苏昌达

（大唐环境产业集团股份有限公司，北京100097）

0 引 言

五矿电厂拆除2号发电机组后，电厂日常运行方式将由两炉三机运行方式进行调整，除冬季保证供暖外均为一炉一机方式运行，若对单台锅炉进行扩容改造以实现一炉两机运行可获得最佳经济效益，但改造投资较大，而一炉一机运行方式经济效益较差。在不对锅炉进行大幅度改造前提下，如何提高单台锅炉负荷以满足一炉两机运行方式成为急需解决的问题。

五矿电厂2号锅炉为无锡锅炉厂生产的UG-75/3.82-M29型中温中压循环流化床锅炉，锅炉分离器为水冷方形旋风分离器，结构布置简单、紧凑，但方形水冷分离器也存在分离效率差、飞灰含碳量高的问题。锅炉日常生产运行中还存在为保证脱硫及脱硝数据稳定不超标而影响锅炉负荷的问题。

1 飞灰再燃技术概述

飞灰再燃技术是将收集到的飞灰返送回炉膛，实现再次燃烧，延长飞灰中未燃颗粒在高温区域的停留时间，以便提高其燃尽率，降低飞灰含碳量，从而减少锅炉机械不完全燃烧热损失，降低发电标煤耗，提高锅炉效率。实现途径主要有2种，一是将飞灰掺入炉膛给煤中，随锅炉给煤进入炉膛进行燃烧；二是通过气力输送方式直接打入炉膛进行燃烧，该项目采用第二种方式。

2 飞灰再燃技术难点

2.1 飞灰再燃技术解决的问题

（1）提高锅炉稳定运行负荷。

飞灰再燃通过将收集的细灰再次返送回炉膛进行燃烧，提高了炉膛的物料浓度，增强炉膛上下的传热系数，从而提高锅炉负荷。

循环流化床锅炉传热系数对受热面而言包括两部分，即对流传热和辐射传热。炉膛内的物料浓度是传热系数最大影响因素，传热系数随着物料浓度的增大而增大，如图1所示。

图1 炉膛内的物料浓度及传热系数关系Fig.1 Relationship between material concentration and heat transfer coefficient in furnace

同时，炉膛会浓度越大，则炉膛料层压差越大（炉膛压差即料层上部至炉膛出口的压力差），炉膛差压是表征流化床上部悬浮物料浓度的量，炉膛上部空间一定的物料浓度，对应一定的炉膛差压，对于同一煤种炉膛上部物料浓度增加，炉膛差压值越大，炉膛差压与锅炉循环灰量成正比。炉膛差压与锅炉负荷的关系如图2所示。

图2 炉膛差压与锅炉负荷的关系Fig.2 Relationship between furnace differential pressure and boiler load

通过采用飞灰再燃技术，使得循环流化床锅炉炉膛内的灰浓度增大，传热系数提高，即受热面吸收的热量多，蒸汽产量就会提高，锅炉负荷就会增加。

（2）降低飞灰含碳量。

降低飞灰含碳量是飞灰再燃技术的最主要特点，通过二次燃烧，飞灰中未燃尽的碳颗粒在炉膛停留时间延长，燃烧更加充分，从而降低飞灰的含碳量。

（3）实现稳定脱硫脱硝，利于达标排放。

锅炉炉内喷钙脱硫主要反应区域为炉膛下部，最佳温度区为850～950℃，锅炉日常运行中床温经常超过950℃，甚至1 000℃，飞灰经炉膛后墙二次风管道返送炉膛正是位于炉膛底部浓相区，返送炉膛的飞灰温度较低，约为40℃，通过调节返料灰开度大小，可有效控制床温。同时飞灰再燃也将一部分未反应的脱硫剂粉末一同返送炉膛，确保脱硫效果的同时减少了脱硫剂的用量。

尿素脱硝系统主要反映区域为炉膛中上部，最佳温度区为850～1 100℃，锅炉运行中存在反应温度偏低，烟气含氧量偏高的现象。采用飞灰再燃技术改造后，通过提高炉膛灰浓度，提高了炉膛顶部的温度至890℃，较之前平均提高约35℃，提高炉膛灰浓度在总进风量不变前提下降低了炉膛烟气含氧量，保证了烟气排放NOX指标合格。

锅炉脱硫脱硝系统的正常运行，烟气达标排放，也避免了锅炉运行中的频繁调整，更有利于锅炉稳定运行。

2.2 2号锅炉方形水冷分离器优缺点分析

（1）分离效率能够满足锅炉运行的需要，锅炉最高负荷可达75 t/h。

（2）避免了高温旋风筒的三大问题，高温结焦、分离器体积大、大量使用耐火材料导致热惯性大。①筒内承担一定负荷，高温物料在分离器虽有二次燃烧，但物料温度仍降低，不会结焦，分离器工作稳定。②大大简化结构设计，并使分离器与锅炉本体很协调的组合在一起，锅炉极其紧凑。③旋风筒里只敷较薄一层耐火材料，重量轻，能缩短启动时间。

（3）无高温连接烟道、密封性能好。

（4）解决了分离器的磨损问题，水冷分离器内的防磨层很薄，又被水冷壁冷却，耐火材料在较低温度下抗磨强度提高，其潜在优势在于局部磨损后，维修极其简单。

（5）分离器捕捉效率低，导致飞灰含碳量高，最高达21%。较大颗粒随烟气进入尾部加剧后部低温过热器、省煤器、空预器磨损。

（6）结构简单尺寸紧凑，锅炉改造难度大，改造后效果不确定。

2.3 锅炉扩容改造与飞灰再燃技术比较

针对五矿电厂锅炉炉型结构，将75 t/h锅炉扩容为90 t/h，需增加受热面，并更换效率更高的旋风分离器，改造费用约800万元。五矿电厂2台锅炉型号均为UG75/3.82-M29，炉膛顶部现已布置有高过吊挂屏，再增加受热面则需将汽包提高，炉膛水冷壁加高。

方形水冷分离器为无锡锅炉厂与清华大学共同研发设计，年代较早，投产锅炉数量少，其结构紧凑，锅炉炉膛与尾部竖直烟道间水平距离窄，将之改为高温水（汽）冷旋风分离器尚无成熟可参考的案例，改造难度非常大，投资较高且无法保证改造后锅炉实际运行效果。

飞灰再燃改造则工艺成熟、系统运行安全可靠，维护方便，一次投资费用约80万元，锅炉本体及辅机不作任何变动，只占用炉膛后墙1根二次风管道（设有旁路，关闭返送灰时打开，可恢复原状态）。通过运行试验，2号锅炉最高稳定负荷可达82 t/h。

与锅炉扩容改造相比，飞灰再燃技术投资小，改造效果明显，达到预期目标，且存在进一步挖潜可能性，优势明显。

3 现场实施方案及步骤

3.1 飞灰再燃系统工艺流程

除尘器积灰漏斗底部为灰库输灰用料封泵，料封泵出口管道增设输灰管及切换阀门至储灰仓,根据灰仓料位计由自动控制系统控制进灰启停。灰仓出口与给料装置相连接，利用罗茨风机气源经输送管道至锅炉后墙下二次风口处，进入炉膛内燃烧。飞灰再燃系统设置PLC控制模块和现场手动控制箱。

3.2 飞灰再燃系统的主要设备

灰仓：即储灰罐，将收集到的细灰储存在灰仓中，以保证系统稳定运行，输灰开度大小可调。

输灰设备：给料机，设备安装在灰仓下部，通过调节阀门开度控制飞灰输送量的变化。

风机：采用变频罗茨风机作为气源设备，具有风压稳定，省电节能的优点。

输灰管道：包括自除尘器积灰漏斗至储灰罐，储灰罐至炉膛的输灰管道及附属阀门。根据现场实际，分设A、B两路输灰管道，分别连接1号、2号灰斗和3号灰斗，两路输灰管道可自由切换。

控制系统：包括PLC控制模块和就地控制柜，利用储灰罐料位计可实现自动切换补仓，输灰管道阀门自动切换箱灰仓进灰或向电厂灰库输灰。锅炉运行人员可在控制室内通过手操器控制飞灰开度大小（图3）。

图3 飞灰再燃系统主要设备示意Fig.3 Main equipment of fly ash re-burning system

灰含碳量平均为12.22%；锅炉高负荷（稳定80 t/h）时沸中温度约890～900℃，炉膛出口处温度约860～880℃，炉膛上下温差缩小，炉膛上下温度分布更加均衡，有利于SNCR脱硝。

4 实施效果

改造前后锅炉运行参数对比，包括固定给煤机转速状态下飞灰投/停锅炉累计蒸汽产量对比表、飞灰投/停飞灰含碳量对比表及飞灰投/停炉膛各部位温度变化对比表（表1～表3）。

表1 固定给煤机转速对比试验Table 1 Comparison test of speed of fixed coal feeder

表3 锅炉炉膛各温度变化对比Table 3 Comparison of temperature changes in boiler furnace

在锅炉3台给煤机保持稳定转速前提下，投入飞灰再燃系统后锅炉每班次锅炉累计蒸发量增涨明显，较不投情况下每班（8 h）平均多产蒸汽31.75 t，相当于锅炉负荷增涨3.97 t/h，增长率为5.44%。

表2 锅炉飞灰含碳量降低变化Table 2 Change of carbon content reduction in boiler fly ash

投运飞灰再燃系统后飞灰含碳量平均为12.22%，而不投情况下飞灰含碳量平均为13.91%，飞灰含碳量降低比率为12.15%。

根据飞灰再燃系统投运情况，炉膛各部位温度随之变化，通过每班各项数据的平均值可得出各部位温度大致变化趋势，当投入飞灰再燃系统后，返料温度上升，沸下温度略有下降，沸中温度下降，温度波动变得更加稳定，整体处于890～920℃。炉膛出口温度上升明显，平均升温33.7℃。

5 效益分析

（1）经济效益。

飞灰再燃系统投运后，飞灰含碳量降低12.15%，吨标煤产汽量增加6.36%，年节约燃料成本112.4万元。若后期继续挖潜改造，能够实现一炉两机运行，则经济效益更加明显。

（2）环保效益。

飞灰再燃系统投运后，炉膛床温波动平缓，最高不超910℃，炉膛出口温度提高，炉膛上下温度分布更加均衡，有利于锅炉脱硫脱硝，保证了环保达标排放。

6 结 语

五矿电厂2号锅炉飞灰再燃项目投资较小，改造效果明显，锅炉飞灰含碳量下降，吨标煤产汽量增涨，且炉膛温度变化更适宜脱硫脱硝反应，有力保证了环保达标排放，降低环保风险。飞灰再燃系统自动化程度高，人员操作简单，运行可靠，且存在进一步挖潜可能性，具有显著的直接经济效益和环保效益。