一种防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉及防沾污处理方法与流程

本发明属于循环流化床技术领域，具体涉及一种防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉及防沾污处理方法。

背景技术

新疆的煤炭资源占中国煤炭总储量的2/5，高达2.19万亿吨，居全国之首。而全区资源总量的95%集中于准东、吐哈等地。仅准东煤田已探明煤炭资源储量为2136亿吨，沙尔湖煤田已探明煤炭资源储量为900亿吨。准东和沙尔湖煤具有挥发分高（30%以上）、热值中等、灰分少（10%以下）、含硫量低（0.2～0.3%）等优点，但煤中钠含量高（一般煤灰中高于2%称为高钠煤），具有严重的结渣和沾污特性。

结渣和沾污特性是指高钠煤颗粒在燃烧过程中，灰中钠盐会全部释放并以气相存在于烟气中。气相钠盐接触到温度较低的受热面时发生冷凝效应而聚集在管子表面，并吸附烟气中的超细灰形成了沾污内层，进而在燃烧高钠煤的锅炉上随着气相钠盐的不断冷凝与捕获烟气中的飞灰颗粒，使得沾污层不断的生长，导致管壁沾污层变厚，最终覆盖整个管壁，甚至整个受热面会出现“搭桥”现象。该沾污层非常坚硬，常规的锅炉吹灰已不能清除，这样对流受热面传热效果就会大幅度下降，直接影响到锅炉的长期安全稳定运行。

由于早期国内对燃烧高钠煤的认识不够，又缺乏工程运行经验，在锅炉设计和运行上按普通煤质对待，以至于现役投运的锅炉燃用高钠煤后均出现过尾部对流受热面粘结性积灰严重堵塞而被迫停机的情况。通查询相关文献和实际调研发现：锅炉主要发生粘结性积灰主要集中高、低温过热器、再热器段、尾部省煤器、空预器等对流受热面。通过分析发现，这些受热面烟气温度区域在700℃以下，处于钠蒸气凝结区间。

目前对高钠煤种的燃烧利用主要采用掺烧沾污性弱的煤种或使用添加剂。这种控制方法只能减缓沾污，煤中的钠化合物蒸气终究会凝结在受热面管束上，无法从根本上解决问题。外煤掺烧比例过大时，外煤的需求量较大，但受到运输条件的限制，极大增加了运行成本。添加剂亦存在同样的问题。限制了准东和沙尔湖煤的大规模高效纯烧利用，致使大量开采成本低、燃烧活性好、低污染、低排放的高钠煤得不到很好地利用。也有利用改变锅炉结构方式以减缓粘结性积灰的方法。主要有以下两种方法：

1、烟气再循环方式，现有技术公开的“一种利用烟气再循环降低高钠煤沾污活性的装置”中利用冷烟气急冷屏底或屏后的区域的高温烟气降低高钠煤沾污活性，并使其附着于飞灰颗粒中，从而避免或减轻尾部对流受热面出现的沾污、磨损和腐蚀等问题，该方法主要存在烟气混合不充分且烟气温度整体不能降低钠盐的凝固点的问题，烟气中的钠蒸气部分附着在灰飞上但遇到温度较低的受热面亦具有粘结性，也会形成黏结性积灰。故该方法只能减轻沾污问题并不能解决问题。

2、增加低壁温换热器的方式，现有技术公开的“一种低壁温换热面解决高钠煤燃烧沾污的系统”中在锅炉的对流换热区域之前设置低壁温换热区域,炉膛烟气经过旋风分离器后，再经过低壁温换热面低温换热，将烟气中的钠盐析出固化。该方法只能析出部分钠盐，以致于大量的气态钠盐通过该装置时并不能凝固下来，部分析出的可能会以液态存在，液态的钠盐捕捉细飞灰，同样具有沾污性。该方法也只能减轻锅炉尾部受热面沾污性。都不能根本上的解决问题。

基于现有技术中均只能适当减轻沾污问题并不能解决问题，有必要提供一种可以解决高钠煤燃烧沾污的方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉及防沾污处理方法，可以解决高钠煤燃烧沾污的问题，防止因沾污层而降低对流受热面传热效果的情况发生，进一步保证锅炉的长期安全稳定运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明之防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉，包括炉膛、风室、分离器和尾部烟道，所述炉膛上设有给煤口，所述风室、炉膛、分离器、尾部烟道依次连通；

所述炉膛划分为浓相区和稀相区，所述浓相区位于炉膛下部，所述稀相区位于炉膛上部，所述稀相区内至少设有2个膜式水冷壁，相邻膜式水冷壁之间错位平行进而在稀相区内形成蛇形气流通道，所述稀相区的炉膛出口与分离器入口连通，所述稀相区的炉膛出口的烟气温度为520℃以下；

不与浓相区相邻的膜式水冷壁上均设有清灰装置，所述清灰装置包括清灰组件和传动组件，所述传动组件带动清灰组件在膜式水冷壁上进行上下往复运动，所述清灰组件中设有弹性金属丝，所述弹性金属丝沿着膜式水冷壁的宽度方向横向设置且与膜式水冷壁的壁面贴合。

通过理论及试验研究发现，受热面发生沾污现象是烟气温度和受热面壁温共同作用的结果。烟温的作用使得钠化合物从煤中析出（以液态或气态形式存在）或不析出。钠化合物是否沾污受热面取决于钠化合物凝结固化过程。通过该发现，进一步研究得出当烟气温度低于520℃，烟气中钠化合物都已被凝结下来了，此时烟气中不再含有钠金属化合物蒸气，遇到较低温度的受热面也不会形成难以清除的黏结性积灰。因此本方案通过改进炉膛内的结构巧妙地将炉膛出口的烟气温度下降至520℃以下，进而将尾部烟气中钠化合物都已被凝结下来了，可以有效地防止烟气沾污锅炉房尾部受热面等，进而带来安全隐患。同时，由于高钠煤在浓相区燃烧后的烟气温度高达800℃～950℃，因此为了使炉膛出口的烟气温度下降至520℃以下，本发明采用稀相区内设置至少2个膜式水冷壁，进而将稀相区划分为蛇形气流通道，实现多回程降温，可以更加有效地降温。

再者，由于在稀相区内对烟气进行了降温，故凝结钠化合物都集聚在膜式水冷壁上，本发明为了更加及时地清理膜式水冷壁上的黏结性积灰，设置清灰装置，利用清灰装置中的弹性金属丝在膜式水冷壁上的上下往复运动来及时清灰。

弹性金属钢丝可由316l不锈钢拉丝制成，其弹性以及韧性可以提高清灰效果。

优选地，所述稀相区内设有3个膜式水冷壁，所述稀相区内的蛇形气流通道划分为三个烟气回程，每个烟气回程对应一个膜式水冷壁；

其中，第一烟气回程的烟气平均温度为750℃，烟气流速为3.5m/s；

第二烟气回程的烟气平均温度为600-650℃，烟气流速为4m/s；

第三烟气回程的烟气平均温度为520-550℃，烟气流速为3m/s。

从炉膛受热面积与尾部受热面的占比及锅炉外形尺寸、占地和锅炉总体钢耗等综合因素考虑，设置三个膜式水冷壁是最优的。在三个烟气回程控制不同的温度，可以更加有效地将钠蒸气凝结。其中，第二烟气回程处理换热和钠蒸气凝结最频繁的区域，控制低流速有益于钠蒸气凝结。

为了实现将各个回程中烟气温度下降至上述预设温度，依据锅炉总吨位以及膜式水冷壁的数量选择适当尺寸的膜式水冷壁。

优选地，所述清灰组件还包括固定元件以及滑轮，所述弹性金属丝固定在固定元件上，所述固定元件与滑轮固定连接；

所述传动组件包括驱动元件、传动元件以及滑轮轨道，所述传动元件包括传动轮轴、传动轮以及传动钢丝；所述驱动元件与传动元件连接，所述传动轮轴穿入传动轮，所述传动钢丝缠绕传动轮与滑轮，所述滑轮设置在滑轮轨道上。

优选地，所述膜式水冷壁由若干换热管道以及扁钢构成，所述扁钢设于两个换热管道之间；

所述换热管道内的冷却介质为汽包里的饱和水，所述冷却介质的温度低于400℃。

优选地，所述扁钢的宽度与换热管道的半径相等。扁钢的宽度与换热管道的半径相等时换热能力更强，同时清灰也更加便捷。

优选地，所述浓相区设有防磨鳍片埋管，所述防磨鳍片埋管以12～15°的倾斜角度设置，所述防磨鳍片埋管的横向、纵向距为100mm～150mm。选用传热系数高的防磨鳍片埋管，能大幅度减少锅炉膜式水冷壁面积，减少锅炉钢耗量和占地面积，且防磨鳍片埋管直接受到高温床料冲刷。其与烟气直接换热，提高埋管传热系数，可以确保锅炉足够的受热面。

优选地，所述尾部烟道内还设有对流受热面、省煤器以及空预器，烟气依次通过流受热面、省煤器以及空预器；

所述尾部烟道与烟囱之间还设有除尘器和引风机，所述尾部烟道的排出口与除尘器的输入口连通，所述除尘器的排出口与引风机的输入口连通，所述引风机的排出口与烟囱连通。

另一方面，本发明还提供上述锅炉的防沾污处理方法，包括如下步骤：

（1）：将高钠煤通过给煤口送入炉膛；

（2）：向风室通风，并在炉膛浓相区内燃烧高钠煤；

（3）：煤中的钠在燃烧升华后进入烟气，在膜式壁回程中逐步凝结析出在膜式水冷壁上，飞灰附着在膜式水冷壁上；

（4）：启动膜式水冷壁上的清灰装置，清灰装置的弹性金属丝在膜式水冷壁上进行上下往复运动，清理掉膜式水冷壁上的黏结性积灰；

其中，高钠煤燃烧产生的烟气由浓相区进入稀相区，沿着膜式水冷壁形成的蛇形气流通道流动降温，并使得稀相区的炉膛出口的烟气温度为520℃以下；

（5）：将稀相区的炉膛出口的烟气依次排向分离器、尾部烟道。

优选地，所述稀相区内设有3个膜式水冷壁，所述稀相区内的蛇形气流通道划分为三个烟气回程，每个烟气回程对应一个膜式水冷壁；

其中，第一烟气回程的烟气平均温度为750℃；

第二烟气回程的烟气平均温度为600-650℃；

第三烟气回程的烟气平均温度为520-550℃。

优选地，所述第一烟气回程的烟气流速为3.5m/s，所述第二烟气回程的烟气流速为4m/s，所述第三烟气回程的烟气流速为3m/s。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明通过设置膜式水冷壁实现多回程降温进而将炉膛出口处的烟气温度下降至520℃以下，同时经研究发现当烟气温度低于520℃，烟气中钠化合物都已被凝结下来了，此时烟气中不再含有钠金属化合物蒸气，遇到较低温度的受热面也不会形成难以清除的黏结性积灰。因此本发明通过改进炉膛内的结构巧妙地将炉膛出口的烟气温度下降至520℃以下，可以有效地解决烟气沾污问题。通常循环硫化锅炉炉膛温度在800℃～900℃区间。炉膛出口温度在于650℃～850℃，本发明通过突破常规手段将炉膛出口处的烟气温度下降至520℃以下，达到突出的效果，且同时保证锅炉的正常运行。沾污现象的发生正是因为含有钠金属化合物蒸气遇到较低温度的受热面发生冷凝效应而形成的黏结性积灰，且受热面处弯道多，空间狭小，不利于清洁，本发明基于现有技术中存在的问题，采用逆向思维，正是利用含有钠金属化合物蒸气遇低温发生冷凝效应的原理，在烟气传入受热面之前即流出炉膛出口之前就将烟气中的钠化合物全部凝结出来，使得炉膛出口处流出的烟气不再含有钠金属化合物蒸气，进而解决了受热面上黏结性积灰的问题。

2、由于在稀相区内对烟气进行降温，故凝结钠化合物都集聚在膜式水冷壁上，本发明利用清灰装置中的弹性金属丝在膜式水冷壁上的上下往复运动来及时清灰，彻底解决循环流化床尾部对流换热黏结性积灰的问题，使得锅炉能够安全、稳定、连续运行，增加锅炉运行时长，提高锅炉有效利用率。凝结钠化合物在膜式水冷壁上集聚是不规则的，进而导致膜式水冷壁的壁面是凹凸不平且壁面状态不是一成不变的，本发明所使用的弹性金属丝，基于其弹性和韧性，在任何状态下均可以与膜式水冷壁紧密贴合，可以更加便捷以及更加有效地清理膜式水冷壁上的黏结性积灰；此外，锅炉的尾部烟道为蛇形，内置的管束式对流受热面黏结性积灰清理难度大，且容易堵塞通道，而本发明通过膜式水冷壁与弹性金属丝的配合，实现清灰方式简单，清灰效果佳，清灰效率达到99%。

3、通过多回程烟气走廊，降低炉膛燃烧烟温，抑制nox的生成，实现低氮燃烧，降低污染物排污。

附图说明

图1为本发明之防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉实施例的结构示意图；

图2为带清灰装置的膜式水冷壁结构示意图；

图3为带清灰装置的膜式水冷壁断面示意图；

图中：1-风室，2-浓相区，3-埋管，4-给煤口，5–第一膜式水冷壁，6-炉膛壁，7-第二膜式水冷壁，8-清灰装置，9-第三膜式水冷壁，10-炉膛出口，11-分离器，12-返料器，13-对流受热面，14-省煤器，15-空预器，16-除尘器，17-引风机，18-烟囱，71-换热管道，72-扁钢，73-膜式水冷壁集箱，81-清灰组件，811-弹性金属丝，812-固定元件ⅰ，813-固定元件ⅱ，814-滑轮，82-传动组件，821-驱动元件，822-传动轮轴，823-传动轮，824-传动钢丝，825-滑动轨道，20-膜式水冷壁，21-稀相区。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，一种防高钠煤燃烧沾污循环流化床锅炉，包括风室1、炉膛、分离器11和尾部烟道，所述炉膛上设有给煤口4，所述炉膛划分为位于下部的浓相区2以及位于上部的稀相区21，所述尾部烟道内设有对流受热面13、省煤器14以及空预器15，所述尾部烟道与烟囱18之间设有除尘器16和引风机17；

所述风室1与炉膛的浓相区2连通，所述稀相区21的炉膛出口10与分离器11的入口连通，所述分离器11的排尘口通过管道连接返料器12，所述返料器12通过回料管连接炉膛的浓相区2，所述分离器11的烟气出口与尾部烟道的入口连通，所述尾部烟道的排出口与除尘器16的输入口连通，所述除尘器16的排出口与引风机17的输入口连通，所述引风机17的排出口与烟囱18连通，故高钠煤通过给煤口4进入炉膛，与来自风室1的空气在炉膛内悬浮燃烧，煤中的钠化合物在炉膛浓相区2内升华成钠化合物蒸气，并融入高温烟气中，高温烟气通过炉膛稀相区21进而进入到分离器11，再从分离器11出来的烟气依次流向对流受热面13、省煤器14、空预器15、除尘器16和引风机17，最后排向烟囱18。

本实施例中，所述炉膛的浓相区2内设有防磨鳍片埋管3，所述防磨鳍片埋管3以12～15°的倾斜角度设置，所述防磨鳍片埋管3的横向、纵向距为100mm～150mm。

本实施例中，所述炉膛的稀相区21内设有3个膜式水冷壁20，所有膜式水冷壁20之间错位平行进而将稀相区21划分为蛇形气流通道，利用膜式水冷壁20对烟气进行降温，使稀相区21的炉膛出口10的烟气温度为520℃以下，其中，紧贴浓相区2的膜式水冷壁20为第一膜式水冷壁5，不与浓相区相邻的膜式水冷壁为第二膜式水冷壁7和第三膜式水冷壁9，所述第二膜式水冷壁7和第三膜式水冷壁9上均设有清灰装置8。所述清灰装置8包括清灰组件81和传动组件82，所述传动组件82带动清灰组件81在膜式水冷壁20上进行上下往复运动，所述清灰组件81中设有弹性金属丝811，所述弹性金属丝811沿着膜式水冷壁20的宽度方向横向设置且与膜式水冷壁20的壁面贴合。

本实施例中，蛇形气流通道划分为三个烟气回程，每个烟气回程对应一个膜式水冷壁20，其中，第一烟气回程的烟气平均温度为750℃，烟气流速为3.5m/s；第二烟气回程的烟气平均温度为600-650℃，烟气流速为4m/s；第三烟气回程的烟气平均温度为520-550℃，烟气流速为3m/s，进而使炉膛出口10处的烟气温度降至520℃以下。其他可行的实施例中，炉膛稀相区21内的膜式水冷壁20数量可以是其他数值，其对应的烟气回程数量也变化。例如膜式水冷壁20的数量为2，则对应的烟气回程数量也为2，此时第一烟气回程的烟气平均温度为700-750℃，烟气流速为3.5m/s，第二烟气回程的烟气平均温度为520-550℃，烟气流速为3m/s，相较于3个膜式水冷壁20的锅炉，2个膜式水冷壁20的锅炉主要是通过改变膜式水冷壁20的尺寸来实现降温。

其中，膜式水冷壁20由若干换热管道71以及扁钢72构成，所述扁钢72设于两个换热管道71之间，扁钢72的宽度与换热管道71的半径相等，换热管道71内的冷却介质为汽包里的饱和水，且冷却介质的温度低于400℃。故更有效地对烟气进行降温。

通过研究发现对于固体物质来讲，其挥发程度取决于熔点的高低，而对于其中一些易升华物质来讲，升华点则决定其升华程度的关键因素，煤中的钠化合物除了以硅酸盐形式存在的化合物熔点很高外，其他形式的钠化合物熔点都很低。常见的钠化合物的熔点如下表1所示：

根据上述对钠化合物的熔点分析，可知当烟气温度下降至520℃以下（低于钠化合物熔点）时，烟气中的钠盐蒸气将全部析出固化，使得烟气得以净化，不再含有钠金属化合物蒸气，遇到较低温度的受热面也不会形成难以清除的黏结性积灰。故可以从根本上解决高钠煤燃烧导致的沾污问题。与此同时，在炉膛稀相区21内随着烟气温度的下降，钠盐蒸气析出物将集聚在膜式水冷壁20上，利用膜式水冷壁20上的清灰装置8可以及时有效地清理凝结钠化合物。

需要说明的是，第一烟气回程的温度高于大多数的钠化合物的熔点，故第一个膜式水冷壁上可以不设置清灰装置8，但是其他膜式水冷壁上需要设置。其他可行的实施例中，第一个膜式水冷壁上也可以设置清灰装置8，本发明对此不进行具体的限定。

参照图2和图3，所述清灰装置8中的清灰组件81还包括固定元件812ⅰ、固定元件ⅱ813以及滑轮814，弹性金属丝811固定在固定元件812ⅰ上，固定元件ⅰ812通过固定元件ⅱ813与滑轮814固定连接。所述清灰装置8中的传动组件82包括驱动元件821、传动元件以及滑轮轨道825，传动元件包括传动轮轴822、传动轮823以及传动钢丝824，所述驱动元件821为驱动电机，例如变频异步电机；传动轮轴822穿入传动轮823，传动钢丝824缠绕传动轮823与滑轮814，滑轮814设置滑轮轨道825上。驱动元件821驱动传动轮轴822转动，进而带动了传动轮823转动，在传动钢丝824的牵引下滑轮814沿着滑轮轨道825移动，使得弹性金属丝811沿着膜式水冷壁20进行上下往复运动。

其中，弹性金属丝811与固定元件812设活动接口，以方便弹性金属丝811定期更换。

基于上述锅炉结构，该锅炉工作过程如下：

通过给煤口4将原煤送入炉膛，原煤在来自风室1的空气作用下在炉膛悬浮燃烧，生成的高温烟气通过膜式水冷壁20形成的多烟气回程逐步降温，并使炉膛出口10处的烟气温度在520℃以下，烟气中的钠化合物蒸气全部固化析出在膜式水冷壁20上，清灰装置8同步清除膜式水冷壁20上的黏结性积灰。清洁的烟气进入分离器11进行气固分离，分离后的烟气进入尾部烟道并在流受热面13、省煤器14、空预器15继续换热，温度降低至135℃后通过除尘器16除尘后，由引风机17吸出来至烟囱18排入大气。

基于上述锅炉，本发明还提供上述锅炉的防沾污处理方法，包括如下步骤：

（1）：将高钠煤通过给煤口4送入炉膛；

（2）：向风室1通风，并在炉膛浓相区内燃烧高钠煤；

（3）：煤中的钠在燃烧升华后进入烟气，在膜式壁回程中逐步凝结析出在膜式水冷壁上，飞灰附着在膜式水冷壁上；

（4）：启动膜式水冷壁20上的清灰装置8，清灰装置8中的弹性金属丝811在膜式水冷壁20上进行上下往复运动，清理掉膜式水冷壁上的黏结性积灰；

其中，高钠煤燃烧产生的烟气由浓相区进入稀相区21，沿着膜式水冷壁20形成的蛇形气流通道流动降温，并使得稀相区21的炉膛出口10的烟气温度为520℃以下；

（5）：将稀相区21的炉膛出口10的烟气依次排向分离器11、尾部烟道，最后排出到烟囱18。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。