150 MW循环流化床锅炉低床压运行优化研究

Operation Optimization of 150 MW Circulating Fluidized Bed Boiler at Low Bed Pressure

摘要

目的 以某150 MW CFB锅炉的运行优化为背景，介绍了该锅炉的运行情况、优化方案，以及优化后的测试结果。 方法 借鉴流态重构的设计理念，尝试在低床压下运行优化该锅炉，通过降低无效床存量，以达到和流态重构类似的效果。为验证该想法的正确性，对优化后锅炉在两种工况下的运行情况进行测试。 结果 通过测试底渣与床料的含碳量，发现底渣含碳量为1.75%，表明运行优化使得含碳量降低和锅炉热效率升高；而床料的含碳量随粒径的增加呈先降低后升高的趋势，在100 μm处存在最小值。通过测量底渣与床料的粒径分布，发现炉膛物料粒度随高度增加而减小，随负荷增加而增加，表明运行优化后床料粒径减小，有效缓解了磨损。从炉膛径向温度分布看，运行优化后水冷壁附近的边界层内具有较高的温度梯度，而边界层外温度分布均匀，表明运行优化后锅炉运行稳定，有效减少局部超温导致的氮氧化物生成。运行优化后的锅炉可以安全稳定运行，且电耗低、效率高、磨损减轻。

Abstract

Purposes Focusing on the operation optimization of a 150 MW CFB boiler, in this paper, the operation, the specific operation optimization scheme, and the test results after operation optimization of the boiler are introduced in detail. Methods Drawing on the design concept of fluidization pattern reconstruction, the boiler is optimized to run under low bed pressure, and the effect similar to fluidization pattern reconstruction was achieved by reducing the amount of invalid bed material. In order to verify the correctness of the idea, the operations of the optimized boiler under two working conditions were tested. Results By testing the carbon contents of the bottom slag and the bed material, the carbon content of the bottom slag is 1.75%, indicating the operation optimization leads to the reduction of the carbon content and the increase of the boiler thermal efficiency. The carbon content of the bed material decreases first and then increases with the increase of particle size, and there is a minimum value at 100 μm. By measuring the particle size distributions of bottom slag and bed material, it is found that the particle size of furnace material decreases with the increase of height and increases with the increase of load. After operation optimization, the particle size of the bed material is reduced, which effectively alleviates the wear. From the radial temperature distribution of the furnace, there is a high temperature gradient in the boundary layer near the water wall after optimized operation, while the temperature distribution outside the boundary layer is uniform, which indicates that the boiler runs stably after optimized operation and effectively reduces the generation of nitrogen oxides caused by local overtemperature. It shows that the optimized boiler can run safely and stably, with low power consumption, high efficiency, and less wear.

Graphical abstract

关键词

循环流化床 / 流态重构 / 运行优化 / 超低排放

Key words

circulating fluidized bed / fluidization pattern reconstruction / operation optimization / ultra-low emission

循环流化床（CFB）燃烧技术是20世纪80年代出现的燃烧技术，采用物料循环燃烧、炉内脱硫的方式，是高效燃烧低热值燃料的成熟技术之一^［1-3］。CFB锅炉因其燃料适应性广和可以低成本控制污染物而逐渐得到广泛应用，对于以煤炭为主要一次能源的我国有重要意义，特别是在碳中和背景下对实现能源转型具有重要作用^［4，5］。近年来，我国在CFB发电领域取得众多技术进步和突破，已在世界处于领先地位^［6-8］。

通过分析CFB锅炉的物料分布情况，可以发现床料颗粒可以分为能够参与循环的有效床料与主要停留在密相区的无效床料^［9，10］。而有效床料是上部快速床的主体，其存量与流化速度共同影响了炉内的燃烧和传热行为^{［11，12］}。而为了维持炉膛上部的快速床，需要进行流态重构，即提高分离器效率，进而降低循环物料平均粒度。进行流态重构设计的锅炉，床压与总床存量降低，起到了强化传热、提高可燃物在炉内停留时间和燃尽率的作用^［13-15］。

流态重构技术由清华大学在长期研究中提出，其具体含义是在维持流化风速和循环流率不变的情况下，优化床料质量，减少炉膛下部较粗的无效床料。该手段已在我国CFB锅炉中广泛应用，基于该技术投运的节能型CFB锅炉风机电耗及厂用电更低、燃烧效率更高，缓解了受热面和风帽等的磨损^［16-19］。流态重构的目的是降低一次风压和二次风压，同时可以改变燃料颗粒周围气氛，进而可以大幅降低氮氧化物原始排放。而对于已投运的常规CFB锅炉，如果能在低床压下运行，降低炉内几乎不影响传热的无效床料，便可能起到与流态重构相同的效果^［20-22］。为验证该想法的正确性，针对某已投运的150 MW CFB锅炉开展了运行优化降低床层压降的实验，并通过实验测试分析了低床压运行对燃烧效率、炉内的温度、压力分布变化规律，以及炉内沿炉膛高度方向气体浓度分布的影响，为已投运CFB锅炉进行流态重构优化提供参考。

1 锅炉概况

运行优化的150 MW CFB锅炉为自然循环、单汽包、双旋风分离器、超高压、单炉膛一次中间再热、露天布置的CFB锅炉，炉膛高31.37 m、宽15.24 m、深7.49 m，该锅炉总体布置如图1所示。锅炉主要设计参数如表1所示。燃用当地灰分超过61%的煤矸石和煤泥，布风板和风箱采用膜式水冷壁结构，由前水冷壁延伸而成。燃料元素分析如表2所示，可以看出燃料灰分含量高、挥发分含量高、热值低。

2 运行优化实验方法及内容

在距布风板高24.9 m处、炉膛顶部（标高34.43 m）、分离器入口（标高37.6 m）、分离器出口（标高44.4 m）及烟气出口（除尘器前的竖直烟道）布置压力测点。试验工况分别是80和120 MW：80 MW（工况1）下，通过调整床压降使得调整前后风室压力分别是13和11 kPa；120 MW（工况2）下，调整前后风室压力分别是12和10 kPa。

为获得满足锅炉运行要求的最低床存量，实验是在保证床温和负荷一定的条件下进行的，通过测试飞灰含碳量和底渣含碳量分析低床压运行对燃烧性能的影响。

为了解床压压降低对循环流化床炉内流动的影响，测量了底渣粒度分布，以及距布风板高度为17.9和27.43 m处的床料粒度分布。为获得床压降降低对炉膛内部温度分布的影响，将热电偶伸入炉内，在距水冷壁1米范围内不同位置测量温度值。如图2所示，通过采用等速取样法在取样口取得灰样品，测量分离器进出口物料浓度，进而计算出分离器效率。同时，通过优化喷氨口位置，在分离器进口烟道的下部喷氨，进而测量炉内喷氨对氮氧化物排放的影响规律，为更低负荷调峰过程中氮氧化物的脱除提供借鉴。

3 测试结果及分析

3.1 对锅炉燃烧效率的影响

为能够更好地反映燃烧效率，对不同粒径的底渣进行含碳量的测试，测试结果如图3所示。当底渣粒度低于500 μm时，随着底渣粒径的增大，颗粒在炉内停留时间增长，含碳量迅速减少；当底渣粒度大于500 μm后，停留时间增长不足以弥补粒径增大导致的燃尽困难，颗粒含碳量缓慢增加。但两个典型工况总的平均碳含量相差不大，工况1（80 MW）平均底渣含碳量为1.76%，而工况2（120 MW）平均底渣含碳量为1.75%，相较于床压降低前平均含碳量1.4%~1.5%有所升高，说明在不改善分离回料性能前提下，人为降低床压，会导致燃烧效率有所降低，这是因为大颗粒燃料在炉内停留时间不足导致的。

为进一步探索床压降低对炉内燃烧性能的影响，测试了沿炉膛高度距离水冷壁不同位置床料的含碳量，如图4所示，可以看出，同一高度距离水冷壁的位置不同，含碳量变化很小。随着炉膛高度的增加，含碳量有一定增加，这是由两方面的原因综合造成的：一方面，焦炭与其他一些灰相比，密度更低，因而更容易被携带到炉膛上部；另一方面，随着炉膛高度的增加，物料浓度降低，也就意味着物料量减少。两者综合作用的结果导致含碳量增加，特别是降低床存量后，分离器效率未得到改善的前提下，炉膛上部物料浓度进一步降低，最终导致含碳量较床压降改变前更高。

床料不同粒径的含碳量分析见图5。不同粒径含碳量随着粒径的增加，先减小后增大，在100 μm附近达到最小值，这是由于100 μm左右的床料为主要循环物料，在炉内停留时间较长，燃烧较充分，因而含碳量较低。而对于小粒径床料，特别是小于20 μm时，极易被吹到炉膛尾部，其较短的停留时间导致含碳量升高。

为获得满足锅炉运行要求的最低床存量，实验是在保证床温和负荷一定的条件下进行的，相同负荷下，优化前后需保持床温一致，证明床压降的降低并没有对炉内传热造成影响，也就是说，炉内的有效床料量并无明显改变。这也意味着，床压降降低导致无效床料量减少。

床压降降低，炉膛背压减小，提高了二次风穿透能力，提高了燃料的燃尽率，降低飞灰含碳量，进而提高了锅炉热效率，同时床压降的降低也大幅降低了风机电耗，降低了厂用电，提高了经济性。

3.2 炉内流动特性

对降低床压降后的锅炉进行了最小流化风量实验，结果如图6所示，可以看出压差（料层阻力）随着流化风量的增加而增加，到达临界流化风量后，再增加风量，压差趋于平缓。从图6中可以看出临近流化风量约为100 000 m³/h，此时压差为6.7 kPa；对比某另一台150 MW循环流化床锅炉^［23］，临界流化风量约为110 000 m³/h，床层压差为10 kPa。表明床存量降低后，在较低的流化风量运行下，依然可以实现稳定流化，因此，进行床压优化可以有效降低厂用电。

图7显示了床压降降低后，两种工况下底渣的粒径分布情况，可以看出，底渣粒径分布略有不同，工况1的底渣粒径略细一些。图8显示了床料颗粒粒径分布情况，床料粒度主要分布在100 μm附近，由于测点位置较高，距布风板的垂直距离分别为17.9 m和27.43 m，因而床料粒径较细。同一工况不同高度的粒径分布有一定差异，高度增加，细颗粒所占份额增大，这是气力输送的结果；同一高度不同负荷也存在差异，负荷增大，粒径分布朝着粒径增大的方向移动，这是由于负荷增大，流化风量增大，气力输送能力增强，因而床料粒径较粗。

表3给出了床压降降低后，距水冷壁75 cm处炉膛内不同高度的物料浓度情况。随着炉膛高度增加，物料浓度减小；负荷增加，炉膛同一位置物料浓度相应增加。另外，根据分离器进、出口浓度，可以获得粗略的分离器效率，80 MW工况下，分离效率约为99.91%，该循环效率可以满足流态重构对分离效率的要求。

炉内磨损往往是由大颗粒（无效床料）造成的，通过本次实验，无效床料减少，因此改善了炉内磨损情况。

3.3 炉内温度分布

床压降降低后，两种工况下的炉膛径向温度分布如图9所示，可以看出炉膛近水冷壁处温度梯度较大，有利于床料与水冷壁的换热，从图中也可以看出边界层厚度约为15 cm。而随着距水冷壁距离的增大，温度很快达到一个稳定值，且温度波动范围不大，说明床压降降低后，炉膛内部是一个温度场较为均匀的体系，这为燃料燃尽创造了良好的条件，同时也避免了因局部高温导致氮氧化物生成增加^［24-26］。

3.4 污染物排放特性

表4为工况1喷氨前一个多小时锅炉出口烟气中的氧气和氮氧化物含量，图10为同一工况下，SNCR投运后，烟气中氮氧化物与氧气含量的变化情况。对比分析可以看出，当折算到相同氧含量情况下，可以发现，通过炉内喷氨，可以显著降低氮氧化物的排放。

按现有的排放标准，电厂二氧化硫浓度能较好地满足要求。值得注意的是氮氧化物与二氧化硫的机理不一样，需要的反应气氛差异较大。氮氧化物的抑制需要低温还原性气氛，而二氧化硫的脱除需要相对高温的氧化性气氛，因而两者存在此消彼长的关系。经运行优化后，脱硫采用超细粒度石灰石，较大的比表面积导致反应速率快，延长了超细石灰石在炉内的停留时间。这样高反应活性的超细石灰石可以在炉内快速完成脱硫反应，且石灰石脱硫利用率高，实现炉内高效脱硫。

4 结语

对某电厂150 MW循环流化床锅炉进行降床压运行优化，运行优化后锅炉实现低床压运行。现场测试数据表明运行优化后的锅炉燃烧性能得到改善，锅炉热效率和经济性得到提高，床料颗粒粒度分布得到优化，改善了炉内磨损情况。同时，运行优化后锅炉运行稳定，未出现局部超温情况，且满足超低排放的要求。表明低床压运行可以实现类似流态重构的效果，为已投运的循环流化床锅炉的安全高效运行提供了技术参考。

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基金资助

吉林省科技发展计划项目(20240304088SF)