46 MW环保型热水锅炉的设计.pdf

研究与开发 4 6 M W 环保型热水锅炉的设计 1 7 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 5 0 2 - 0 0 1 7 - 0 3 4 6 MW 环保型热水锅炉的设计 刘明丽 ，苏建平 ，邵金平 无锡锡能锅炉有限公 司， 江苏 无锡 2 1 4 1 7 4 摘要 介绍一种在常规链条炉排工业锅炉结构上采用脱硝装置的新型环保型锅炉的设 计 ， 不 仅降低 了烟气 中 N O 的排放 ， 满足 了 国家 标准 的要 求 ， 同时 减少 了尾部 烟气 的再 处理 设 备。 关键 词 环保型锅炉 ； 脱销技术 ； 结构设计 中图分类号 T K 2 2 9 文献标识码 A De s i g n o f 4 6 M W En v i r o n m e n t a l Ho t W a t e r Bo i l e r L I U Mi n g l i ，s u J i a n p i n g ，S HAO J i n p i n g Wu x i X i n e n g B o i l e r C o ． L t d． ，Wu x i 2 1 4 1 7 4， J i a n g s u ， C h i n a 第 一 作 者 刘 明 丽 ， 毕业 于 西 安 交 通 大 学 ， 锅 炉专业 。主要 从 事 锅 炉 产 品 的设 计 与开发。 Ab s t r a c t De s i g n o f a n e w t y p e o f e n v i r o n me n t a l b o i l e r b y l a y o u t t h e d e n i t r a t i o n d e v i c e i n r e g u l a r c h a i n g r a t e s t o k e r i n du s t r i a l b o i l e r ，wh i c h no t o n l y c a n r e d u c e t h e NO e mi s s i o n，ma k e t he b o i l e r t o me e t t h e na t i o na l e n v i r o nme n t a l s t a n d a r d r e qu i r e men t s，b u t a l s o r e d ue e t h e r e pr o c e s s i n g e qu i pme n t o f flue g a s ． Key wor d sen vi r o nm e nt al b oile r；de - ni t r at i on t e c hnol o gy；s t r uc t ur e de s i gn 0前 言 近几年来 ， 在我 国京津 冀 、 长三角 、 珠三角等工 业发达地区， 大气中细颗粒物 P M 的浓度远远超出 规定 范围， 人们工作和生活受到严重的影响。面对 这种严峻的形势 ， 我国环保部 于 2 0 1 2年 1 2月 5 E t 颁布了人称史 上最严 的 重点 区域 大气 污染 防治 “ 十二五” 规划 以下简称 规划 。 规划 要求 如京津冀 、 长三角 、 珠 三角地 区 P M 年均浓度下降 6 ％， 这对形成 大气 主要 污染源之 一的能 源转换设 备锅炉提 出了更 高的要求 。作 为锅炉生 产企 业 ， 在这样一个大环境下如何将产 品做到 既符合 国 家或当地环保要求又保证其有效的出力和热效率成 为新的必须面对的挑战。 1 4 6 MW 环保 型热水锅炉设计 与结构 简介 2 0 1 3年初我单位 为河北某用户定制 了一 台 4 6 M W 采用横梁炉排的层状燃煤锅炉 ，用户对这台销 往大气环境 重点 防治 区域 的产 品要 求为 锅 炉在 5 0 ％ ～1 0 0 ％负荷范 围内烟气 出 口 N O 排放浓度均 不高于 1 0 0 m g ／ 1 13 。 标态 。脱硝处烟气温度必须保 证 4 1 0 c 【 ， 尾部加省煤器和空气预热器后需将排烟 温度降低 至 1 5 0 。 。根 据 以上要求 ， 经过讨论 ， 我们 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 1 从 以下几方面来考虑锅炉的整体结构 1 在锅炉主燃烧 区设计方面 ， 在常规燃煤锅 炉基础上将炉膛适 当增大 ， 炉膛 四周采用膜式壁结 构 ， 增大炉膛辐射换热面积， 降低炉膛 出 口烟温 ， 为 减少尾部脱硝装置创造 良好 的工作条件。 2 炉膛燃烧采用低温分段送风分级燃烧 ， 在 炉膛后拱上部加装二次风 ， 使得炉膛二次风区域 以 下处于还原性气氛 中， 炉膛 四周采用膜式壁结构 ， 大 大降低炉膛 区的漏风 系数 ， 使 主燃烧 区处于低氧状 态 ， 以抑制 N O 的生成和排放 。 3 在锅炉尾 部加装脱硝装置 以使 N O 排放 浓度和排放量满足 国家和地方环保要求。从技术成 熟度 、 运行稳定性 、 建设投资及 日常消耗等多方面考 虑后决定采用选择性催化还原法 S C R 作为炉后烟 气脱硝措施。并在原型锅炉基础上沿锅炉深度方向 加出一跨钢架 ， 方便再布置一组省煤器受热面及脱 硝装置 ， 以进一步降低排烟温度 ， 且使脱硝装置布置 合理 。 基于此 ， 我们提出了4 6 M W 新型环保锅炉的总 体设计方案。如图 1 所示 ， 锅炉为双锅筒 、 燃煤水管 结构 ， 炉膛 四周布置膜式水冷壁 ， 后墙水冷壁上部向 炉内沿伸拉稀成三排形成凝渣管 ， 有利于改善炉内 火焰充满度。上下锅筒之 间布置对流管束 ， 尾部垂 直烟道放置一级省煤器 ， 其后上部布置有 S C R脱硝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 5年第 2期 总第 1 5 0期 装置 ， 脱硝装置下部布置有两组省煤器。 1 一炉排2 一 炉膛3 一二次风管4 一对流管束 5 一电动蝶 阀6 一旁通烟道7 一一级省煤器 8 一脱硝装置9 一二级省煤器1 0 一激波吹灰器 图 1 带 S C R脱硝装置的环保型热水锅炉 锅炉水循环为强制循环方式 ， 锅炉给水 由省煤 器进 口集箱进入 ， 经省煤器引入后上集箱 ， 由下降管 再进入后下集箱 ， 经炉膛 后墙管进上集箱。上集箱 分为前后两部分 ， 工质经上集箱后部进入侧墙水冷 壁后半部分 ， 经下集箱沿侧水冷壁前半部分及前墙 水冷壁向上循环。其 中侧墙水冷壁 、 前墙水冷壁 由 连通管与锅筒连接。锅筒内部装有进水挡板 ， 工质 从上锅筒进入对流管束后部 向下流动 ， 经下锅筒进 入前部对流管束向上流动 ， 进入上锅筒 内部装置后 从锅筒顶部出水管引至热用户 。 2 锅炉主要参数及计算结果 1 锅炉基本设计参数见表 1 。 2 锅炉设计燃料 为 Ⅱ类 烟煤 ， 燃料特性见表 2。 3 锅炉热力计算结果见表 3 、 表 4 。 3 锅炉设计要点 3 ． 1 炉膛及二次风的设计 炉膛在常规锅炉炉膛基础上加大 ， 将炉膛按横 梁炉排的尺寸加宽 1 0 0 m m， 高度方 向加高 4 0 0 m m 这样 的结果是辐射区受热面积增大 了 1 2 ． 3 m ， 约 增加原面积的 6 ． 6 ％ ， 四周布置膜式水冷壁 ， 既增 大炉膛区的受热面 ， 降低主燃区的燃烧温度 ， 又大大 降低 了炉膛 内过量空气系数 ， 使得炉膛主燃 区处于 低温低氧燃烧 ， 主燃烧区的还原性气氛抑制 了 N O 的生成。在后拱拱鼻上部距炉排面约 2 m处加装二 次风 ， 二次风沿水平方向喷入炉 内， 一二次风按 3 7 的比例配置， 高速的气流有利于上部低温烟气流 的 扰动 ， 增加燃料在炉膛内的停留时间， 加速了细小粒 子的燃尽。 3 ． 2省煤器的设计 采用光管式旗管结构 见图 2 布置 ， 扩大省煤 器部分受热面积 ， 强化传热 。共分三组 ， 每组 出厂前 均做成一个小模块 。 每组之间安装检修 门， 便于整 表 1 设计参数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 4 6 MW 环保型热水锅炉的设计 1 9 体检修 。旗管式省煤器管结构形式特殊 ， U形的省 煤器管交错排布插入两侧垂直放置 的小集箱 ， 小集 箱上下两端再插入水平放置 的进 出口集箱 中， 整个 管组件外 由独立的钢架支撑 固定形成一个小模块 ， 运输及安装便捷 ， 现场仅需将每组省煤器如搭积木 般拼装 即可， 在必要时 ， 单排旗管也可以整体更换 。 I 1 n l If ， l l I 1l I I l1 l I f l ， f 。_ 一 l ’’ i ， j ． T ～ 。 图 2 模块旗式省煤器 简图 为考虑清灰及传热 ， 下级省煤器与上级省煤器的 管束均为顺列排布，并根据温度区域不 同按等流速 不等截面的方法将省煤器沿烟气 流动方向布置不 同 的排数 ， 使得在有效的空间内布置充裕 的受热面， 提 高锅炉受热面的经济性 。在每级省煤器 的第一层上 部均加装了旋转式吹灰器 ， 通过压缩空气进行吹扫。 3 ． 3水循环安全性设计 本锅炉在下锅筒与侧集箱 、 后集箱之 间装有下 降管 ， 每根下降管均装有 阀门。在锅炉正常运行情 况下 ， 此处 阀门处于关闭状态 ， 锅炉整体 以强制循环 为主。在紧急停电时 ， 此处阀门打开 ， 整个锅炉以 自 然循环为主， 可 以起到保护炉膛水冷壁的作用。 3 ． 4 多种措施烟气脱硝 因为本锅炉采用了 S C R脱硝装置 ， 而影 响 S C R 脱硝装置运行的主要因素之一是烟气侧的温度。由 以上热力计算结果可以看出 ， 当锅炉满负荷运行 ， 脱 硝装置入 口烟气温度为 3 9 0 ． 5 c I ， 在 S C R运行反应 温度 3 0 0 4 2 0 o C区间内， 但 当锅炉在低负荷运行时 如何保证这一温度 见表 4 。如 图 1所示 ， 该锅炉 采取的措施是在对流管后侧设有一调节烟气温度的 旁通管路 ， 管路沿 炉膛宽度分 为六 支路 ， 当低负荷 时 ， 进入脱硝装置的温度低于 3 5 0 o C便通过 D C S控 制系统 自动打开旁通烟道上的电动蝶 阀， 使 高温烟 气不经过下级省煤器而是直接从旁通烟道进入脱硝 装置 ， 经过上级省煤器后 ， 以保证 S C R的运行温度 ， 增强低温段 N O 的脱除率。 影响 S C R运行 的另一关键 因素是催化剂在单 位时间内处理烟气 的量 ， 简单理解为其在脱硝通道 内停留的时间。该锅炉选用的脱硝装置通道截面为 矩形 ， 长 宽 为 2 m8 m， 烟气量为 8 5 1 7 5 m ／ h 标态 ， 烟气在通道 内的空 问速度 为 3 ． 6 m ／ s ，通 道的总长度为 7 m， 锅炉设置 1个脱硝反应器 ， 蜂窝 状催化剂装填 2层 ， 一层催化剂设计阻力为 2 1 0 P a ， 脱硝装置总阻力不大于 6 8 0 P a 。这样的设计能充分 保证烟气与催化剂接触 的时间 ， 使得 N O 的脱 除率 大大提高 ， 同时使用户在选用风机时不会 因为脱硝 装置的启用而过多增加电耗量。 该锅炉提高 S C R运行效率 的另一措施是 在两 层催化剂入 口侧约 4 0 0 mm位置左右两侧分别加装 了 4只声波 吹灰 器来有效 防止催化剂 中毒。如在 S C R运行 中催化剂 的活性中心被烟气 中沉积的飞灰 所覆盖， 或是烟气 中飞灰与活性 中心发生化学反应 生成别 的反应物使得催化剂蜂窝状的小孔被堵塞 ， 都会使得 N O 的脱除率大大降低 ， 而采取有效 的吹 灰可以较大程度地减少催化剂中毒现象的发生 。 4 锅炉运行 本锅炉 自2 0 1 3年底投入运行至今 ， 从现场实际 运行情况可知 ， 锅炉额定供热量在 3 5～4 5 MW， 出 水温度在 1 2 4 o C-4 - 5 o C ， 排烟温度在 1 4 2℃左右 ， 每 天耗煤约 1 9 6 t ， 脱硝还原剂消耗量平均约 7 9 4 k g ／ h 液氨 。经当地环保部门检测 ， 锅炉 出口烟气 N O 排放浓度平均约 9 7 ． 6 m g ／ m 标态 ， 满足当地及 国 家环保标准要求。盈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m