煤过程中部分散落将探头埋住，从而触发断链信号（清扫链），建议取消该信号或不进入逻辑保护。多次检查给煤机落煤口堵煤信号，发现并无堵煤现象，属于信号误发，通过多次对探头的调试，效果并不理想，根据调试的情况判断探头太过灵敏，落煤口触发堵煤信号的挡片设计不太合理。
4、旋风分离器-回料器堵塞
循环流化床锅炉分离器堵塞症状为：设置在分离器底部回料器立管压力测点显示压力大于10kPa的时间超过1分钟；在恒定负荷时，炉膛全压差值出现下降；回料器流化风压力快速下降，这些现象表明有可能循环灰在回料器或旋风分离器内出现了堆积分离器到回料器灰流量降低。此时，有必要快速降低锅炉负荷，交替的开关回料器进口和出口风箱的流化风门，直到回料器流化风压力有明显上升，意味着分离器的堵塞得到清除。
5、两侧布风板上床压的平衡
机组在正常运行时，左右侧炉膛全压差差值应小于1.25kPa，当该值大于2.5kPa时，应检查两个布风板上床温和一次风流量是否相等。如果检查发现两个布风板上床温差别较大，可以通过对两侧给煤量和外置式换热器锥形閥开度的控制来调整。如果两个布风板的上床温和一次风流量是相等的，可加大全差压较大炉膛的排渣量来使两侧压差重新达到平衡。
结语
综上，循环流化床技术作为一种新型高效环保的燃烧技术，发展前景相当可观，中国是其发展的最大市场。随着人们环保意识的增强和 电力工业的发展，循环流化床技术将在电力行业高效运行的进程中发挥重大的作用。
参考文献
[1] 孙广良.循环流化床烧失率降低方法研究[J].技术与市场.2010（02）.
[2] 全兵.新能源条件下循环流化床的应用分析[J].低碳世界.2014（07）.
[3] 艾铁鹰，姜妮.走向产业化的循环流化床垃圾焚烧发电技术——访北京中科通用能源环保有限责任公司总经理金坚[J].环境经济.2009（05）.
[关键词]循环流化床；锅炉技术；脱硝；防磨损；环境
中图分类号：TE988.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0284-02
一、循环流化床锅炉技术概述
循环流化床锅炉技术的英文缩写是 CFB，兴起于 70 年代初，是当时新生的高效、低污染的清洁燃烧技术。循环流化床锅炉运行时，燃料会随着床料在锅炉内经过多次循环，燃料有足够的时间进行燃烧，从而使飞灰的含碳量得以降低。燃用高热值燃料、良好运行的循环流化床锅炉的燃烧效率可以达到 98% ～99%，也就是可以达到煤粉燃烧锅炉的燃烧效率。循环流化床锅炉技术的物料投入量是可控制的，因此循环流化床锅炉具有良好的调节负荷的性能以及低负荷运行性能，这样不仅使调峰机组的要求得到满足，更具有环境污染小的优点，因此，此技术在电力、化工生产等行业中的应用越来越广泛。
二、循环流化床锅炉技术的发展状况
（一）鼓泡流化床锅炉技术的产生与发展
鼓泡流化床（沸腾炉）产生于20世纪60年代末，随后，研究者们经过坚持不懈的研究工作解决了很多难题，在摸索中总结出了许多经验。使鼓泡流化床锅炉技术得到一定的发展。但是，在鼓泡流化床锅炉的研究和产品开发中，研究者发现此项技术的燃料有局限性，只能用高灰燃料，如：煤矸石、油页岩等，因此，鼓泡流化床技术的进一步发展受到了约束。
（二）小型循环流化床锅炉技术的产生与发展
20世纪80年代初，国家科委发布了“煤的流化床燃烧技术研究”的课题，我国随后就开展了循环流化床锅炉的研究和产品开发。1984年，在中国科学院工程热物理研究所中，一个热功率2.8MW的循环流化床燃烧试验装置诞生了，这说明流化床燃烧技术实从冷态试验研究和理论向热态试验研究达到一次大跃进。80年代中期开始，大部分中小型锅炉制造厂与研究院产生了合作关系，进行着循环流化床锅炉开发项目。截至90年代中期，已有近200台75t/h以下容量的循环流化床锅炉投入运行。这种小容量循环流化床锅炉在使用过程中也暴露出不少问题，主要是出力不够、磨损严重、主汽温度低、配套辅机故障率高、自动化水平低等，虽然进行了一系列的完善工作，解决了某些问题，使机组可用率得到了提高，但是小容量循环流化床锅炉的总体技术水平还是没有达到理想的效果，仍然有待完善。
（三）中等容量循环流化床的产生与发展
90 年代中期，当时我国的锅炉制造公司陆续引进了国外技术，220t/h 循环流化床锅炉投进市场，这些机组的中等容量的循环流化床锅炉使我国循环流化床锅炉技术水平整体性的提高，使其在商业市场的竞争中获得稳定的地位。期间最突出的就是四川的白马发电总厂高坝总电厂，该厂成功投运了 410t/h 高温高压循环流化床锅炉在我国成功运行，对我国循环流化床锅炉的发展具有重要意义，不仅表明了较大容量循环流化床锅炉，也证明了循环流化床锅炉在我国能适应无烟煤的燃烧。90年代末期，我国对环境问题加强重视，电力工业大幅度调整了产业结构，国家产业政策倾向于进行大批老机组面临技术改造，发展循环流化床锅炉，使循环流化床锅炉发展迎来一个转折点，在国家政策的支持下，我国大型锅炉制造厂进行了600M超临界CFB锅炉的前期准备，2009年1月7日，由西安热工研究院和哈尔滨锅炉厂开发研制的国产330MW CFB锅炉，在江西分宜发电厂通过168小时成功试运之后投入运行。
三、循环流化床锅炉技术的发展前景
近十年，经过科研的不断发展与创新，创造出下排气旋风分离器循环流化床锅炉、旋风扇和百叶窗两级分离器循环流化床锅炉、异型水冷分离器循环流化床锅炉。我国循环流化床技术朝着超临界大型化、深度脱硝和脱硫、防磨技术提高、综合利用能源的方向发展。
（一）超临界大型化的发展方向
循环流化床超临界的发展方向，与其自身固有的燃烧特性具有重要的联系。常规的循环流化床锅炉煤粉热流往往高于循环流化床锅炉，可降低对水冷壁的要求。在循环流化床锅炉中，固体的传热系数和固体的浓度与炉中的温度呈反比，有利于水冷壁的温度控制。采用超临界锅炉和具有污染物排放少、运行效率高、煤炭损耗量低的优点。
循环流化床锅炉技术采用的是一级飞灰分离循环燃烧技术，锅炉采用的系统较为简单，易于采用大型化的生产技术。另外，不论是国内开发的下排旋风分离器和水冷异型分离器，还是国外开发的方型分离器，都能够很好地和锅炉本体融为一体，使大型化的机型得以实现。
（二）深度脱硝和脱硫
循環流化床锅炉具有空气分级供给燃烧和低温燃烧的特性，故而有利于氧氮化物的形成，与同期的锅炉相比，能降低20%左右的氧氮含量，一氧化氮的浓度控制低于300mg/m3，随着国家对其排放标准的进一步提高，对锅炉进行深度脱硝是循环流化床锅炉技术发展的趋势。
尽管我国拥有世界上最多的CFB锅炉数量，但是CFB锅炉脱硫技术并不尽如人意。随着环境问题的日益严峻，煤炭的深度脱硫成为今后锅炉技术发展中亟待解决的问题。我国新公布的火电厂污染物排放标准中，将二氧化硫的排放标准降至400/m3，和传统的湿化脱硫相比，在循环硫化床中添加石灰石的脱硫方式效果更好。但是，此种方式还需处理灰渣，在实际运用的过程中，总体的竞争力正在降低，因此，对CFB锅炉进行深度脱硫是循环流化锅炉发展的题中之义。 （三）防磨损技术的提高
锅炉在高温中运行，且炉中是高速运动的高温固体材料，因此热冲击对炉内受力面的磨损十分地严重。因此，研究锅炉的防磨损技术对于延长设备的使用寿命意义重大。目前最有效的防磨方法是使用高性能的耐火材料，保证金属的使用寿命，确保流化床的安全运行。
（四）综合利用能源
能源短缺是世界性的问题，因此，开展能源的综合利用是今后循环流化床发展的另一个重要的方向。综合利用能源包含的范围较广，主要表现在以下三个方面：
首先，利用循环流化床锅炉技术对一些非高级的能源进行全面的整合利用。我国在这方面取得的成就较好，不仅开发出废旧垃圾、泥质等低级能源的处理锅炉，也开发出了石油焦煤、生物质的处理锅炉，在实际运用中取得了成功经验。
其次，利用其他原材料和能源与循环流化床锅炉技术对其进行加工和综合利用，在CFB技术中，这是一个重要的研究方向。
最后，对循环流化床锅炉燃烧产生的灰渣进行综合利用。就目前循环流化床锅炉技术的发展而言，这是其发展的难点。一方面，在锅炉内部添加石灰石进行脱硫，能够产生良好的脱硫效果；另一方面，却增加了灰渣的数量，又由于其化学形态和其他物质的化学性质具有差异，故而难以使用常规的方式对灰渣进行统一处理。因此，开发能够解决硫化过程中产生的灰渣，是目前我国甚至是国外综合探究循环流化床锅炉技术发展的发展趋势。
四、循环流化床锅炉技术的案例
（一）系统简介
某600MW循环流化床锅炉为我国完全自主研发的600MW超临界直流炉、循环流化床燃烧方式，一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、燃煤锅炉，锅炉为露天布置。总体上分为主回路、尾部、空预器三部分。双布风板、单炉膛，双面曝光中隔墙、等压风室，炉膛内布置屏式过热器；六台分离器、六台回料器、六台外置式换热器；尾部单烟道；回料器和外置床返料管联合给煤侧墙排渣，采用滚筒冷渣器；床上床下联合点火；两台四分仓回转式空预器；锅炉采用带再循环泵的内置式启动循环系统。炉膛采用全膜式水冷壁结构，宽52000mm，深75000mm，炉膛底部采用裤衩型将炉膛分为两个床。
锅炉配有两台50%容量离心式一次风机，为炉膛物料提供流化风；两台50%容量离心式二次风机，主要为锅炉燃烧提供足够的燃烧空气和给料系统的密封风；五台离心式高压流化风机，主要向外置床、冷渣器、回料器等提供流化风。为将烟气从炉膛吸出，克服阻力，配有两台静叶可调轴流式引风机。
（二）锅炉调试中的问题及处理方法
1、点火风道烧红变形
在冲管运行过程中，出现一次风道燃烧器区域烧红变形，局部区域超温。分析主要原因是内部浇注料烧坏脱落。
根据试运中总结的经验，制定了以下防止一次风道发生烧红变形的技术措施：
（1）调试人员在第一次点火前应做好油枪雾化试验，了解油枪特性，为风道油枪的安全运行提供保障，核对油枪出力大小，防止油枪出力过大，造成热负荷超出风道承受能力；
（2）点火配风正确，油压适当。依照风道燃烧器厂家提供的运行曲线，可以根据实际情况做出适当的调整。点火起始小风量，燃烧稳定后，逐步开大风道燃烧器一次风门，保证风道燃烧器火焰有足够的强度；
（3）加强对此区域的巡查工作，观察观火孔，便于调试人员和运行人员观察油枪的燃烧情况，做出相应调整；
（4）合理布置风室温度测点，防止风室局部超温，风室风温确保不超过900℃；
（5）运行过程中尽可能缩短风道燃烧器运行时间，选择合理的燃烧器运行方式。
2、中心给料机无法运行
在冲管期间，中心给料机多次出现电机过流跳闸的现象，导致给煤线无法正常工作，给机组运行带来严重威胁。在通过调试人员的多次试验后总结出了运行方式：初始启动时将频率设定为19Hz，启动成功将频率降至9Hz，加强对电机电流的监视，采用少量多次给煤的方式进行给煤。
3、称重式给煤机频发断链、堵煤
称重式给煤机在运行过程中频发断链、堵煤信号，导致整个给煤线无法正常投运。主要原因是在添加床料或投煤过程中部分散落将探头埋住，从而触发断链信号（清扫链），建议取消该信号或不进入逻辑保护。多次检查给煤机落煤口堵煤信号，发现并无堵煤现象，属于信号误发，通过多次对探头的调试，效果并不理想，根据调试的情况判断探头太过灵敏，落煤口触发堵煤信号的挡片设计不太合理。
4、旋风分离器-回料器堵塞
循环流化床锅炉分离器堵塞症状为：设置在分离器底部回料器立管压力测点显示压力大于10kPa的时间超过1分钟；在恒定负荷时，炉膛全压差值出现下降；回料器流化风压力快速下降，这些现象表明有可能循环灰在回料器或旋风分离器内出现了堆积分离器到回料器灰流量降低。此时，有必要快速降低锅炉负荷，交替的开关回料器进口和出口风箱的流化风门，直到回料器流化风压力有明显上升，意味着分离器的堵塞得到清除。
5、两侧布风板上床压的平衡
机组在正常运行时，左右侧炉膛全压差差值应小于1.25kPa，当该值大于2.5kPa时，应检查两个布风板上床温和一次风流量是否相等。如果检查发现两个布风板上床温差别较大，可以通过对两侧给煤量和外置式换热器锥形閥开度的控制来调整。如果两个布风板的上床温和一次风流量是相等的，可加大全差压较大炉膛的排渣量来使两侧压差重新达到平衡。
结语
综上，循环流化床技术作为一种新型高效环保的燃烧技术，发展前景相当可观，中国是其发展的最大市场。随着人们环保意识的增强和 电力工业的发展，循环流化床技术将在电力行业高效运行的进程中发挥重大的作用。
参考文献
[1] 孙广良.循环流化床烧失率降低方法研究[J].技术与市场.2010（02）.
[2] 全兵.新能源条件下循环流化床的应用分析[J].低碳世界.2014（07）.
[3] 艾铁鹰，姜妮.走向产业化的循环流化床垃圾焚烧发电技术——访北京中科通用能源环保有限责任公司总经理金坚[J].环境经济.2009（05）.