220t/h水冷方形分离器循环流化床锅炉的设计及运行

吕俊复1，刘青1，张建胜1，岳光溪1，沈解忠2，唐国勇2，苏小平2，朱晓峰2，赵爱国3

(1.清华大学热能工程系，北京100084；
2.无锡华光锅炉股份有限公司设计处,
江苏无锡214026;3.威海热电厂,山东　威海　264200)

摘要:在数十台75t/h和130t/循环流化床成功运行的基础上，开发了220t/h采用水冷方形分离器的循环流化床锅炉，2001年底在山东威海热电厂投入商业运行。这是采用中国技术的容量最大的循环流化床锅炉之一。文中介绍了该炉的运行情况。由于水冷方形分离器本身的特点以及全膜式壁结构，锅炉迅速启动以及回灰温度略微下降等特性非常突出。飞灰、循环灰和底渣的粒度分布与燃用相似煤种等当量直径圆旋风筒循环流化床锅炉非常相似。燃烧效率比较理想，污染物排放满足国家标准要求。其燃料适应性、负荷变化率尤其是可靠性非常优越。
关键词:220t/h锅炉；水冷方形分离器；循环流化床；试运行

1引言

中国的能源结构中，煤炭占有绝对优势，清洁煤燃烧技术受到高度重视。自20世纪80年代初，开展循环流化床燃烧技术的研究开发，开发了一批75t/h及以下容量等级的具有中国特色的廉价循环流化床锅炉。国家经贸委在20世纪90年代支持的国产75t/h循环流化床锅炉完善化示范工程的完成标志着该容量等级的循环流化床锅炉完全商业化[1,2]。接着又相继开发了一批130t/h容量等级的中压或高压循环流化床锅炉，并成功地投入商业运行[3]。这些经验的积累以及进一步详细研究为220t/h的研制及工程设计提供了理论依据[4]。大量引进技术设备的实践也为开发220t/h循环流化床锅炉提供了条件[5]。在此条件下，清华大学和无锡锅炉厂成功开发了220t/h水冷方形分离器循环流化床锅炉，于2001年底在山东威海热电厂投入商业运行。本文介绍该炉的设计和运行的基本情况。
2220t/h循环流化床锅炉设计特点
入口带有加速段水冷方形分离器成功地应用于75t/h循环床锅炉，得到国内外同行的关注[1,6,7]。

该炉型的运行显示了良好的性能，并具备优异的放大潜力[1]。在工业规模的锅炉上进行了一系列详细的测试，积累了大量经验和关键数据[8,9],在此基础上研究开发了220t/h循环流化床锅炉。该锅炉是我国自行设计制造、具有独立自主知识产权、性能先进、容量最大的循环流化床锅炉之一。
根据威海热电厂的具体情况，锅炉采用次高温次高压参数、紧凑式设计，半露天布置。该220t/h水冷方形分离循环流化床锅炉的设计煤种为当地燃料，工业分析见表1；技术规范和主要的设计参数见表2。燃烧室设计温度为912℃。
锅炉采用单锅筒横置式自然循环，Π型布置，自炉前向后依次布置燃烧室、分离器、尾部烟道。锅炉采用双框架结构，炉前向后计4排柱。外形尺寸为高´宽´深＝43600mm´21400mm´20700mm；锅炉中心标高39600mm；运转层标高8000mm；左右内柱距离12800mm，前后柱距离20700　mm。
炉膛由膜式水冷壁构成，截面积约55m2，燃烧室净高约为30m，炉膛下部前后墙收缩成锥形炉底，前墙水冷壁延伸成水冷布风板并与两侧水冷壁共同形成水冷风室。燃烧室下部水冷壁是磨损可能发生的重要部位之一，焊有密度较大的销钉，敷设较薄的高温耐磨材料。实验和实践都证明它是既经济有效的防磨措施，又有利于水冷壁的利用率[10]。炉膛出口布置两个膜式水冷壁构成的方形分离器，分离器前墙与燃烧室后墙共用，分离器入口加速段由燃烧室后墙弯制形成；分离器后墙同时作为尾部竖井的前包墙，该屏水冷壁向下收缩成料斗，向上的一部分直接引出吊挂，另一部分向前至燃烧室后墙向上，构成分离器顶棚和出口烟道前墙；分离器两侧墙水冷壁向上延伸形成出口区侧墙；分离器出口区汽冷顶棚至转向室后墙向下作为尾部竖井后墙，与汽冷侧包墙、分离器后墙一起围成膜式壁包墙，分离器、转向室与尾部包墙结合起来成为一体，避免使用膨胀节，既保持紧凑型布置，又保证良好的密封性能。
省煤器之前的所有炉墙均为膜式壁吊挂结构，锅炉从水冷风室到尾部包墙采用了膜式壁结构，联为一体，采用刚性平台固定中心，锅炉的膨胀、密封得到了很好的解决；省煤器之后为轻型护板炉墙，支撑结构。
燃烧室上部布置有三屏翼形墙蒸发受热面和六屏翼形墙过热器，作为高温过热器，充分利用了翼形墙受热面吸热量随循环量和燃烧室温度变化的特点，使得锅炉负荷大范围变动时蒸汽参数保证达到额定值。低温过热器布置在尾部汽冷包墙内。由于该炉为次高温次高压参数，因此过热器相对于高温高压条件下较少，因此省煤器也位于汽冷包墙内。若为高温高压参数，低温过热器和省煤器下移，在汽冷包墙内增加末级过热器。
锅炉燃烧所需空气分别由一、二次风机提供。一次风经预热后，由左右两侧风道引入水冷风室中，流经安装在水冷布风板上的风帽进入燃烧室，保证流化质量和密相区的燃烧；二次风经预热后位于燃烧室四周两层二次风口进入炉膛，补充燃烧空气并加强扰动混合。燃料在炉膛内燃烧产生的大量烟气携带物料经分离器的入口加速段加速进入水冷方形分离器，烟气和物料分离。分离的物料经料斗、料腿、回灰阀再返回炉膛；烟气自分离器的中心筒进入分离器出口区，流经转向室、低温过热器、省煤器、空气预热器后排出。大渣由炉底水冷排渣管排渣。
锅炉给水经省煤器加热后进入汽包；汽包内的饱和水经集中下降管、分配管分别进入燃烧室水冷壁、水冷屏和分离器水冷壁下集箱，加热蒸发后流入上集箱，然后进入汽包；饱和蒸汽流经顶棚管、后包墙管、侧包墙管，进入低温过热器入口集箱，由低温过热器加热后进入减温器调节汽温，然后经布置在燃烧室顶部的高温过热器将蒸汽加热到额定汽温汽压，进入集汽箱至主汽阀和主蒸汽管道。见图1。
分离器是循环流化锅炉的核心部件之一，它直接影响循环流化床锅炉的性能。由膜式水冷壁组成当量直径为5400mm的方形分离器，与炉膛组成一个整体。分离器膜式壁的磨损是一个需要着重考虑的问题。借鉴国外水(汽)冷圆形旋风筒成功的防磨经验，采用壁面密焊销钉涂一层很薄的耐磨浇注料的方法，由于较薄并受冷却，具有更强的防磨性能。在捕集物料的同时对物料冷却，保证回灰不发生结焦。
采用了水冷风室及水冷布风板，床下点火；而较薄的防磨内衬对锅炉的启动要求较低，可以快速启动，节约启动用油；负荷变化速度不再受耐火材料的稳定性限制。

返料装置是循环流化床锅炉的关键部件之一。返料装置由灰斗、料腿、U型阀构成。根据分离器的设置，采用两套返料装置。料腿为圆柱形，悬吊在水冷灰斗上。自平衡U型阀是一高流率小风量自平衡回灰阀，运行操作简单、安全可靠。回灰阀的松动风取自高压风机。
尾部烟道自上而下依次布置低温过热器、省煤器、二次风空预器和一次风空预器。低温过热器为光管顺列布置；省煤器分两组错列布置；空气预热器为卧式管式。
3初步运行经验
启动油枪加热床料，约100min后，床料加热到450℃以上，即可开始少量给煤；根据床温的变化速度和排烟氧气含量判断是否着火。煤着火燃烧后床料从整体的暗红色逐渐转向亮红色。床温开始明显上升后，迅速调整风量和给煤量，维持床温为900℃左右，此时主蒸汽压力和温度也接近额定参数。当主蒸汽温度和压力达到汽轮机的要求后并汽。逐渐增大给煤量，提高锅炉负荷。启动过程中燃烧室的温度与启动时间的关系见图2。冷态启动到满负荷的时间约为3~4h。床温升温速率平均为8℃/min，最大为24℃/min。

带到需要的负荷后，运行稳定，各主要参数见表2，运行燃料见表1。负荷根据供热情况变化，按给水温度修正后见图3。锅炉出力稳定，有20的超负荷能力。
锅炉密封性能好，没有泄漏。回灰流畅，分离器水冷受热面的吸热使回灰温度明显下降，回灰温度比分离器进口温度低，一般为40℃左右，见图4。分离器、料腿、返料装置从未出现高温结焦现象。燃烧室上下温度均匀，典型的主循环回路温度见图5。从主循环回路的温度分布以及负荷情况来看，该炉循环量较大。
该炉的燃烧效率比较高，飞灰含碳量为6~10；底渣及静电除尘器3个电场飞灰的烧失量见图6。与其他技术的循环流化床锅炉相比，这一结果是比较理想的[11,12]。

主循环回路工作稳定、可靠，为锅炉长期安全连续运行提供保证[13]。为了解主循环回路的性能，对底渣、循环灰、飞灰粒径进行取样筛分，其分布见图7。这些粒度分布情况与其他等当量直径圆形旋风筒的循环流化床锅炉燃烧相近煤种的情况是完全一致的。这也表明当量直径为5400mm的方形分离器的分离效果能够满足循环流化床锅炉的需要。

　　220t/h水冷方形分离循环流化床锅炉于2001年11月19日一次点火成功，12月1日正式投入商业运行。截至2002年7月15日，连续运行时间已逾5200h。该炉的蒸发受热面设计裕量偏大，减温水调节阀关闭不严，使低负荷主蒸汽温度偏低。尾部对流受热面烟气流速偏低，积灰严重加大了这一趋势。图8为不同负荷下的主蒸汽温度，在低负荷下低于额定值。因此，在下一台锅炉上取消了炉膛中的水冷屏，改为过热屏。

我国的220t/h循环流化床锅炉的调试期一般较长，多为3~6个月。但该炉由于技术比较成熟，设计比较仔细，安装质量较好，调试期非常短，仅为12天，随即投入商业运行。良好的分离性能和优越的密封性能，使之迅速达到较高

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