乌达480 t/h循环流化床锅炉的研制

文章摘要：

摘　要　介绍了中国科学院工程热物理研究所和无锡华光锅炉股份有限公司联合研制的首台480 t/h循环流化床（CFB）锅炉的研制过程，锅炉在内蒙古华电乌达热电有限公司顺利投入商业运行，是我国首台采用自主知识产权的480t/h带再热蒸汽循环的CFB锅炉。关键词　CFB锅炉　再热蒸汽　旋风分离器

0　前言

我国科研工作者在上世纪80年代就开始了CFB锅炉的科研开发工作，但主要是中小型的热电联产锅炉，容量大多在220t/h以下。2003年初，哈尔滨锅炉厂有限责任公司在河南新乡、开封、新安和山东淄博的带再热蒸汽循环的440t/h CFB锅炉相继投入运行，真正表明该项燃煤技术在国内进入以发电为主的大容量锅炉发展阶段，这就要求该项技术的可靠性必须很高，以适应电力部门的生产需求。

中国科学院工程热物理研究所执行的2001－2005年国家“十五”科技攻关课题就是进行440t/h等级的CFB锅炉研制。在不断吸收已经投运的大型CFB锅炉运行经验基础上，依据长期的CFB技术实践，与无锡华光锅炉股份有限公司完成了具有我国自主技术的480t/h CFB设计，2005年3月锅炉投入商业运行。目前采用工程热物理研究所技术的440t/h 等级CFB锅炉已有25台商业订单（其中含济南锅炉集团有限公司9台）。

1　研制进程

2001年，中国科学院工程热物理研究所着手进行440t/h CFB锅炉研制工作，2003年3月与无锡华光锅炉股份有限公司签订了410t/h 以上容量的CFB锅炉产品的合作开发协议。2003年7月，480t/h CFB锅炉产品在内蒙古华电乌达热电有限公司项目中标。

2003年11月，无锡华光锅炉股份有限公司在无锡召开了评审会，邀请了国内已经投运的440t/h等级的用户代表就乌达480t/h CFB锅炉方案进行了技术评审。

2005年2月，首台480 t/h CFB锅炉正式投入运行。2005年3月29日，1号锅炉顺利完成了72+24小时的试运行，锅炉的各项性能指标都达到了设计要求，随后投入商业运行。

2　锅炉概况与特点

2.1　锅炉主要参数及燃料特性

额定蒸发量 480 t/h

过热蒸汽压力 13.73 MPa

过热蒸汽温度 540℃

锅炉再热蒸汽流量   403 t/h

再热蒸汽出口压力 2.73 MPa

再热蒸汽出口温度   540℃

再热蒸汽进口压力   2.92 MPa.g

再热蒸汽进口温度   330℃

给水温度       250℃

锅炉排烟温度 142℃

锅炉保证热效率 90.34%

480t/h CFB锅炉燃用设计煤种的元素分析见表1，燃煤粒度0－10mm，其中d50≈1.5mm。

表1 锅炉设计燃料分析数据

项　　目                         符　号 单　位             设计煤种

收到基碳                           Car           %                     47.42

收到基氢                           Har           %                     3.03

收到基氧                           Oar           %                     6.35

收到基氮                           Nar             %                   0.71

收到基硫                           Sar             %                   0.84

收到基灰分                     Aar             %                   37.85

收到基水分                     Mar           %                   3.80

干燥无灰基挥发分 Vdaf           %                   34.46

收到基低位发热值 Qnet，ar MJ/kg   18.10

2.2　锅炉总体结构

480 t/h CFB锅炉的总体布置见图1。

锅炉采用了单汽包自然循环、全悬吊膜式水冷壁的封闭结构。炉内布风板到炉顶的净高为39m，炉膛横截面积为114m2。炉内布置有8片过热蒸汽屏、6片再热蒸汽屏和3片水冷蒸发屏。

炉内布风板和返料器布风板上均采用了内嵌逆流柱型风帽，可有效地防止布风板漏渣；锅炉炉膛内采用了9m防磨层高度，并设计有独特的垂直让管结构，可有效地防止物料贴壁流造成的水冷壁磨损；采用了前后墙布置的大直径、高流速的二次风布置技术。锅炉前墙布置有6台皮带式给煤机和落煤管，以保证燃煤能够均匀的进入炉内。采用气力输送的方式将石灰石粉从位于前墙下层的4只二次风口喷入炉膛。

两只蜗壳式旋风分离器布置在炉膛和尾部烟道之间。分离器下部各有一个返料器，将分离下来的循环物料送回炉膛。

高、低温过热器、冷段再热器、省煤器布置在尾部烟道之中，全部由省煤器悬吊管悬吊。从转向室到冷段再热器的尾部烟道部分采用了过热器包覆墙设计。省煤器为光管顺列布置，空气预热器为层叠顺列布置。

锅炉几个主要几何尺寸如下：

锅筒中心线标高       50.6 m

锅炉运转层标高       9.0 m

锅炉顶板上标高       58 .0 m

锅炉两侧外支柱中心距离   31.0 m

锅炉前后柱中心距离     36.0 m

2.3　锅炉汽水系统

给水进入锅炉省煤器进口集箱，经水平布置的三级管式省煤器，汇集到出口集箱，通过省煤器吊挂管进入汇集集箱，由引出管引入汽包。省煤器悬吊管从低温再热器到低温过热器时采用了变径管结构。

汽包内的锅水由四根集中下降管分配到炉膛下部的膜式水冷壁进口集箱，经炉膛膜

图1　480t/h CFB锅炉总体布置

式水冷壁加热后成为汽水混合物，随后经上集箱、汽水引出管引入汽包。

饱和蒸汽从汽包顶部的蒸汽连接管引至尾部烟道两侧包墙上集箱，进入两侧包墙过热器、前后包墙过热器、低温过热器、第一级减温器、四片上行屏式过热器、四片下行屏式过热器、第二级减温器和高温过热器进入主蒸汽管道。

来自汽轮机高压缸的再热蒸汽由两端进入尾部烟道的再热器入口集箱，进入冷段再热器，经两根连接管引向炉前，途经喷水减温器进入炉内6片热段屏式再热器，向上进入热段再热器出口集箱，进入汽轮机中压缸。冷段再热蒸汽的进口设置有事故喷水减温器。

2.4　锅炉空气流程

锅炉采用平衡通风，炉膛出口处烟气压力控制为-100Pa。一次风经空气预热器升温后分为两路：第一路引入炉底一次风室，经布风板进入炉膛；第二路引至炉前的6根给煤管，随给煤一起进入炉膛。二次风经空气预热器升温后由风道引到炉前的二次风箱，从二次风箱引出支管，经过上下两层喷口进入炉膛。

2.5　锅炉启动点火装置

锅炉采用了4只床下油点火燃烧器，布置在水冷风室的后墙。点火燃烧器所需的助燃空气为一次风，可生成900℃左右的热烟气，从炉底通过布风板进入炉膛，可将床内物料加热到400℃左右。

距离布风板高度3m的两侧墙水冷壁上还布置有4台点火燃烧器，可持续将床温加到650℃以上。

3　关键设计点探讨

在确定乌达480t/h CFB锅炉设计方案时，我们分别对几个关键设计点进行了技术研讨，现在锅炉已经运行，运行结果表明当时的设计思路基本正确，下面就介绍锅炉采用的几个主要技术措施。

3.1　锅炉的给煤设计

从国内已经投运的循环流化床锅炉的设计经验来看，给煤与排渣运行情况直接关系到锅炉的正常运行。哈尔滨锅炉厂有限责任公司采用的是返料器加煤、炉膛后墙给煤，见图4。它利用高温循环灰直接加热给煤，能够延长煤粒在炉内的燃烧时间，提高锅炉燃烧效率，我们在国外考察CFB锅炉时也见过相关设计，但在河南新乡考察时发现后墙给煤方式造成给煤线过长，可靠性不高，经常断煤导致停炉。我们认为锅炉可靠性是第一位的，提高煤炭的燃尽率是第二位的。乌达480t/h CFB锅炉采用了前墙给煤技术，为保证煤粒播散均匀，采用了6根给煤管。

3.2　锅炉的排渣设计

大型CFB锅炉的冷渣器不能像中小型CFB锅炉那样直排了。哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海锅炉厂有限公司和东方锅炉（集团）股份有限公司生产的440t/h等级的CFB锅炉基本上都采用风水联合冷渣机，该灰渣冷却方式在国外应用较普遍，效果良好，它的好处是能将进入冷渣器的细粒子直接送回炉膛，提高床内细物料的保有量，提高锅炉的燃烧效率。国内CFB主要研究单位国电西安热工研究院也热衷于此项技术的研究和推广工作。

从理论上来讲采用风水联合冷渣器是很有道理的，可以提高细粒子的停留时间，又能将热渣的物理热量充分吸收，但该设备价格昂贵，体积庞大，仅一只控制出渣量的蘑菇阀价格就要100万元。

实际运行情况也是风水联合冷渣器的可靠性不好，在国内的应用中出了很多问题，主要是当排渣颗粒过大时，热渣进入冷渣器困难；大颗粒热渣进入冷渣器之后流化不好，只好加大流化风，管式受热面就容易受到磨损；风水联合冷渣器的第一风室必须定期放渣，稳定运行可靠性不好。

风水联合冷渣器可靠性不高，解决的出路在于严格控制燃煤的粒度，但我国没有严格的配煤制度，燃煤的粒度仅仅依靠电厂的2级破碎是难以达到锅炉厂提供的燃煤粒度要求。同给煤设计一样，我们仍然认为锅炉可靠性是第一位的，提高煤炭的燃烬率是第二位的，必须选择可靠性高的灰渣冷却设备。

乌达480t/h CFB锅炉排渣设计是这样的流程，燃煤形成的底渣通过布风板上的5个放渣管排出炉膛，其中4根放渣管直接与4个滚筒式冷渣器相连，冷渣器将底渣冷却后排到挂板式输渣系统。选择了4台山东章丘圣火科技有限公司生产的滚筒式排渣机，该种排渣机在国内220t/h以下的CFB锅炉使用中比较可靠，最主要的益处是如果滚筒式冷渣器出了故障，热渣可以从冷渣器的进口旁路放渣，无需停炉。

在乌达480t/h等级上直接采用滚筒式排渣机在国内尚属首次，要冒较大的技术风险。华电乌达热电有限公司上层主管领导反覆询问滚筒式冷渣器的可靠性，2004年2月，在无锡就关键辅机设备冷渣器问题进行了专门的技术研讨，最终才确定采用滚筒式排渣机。

自乌达1、2号锅炉运行到现在，从来没有因为给煤和排渣出故障而停炉，证明了我们的设计是正确的，到2005年，很多440t/h CFB锅炉用户纷纷将风水联合冷渣器换成可靠性较好的滚筒式排渣机，还有用户在订购450t/h CFB锅炉时就明确不用风水联合冷渣器。毕竟循环流化床锅炉是一个实用性、经验性很强的科学，一切都必须从实践出发，不能完全照搬“外国人”的经验。但目前三大锅炉厂新上的锅炉原配的还是风水联合冷渣器，其中可能的一个原因是滚筒式排渣机的生产厂家是乡镇企业，“出身”不太高贵。

3.3　提高煤粒燃烧效率的措施

依照传统的概念，旋风分离器的直径放大之后，颗粒进入旋风分离器的离心力变小，有必要采用细床料再循环（如风水联合冷渣器）、返料器给煤、飞灰再循环等措施来提高炉内的物料循环量，以提高锅炉的燃烧效率。乌达480t/h CFB锅炉的给煤和排渣设计又完全不同于三大锅炉厂的设计，如何保证煤粒的燃烬是必须要解决的问题。

乌达480t/h CFB锅炉提高锅炉燃烧效率的主要技术措施是两条，首先选择了高效蜗壳式旋风分离器。蜗壳式旋风分离器在220t/h以下容量的锅炉上已经应用，实际的效果是分离器效率很高。以前在中小型CFB锅炉的尾部烟道中，受热面管子经常出现磨损现象，而采用蜗壳式旋风分离器之后，尾部受热面管子上却出现了严重的积灰，导致过热蒸汽汽温不够、排烟温度升高等现象。这些经验都促使我们在乌达480t/h CFB锅炉上直接采用蜗壳式旋风分离器，蜗壳式分离器的蜗壳直径达到了8m，圆段的直径是7.1m，这样大直径的蜗壳式旋风分离在CFB锅炉上还是首次采用。

另一个技术措施是提高锅炉的燃烧温度。煤粉锅炉的燃烧温度一般在1400℃左右，它的飞灰含碳量一般在1－4％之间。同理，循环流化床锅炉炉膛燃烧温度高对于降低底渣和飞灰的含碳量作用非常明显，因此在乌达480t/h CFB锅炉设计当中，炉膛的燃烧温度被控制在920－960℃之间。学术界公认的理论是CFB锅炉最佳的脱硫和脱硝温度是850－880℃。但在实际的锅炉运行中发现，炉膛燃烧温度并不是脱硫和脱硝唯一的影响因素，二次风布置、物料掺混和高效旋风分离器的作用也很大，现在乌达480t/h运行表明，运行参数和设计参数基本接近，其底渣和飞灰含碳量也很低（见表2），其中还列出了相关电厂的燃烧情况。

表2 煤质分析及飞灰含碳量[1]

项目 内蒙乌达 华能白杨和 华能济宁 济宁运河

煤质热值kcal/kg 4600 4788 5385 5256

煤质干燥无灰基挥发分 33% 30% 39% 36%

煤质灰分 33% 34% 20% 22%

煤质全水分 2.9% 4.8% 8.4% 8.2%

过热蒸汽流量 522t/h 444t/h 423t/h 445t/h

飞灰含碳量 5.9 9.5 5 6.2

底渣含碳量 0.9 1.9 2 1

从表2可以看出，乌达480t/h CFB锅炉的燃烧效率不必国内进口炉型差，也说明了在给煤和排渣上做一些小的“文章”完全没有必要，只要锅炉的旋风分离器设计可靠，炉内空气加入设计合理，在这样大的锅炉内实现煤的燃烬是没有问题的，我们设计人员还是应该将设计侧重点放到锅炉的可靠性高这个方面上来，要知道480t/h CFB锅炉一天就有360万KW.h的发电量，停一天的损失是很大的。

3

乌达480t/h CFB锅炉布置有3片水冷蒸发屏、8片过热蒸汽屏、6片再热蒸汽屏。锅炉运行中屏的变形不可避免，因为屏内工质温度不同、屏的材料不同，过热蒸汽屏在热态情况下比同样长度的水冷壁多45mm膨胀量，热段再热蒸汽屏在热态情况下比同样长度的水冷壁多137mm膨胀量，希望屏上部的弹簧全部吸收这些涨差是不现实的。

屏变形之后和周围的水冷壁之间的流动空间会变化，从而导致烟气的偏流加速，造成爆管现象[2]。乌达480t/h CFB锅炉炉内布置有3片大型水冷蒸发屏，见图6，其中不会变形的2片水冷屏靠近两侧墙，很好地“护”住了汽屏，即使汽屏变形，屏之间形成不等截面积的烟气走廊，汽屏磨损量也不大，因为CFB锅炉烟气夹带的物料流动特性是中间上、边角下，靠近水冷壁面的下降流物料浓度会比中心的上升流物料浓度高出数十倍[3]。炉膛中间的物料浓度小，屏磨损量自然大幅度减少。另外炉膛上部进入旋风分离器的出口在侧墙水冷壁，而不是在后墙的中心，屏变形之后的磨损也会比靠边水冷壁的屏磨损要小很多。

3.5　膨胀节的设计

CFB锅炉炉膛内是正压燃烧，一次风机、二次风机和引风机压头较煤粉炉大很多。炉内还有大量的循环物料在流动，CFB锅炉内的燃烧温度是900℃左右，锅炉的膨胀和密封设计显得很重要。国内部分440t/h CFB锅炉由于膨胀密封设计不当，导致锅炉现场煤、灰的跑冒非常严重，才运行几个月，锅炉就像有10年的炉龄似的，所有平台、管道上都堆满了积灰。当然主要的泄漏原因还是在于风水联合冷渣器、给煤设计不当，返料器内耐火材料砌筑质量差造成。

440t/h CFB锅炉电厂已经属于国内主力电站，文明生产要求很高，不能跟75t/h CFB锅炉水平看齐。根据国内CFB锅炉的运行经验，乌达480t/h CFB锅炉尽量避免采用膨胀节设计，大量地采用了恒力弹簧吊设计。锅炉必须安装膨胀节的地方不采用金属膨胀节，而采用非金属膨胀节。膨胀方向一律采用垂直膨胀，不采用倾斜方向的2个膨胀节扭曲膨胀设计。

乌达480t/h锅炉实际运行情况显示，由于采用了滚筒式排渣机、垂直单向膨胀技术，而不是复杂的三维膨胀，锅炉现场比较干净，煤灰跑、冒现象不严重，当然要和煤粉炉相比还是有一定的差距的。

4　锅炉运行

2005年2月，乌达480t/h CFB锅炉中的1号炉试投运，2005年3月29日，完成了72＋24小时的运行考核，进入商业运行，锅炉运行期间的过热蒸汽、再热蒸汽参数能够满足汽机带150MW发电功率的要求，燃用煤种和设计煤种基本接近。

锅炉在480t/h满负荷运行时，蒸汽参数和燃烧系统的参数运行稳定，下面分别进行介绍。

4.1　锅炉的额定蒸汽参数

过热器系统的喷水量在10t/h左右，系统压力降在1.40MPa，符合10％的过热蒸汽压力降的要求。

再热系统的喷水量在17t/h左右，系统的压力降在0.29MPa，满足0.3MPa的再热蒸汽压力损失的要求。

给水温度为248℃，给水泵出口到汽包的阻力降为0.70MPa。

4.2　锅炉的燃烧特性参数

锅炉燃烧系统烟气温度分布见表3，由表2知烟气温度分布比较均匀，主要原因是蜗壳式旋风分离器的分离器效率完全达到了设计要求。

表3   燃烧系统烟气温度分布

烟气温度测点 数值

布风板上0.8米左侧 932℃

布风板上0.8米右侧 916℃

布风板上6.7米左侧 929℃

布风板上6.7米右侧 908℃

布风板上33.4米左侧 929℃

布风板上33.4米右侧 919℃

返料器左侧 931℃

返料器右侧 946℃

旋风分离器烟气出口左侧 900℃

旋风分离器烟气出口右侧 928℃

锅炉布风板上6.7米到33.4米之间的悬浮段烟气压降为2.3Kpa，这样大的循环灰量有效的提高了锅炉燃烧效率，抑制了旋风分离器内后燃造成的返料器内烟温大幅升高。

国内440t/h等级的CFB锅炉的风室压力基本上都被控制在12－14KPa左右。由于担心一次风室和风道之间的膨胀节耐压能力不够，乌达480t/h CFB风室的压力始终控制在9.5-11.0 KPa之间。布风板风帽的压力降为3.7KPa－4.5 KPa之间。停炉之后进入水冷风室检查，没有发现风帽漏渣现象，表明内嵌逆流柱型风帽具有适中的压力降，很好的防漏渣性能。风帽抗磨损性能力还有待于长期的运行考验，同样的风帽在220 t/h CFB锅炉上已经运行1年多，没有发现磨损现象，主要原因是风帽的阻力控制点放在风帽内部，这样风帽周围的小孔空气速度可以设计的较低，可以降低风帽间的物料扰动，减少风帽的磨损。

由于风室压力不高，担心炉膛下部物料保有量不大，底渣含碳量会升高，但实际底渣取样化验结果显示，底渣含碳量仅为0.7－1%。

锅炉下部的滚筒式排渣机运行稳定、可靠。冷渣的排渣温度基本上可以控制在50℃以内。4台冷渣器中有2台运行，2台停止，4台交替运行。按照耗煤量78t/h、煤种灰份38％和底渣份额40％计算，锅炉底渣排量为12t/h，单台冷渣器的处理量为6t/h。

国内440t/h等级的CFB锅炉返料器风室进风管道阀前运行压力普遍为50－61Kpa。我们在设计返料器时有意识的降低了风室压力，以保证流化风机能够有较大的裕度。乌达480t/h CFB锅炉运行表明，返料器风室进风管道阀前运行压力为35Kpa，从没出现风室压力波动和返料滞止的现象。

4.3　旋风分离器的性能参数

乌达480t/h CFB旋风分离器的烟气压力降为1.8KPa，同样的动力性能参数在220 t/h CFB锅炉上的旋风分离器压力降为1.2KPa。 因此大型旋风分离器压力降要比中小型旋风分离器大50％。

考核旋风分离器性能的主要指标是飞灰粒径分布和灰渣含碳。乌达电厂每天都取灰样进行化验，循环灰的含碳量为0.3%，飞灰的含碳量在4－5％之间，循环灰和飞灰的粒度分布见图2和图3。

循环灰的粒度分布比较宽，但临界切割粒径d50和其它旋风分离器的粒径相当。飞灰粒度分布与中小型旋风分离器的粒径分布相当，其中临界切割粒径d50=22μm，具体的粒度对比见表4，说明旋风分离器的直径从4200mm放大到8000mm之后，旋风分离器分离效率没有明显的下降。

表4 不同直径分离器临界飞灰粒度

用户及煤种 旋风分离器直径 d50（μm）

大连春海集团130t/h, 烟煤 4200mm 19

洛阳华润热电有限公司220t/h，无烟煤 5000mm 24

华电乌达热电有限公司480t/h，烟煤 8000mm 22

（所有数据均采用Malvern仪器进行飞灰粒度分析得出）

图2　循环灰粒度分布曲线

4.4　锅炉存在问题

锅炉尾部受热面的烟气速度设计见表4。由于高温、低温过热器和冷段再热器的烟气速度设计较高，过热蒸汽和再热蒸汽系统的喷水量一直没有明显的减少。

图3　飞灰粒度分布曲线

为确保锅炉的长期运行，省煤器取了8m/s左右的烟气速度。实际运行中省煤器和空气预热器出现了积灰，导致排烟温度过高，运行中为160℃左右，超过设计值。

锅炉采用了爆破式吹灰器，通过合理的吹灰操作顺序，排烟温度可以降到150℃以下，如何有效的进行吹灰器操作，以进一步降低排烟温度还需要不断摸索。但将低温段受热面的烟气速度到11m/s，增加空气预热器的面积应该是今后锅炉的设计选择。

表5   480t/h CFB锅炉尾部受热面烟气流速

项         目 烟气流速

高温过热器 11.0 m/s

低温过热器 9.3 m/s

冷段再热器 9.6m/s

省煤器 8.1 m/s

空气预热器 8.3 m/s

5　结论

首台完全采用我国自主技术的480t/h CFB锅炉顺利投入商业运行，并取得了预期的结果。这个项目的成功将对我国自主洁净煤燃烧技术的研制工作起到积极的示范作用。

图4　锅炉后墙给煤

图5　白杨河一片水冷分割屏　　　　　                                   图6　乌达三片水冷蒸发屏

参考文献：

[1]　孙键. “135MW等级CFB机组商业运行情况的调查报告”，2005年8月

[2]　全国电力行业CFB机组技术交流资料汇编（1－4），CFB协作网

[3]　E.U. Hartge etc. “SPATIAL EFFECTS IN THE COMBUSTION CHAMBER OF THE 235MWe CFB BOILER TUROW NO 3 ”, May 2005, Hangzhou/China, 8th International CFBC Conference.

作者简介：

包绍麟（1963年－），男，1986年毕业于清华大学热能工程系。

现任中国科学院工程热物理研究所研究员，一直从事CFB锅炉技术工作。