一、前言
1990年前，中原油田基地所有單位的供熱采用的是小容量鍋爐的分散供熱方式，使用的燃料絕大部分為原油、渣油或天然氣，該供熱方式存在成本高、浪費(fèi)大等重大缺點(diǎn)，為解決上述問(wèn)題，降低生產(chǎn)成本，最大限度地保護(hù)油氣資源，90年在總部基地建成投產(chǎn)了兩臺(tái)29MW燃煤鏈條式熱水鍋爐，但由于鏈條式鍋爐效率偏低，加之本地煤種不適應(yīng)于鏈條爐的燃燒，至使鍋爐熱效率經(jīng)常在50%左右，造成了能源的大量浪費(fèi)。而煤的循環(huán)流化床燃燒，是國(guó)家“七·五”計(jì)劃引進(jìn)“八·五”計(jì)劃攻關(guān)的一種新型燃燒技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)的層燃爐和煤粉爐的一個(gè)重大革新，它具有：燃燒效率高、爐渣綜合利用率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、NOx排放低、能在燃燒過(guò)程中方便和廉價(jià)地進(jìn)行脫硫、以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，此外，該種燃燒方式可適用于任何煤種，是其它燃燒方式無(wú)法與其比擬的。為此，中原油田與太原鍋爐廠、中科院工程熱物理研究所以及中原油田三家共同合作研制和開(kāi)發(fā)了29MW循環(huán)流化床熱水鍋爐，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，特別是中原油田供熱管理處技術(shù)人員在實(shí)施過(guò)程中對(duì)鍋爐的不合理部位進(jìn)行了二十多項(xiàng)改進(jìn)，對(duì)設(shè)備選擇及工藝上存在的三十多項(xiàng)不合理之處進(jìn)行了修改。該鍋爐于93年在總部基地建成投產(chǎn)，94年通過(guò)了國(guó)家鑒定并投入批量生產(chǎn)，相繼于95年油田清豐基地又投產(chǎn)兩臺(tái)，經(jīng)論證，又決定98年在供熱基地調(diào)整工程中決定應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，規(guī)劃擬建5臺(tái)29MW循環(huán)流化床熱水鍋爐，現(xiàn)正在實(shí)施中的有兩2臺(tái)，這兩臺(tái)將在99年冬投產(chǎn)，99年末全局共采用六臺(tái)此類(lèi)型鍋爐，可供熱面積270萬(wàn)平方米，該技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，根據(jù)計(jì)算，每年可為油田直接節(jié)約資金2707.3萬(wàn)元,并最大限度地保護(hù)了油氣資源,其產(chǎn)生的間接效益也是巨大的。
二、問(wèn)題的提出及對(duì)策
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的大幅度提高，能源消耗也隨之增加，中國(guó)同世界其它國(guó)家一樣出現(xiàn)了能源短缺現(xiàn)象，解決這一問(wèn)題的根本出路在于開(kāi)源節(jié)流。作為耗能大戶(hù)，如何提高能源的利用率，節(jié)約能源是我們技術(shù)人員的一項(xiàng)重大課題。
90年以前，中原油田基地供熱完全是各單位自成體系的燃油、燃?xì)庑⌒湾仩t分散供熱，僅基地北區(qū)就有小型鍋爐房十五座，1~6t/h小型鍋爐64臺(tái)，共230蒸噸。供熱面積近104×104m2，每個(gè)采暖期消耗天然氣4000×104m3左右。隨著濮陽(yáng)大化和鄭州、開(kāi)封、安陽(yáng)、倉(cāng)州等周?chē)鞘泄I(yè)和生活用氣的增加，油田天然氣出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，為此有許多燃?xì)忮仩t陸續(xù)改為燃油鍋爐。并在90年冬基地北區(qū)第一座集中供熱的兩臺(tái)29MW燃煤鏈條鍋爐投產(chǎn)。因該鏈條爐設(shè)計(jì)選用的燃料為Ⅱ類(lèi)燃煤，而實(shí)際用煤為鶴壁貧煤，致使該鍋爐第一年投產(chǎn)熱效率和出力極低，經(jīng)設(shè)計(jì)院測(cè)試，分別在42%和54%，燃過(guò)的爐渣含碳量較高，燃料浪費(fèi)嚴(yán)重；當(dāng)時(shí)油田基地北區(qū)每個(gè)采暖期燃煤約為20000噸，燃用渣油或原油近2200噸。
由于渣油價(jià)格約為煤價(jià)格的八倍，而熱值僅為煤的兩倍，其燃油綜合成本約為燃煤的4倍，經(jīng)濟(jì)效益極差。為了適應(yīng)運(yùn)輸距離較近、價(jià)格便宜的本地鶴壁貧煤，以及燃煤比燃油經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)和節(jié)約油資源，91年供熱管理處有關(guān)技術(shù)人員就開(kāi)始對(duì)北京、濟(jì)南、太原、上海、無(wú)錫等鍋爐制造廠和明水、趙縣等用戶(hù)進(jìn)行了調(diào)查論證，報(bào)局領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)后采用了新開(kāi)發(fā)的高效、節(jié)能、低污染和對(duì)煤種適應(yīng)能力強(qiáng)的循環(huán)流化床熱水鍋爐。該鍋爐房設(shè)在基地北區(qū)，從92年初開(kāi)始設(shè)計(jì)、93年底建成投產(chǎn)，投產(chǎn)后取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，鑒于以上情況，95年在清豐基地又采用了兩臺(tái)29MW循環(huán)流化床熱水鍋爐，使該技術(shù)的應(yīng)用又得到了推廣。
三、循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)介紹
循環(huán)流化床技術(shù)最早始于德國(guó)的winkler煤氣發(fā)生爐（1922年），二次大戰(zhàn)期間，在美國(guó)成功的開(kāi)發(fā)了流化床催化裂化裝置，以生產(chǎn)航空汽油，在六、七十年代，發(fā)展了鼓泡流化床燃燒技術(shù)，但由于其燃燒性能、脫硫性能和大型化方面的限制，逐漸被循環(huán)流化床燃燒技術(shù)所代替，早在七十年代初，西德人Lurigi首先發(fā)展了用于三氫氧鋁焙燒的循環(huán)流化床工藝，1979年芬蘭20t/h循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行，很快西德人Lurigi 的120t/h循環(huán)流化床鍋爐（1982）、美國(guó)Ahlstrom公司開(kāi)發(fā)的第一臺(tái)25t/h循環(huán)流化床鍋爐（1981）相繼投入試運(yùn)， 1988年 Ahlstrom在美國(guó) Colcrado ute 發(fā)電站的420t/h鍋爐順利運(yùn)轉(zhuǎn),1990年 Lurgi/CE的499t/h鍋爐投運(yùn)。
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng),其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是一個(gè)流態(tài)化燃燒室,其后的物料分離收集器,以及將收集的物料返回燃燒室循環(huán)的返料器，所構(gòu)成的物料循環(huán)燃燒系統(tǒng)、鍋爐的水冷系統(tǒng)、過(guò)熱器尾部受熱面?zhèn)扰c一般的鍋爐類(lèi)同，目前國(guó)際上已出現(xiàn)有多種型號(hào)的循環(huán)流化床鍋爐的爐型，如附錄一和附錄二概貌圖所示：
就目前開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)形式看，好象各式各樣，但就構(gòu)成循環(huán)流化床鍋爐燃燒的基本環(huán)節(jié)和工作過(guò)程的組織原理來(lái)說(shuō)，則基本都是一樣的，僅是具體結(jié)構(gòu)和安置位置有所不同，燃煤和空氣進(jìn)入一個(gè)流態(tài)化燃燒室，發(fā)生摻混和點(diǎn)火燃燒，夾帶有大量細(xì)顆粒物料的煙氣進(jìn)入后部一個(gè)分離器，被分離收集的物料通過(guò)一個(gè)返料器被送回主燃燒室循環(huán)再燃，為使燃燒過(guò)程在爐膛內(nèi)維持在850~900℃范圍內(nèi)工作，需要把約50%的燃燒釋熱由冷卻受熱面?zhèn)鹘o鍋爐汽水系統(tǒng)，對(duì)于典型的Ahlstrom、Lurgi和 Battelle的循環(huán)流化床鍋爐而言，它們都采用了緊接燃燒室的旋風(fēng)分離器作為細(xì)物料的分離收集裝置，所不同的僅是Ahlstrom只將受熱面布置在燃燒室內(nèi)爐膛上部，而 Battelle只將受熱面放在外部返料熱交換器內(nèi)，而 Lurigi則二者皆設(shè)。當(dāng)然，為了發(fā)揮各自的特點(diǎn)，所采用的流化速度和具體結(jié)構(gòu)是有所不同的，在Babcock的Circofluid內(nèi)主要不同是將旋風(fēng)分離器放到后部中溫分離和采用爐膛塔式布置。在Studsvik的系統(tǒng)內(nèi)，他們用一系列槽形慣性分離器來(lái)代替Ahlstrom的旋風(fēng)分離器和實(shí)現(xiàn)一定程度的可控返料而已，當(dāng)然，各個(gè)制造廠都集中發(fā)揮了他們的經(jīng)驗(yàn)和努力，使各自的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可供實(shí)用的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備。
循環(huán)流化床燃燒這一新型的燃燒技術(shù)，一方面它已發(fā)展成可供實(shí)用、有競(jìng)爭(zhēng)力的新型動(dòng)力設(shè)備，另一方面它又尚處在不斷完善和成熟的過(guò)程之中，有關(guān)其工作過(guò)程的認(rèn)識(shí)還是相當(dāng)不充分的，實(shí)際運(yùn)行操作的經(jīng)驗(yàn)仍是很缺乏的，所以每開(kāi)發(fā)一種新?tīng)t型，從開(kāi)始調(diào)試到轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，常常都經(jīng)歷一段修整完善的過(guò)程，到目前為止，以Pyroflow和Lurigi 這兩種爐型應(yīng)用最多，Lurigi 比Pyroflow更適于200t/h以上大型電站鍋爐，但是他們的高溫分離收集器存在體積大、笨重、投資高、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，近年（如附錄二所示）出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)爐型。
在這種循環(huán)流化床系統(tǒng)內(nèi)，由于物料的熱容量大和強(qiáng)烈的摻混，各類(lèi)燃料都能得到穩(wěn)定的著火燃燒，再由于夾帶物料的反復(fù)循環(huán)再燃，所以其燃燒效率高，可達(dá)98~99%，由于采用850℃附近的低溫燃燒可以借助加石灰石進(jìn)行脫硫，視石灰石的反應(yīng)性能和燃煤中的起始含硫量，可實(shí)現(xiàn)近90%的脫硫，其Ca/s=1.5~2。由于低溫燃燒和空氣的分級(jí)供應(yīng)，其中NOx 的排放量可以達(dá)200ppm以下，其負(fù)荷調(diào)整范圍可達(dá)到1:3到1:4。
我國(guó)自1964年以來(lái)，在燃用劣質(zhì)煤和鼓泡流化床鍋爐方面有相當(dāng)發(fā)展，在循環(huán)流化床鍋爐的研究和開(kāi)發(fā)方面。雖然起步較遲，但近年也在迅速發(fā)展，取得了一定的成績(jī)。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所在1984年建起了2.8MWt循環(huán)流化床燃燒裝置，順利進(jìn)行了試驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)，其爐型基本上是依照Pyroflow的爐型，但使用了在爐膛上部設(shè)置曲徑燃燼結(jié)構(gòu)，隨后與開(kāi)封鍋爐廠協(xié)作，開(kāi)發(fā)10t/h循環(huán)流化床鍋爐，1988年通過(guò)產(chǎn)品鑒定并投入生產(chǎn)。這是我國(guó)第一臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐，其爐型基本上亦是仿照芬蘭的，但結(jié)構(gòu)上采用緊湊整體式，“八·五”期間，中科院還承擔(dān)了35t/h循環(huán)流化床蒸汽鍋爐的國(guó)家攻關(guān)任務(wù)，為了減輕循環(huán)物料的粉化和高溫旋風(fēng)分離器內(nèi)的磨損以及提高燃燼率，35t/h循環(huán)流化床蒸汽鍋爐采用了高溫一級(jí)慣性分離，第二級(jí)旋風(fēng)分離的分級(jí)循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)，該鍋爐1989年通過(guò)技術(shù)鑒定，在山東明水熱電廠投入試運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)其它單位如清華大學(xué)的6~75t/h循環(huán)流化床鍋爐，亦在運(yùn)轉(zhuǎn)。其爐型有采用平面流高溫分離器和頂置臥式旋風(fēng)筒的，其它如浙江大學(xué)、上海成套所、哈工大、華中理工大學(xué)、南京工學(xué)院、西安交大、東北電力學(xué)院、西安熱工所等都亦在這方面開(kāi)展工作，取得了不少進(jìn)步。
總之，流化床燃燒技術(shù)，雖然存在許多不盡完善之處，但由于其燃燒效率高，脫硫性能好、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬和易于實(shí)現(xiàn)大型化，極有發(fā)展?jié)摿Γ且环N高效、低污染的燃煤新技術(shù)，大有在今后發(fā)展成主力燃煤技術(shù)之勢(shì)，鑒于此，供熱工程技術(shù)人員高瞻遠(yuǎn)矚，看到了該技術(shù)的應(yīng)用可為油田節(jié)約大量的資金，能有效地保護(hù)油氣資源。于是在局領(lǐng)導(dǎo)的支持下，大膽地與中科院熱物理所、太原鍋爐廠聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)了29MW循環(huán)流化床熱水鍋爐,在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有如此大容量的熱水鍋爐,該種爐型的開(kāi)發(fā)成功,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，為流化床熱水鍋爐的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)
