目前，國內數家單位已將電力、化工、鋼鐵等行業的鏈條爐、油爐、煤粉爐、鼓泡床鍋爐改造為循環流化床鍋爐，改造方案、鍋爐容量和經濟效益各不相同。本文詳述了130t/h鼓泡床鍋爐改造為飛灰底飼回燃循環流化床鍋爐的設計思路和實施方案，分析對比了改造前后鍋爐參數，并進行了投資經濟性分析，為循環流化床設計和改造提供借鑒，富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
1、原有鍋爐特性及存在問題
廣東粵陽發電有限公司是資源綜合利用坑口電站，燃燒當地產的高灰份低熱值陽山無煙煤。2號鍋爐為上鍋生產的第一代中溫中壓、自然循環、單汽包、低循環倍率、鼓泡床鍋爐，型號為：SG-130/3. 82-115-0，于上世紀90年代初期投入運行。爐膛內布置埋管和雙面管，爐體結構緊湊，水平尺寸為7565 mm×4702mm，布風板標高為5m，汽包中心標高為23 .5m。設計燃料為劣質無煙煤、煤矸石等低熱值燃料，粒徑范圍為0～8mm。入爐煤由左右側墻各3只螺旋給料器加入。改造前鍋爐結構示于圖1。
由于該爐采用的是鼓泡床燃燒技術，與其后成熟的循環流化床燃燒技術相比，存在燃燒效率低、飛灰不能保證回送再燃等缺點，鍋爐出力不足，鍋爐效率低下。飛灰含碳量高達60.18%，經計算僅固體未完全燃燒損失一項就達40.5%。發電標準煤耗高達918 .4g/kW．h。采用分隔床上油槍點火啟動，成功率很低。鍋爐運行后穩定性一直較差，嚴重影響機組的經濟性和安全性。
2、原因分析
(1)經過多次對該鍋爐進行熱效率測試，其熱效率約為49.32%，大大低于設計值74.58%。主要原因是：鍋爐在燃用揮發份很少的劣質無煙煤時，床截面表觀狀態煙速偏大，燃料中粒徑小于1.5mm顆粒在爐膛中停留時間僅為2.6s，而此類顆粒燃盡大概需要3~5s，引起顆粒未充分燃盡就隨煙氣排出爐膛，飛灰熱損失很大，這樣一方面大量含碳量較高的飛灰廉價出售，另一方面鍋爐為達到出力要多消耗煤，煙囪經常冒黑煙，造成了環境污染。同時由于受熱面的磨損與粒子濃度成正比，導致受熱面磨損速度增加。
(2)爐膛內部結構不合理，主要表現在：①爐膛受熱面布置不足是鍋爐達不到設計蒸發量的原因之一；②爐膛凈高較低，大量細顆粒燃料在爐膛中的燃燒時間相對較短，飛灰未燃盡時即被帶到鍋爐尾部。
(3)采用的床面飛灰回燃循環不合理，原因在于鼓泡床層表面上方稀相區的懸浮空間對飛灰顆粒的傳熱作用較弱，飛灰顆粒的溫度從200℃左右提高到未燃炭核開始燃燒的溫度需要相當長的時間，而在完成此過程前，由于鍋爐凈高較低，飛灰顆粒已被帶出爐膛，燃盡度得不到有效提高，飛灰回燃效果不明顯。
(4)鍋爐運行煤種是陽山無煙煤，煤質情況見表l，該煤種具有“三高（高灰份、高硫份、高水份）二低（低揮發份、低熱值）”的特點。無煙煤的揮發份愈低，開始析出揮發份的溫度愈高，煤顆粒著火溫度也愈高；灰份是煤中不可燃雜質，含量愈高，揮發份析出溫度也愈高，從而引起煤顆粒氣流火焰傳播速率顯著降低，增加燃盡時間；水分含量愈多，爐溫必然愈低。在爐膛設計溫度850～900℃下，該煤種較難燃盡。
3、改造原則與設計思路
在保證鍋爐原有設計指標的前提下，結合大修計劃，將原有鼓泡床鍋爐改為循環流化床鍋爐，重新進行鍋爐熱力計算和各回路水力計算，在允許條件下，盡量提高鍋爐負荷。考慮各部分承壓受熱面在改造中利用的可能性，盡量保留原有部件如汽包、過熱器、省煤器、空預器、爐頂密封、上部水冷壁、上部承重爐墻、尾部爐墻以及鋼架等，維持鍋爐原有的Ⅱ形布置，能盡可能減少改造費用，提高鍋爐經濟性。原有場地布置已經比較緊湊，改造時盡量減少額外占地面積。
本方案采用飛灰底飼回燃低倍率循環流化床技術，可以大大增加飛灰在鼓泡床層中的停留時間，克服床高不足帶來的弊端。在飛灰顆粒和床內物料之間強烈的傳熱傳質作用下，飛灰顆粒溫度由200℃左右迅速上升，飛灰中未燃盡炭在床內開始燃燒并在懸浮段停留期間繼續進行燃燒。底飼回燃的飛灰顆粒與床內物料發生劇烈的摩擦，可將飛灰顆粒的灰層剝落，使未反應的炭核暴露在灼熱的鼓泡層中，有利于燃盡。同時，回燃的飛灰從鼓泡層底部進入，正是流化風進入床內的地方，氧濃度較高，對提高飛灰中殘炭的燃燒速率十分有利。飛灰回燃還兼有二次風的作用，對加強爐內擾動混合，增加煙氣中懸浮顆粒與水冷壁的碰撞，延長滯留時間起到良好的促進作用。盡管循環倍率愈高，燃燒效率愈高，但其要求的送風機功率也愈高，對回燃系統的要求也愈高，爐膛上部受熱面磨損程度也愈嚴重。對于舊鍋爐改造，投資有限，自控程度不高，運行經驗不足，從鍋爐能夠長期安全經濟滿發的角度出發，采用低倍率循環流化床燃燒方式是較為經濟合理的，改造時循環倍率設計為3.5。
4、擴容方案的可行性
增加鍋爐的蒸發量，必須滿足下列幾個條件。
(1)爐膛截面熱負荷和爐內受熱面是否有余量
當鍋爐負荷增至150t/h時，在不改變鍋爐截面的情況下，截面熱負荷為3. 75MW/m2，介于推薦值3。4MW/m2之間。降低埋管標高和減少埋管傾角可使更多的埋管位于鼓泡層內，同時將側墻水冷壁向外擴張，降低布風板標高，可彌補受熱面不足。
(2)汽包內汽水分離裝置的汽水分離能力是否有余量
汽包內汽水分離裝置分為一次和二次分離裝置，其中一次分離裝置為44只+200mm旋風分離器，二次分離裝置為位于汽包頂部的V形鋼絲分離器。中壓鍋爐汽包內每只旋風分離器平均設計負荷為3·3 .5t/h，本鍋爐的分離裝置最大分離能力為154t/h，能夠滿足出力增容至150t/h時汽水分離能力的要求。
(3)尾部煙氣流速是否在合理范圍內
由于過熱器設計煙氣流速（高、低溫段）最大值為6.7 m/s，遠小于推薦值9～15m/s，鍋爐負荷適當增加不會造成過熱器明顯的磨損。當鍋爐負荷增至150t/h時，省煤器和空預器的煙氣流速分別為10.06和10.87m/s．分別介于推薦值7～13m/s和10～14m/s之間。
(4)水循環是否可靠
為了保證水循環安全可靠，把前、后及兩側墻水冷壁、埋管分成五個獨立的循環回路，重新計算每個回路中循環倍率和流速。鍋爐蒸發量變為150t/h時，前級低溫段過熱器和后級低溫段過熱器的蒸汽質量流速分別為492 kg/m2．s和511kg/m2．s，都介于推薦值400~ 800kg/m2．s之間；高溫段過熱器的蒸汽質量流速為760 kg/m2．s，介于推薦值700~lOOOkg/M2．s之間；工質在省煤器中的壓降為148kPa，滿足壓降不超過汽包壓力5 010的要求。
5、鍋爐改造實施方案
改造后的流化床鍋爐總體布置如圖2所示，具體主要改造項目如下：
(1)將點火方式由原來的床上點火改為床下點火。取消原有分床送風結構，實行全床啟動。新增燃油啟動燃燒器4臺，控制油燃燒火焰長度，使水冷風室內溫度均勻。燃油產生的煙氣通過布風板在沸騰狀態下均勻加熱床料。該點火方式具有熱量交換充分、油量消耗低、點火勞動強度低、成功率高等特點。采用長頸蘑菇頭形風帽，提高布風均勻性，解決因布風板局部結焦，堵塞風孔的問題。
(2)由于無煙煤著火溫度高、燃燒反應速率低、顆粒致密等因素決定了它不易著火、不易燃盡，因此將鼓泡床溫度提高到1000℃。標高7m以下兩側墻水冷壁逐漸向外擴張，鼓泡段的床寬由7.565m增至9.5m，截面表觀狀態煙速由5.4m/s降至4.5m/s，減少了煙氣攜帶的飛灰量，減輕了旋風分離器的工作負荷和尾部磨損，使更多的煤顆粒處于高溫的鼓泡層。同時將布風板標高下移300mm，提高煤顆粒在鍋爐內的停留時間，有利于顆粒充分燃燒和提高鍋爐效率。增加床寬和爐膛凈高也相應增加了受熱面面積。
(3)鍋爐前后墻標高8.2m以上的水冷壁仍采用+60×5的管子，下部水冷壁采用與側墻水冷壁相同的+42 x5厚壁管，中間用過渡集箱連接。下部四周水冷壁全改為膜式壁且往下延伸，包住爐膛鼓泡區和布風板，形成水冷風室和水冷布風板，整個爐膛鼓泡區構成一個整體，水冷壁倚靠彈簧吊掛在10m標高主鋼架梁上，可自由往下膨脹。過渡集箱上部爐墻采用重型爐墻結構，下部采用護板輕型爐墻結構。爐體上所有給煤口、溢流渣排渣口、底部排渣口、啟動燃燒室都采用金屬膨脹節與膜式壁焊接相連的結構形式，這種結構既保證了水冷壁的自由膨脹，又起到完全密封作用。
(4)為了充分利用鼓泡層的高容積熱強度和埋管在鼓泡層高傳熱系數（其傳熱系數230～290W/mz．K是稀相區的6—7倍）的特點，彌補上部稀相區水冷壁受熱面不足的缺點，保持原有45組∮42×5斜埋管，每組6排，將傾角由原來15°變為11°，且靠近前墻最后一排埋管中心距風帽小孔中心高度由原來的2350mm降至450mm。埋管為順排布置，這樣既能有效控制爐膛溫度，又能提高鍋爐出力。由于鼓泡層屬于粒子密相區，埋管和四周膜式壁的防磨十分必要，埋管除采用順列布置、厚壁管措施外，還在埋管上焊接防磨鰭片，材料為lCr20N114Si2，厚度為5，高度為16mm。四周膜式壁上焊接3米高的防磨銷釘區，其上敷設傳熱系數較高的耐磨澆注料。這些措施基本上解決了鼓泡層的磨損問題。
(5)由于飛灰循環量對鍋爐負荷、熱效率有非常明顯的影響，爐膛內傳熱與顆粒濃度成正比，因此對鍋爐飛灰循環系統作了較為徹底的改動。具體措施有：①在尾部煙道與水平煙道的連接處增設四個中溫上排氣高效“PV”型旋風分離器，分離器入口煙氣流速控制在23m/s左右，以確保分離效率大于95%。分離器進出口由膜式水冷梁隔開。旋風分離器采用內保溫式，最里層為耐磨剛玉料，厚度為20mm，第二層為保溫高鋁輕質澆注料，厚度為60mm，最外層為20G密封護板。耐磨剛玉料附著在龜甲網上，龜甲網由拉鉤固定在密封護板上。沿高度方向用高度80mm的筋板分成三段，每段留有膨脹縫。此結構施工簡單，可保證密封護板溫度不大于60氣，且可防止耐磨保溫材料破損脫落，阻塞返料口；②增加飛灰回燃系統，將分離下來的飛灰重新送入爐膛，實現燃料循環，主要由羅茨風機、集灰斗、閘閥、下灰立管、返料器、噴射器、水平輸送管、垂直輸送管、底飼風帽組成。集灰斗安裝在旋風分離器下方，閘閥供飛灰回燃系統投運和檢修用j回料器采用目前應用最為廣泛的具有自調整能力的流化密封型返料器（圖3）。它由控制腔和輸送腔組成，二者都是小型鼓泡床，且有隔板分開。為了便于飛灰由控制腔流向輸送腔，布風板上設有導向風帽。控制風和輸送風均來自羅茨風機。噴射器的作用是在羅茨風機空氣流的作用下，在噴射器出口附近形成
負壓，抽吸回料器溢流管出來的飛灰。采用羅茨風機的風作為輸送風主要目的是防止爐膛內的空氣反串進入回料器為了解決噴射器之后的水平輸送管和垂直輸送管的磨損問題，管材改為耐磨耐高溫剛玉陶瓷復合管，并嚴格保證安裝在同一水平線上。旋風分離器的飛灰最終由蘑菇形底飼風帽周向噴人灼熱的料層。
(6)保留原有的槽形分離器．根據同行改造失敗的經驗，決定不把槽形分離器的飛灰送入爐膛回燃而直接定期排放。原因是：①此處灰溫太高，會引起下灰斗鐵板變形甚至被燒穿，容易出現由于飛灰在灰斗內二次燃燒引起的結焦和阻塞，影響回燃裝置正常投運；②該處飛灰顆粒較大，含碳量相對較低，回燃對熱效率影響不大；③對底飼回燃系統的材質要求較高。
富通新能源銷售生物質鍋爐，同時我們還大量銷售木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
