一、目前, 常見的鍋爐爐型按燃燒方式的不同可分為煤粉鍋爐 (懸浮燃燒) 、循環(huán)流化床鍋爐 (流化床燃燒) 2種爐型。
1.1 煤粉鍋爐
煤粉鍋爐將燃料煤經(jīng)制粉系統(tǒng)磨制成粒度60~80μm的細(xì)煤粉, 然后經(jīng)燃燒器與送粉的熱一次風(fēng)一起噴入爐膛, 煤粉與助燃熱空氣在爐膛內(nèi)強(qiáng)烈混擾、懸浮燃燒, 爐膛溫度可達(dá)到約1 500℃, 大約2s就完成了燃燒過程。燃料煤中的灰分約90%以細(xì)灰的形態(tài)存在于煙氣中, 燃燒產(chǎn)生的煙氣與飛灰顆粒形成氣固兩相流以氣力輸送的形式掠過鍋爐的各級(jí)受熱面進(jìn)行換熱后離開爐體。
制粉系統(tǒng)及燃燒器是煤粉鍋爐必不可少的設(shè)備, 其作用是保證燃料的細(xì)度和燃燒用空氣在進(jìn)入爐膛時(shí)能充分混合, 及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒。煤粉鍋爐配套制粉系統(tǒng)通?？煞譃橹贝凳较到y(tǒng)和中間儲(chǔ)倉式系統(tǒng)2種, 主要設(shè)備通常包含給煤機(jī)、磨煤機(jī)、給粉機(jī)等。燃燒器可分為直流燃燒器及旋流燃燒器, 直流燃燒器多采用四角切圓燃燒;旋流燃燒器噴口噴射出的煤粉氣流能形成旋轉(zhuǎn)射流, 其卷吸量較大但射程短, 適用于揮發(fā)分較高的煤種, 最常見的布置方式是前后墻對(duì)沖布置。制粉系統(tǒng)及燃燒器往往對(duì)鍋爐燃料煤的煤種有一定的要求, 單只煤粉燃燒器的功率可以達(dá)到很大, NOx和SO2的排放量都很高, 這也是其與循環(huán)流化床鍋爐的重要區(qū)別之一。煤粉鍋爐的燃燒強(qiáng)度大、鍋爐容量大, 自控水平高、運(yùn)行穩(wěn)定、廠用電耗少、設(shè)備損壞消除周期短、制造技術(shù)成熟, 安全可靠, 是目前我國燃煤電廠最常用的爐型。
1.2 循環(huán)流化床 (CFB) 鍋爐
循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是國際上20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型燃燒技術(shù), 其燃燒機(jī)理是把固態(tài)的燃料流體化, 從而促進(jìn)燃燒。燃料顆粒的粒徑通常為1~10mm, 在一次風(fēng)的作用下處于流化狀態(tài), 被煙氣夾帶在爐膛內(nèi)向上運(yùn)動(dòng), 在爐膛的不同高度上, 部分大顆粒將沿著爐膛邊壁下落, 形成物料的內(nèi)循環(huán);較小固體顆粒被煙氣夾帶進(jìn)入分離器進(jìn)行分離, 絕大多數(shù)顆粒被分
來, 通過回料閥再次返回爐膛, 繼續(xù)燃燒, 形成物料的外循環(huán)。通過爐膛的內(nèi)循環(huán)和爐外的外循環(huán), 實(shí)現(xiàn)燃料不斷地往復(fù)循環(huán)燃燒。因此, 循環(huán)流化床鍋爐可以實(shí)現(xiàn)高燃燒效率, 達(dá)到97%~99%, 其制粉系統(tǒng)簡單, 只需簡單的干燥及破碎裝置即可滿足燃燒要求。
循環(huán)流化床鍋爐根據(jù)物料濃度的不同將爐膛分為密相區(qū)、過渡區(qū)和稀相區(qū)三部分。密相區(qū)中固體顆粒濃度較大, 具有很大的熱容量, 因此在給煤進(jìn)入密相區(qū)后, 可以順利實(shí)現(xiàn)著火;稀相區(qū)的物料濃度很小, 是燃料的燃燒、燃盡段, 燃燒后51%~63%的灰分進(jìn)入煙氣, 其余部分進(jìn)入爐渣排放。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒溫度為850~900℃, 由于燃燒溫度低, NOx排放量較煤粉鍋爐低, 同時(shí)可在爐膛添加石灰石進(jìn)行爐內(nèi)脫硫, 降低SO2的排放濃度, 因此, 循環(huán)流化床鍋爐是一種清潔、環(huán)保的燃燒技術(shù)。
循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng), 煤種多變和各種燃料的混合物均可適應(yīng), 特別適合于低熱值劣質(zhì)煤, 如煤泥、煤矸石、洗混煤等, 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí), 循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大, 低負(fù)荷可降到滿負(fù)荷的30%左右;環(huán)保方面, NOx、SO2排放都低于煤粉爐。循環(huán)流化床鍋爐是目前中小型工業(yè)鍋爐采用最多的爐型。
二、 鍋爐選型主要考慮的因素
影響鍋爐選型的主要因素有鍋爐燃料煤種特性、環(huán)保要求、運(yùn)行要求、項(xiàng)目自身特點(diǎn)以及其他因素等。
1 燃料的煤種特性
鍋爐燃料的煤種特性是決定鍋爐選型最重要的因素之一, 其通常應(yīng)包括以下各項(xiàng)指標(biāo):全水分及工業(yè)分析指標(biāo):Mt、Mad、Aar、Vdaf;元素分析指標(biāo):Car、Har、Nar、Oar、Sar;收到基低位發(fā)熱量:Qar, net;煤灰熔融性溫度:DT、ST、FT等。在提供鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)時(shí), 除揮發(fā)分需提供干燥無灰基值外, 其他各項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)均應(yīng)提供收到基值, 以便于鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算。
①揮發(fā)分。
揮發(fā)分是評(píng)定鍋爐燃燒性能的首要指標(biāo), 主要用來衡量燃料煤點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒的難易程度, 通常認(rèn)為干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf≥15%的煤種宜選用煤粉鍋爐;Vdaf≤12%, 采用煤粉鍋爐時(shí)燃料著火困難, 難以穩(wěn)定燃燒及燃盡, 因此不宜選用煤粉鍋爐;12%~15%則屬于過渡區(qū), 應(yīng)結(jié)合其他因素綜合考慮。但當(dāng)Vdaf≥35%時(shí), 由于煤粉鍋爐的燃料通常被磨制成60~80μm的細(xì)煤粉, 同時(shí)煤粉采用熱風(fēng)干燥及送粉, 煤粉在輸送及存儲(chǔ)過程中極易發(fā)生自燃和爆炸, 因此, 不易采用煤粉鍋爐, 若采用煤粉鍋爐, 需在設(shè)計(jì)時(shí)考慮防爆。
②灰分。
循環(huán)流化床鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)必須保持一定濃度的爐內(nèi)惰性物料, 以確保物料的正常流化, 在不投石灰石的情況下, 床內(nèi)惰性物料的來源完全依賴于燃料中的灰分, 所以燃料中灰分的含量是循環(huán)流化床鍋爐能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素, 只有燃料中灰分含量達(dá)到一定的數(shù)值, 才能建立床內(nèi)正常的灰平衡。有關(guān)文獻(xiàn)指出:當(dāng)燃料折算灰含量小于8.25g/MJ時(shí), 循環(huán)流化床鍋爐難以建立灰平衡, 必須在運(yùn)行中連續(xù)或間斷地向床內(nèi)補(bǔ)充惰性物料 (如細(xì)砂等) , 否則鍋爐將無法正常運(yùn)行, 因此, 對(duì)于灰含量小于8.25g/MJ的煤種不宜采用循環(huán)流化床鍋爐。
由于煤粉鍋爐燃料煤中90%的灰分會(huì)進(jìn)入煙氣之中, 因此若煤種的灰分含量過高將會(huì)對(duì)后續(xù)除塵系統(tǒng)帶來較大壓力。因此, 對(duì)于煤粉鍋爐, 一般煤中收到基灰分Aar不宜超過30%。
③水分。
水分對(duì)鍋爐選型的影響主要體現(xiàn)在其對(duì)鍋爐制粉系統(tǒng)的影響。煤種的水分含量過高將影響循環(huán)流化床鍋爐的原煤破碎系統(tǒng), 致使粗碎機(jī)、篩板孔、給煤機(jī)出現(xiàn)粘煤現(xiàn)象, 堵煤頻繁, 從而影響循環(huán)流化床鍋爐的正常運(yùn)行。而煤粉鍋爐的制粉系統(tǒng)具有熱風(fēng)干燥作用, 因而更適用于高水分的煤種。
對(duì)于褐煤開發(fā)利用項(xiàng)目及燃用印尼煤的項(xiàng)目, 其共同點(diǎn)是需要燃用高水分的煤種。對(duì)于此類煤種, 應(yīng)優(yōu)先選用煤粉鍋爐, 通常應(yīng)配風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)比較適合。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明, 風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的干燥能力比中速磨制粉系統(tǒng)強(qiáng)很多, 特別是對(duì)全水分Mt>30%以上的褐煤, 效果更為明顯。如果水分高于35%, 應(yīng)采用風(fēng)扇磨配抽爐煙的制粉系統(tǒng)比較適合
④ 發(fā)熱量。
煤的收到基低位發(fā)熱量Qar, net是反映煤質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo), 當(dāng)煤的發(fā)熱量低到一定數(shù)值時(shí), 不僅影響燃燒的穩(wěn)定性, 而且會(huì)導(dǎo)致鍋爐熄火, 影響安全運(yùn)行。這種影響對(duì)煤粉鍋爐的作用尤為明顯。通常Qar, net低于12 000k J/kg的煤種不應(yīng)采用煤粉鍋爐, 而循環(huán)流化床鍋爐對(duì)發(fā)熱量則幾乎沒有要求。
⑤灰熔融性溫度。
煤灰熔融性溫度DT (變形溫度) 、ST (軟化溫度) 、FT (流動(dòng)溫度) 是用來定性地描述煤灰的熔化溫度范圍, 煤灰成分十分復(fù)雜, 其含量變化范圍也很大, 主要是硅酸鹽、硫酸鹽和各種金屬氧化物的混合物。其沒有固定的熔化溫度, 而只有一個(gè)熔化的溫度范圍。煤灰變形溫度DT在1 160℃以下者為易熔煤。為避免高溫對(duì)流管束的沾污和結(jié)焦, 通常需要控制爐膛出口煙溫低于煤灰變形溫度DT 50~100℃以下。
煤粉鍋爐燃燒溫度高, 通常爐膛出口溫度在1 000~1 200℃, 對(duì)于易熔煤, 鍋爐結(jié)焦可能性大, 因此不宜選用煤粉鍋爐。而循環(huán)流化床鍋爐屬于低溫燃燒, 爐膛溫度在800~950℃, 燃燒溫度低, 灰渣不會(huì)達(dá)到熔融溫度, 不易結(jié)焦, 對(duì)于具有結(jié)焦傾向的易熔煤宜選用循環(huán)流化床鍋爐。
⑥燃料來源。
循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃料具有廣泛的適應(yīng)性, 可以燃燒高灰分煤、高硫煤、低揮發(fā)分煤、低熱值煤、煤矸石、煤泥、石油焦、尾礦、煤渣等, 對(duì)劣質(zhì)燃料的處理具有重要意義。循環(huán)流化床鍋爐是燃燒煤矸石的唯一可選爐型, 因煤矸石硬度大, 極難破碎, 很難到達(dá)煤粉鍋爐要求的粒徑。
目前, 大型煤化工項(xiàng)目多距離煤源地較近, 煤礦在洗選煤過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤泥、煤矸石等劣質(zhì)燃料。因此, 對(duì)于采用煤矸石、煤泥作為主要燃料或者輔助摻燒燃料的項(xiàng)目, 應(yīng)選用循環(huán)流化床鍋爐。
對(duì)于不同煤種, 根據(jù)其特性不同, 易選用的鍋爐爐型要求見表1。

2 環(huán)保要求
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人們生活水平日益提高, 民眾的環(huán)保意識(shí)及環(huán)保要求不斷增強(qiáng), 為此國家正不斷提高對(duì)鍋爐污染排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。2014年, 國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃 (2014-2020年) 》, 要求新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值, 即鍋爐污染物排放滿足:煙塵≤10mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3 NOx≤50mg/Nm3, 而目前各地新建煤化工項(xiàng)目的環(huán)評(píng)要求也大多參照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。針對(duì)此排放標(biāo)準(zhǔn), 無論是煤粉鍋爐還是循環(huán)流化床鍋爐, 都需要采用額外的脫硫、脫硝、除塵措施。
循環(huán)流化床鍋爐在環(huán)保方面具有先天的優(yōu)勢。因循環(huán)流化床鍋爐屬于低溫燃燒, 其NOx原始排放濃度較煤粉鍋爐低很多, 大約在300mg/Nm3, 因此其后續(xù)脫硝的運(yùn)行費(fèi)用也較低。同時(shí), 循環(huán)流化床鍋爐物料反復(fù)燃燒, 煤中原本含有的Ca O、Mg O等堿性氧化物易與SO2氣體發(fā)生反應(yīng), 因此其SO2的原始排放濃度也要低于煤粉鍋爐。此外, 還可以在爐內(nèi)添加石灰石來實(shí)現(xiàn)煙氣預(yù)脫硫, 從而減輕后續(xù)脫硫系統(tǒng)的壓力。當(dāng)含硫量達(dá)到1.5%時(shí), 煤粉鍋爐爐外脫硫效率需要達(dá)到99%以上才能滿足35mg/Nm3的排放要求, 而若采用循環(huán)流化床鍋爐, 在添加石灰石進(jìn)行爐內(nèi)脫硫后, 其爐外脫硫效率僅需96.6%即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。循環(huán)流化床鍋爐燃燒后煤中只有約60%的灰分進(jìn)入煙氣, 而煤粉鍋爐確達(dá)到了90%, 對(duì)10mg/Nm3的煙塵排放要求, 在采用相同的除塵技術(shù)條件下, 循環(huán)流化床鍋爐也具有可燃燒高灰分煤的優(yōu)勢?？梢? 循環(huán)流化床鍋爐是一種清潔環(huán)保的燃燒方式, 在環(huán)保要求日趨苛刻的當(dāng)下, 循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)作為優(yōu)先考慮的爐型。
系統(tǒng)圖如下圖：