湘锅超低排放燃水煤浆循环流化床锅炉

一、 水煤浆技术背景

水煤浆是一种新型、高效、清洁的煤基燃料，它是由65%-70%不同粒度分布的煤，29-34%左右的水和约1%的化学添加剂制成的混合物。经过多道严密工序，筛去煤炭中无法燃烧的成分等杂质，仅将碳本质保留下来，成为水煤浆的精华。它具有石油一样的流动性，热值相当于油的一半，被称为液态煤炭产品。水煤浆具有燃烧效率高、污染物排放低等特点，可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代气、代煤燃烧，是当今洁净煤技术的重要组成部分。

1、优点

经济性：水煤浆属于煤基清洁燃料，我国的能源结构决定煤炭的价格涨幅 低于燃油、燃气。

安全性：水煤浆属于非易燃流体，相对于油、气、煤粉的易燃、易爆来说，其安全性大大提高。

广泛性:：水煤浆适用于各种锅炉。

高效性：水煤浆燃尽率高，节省燃料。

环保性：水煤浆是一种深度洁净煤技术，环保达标。

2、使用范围

可广泛用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代替油、气、煤燃烧以及宾馆、住宅、酒店、办公楼等各种建筑物供暖和生活热水。

3、国家政策

水煤浆流化床燃烧供热锅炉是国家发改委能源局支持的替代天然气燃烧锅炉的优选技术。

 2015年4月27日，国家能源局以国能煤炭2015【141】号文下发关于《煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020年）》，文件强调构建清洁、高效、低碳、安全、可持续的现代煤炭清洁利用体系。gjia

文件要求积极推广先进的煤炭提质、洁净型煤和高浓度水煤浆技术。通过采用选煤、配煤、型煤、水煤浆、低阶煤提质等先进的煤炭优质化加工技术，提高、优化煤炭质量，形成分区域优质化清洁化供应煤炭产品的格局，实现煤炭精细化加工配送。

在供热和燃气管网不能覆盖的地区、改用电、新能源或洁净煤，推广应用高效节能环保型锅炉，鼓励发展热电联供、集中供热等供热方式，以清洁燃料替代分散中小燃煤锅炉。

积极开展低氮燃烧技术及水煤浆燃烧技术改造示范，实现全面达标排放。

推广应用废水制水煤浆、空气冷却等节水型技术，实现关键技术和装备国产化。

二、湘锅超低排放循环流化床技术介绍

湘潭锅炉和清华大学合作，深入分析了常规循环流化床锅炉面临的问题和挑战，提出了低能耗循环流化床锅炉设计理论和方法，形成了低能耗循环流化床锅炉全套设计导则，完成了低能耗循环流化床锅炉的产品结构设计，我公司技术顾问清华大学岳光溪院士组织研发的新型循环流化床锅炉与常规产品比较具有以下“4D”优势，完成从末端处理到源头治理的过程。

1、低床压，将床压设定在3.2KPa～7KPa之间运行；低流速，循环床锅炉下部为鼓泡床,上部流型为“快速床”，循环床锅炉内的流型具备多态性。

2、低磨损：飞灰中位粒径降至d50=10μm ；受热面几乎没有磨损；连续运行不小于6500h；年运行不小于8000h。

3、低排放，低成本干法燃烧中脱硫，低氮氧化物排放的优点。

     氮氧化物原始排放                    NOx ≤ 50mg/Nm3

     炉内脱硫Ca/S=1.5  （Sar≤1 %）      SO2  ≤35mg/Nm3

     达到了超低排放目标。

4、低运行成本 

●  节电：风机节电节电30%；

●  节煤：节煤达到2-3%；

●  不需要湿法脱硫，不需要炉内脱硝或炉外脱硝，减少了运行成本和“二次污染”。 

4D低能耗型循环流化床锅炉代表了流化床技术发展的最新方向，该技术显示出强大的技术优越性。

4D--低床压、低磨损、低排放、低运行成本

1.设计理论优化

1.1 湘潭锅炉和清华大学合作开发的4D低能耗型锅炉产品系列采用高温绝热旋风分离的主流炉型，产品结构设计采用了多项专利和专有技术。

1.2 应用4D低能耗型技术的锅炉在整体布置、热量分配和部件方面均有不同，同时采用了一系列的结构变化。从而保证锅炉在较低风室风压下仍能达到相同的传热需要并在流态迁移后对燃烧产生积极的影响。

1.3 对锅炉核心部件结构进行优化，保证流化床内的物料达到要求的“品质”和“数量”，是节能型CFB锅炉最根本的结构保证。

1.4 核心部件的优化都从系统的角度考虑问题，部件之间相互关联、协调配合，共同支撑着系统高效可靠的运转

2.炉膛结构优化

2.1 按照清华大学定态理论确定的流态选取炉膛烟气流速和炉膛出口烟气中的物料携带量；

2.2 炉膛顶部采用失速区防磨结构；

2.3 给煤管和二次风管等与膜式壁采用厂内预制式连接密封结构；

2.4 炉膛下部交界处采用系统性防磨措施与让管结构相结合的方式；

2.5 规范炉膛内烟气温度压力测点的结构及位置；

2.6 炉膛出烟口结构的设计充分考虑了炉内烟气流场的分布并兼顾分离器入口烟道的优化设计。

3. 低阻力、不漏渣的风帽结构

3.1 风帽设计吸取引进型钟罩式风帽不漏渣的结构特点，克服其容易磨损、阻力大和更换困难的缺点。

3.2 采取合理的风帽直径和风帽小孔结构型式，选取合理的风帽阻力，风帽磨损后只需更换风帽头，缩短了检修周期，减小了检修费用。

4. 二次风结构优化

4.1 优化二次风在炉膛四周的布置位置；

4.2 优化二次风布置层数及喷口结构形式；

4.3 优化不同区域二次风量的配置；

4.4 优化二次风口的数量及喷口流速；

4.5 根据不同燃料特性优化选取二次风比例

5. 分离器结构优化

5.1 优化分离器的结构模型； 

5.2 分离器进口烟道采用足够长的加速段并优化其高宽比；

5.3 分离器中心筒采用偏置、缩径等一系列结构措施；

5.4 分离器圆筒截面根据优选的烟气上升流速来确定；

5.5 锥体角度尺寸与烟气流场相协调，同时与料腿结构相匹配。

6. 低阻力、大流率、小风量回料装置

6.1 优化回料装置的物料流动模型和回料阀阻力；

6.2 优化回料腿物料下降流速以及料腿直径；

6.3 优化返料隔墙结构形式及尺寸；

6.4 优化水平回料通道结构形式及尺寸；

6.5 按照清华大学绘制的《回料立管负压差移动床流动流谱》对返料风系统及返料风量进行优化设计和选取。 

7. 尾部烟道结构优化

7.1 分离循环燃烧系统结构优化后，对尾部烟道结构进行相应的优化；

7.2 尾部烟道结构及受热面排布与循环燃烧系统的设计相匹配，确保在尾部受热面不会出现磨损的同时又能很好的避免积灰，保证尾部受热面高效地进行换热。

8. 提高锅炉部件的厂内装配率

8.1 为最大限度的减小现场安装质量不能保证给锅炉运行带来的隐患，湘潭锅炉秉承在厂内进行最大化装配的设计理念。

8.2 对锅炉的一些关键部件，如水冷床、膜式壁密封塞块、炉膛出烟口、膜式壁的让管、炉墙护架等采用整体出厂的方式。

9. 系统及辅机选配优化

9.1 对一二次冷热风系统、返料风系统、引风系统、给煤系统、石灰石脱硫系统、出渣系统等进行优化设计。

9.2 对一二次风机、罗茨风机、给煤机、冷渣器、吹灰器、耐磨耐火材料等提出选型规范。

结论：湘潭锅炉与清华大学合作开发出了4D低能耗型超低排放的CFB-D锅炉产品，新一代产品突破了常规产品面临的可靠性和经济性方面的瓶颈问题，显示了节煤、节电和高可靠性的突出优点，代表了CFB锅炉产品技术发展的最新方向，显示其更强大的生命力和技术优越性，为广大用户带来更大的经济效益。

（湘潭锅炉CFB-D循环流化床锅炉及系统）   

注：超高循环效率CFB+炉内细石灰石粉脱硫+袋式除尘为基础装备，SNCR+半干法二次脱硫作为备用，保证全工况，全煤种达标。

三、湘锅超低排放燃水煤浆循环流化床锅炉简介

       1、水煤浆流化悬浮高效洁净燃烧锅炉工作原理

       循环流化床锅炉的燃烧室下部是由石英砂和石灰石构成床料，燃烧时床料的温度在850-880℃左右，滴状水煤浆投入炽热、悬浮的流化床中，在炽热的流化床料的加热下迅速完成水分析出、挥发分析出并着火燃烧、焦碳燃烧的过程。在流化状态下，大的水煤浆颗粒团进一步解体为细颗粒，被热烟气带出密相区进入悬浮室继续燃烧，直至完全燃尽。

       燃烧室的出口设有分离回送装置，被热烟气带出的媒体物料和较大的水煤浆颗粒团，被分离器分离、捕捉，通过分离器下部设置的回输通道，返回燃烧室下部密相区；这样，既减少了媒体物料的损失，又实现了水煤浆颗粒团的循环燃烧，从而获得很高的燃尽率。

       此外，水煤浆在低温燃烧过程中（850-880℃左右），有效的控制了热力型NOX的生成。且由于媒体物料由石英砂与石灰石构成，石灰石在高温下煅烧生成CaO，CaO与SO2反应进一步生成CaSO4，将SO2固定在炉渣内，减少了SO2的排放。炉膛内850-950℃的燃烧温度是CaO脱硫的最佳运行温度，可有效的减少SO2的排放。

       2、水煤浆流化悬浮燃烧锅炉优点

       目前，水煤浆锅炉主要有雾化和流化两种形式，在工程实践中都得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。但是，水煤浆雾化锅炉在燃烧过程中，尤其在小空间燃烧过程中存在的高温结渣问题，一直没有得到有效的解决，是水煤浆燃烧领域的世界级难题。此外，雾化燃烧难以在燃烧过程直接脱硫，造成环境污染。

       水煤浆流化悬浮高效洁净燃烧技术彻底解决了水煤浆在小空间燃烧室中易结焦、燃烧不稳定这一世界级难题，实现了水煤浆的低温、高效、洁净燃烧，具有以下优点：

⑴ 实现了水煤浆的低温燃烧，解决了水煤浆结焦、运行不稳定、安全性差的问题，同时抑制了热力型NOX的生成与排放；

⑵ 实现了着火燃烧后的水煤浆颗粒团的循环燃烧，具有高的燃烬率；

⑶ 利用石灰石与石英砂构成的媒体物料，辅之于低温燃烧技术实现了水煤浆燃烧过程中直接脱硫、脱硫系统简单、成本低；

⑷ 采用分离回输燃尽装置提高了石灰石的利用率，减少了媒体物料的补充量，提高燃烧效率；

⑸ 负荷调节特性好，可100% ~ 30%额定负荷范围内稳定运行，水煤浆品质适应性好；

⑹ 降低了对水煤浆品质的要求，使制浆成本降低；

⑺ 省略了燃烧器和雾化浆枪，不需要高压风浆系统及过滤器等设备，系统更为简单可靠；

⑻ 运行稳定，操作简单，燃烧效率高，运用范围广，适合各种参数的锅炉。

3、水煤浆不排渣连续运行技术

      常规流化床燃烧装置中，燃尽的灰渣一部分通过飞灰随烟气排出，另一部分则由炉膛底部的排渣口排走。但在水煤浆的流化燃烧技术中，水煤浆凝结团最终会变为细灰，因此可以实现锅炉的不排渣连续运行。原理如下：由于流化床燃烧方式炉膛温度较低，一般不会超过灰的熔化温度，由细颗粒组成的凝聚团中的灰粒不会再燃烧过程中黏连在一起，而是呈分散的状态被煤中的黏接性物质连在一块，因此，当凝聚团中的黏接性物质燃尽后，剩下的细灰粒仅仅是松散的聚在一起。这样只要灰渣在流化床中不断的翻滚，就必然会被剧烈运行的床料撞碎和磨损，最后还原成细灰，随着炉膛内灰量的增加，参与物料循环的灰最终未被分离器捕捉而被烟气带走，新加入的浆滴形成新的灰粒而达到灰量的平衡状态，流化床就可以维持稳定的燃烧过程，从而实现水煤浆燃烧的不排渣连续运行。水煤浆的这种不排渣连续运行方式不仅减少了床料的补充量，也减少了燃料的固体不完全燃烧损失和排渣热损失，大大提高了热效率。