CN104373925A - 一种减轻高碱性煤种沾污的cfb辐射混合型锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，包括流化床炉膛、旋风分离器、水平烟道、辐射锅炉和对流烟道，流化床炉膛连接旋风分离器，旋风分离器通过水平烟道连接辐射锅炉，辐射锅炉的底部连接水平的对流烟道；辐射锅炉内设置有辐射水冷壁和辐射换热屏，辐射水冷壁为具有空腔的长方形结构，辐射换热屏位于空腔内；辐射换热屏包括多个竖直平面辐射子屏，每个辐射子屏均是由多个竖直的立管拼接形成，辐射子屏以辐射水冷壁的中心轴线为圆心发散布置；本发明采用CFB锅炉炉膛与辐射锅炉配合，采用避免700℃—1100℃区间出现对流换热面，利用煤灰的循环，大大减轻了高碱金属煤种燃烧发生的沾污问题。

Description

一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉

技术领域

    本发明涉及高碱性煤的防沾污技术领域，特别是一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉。

背景技术

我国发电行业以火力发电为主，火电装机容量超过70%以上。火电动力用煤多采用劣质低品位煤，锅炉炉膛水冷壁结渣、对流受热面沾污问题是长期影响电站锅炉正常运行的重要问题之一。结渣和沾污会降低锅炉的传热效率，影响锅炉出力，使得设备的运行安全性严重降低，结渣沾污严重时可能导致锅炉熄火、爆管、非计划停炉等重大事故。

为了预防由于结渣与沾污所带来的各种问题，国内外学者对结渣与沾污的机理进行了大量的研究。研究表明结渣与沾污是复杂的物理化学反应过程，与煤自身特性、锅炉设计、运行状况等众多因素有关，提出了多个结渣与沾污判定指数。但由于煤在锅炉中燃烧是一个极其复杂的过程，这些结渣判定指数在实际应用过程中有着很大的局限性，只能作为初步判断并不能从根本上解决结渣与沾污对锅炉的危害问题。

准东煤田是近年在新疆探明的特大型煤田，煤炭资源预测储量3900亿t，其煤中富含碱金属元素，在电厂燃用过程中出现高温过热器（高过）、高温再热器（高再）沾污堵塞问题，而其他高碱金属煤种在燃烧过程中也会出现严重沾污现象。

高碱性煤在煤粉锅炉燃烧过程中由于碱金属元素的挥发，容易在锅炉受热面冷凝形成一层打底附着物。打底物主要以NaCl或Na₂SO₄形式存在，上述成分在高温下挥发后，易凝结在对流受热面上形成烧结或粘结的灰沉积，随着附着物对飞灰的吸附作用，会使得对流受热面出现不同程度的沾污现象，且无法使用吹灰器清除，从而导致受热面传热能力下降，造成锅炉排烟温度升高等问题，最终使得炉膛出力大大降低造成停炉。

国内对于燃烧高碱性煤利用还缺乏工程运行经验，仅新疆地区个别电厂在研究高碱性煤的燃烧沾污问题，目前并没有高效的利用办法，只通过外煤掺烧的方式来减轻沾污问题，外煤掺烧问题实际上是通过添加其他低碱性金属煤，降低了原煤中碱金属的相对含量。锅炉掺烧高碱性煤的比例不应超过30%，掺烧比例增大时，对流受热面沾污积灰严重，形成烟气走廊，烟气冲刷造成高温再热器、高温过热器泄漏。由于新疆地区高碱性煤利用方式多为坑口电站，掺烧方式对外煤的需求量较大，这种方式往往受到运输条件的限制，极大增加了运行成本。

对于传统电站锅炉而言，在燃用高碱性煤种时，由于煤种富含的碱金属元素容易在对流受热面上沉积，因此在对流受热面上发生严重的沾污现象，导致锅炉出力不足，管壁温度过高导致爆管等现象。研究表明，烟气温度处于700℃—1100℃区间属于沾污发生严重区域。因此，高碱性煤的沾污问题是亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对传统电站锅炉燃用高碱性煤种产生的沾污问题，提出了一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，基于传统CFB锅炉炉膛，取消其对流受热面，布置下行的辐射锅炉和横向的对流受热段，产生过热蒸汽，通过CFB锅炉的循环设置及辐射锅炉，避免受热面出现沾污，实现高碱性煤种的纯烧利用。

本发明的技术方案如下：

一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：包括流化床炉膛、旋风分离器、水平烟道、辐射锅炉和对流烟道，流化床炉膛连接旋风分离器，旋风分离器通过水平烟道连接辐射锅炉，辐射锅炉的底部连接水平的对流烟道；所述辐射锅炉内设置有辐射水冷壁和辐射换热屏，所述辐射水冷壁是由多个竖直的立管拼接形成的长方形结构，长方形结构内为空腔；所述辐射换热屏位于辐射水冷壁的空腔内，辐射换热屏包括多个竖直平面辐射子屏，每一个辐射子屏均是由多个竖直的立管拼接形成，辐射子屏以辐射水冷壁竖直方向的中心轴线为圆心发散布置；所述辐射水冷壁和辐射换热屏的每相邻两个立管均是通过焊接方式连接。

所述辐射锅炉包括四个侧壁、一顶壁和漏斗型底壁，侧壁、顶壁均有由外层耐火保温材料和内层膜式水冷壁构成，漏斗型底壁为耐火材料结构；漏斗型底壁的下方为出渣口，形成辐射段除灰斗；所述出渣口为耐火材料结构。

辐射水冷壁和辐射换热屏的每个立管的上端均与上集箱连通，每个立管的下端与下集箱连通。

辐射水冷壁还在辐射锅炉内顶部设置有顶壁水冷壁。

所述下行的辐射锅炉代替CFB燃烧锅炉原有的对流受热面。利用辐射锅炉辐射受热面的特殊布置，减轻了烟气通过时对受热面的冲刷，且由于烟气流动速度较小，不容易发生灰沉积，可减轻由于燃用高碱性煤种所发生的沾污。在辐射受热段底部，烟气温度降低至700℃以下，此时，烟气中的高碱性物质已凝结沉积，烟气折流横向进入对流段中，大大减小了煤灰在对流段的沉积。

所述对流烟道横向水平布置，与辐射锅炉相连，设置有对流传热部件。所述对流传热部件包括二级省煤器、一级省煤器及空气预热器部件；所述对流传热部件为多组对流管束，对流管束的壁面为耐火保温材料。

对流烟道的后端连接有排烟烟道；烟气经过二级省煤器、一级省煤器及空气预热器对流换热，可使得烟气出口温度达到规定标准。

所述流化床炉膛为带水冷壁面的常规流化床炉膛，其上设置有煤仓，流化床炉膛的底部设置有流化风口。

本发明的工作过程为：

经过破碎等预处理的高碱性煤粉与添加剂通过煤仓进入流化床炉膛，与从流化风口进入经空气预热器加热的热空气进行燃烧后，产生高温烟气，高温烟气经过流化床炉膛上部的炉膛出口进入旋风分离器，经过旋风分离器除去高温烟气中绝大多数的飞灰颗粒；飞灰颗粒作为燃烧热载体返回到流化床炉膛循环利用；从旋风分离器中分离出来的高温烟气通过水平烟道进入下行的辐射锅炉，高温烟气与辐射锅炉内的辐射水冷壁屏和辐射换热屏换热后，高温烟气的温度将大幅下降，通常高温烟气温度降至700℃，高温烟气的体积和流速都将大幅减小，得到冷凝后的灰渣颗粒；灰渣颗粒沉降在出渣口中，而烟气折流进入横向水平的对流烟道，经二级省煤器、一级省煤器及空气预热器换热，通过排烟烟道排出。

本发明也可通过受热面及水蒸气的流动路径得到汽轮机发电所需过热蒸汽，具体的水汽流程为：锅炉给水进入一级省煤器中，一级省煤器采用逆流布置以得到最大热量利用，给水经过加热后进入二级省煤器中，加热后的给水从二级省煤器送出并进入炉膛水冷壁加热，炉膛水冷壁出口蒸汽通过汽水分离得到的合格蒸汽送入辐射换热屏中进行过热，过热蒸汽进入汽轮机中发电；空气可通过空气预热器进行预热；辅助蒸汽发生器产生的蒸汽可用作减温水以调节辐射换热屏出口蒸汽参数避免管壁温度超温。

该锅炉采用传统CFB锅炉炉膛，煤粉进入流化床燃烧后，烟气和煤灰从流化床炉膛上部进入旋风分离器中，经旋风分离器的分离作用，煤灰从底部进入流化床中，作为流化床的热载体循环使用。由于煤灰的掺入，有效降低流化床中碱金属物质的相对含量，避免了流化床燃烧沾污的问题。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明提供的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB-辐射混合型锅炉，采用CFB锅炉炉膛，利用煤灰的循环避免了流化床的燃烧沾污问题。

（2）本发明提供的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB-辐射混合型锅炉，采用CFB锅炉炉膛与下行的辐射锅炉配合，避免700℃—1100℃区间出现对流换热面，大大减轻了高碱金属煤种燃烧发生的沾污问题。

（3）本发明提供的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB-辐射混合型锅炉，辐射锅炉出口烟气横向进入对流段，由于辐射段对烟气中灰分及高碱性物质的冷却及沉积作用，大大减少了对流段烟气的积灰程度。

附图说明

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为本发明图1中的A-A截面剖视示意图。

其中，附图标记为：1煤仓，2流化床炉膛，3旋风分离器，4水平烟道，5上集箱，6顶壁水冷壁，7辐射锅炉，8辐射换热屏，9辐射水冷壁，10下集箱，11出渣口，12二级省煤器，13一级省煤器，14空气预热器，15流化风口，16对流烟道，17侧壁，18顶壁，19漏斗型底壁。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1-2所示，一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，包括流化床炉膛2、旋风分离器3、水平烟道4、辐射锅炉7和对流烟道16，流化床炉膛2连接旋风分离器3，旋风分离器3通过水平烟道4连接辐射锅炉7，辐射锅炉7的底部连接水平的对流烟道16；所述辐射锅炉7内设置有辐射水冷壁9和辐射换热屏8，所述辐射水冷壁9是由多个竖直的立管拼接形成的长方形结构，长方形结构内为空腔；所述辐射换热屏8位于辐射水冷壁9的空腔内，辐射换热屏8包括多个竖直平面辐射子屏，每一个辐射子屏均是由多个竖直的立管拼接形成，辐射子屏以辐射水冷壁9竖直方向的中心轴线为圆心发散布置；所述辐射水冷壁9和辐射换热屏8的每相邻两个立管均是通过焊接方式连接。

所述辐射锅炉7包括四个侧壁17、一顶壁18和漏斗型底壁19，侧壁17、顶壁18均有由外层耐火保温材料和内层膜式水冷壁构成，漏斗型底壁19为耐火材料结构；漏斗型底壁19的下方为出渣口11，形成辐射段除灰斗；所述出渣口11为耐火材料结构。

辐射水冷壁9和辐射换热屏8的每个立管的上端均与上集箱5连通，每个立管的下端与下集箱10连通。

辐射水冷壁9还在辐射锅炉7内顶部设置有顶壁水冷壁6。

所述下行的辐射锅炉7代替CFB燃烧锅炉原有的对流受热面。利用辐射锅炉7辐射受热面的特殊布置，减轻了烟气通过时对受热面的冲刷，且由于烟气流动速度较小，不容易发生灰沉积，可减轻由于燃用高碱性煤种所发生的沾污。在辐射受热段底部，烟气温度降低至700℃以下，此时，烟气中的高碱性物质已凝结沉积，烟气折流横向进入对流段中，大大减小了煤灰在对流段的沉积。

所述对流烟道16横向水平布置，与辐射锅炉7相连，设置有对流传热部件。所述对流传热部件包括二级省煤器12、一级省煤器13及空气预热器14部件，；所述对流传热部件为多组对流管束，对流管束的壁面为耐火保温材料。

对流烟道16的后端连接有排烟烟道；烟气经过二级省煤器12、一级省煤器13及空气预热器14对流换热，可使得烟气出口温度达到规定标准。

所述流化床炉膛2为带水冷壁面的常规流化床炉膛2，其上设置有煤仓1，流化床炉膛2的底部设置有流化风口15。

本发明的工作过程为：

经过破碎等预处理的高碱性煤粉与添加剂通过煤仓1进入流化床炉膛2，与从流化风口15进入经空气预热器14加热的热空气进行燃烧后，产生高温烟气，高温烟气经过流化床炉膛2上部的炉膛出口进入旋风分离器3，经过旋风分离器3除去高温烟气中绝大多数的飞灰颗粒；飞灰颗粒作为燃烧热载体返回到流化床炉膛2循环利用；从旋风分离器3中分离出来的高温烟气通过水平烟道4进入下行的辐射锅炉7，高温烟气与辐射锅炉7内的辐射水冷壁9屏和辐射换热屏8换热后，高温烟气的温度将大幅下降，通常高温烟气温度降至700℃，高温烟气的体积和流速都将大幅减小，得到冷凝后的灰渣颗粒；灰渣颗粒沉降在出渣口11中，而烟气折流进入横向水平的对流烟道16，经二级省煤器12、一级省煤器13及空气预热器14换热，通过排烟烟道排出。

本发明也可通过受热面及水蒸气的流动路径得到汽轮机发电所需过热蒸汽，具体的水汽流程为：锅炉给水进入一级省煤器13中，一级省煤器13采用逆流布置以得到最大热量利用，给水经过加热后进入二级省煤器12中，加热后的给水从二级省煤器12送出并进入炉膛水冷壁加热，炉膛水冷壁出口蒸汽通过汽水分离得到的合格蒸汽送入辐射换热屏8中进行过热，过热蒸汽进入汽轮机中发电；空气可通过空气预热器14进行预热；辅助蒸汽发生器产生的蒸汽可用作减温水以调节辐射换热屏8出口蒸汽参数避免管壁温度超温。

该锅炉采用传统CFB锅炉炉膛，煤粉进入流化床燃烧后，烟气和煤灰从流化床炉膛2上部进入旋风分离器3中，经旋风分离器3的分离作用，煤灰从底部进入流化床中，作为流化床的热载体循环使用。由于煤灰的掺入，有效降低流化床中碱金属物质的相对含量，避免了流化床燃烧沾污的问题。

高温烟气从旋风分离器3上部出来，按照实际需要布置尽可能短的水平烟道4，将烟气导入下行辐射锅炉7中，替代原有的对流受热面产生过热蒸汽。该辐射锅炉7的墙壁采用膜式壁结构，包括侧壁17、顶壁18，在侧壁17内设置辐射换热屏8。当烟气进入下行辐射锅炉7时，由于辐射锅炉7截面积较大，因此其下行速率极慢，烟气处于层流状态，其辐射换热可充分进行，在辐射锅炉7进口布置小段保护夹套并对烟气进行导流，使烟气在缓慢下降的过程中与壁面不接触或少接触。辐射锅炉7高度的布置需满足：（1）辐射锅炉7受热面中过热蒸汽需达到汽轮机进口要求；（2）烟气温度降低至700℃以下，即可保证燃用高碱金属煤种时锅炉受热不发生沾污。

辐射锅炉7出口横向布置省煤器、空气预热器14等。烟气在辐射段底部温度已降至700℃以下，烟气中的高碱性物质在缓慢的气流速度下在辐射段底部进行沉积。然后烟气改变流向，横向进入对流段，将大大降低对流段省煤器及空气预热器14的积灰程度。 

Claims (9)

1.一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：包括流化床炉膛（2）、旋风分离器（3）、水平烟道（4）、辐射锅炉（7）和对流烟道（16），流化床炉膛（2）连接旋风分离器（3），旋风分离器（3）通过水平烟道（4）连接辐射锅炉（7），辐射锅炉（7）的底部连接水平的对流烟道（16）；所述辐射锅炉（7）内设置有辐射水冷壁（9）和辐射换热屏（8），所述辐射水冷壁（9）是由多个竖直的立管拼接形成的长方形结构，长方形结构内为空腔；所述辐射换热屏（8）位于辐射水冷壁（9）的空腔内，辐射换热屏（8）包括多个竖直平面辐射子屏，每一个辐射子屏均是由多个竖直的立管拼接形成，辐射子屏以辐射水冷壁（9）竖直方向的中心轴线为圆心发散布置；所述辐射水冷壁（9）和辐射换热屏（8）的每相邻两个立管均是通过焊接方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：所述辐射锅炉（7）包括四个侧壁（17）、一顶壁（18）和漏斗型底壁（19），侧壁（17）、顶壁（18）均有由外层耐火保温材料和内层膜式水冷壁构成，漏斗型底壁（19）为耐火材料结构。

3.根据权利要求2所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：所述漏斗型底壁（19）的下方为出渣口（11），形成辐射段除灰斗；所述出渣口（11）为耐火材料结构。

4.根据权利要求1所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：辐射水冷壁（9）和辐射换热屏（8）的每个立管的上端均与上集箱（5）连通，每个立管的下端与下集箱（10）连通。

5.根据权利要求4所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：辐射水冷壁（9）还在辐射锅炉（7）内顶部设置有顶壁水冷壁（6）。

6.根据权利要求1所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：所述对流烟道（16）内设置有对流传热部件，对流传热部件包括依次横向水平安装的二级省煤器（12）、一级省煤器（13）及空气预热器（14）部件；对流传热部件为多组对流管束，对流管束的壁面为耐火保温材料。

7.根据权利要求6所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：对流烟道（16）的后端连接有排烟烟道，烟气经过二级省煤器（12）、一级省煤器（13）及空气预热器（14）对流换热后进入排烟烟道。

8.根据权利要求1所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于：所述流化床炉膛（2）为带水冷壁面的流化床炉膛（2），流化床炉膛（2）的侧面上端设置有煤仓（1），流化床炉膛（2）的底部设置有流化风口（15）。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种减轻高碱性煤种沾污的CFB辐射混合型锅炉，其特征在于工作过程为：经过破碎等预处理的高碱性煤粉与添加剂通过煤仓（1）进入流化床炉膛（2），与从流化风口（15）进入经空气预热器（14）加热的热空气进行燃烧后，产生高温烟气，高温烟气经过流化床炉膛（2）上部的炉膛出口进入旋风分离器（3），经过旋风分离器（3）除去高温烟气中绝大多数的飞灰颗粒；飞灰颗粒作为燃烧热载体返回到流化床炉膛（2）循环利用；从旋风分离器（3）中分离出来的高温烟气通过水平烟道（4）进入下行的辐射锅炉（7），高温烟气与辐射锅炉（7）内的辐射水冷壁（9）屏和辐射换热屏（8）换热后，高温烟气的温度将大幅下降，通常高温烟气温度降至700℃，高温烟气的体积和流速都将大幅减小，得到冷凝后的灰渣颗粒；灰渣颗粒沉降在出渣口（11）中，而烟气折流进入横向水平的对流烟道（16），经二级省煤器（12）、一级省煤器（13）及空气预热器（14）换热，通过排烟烟道排出。