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220th节能环保型CFB锅炉的设计

文档作者：包绍麟吕清刚那永洁等文档来源： 1．中国科学院工程热物理研究所 2．无锡华光锅炉有限公司		点击数：	更新时间： 2021年01月29日
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· 研究与开发· 220 t／h节能环保型CFB锅炉的设计 15
文章编号：1004—8774(2013)05-0015-05
220 t／h节能环保型CFB锅炉的设计
包绍麟 ，吕清刚 ，那永洁 ，孙运凯 ，王海刚 ，周 托
沈解忠 ，毛军华 ，苏小平 ，杨 浩 ，钱 刚 ，景 磊
(1．中国科学院工程热物理研究所，北京100190；
2．无锡华光锅炉有限公司，江苏无锡214028)
摘要：介绍了220 t／h节能环保型循环流化床(简称CFB)锅炉的设计原则，探讨了降低
锅炉有害气体NO 和sO：排放的措施，对满足我国环保政策的CFB锅炉研发具有参考意义。
关键词：CFB锅炉；节能环保；设计
中图分类号：TK229：6 6 文献标识码：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：包绍麟
(1963一)，男，中国
科学院工程热物 m
研究所研究员，长
从事循环流化床燃
烧理论和技术开发
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燃烧是一种高效和低污染的清洁燃
烧技术，CFB锅炉具有负荷调节范围广和对燃料的
适应性强等突出优点。CFB锅炉的炉膛温度通常在
850～900℃，这是一个理想的石灰石分解脱硫反应
温度区问，通过直接向炉膛加入石灰石，可使烟气中
的SO 脱除效率达到90％ 以上；同时，采用低温和
分级送风燃烧，可大大降低NO 的生成。
中国科学院工程热物理研究所与无锡华光锅炉
股份有限公司于2004年成功开发了240 t／h高温高
压CFB锅炉，首台锅炉建在洛阳华润热电有限公
司 J。随后，广东东莞理文280 t／h和南京协鑫240
t／h等近200多台同容量等级、不同蒸汽参数的CFB
收稿日期：2013-05-06
基金项目：中国科学院战略先导科技专项资助
(XDA07030100)
锅炉陆续建成并投入商业运行，这些CFB锅炉的运
行调整时间短，系统设计简单，可以做到按需停炉，
年连续运行时间达到7 000小时以上，特别适应中
国的煤质特性和运行条件，形成了具有独立自主知
识产权的CFB锅炉技术设计体系，获得用户的普遍
好评。其中，洛阳华润热电有限公司的220 t／h CFB
锅炉在燃用5 200 kcal／kg山西晋城无烟煤时，锅炉
热效率为91．10％ ；陕西渭河沽能有限公司的
240 t／h CFB锅炉在燃用5 300 kcal／kg烟煤时，锅炉
热效率为92．50％ 。
我国政府于2012年颁布了火电厂大气污染物
排放标准GB 13223-2011，要求新建锅炉烟气排放
中SO2<100 mg／m (标态)、NO <100 mg／m (标
态)，2014年将在全国主要省区推广，并逐渐推广到
全国。过去，CFB锅炉首先要保证煤的高效燃烧，现
在，NO 、SO 排放是否达标是新的关注点，如果锅炉
的烟气污染物排放不达标，锅炉的高效燃烧也就失
去了意义。CFB锅炉的科研工作者必须根据市场需
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· 研究与开发· 220 t／h节能环保型CFB锅炉的设计 17
效的措施抑制NO 的生成。下面简要介绍NO 的
生成机理。
锅炉燃烧中产生的NO 主要有燃料型NO 和
热力型NO ，燃料型NO 由燃料中的氮成分在燃烧
中产生，热力型NO 是由于空气中的N：高温氧化
产生。由于CFB锅炉的燃烧温度一般在850～950
cI二，空气中N 氧化形成的热力型NO 很少，可忽略
不计。燃料型NO 在CFB锅炉里的生成过程比较
复杂，与煤种、燃烧温度、过量空气系数、空气分级供
入等因素有关。
煤种不同，挥发分和氮含量不同，CFB锅炉燃烧
中NO 的排放也不同。燃料中的氮含量高，燃烧中
产生的NO 就高；挥发分高的煤种，如褐煤，NO 的
排放较高，挥发分低的煤种，如无烟煤和贫煤，NO
的排放较低。
研究已经确认，炉膛燃烧温度在850～880 oC是
最低NO 的生成反应区间，高于这个温度，NO 将
大幅度升高，低于这个温度，煤将不能得到很好的燃
尽。
炉膛内供人的氧气越少，生成的NO 就越少，
但进一步减少氧气的供应，会增加飞灰含碳量，CO
排放也会增加，锅炉燃烧效率会明显下降。经验表
明，炉膛出口的烟气氧含量控制在2％ ～3％，NO
生成比较小，燃烧效率也能够得到保证。
CFB锅炉采取空气分级供入技术，大约50％ 的
空气从炉膛下部进入炉膛，使炉膛下部基本上处于
还原性气氛中，生成的NO 被还原，抑制了NO 的
生成。另外50％的燃烧空气从炉膛的中下部给人，
此时燃料中的N成分燃烧生成的NO 就少很多。
根据以上研究成果，220 t／h节能环保型CFB
锅炉将通过合理设置炉膛受热面，控制炉膛燃烧温
度设计点(860～880 oC)；严格进行空气分级供入，
低于50％总风量作为一次风从炉膛布风板下送人，
另外高于50％的空气作为二次风从炉膛布风板上
给入。根据尾部烟气中的氧含量为2％ ～3％决定
总风量的加入量。通过采取以上措施，220 t／h节能
环保型CFB锅炉的NO 排放可控制在100 mg／m
(标态)以下。对于含氮较高的煤种，NO 的排放浓
度可能会超过100 mg／m (标态)，但不会超过200
mg／m。(标态)，可通过在旋风分离器的进口采取简
单的选择性非催化还原(selective non—calalytic re—
duction，SNCR)技术，将尾部烟气的NO 排放控制
在100 mg／m (标态)以下。
在众多的烟气脱硝技术中，SNCR是应用较为
广泛的技术，特别适合CFB锅炉。SNCR的还原温
度窗口在800～950℃ ，正好落在最佳的脱硫脱硝温
度860—880 oC以内，是比较适合CFB锅炉应用的，
它不需要催化剂，运行费用较低，尿素通常可用作
NO 的还原剂；氨水也是较好的还原剂，但由于环境
及安全因素，使用不多。大量的工业应用实践表明，
CFB锅炉的高温旋风分离器是很好的脱NO 场所，
还原剂和烟气在这里能够进行最好的掺混，采用
SNCR技术可以获得60％ ～85％的脱NO 效率。
现在，新开发的220 t／h节能环保型CFB锅炉
均在高温旋风分离器的进口烟道上设置了用于
SNCR脱硝的加人口，大多在进口烟道的外侧垂直
方向布置2～5个喷入口，也有布置在进口烟道的内
侧，外面用盲板封住，用户可自己选择专业的环保0
司进行SNCR系统的设计和现场安装。可以设计一
套系统同时对应几台CFB锅炉。
5 脱硫方面采取的措施 J
CFB锅炉燃烧技术最突出的优势是，能够通过
向炉膛内加入石灰石粉的简廉方法实现烟气SO 排
放浓度达标，这也是CFB锅炉能够在中国得到大规
模应用的重要原因。石灰石加入炉膛的位置以及方
式对脱硫效果的影响很大，因此220 t／h节能环保
型CFB锅炉有必要根据国内脱硫科研成果进行优
化设计。
国内科研机构在脱硫方面的多年研究得出的主
要结论是，对于大多数含硫量小于1％ 的煤种，采取
有效的脱硫措施后，SO 排放浓度能够达到
100 mg／m (标态)以下；对于含硫量大于1％ 的煤
种，sO 排放能够达到200 mg／m (标态)以下，但达
到100 mg／m (标态)以下有难度，解决办法是采用
炉内石灰石加入系统之后，尾部再增加一级湿法脱
硫系统，这样就完全能够达到100 mg／m (标态)以
下的国家排放标准。
石灰石加入炉膛的工艺有两种，一是通过二次
风管将石灰石粉送进炉膛，这是国内较普遍采用的
方法；第二个是通过返料器送进炉膛，石灰石粉先与
高温循环灰混合、被分解，再吸收烟气中的SO 。工
业实践证明第二个方法更为有效，可大幅度减少石
灰石粉的用量。
为保证220 t／h节能环保型CFB锅炉的烟气达
到新的国家环保标准，在建设发电厂的时候都需在
尾部设计一套湿法脱硫系统。现在尾部湿法脱硫系
统的设备造价已经很低，大多数发电厂能接受。在
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18 工业锅炉 2013年第5期(总第141期)
锅炉运行时，当烟气中的SO 排放浓度超过
100 mg／m (标态)时，启动尾部湿法脱硫系统，将
SO 排放浓度控制在100 mg／m (标态)以下。锅炉
运行经验表明，在脱硫塔中喷少量水就能够大幅度
降低烟气中s0 浓度，原因是烟气中含有大量多余
未反应的石灰粉，这些石灰粉和水形成Ca(OH) ，
其脱硫反应活性极佳。
现在，新开发的220 t／h节能环保型CFB锅炉
上石灰石均从返料器加入，尾部还安装了一套湿法
脱硫系统，可依据脱硫工况随时投入使用。与煤粉
炉尾部脱硫系统相比，CFB锅炉的湿法脱硫系统喷
入的石灰石浆明显减少，CFB锅炉又能够以清洁环
保的新面貌出现。
6 节能方面的措施
洛阳华润热电有限公司的240 t／h CFB锅炉的
一次风机和二次风机的压头选型分别是21．6 kPa
和14．7 kPa，而实际运行表明，CFB锅炉通常不需要
这样高的压力储备系数(见表1)。发电厂操作人员
都将一次风机出口压力控制在12 kPa以内，由于采
取了变频技术，能够很好地解决风机风压出力问题，
降低厂用电，后续的其它用户在进行220 t／h锅炉
风机选型也就一直延续这个参数。
从表1可知，220 t／h CFB锅炉的一次风机和二
次风机完全可以选择更低的压头参数。综合实际的
运行情况，220 t／h节能环保型CFB锅炉的一次风
机和二次风机的压头选型参数分别是15—17 kPa
和10～12 kPa。这样的压头选型参数已经有很大的
富裕量，再配合变频技术，可进一步降低厂用电，实
现节能降耗。
表1 220 t／h CFB锅炉实际运行中风机出口压力数据汇总 kPa
7 保证排烟温度达到设计值的措施
中国科学院工程热物理研究所一直致力于提高
旋风分离器分离效率的工作，研制出了CFB锅炉用
的高效蜗壳式进口旋风分离器，分离效率高，流经尾
部受热面的飞灰粒径很细，尾部受热面一直积灰较
为严重。220 t／h系列CFB锅炉运行结果证明，过
热器的进口烟气流速可以在以前基础上进一步提
高，有效实现受热面管子的自吹灰能力，保证额定的
过热汽温。如果是褐煤，烟气流速还可进一步提高。
提高烟气流速还可以减少受热面的钢耗，降低成本。
但控制锅炉排烟温度到140 qC以下则比较困
难，主要是省煤器管子的积灰问题长期没有很好解
决。基于旋风分离器提高分离效率后飞灰粒度变细
的实际情况，2011年，浙江嘉化工业园投资发展有
限公司的240 t／h CFB锅炉省煤器首次全部采用了
错排布置，锅炉运行两年后没有发现省煤器有磨损
痕迹，且积灰明显减轻，排烟温度可一直控制在120
～ 130℃ ，经校核，错排省煤器的传热系数可比顺排
大1倍左右，既节省了钢材，又提高了锅炉效率。
基于省煤器烟气流速的运行实践，220 t／h节能
环保型CFB锅炉采用了较高的过热器烟气流速，省
煤器采用错排布置，锅炉设计排烟温度为120～140
℃ ，锅炉的额定汽温和排烟温度不再依靠吹灰器的
频繁操作来保证。
8 进一步提高旋风分离器分离效率的措施
煤的燃烧温度高，飞灰含碳量肯定低。220 t／h
CFB炉膛燃烧温度由920～950℃降低到860～880
℃之后，飞灰含碳量会增加。为保证SO 、NO 低排
放又不降低燃烧效率，就只能进一步优化旋风分离
器，进一步提高旋风分离器的分离效率。旋风分离
器的分离效率越高，飞灰含碳量就越低，但进一步提
高旋风分离器分离效率的实验难度也越来越大。采
用工程热物理研究所220 t／h CFB锅炉技术的锅炉尾
部飞灰临界粒度d 视煤种不同一般在10～25 m。
采用数值模拟是切实有效的办法，可替代一些
难于开展的实验，通过对不同结构尺寸的旋风分离
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· 研究与开发· 220 t／h节能环保型CFB锅炉的设计 19
器结构进行流场计算，可以找到提高分离效率的方
向。根据数值模拟的研究结果，我们得到了优化旋
风分离器措施：
(1)旋风分离器的中心筒烟气出口管位置进行
了重新布置，使得中心筒的位置与主旋流中心相适
应，和进口烟气主流保持合适的距离。
(2)中心筒的插入深度进行了优化。研究和实
践均表明，过深的插入深度不一定有高的分离效率，
反而会出现中心筒变形、脱落等影响锅炉安全的故
障。我们重新设计了220 t／h节能环保型CFB锅炉
的旋风分离器中心筒的插入深度，并采用了增强型
防变形结构。 ．
(3)在合适的烟气阻力参数保证下，进一步优
化旋风分离器的烟气进出口速度。
在旋风分离器的结构优化之后，下一步优化的
方向是旋风分离器进口烟道。图2中左侧是洛阳
华润240 t／h CFB锅炉炉膛与旋风分离器之间的位
置关系，右侧是优化后的220 t／h节能环保型CFB
锅炉炉膛与旋风分离器之间的位置关系。数值模拟
计算表明右侧的烟气流场要明显优于左侧的流场，
烟气进入旋风分离器的流线更加平顺，烟气在旋风
分离器内的主旋流中心和中心筒几何中心完全重
合。数值计算下来的结论如下：旋风分离器的进口
侧边和炉膛侧墙的夹角越小，流场越平稳，如果是0
角度则最好；在烟道的入口处增加一个45。过渡折
角，烟气在进口附近形成的涡流明显减少。
一 』
图2 220 t／h节能环保型CFB锅炉旋风分离器进口优化布置图
9 结语
中国科学院工程热物理研究所与无锡华光锅炉
股份有限公司合作，参考了过去已经投运的200多
台220 t／h CFB锅炉的运行经验，以控制SO 和NO
的低排放为首选因素，兼顾降低厂用电和锅炉成本，
并继续保持原有锅炉高的炉效；采取数值计算方法
研究旋风分离器流场，找到了提高旋风分离器效率
的途径，开发了220 t／h节能环保型CFB锅炉产品，
该产品对炉膛、旋风分离器和尾部受热面等都进行
了全新优化设计。新一代220 t／h节能环保型CFB
锅炉将更加环保高效。
首台220 t／h节能环保型CFB锅炉用户为山东
青岛新源热电有限公司，锅炉热力计算汇总见表2、
表3，预计2014年锅炉将投入运行，届时将分析报
道实际运行效果。
表2 220 t／h CFB锅炉热力计算汇总
表3 220 t／h CFB锅炉结构热力计算汇总
参考文献 锅炉技术，2006(5)：32—34
[1]包绍麟，等．220 t／h循环流化床锅炉热力性能分析[J]．

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