引言生物质能源具有环境友好、可再生、存量大以及可以代替常规化石燃料等优点[1-2]。循环流化床(CFB)锅炉具有燃料适用性广、燃烧效率高、污染物排放低等优点[3]。近年来，将生物质燃料应用于CFB锅炉燃烧发电成为生物质利用的主要方式。以东方电气集团东方锅炉股份有限公司（简称东方锅炉）某已投入商业运行的130 t/h燃用生物质CFB锅炉为例，从设计以及运行两方面阐述锅炉设计以及后续优化建议。1锅炉设计1.1锅炉主要设计参数锅炉主要设计参数如表1所示。锅炉设计燃料为果树枝、果木片、树皮及模板家具等。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.T001表1锅炉主要设计参数（BMCR工况）锅炉参数数值主蒸汽流量/(t/h)130主蒸汽温度/℃541主蒸汽压力/MPa13.8再热蒸汽流量/(t/h)102再热蒸汽出口压力/MPa2.839再热蒸汽出口温度/℃541给水温度/℃260.5燃料量/(t/h)36.14炉膛平均温度/℃804注：BMCR为锅炉最大连续蒸发量工况。1.2锅炉结构锅炉整体布置结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F001图1锅炉整体布置结构锅炉为高温超高压、单汽包、自然循环、循环流化床锅炉，露天布置。锅炉采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架结构，主要由一个膜式水冷壁炉膛、两台冷却式旋风分离器、一个尾部竖井和预热器竖井组成。炉膛采用全膜式壁结构，为了保证炉膛具有较高的温度，炉膛水冷壁敷设了较大面积的浇注料，从而减少水冷壁吸热。锅炉采用炉前给料方式，锅炉前墙共设有4台给料装置，给料口正上方布置一层二次风，以压住入炉的燃料，避免给料太快导致燃料飞扬到炉膛上部。炉膛底部由水冷壁管弯制围成水冷风室，在炉膛水冷风室后布置两台床下风道燃烧器。炉膛与尾部竖井之间布置两台气冷式旋风分离器，其下部各布置1台回料器，将分离器分离下来的固体颗粒送回炉膛。尾部烟道从上到下依次布置水冷管束、低温再热器、低温过热器，光管式省煤器。1.3锅炉设计优化（1）水冷受热面设计。水冷蒸发受热面采用炉膛水冷壁加尾部烟道蒸发管束形式，炉膛下部采用敷设耐火材料的水冷壁控制炉膛温度。在锅炉尾部包墙设置水冷蒸发管束，在增加锅炉蒸发受热面的同时，降低锅炉尾部水冷管束出口的烟温，有效避免出现生物质燃料中碱金属引起的尾部受热面高温腐蚀问题。水冷管束的设计采用较大节距，避免生物质燃烧产物黏附在水冷管屏上形成管屏间的积灰搭桥现象发生。（2）炉底布风设计和排渣设计。锅炉布风板采用多向倾斜式结构，布风板整体被设计成多段波浪结构，波浪结构的波谷位置呈漏斗状，在漏斗底部布置排渣管，并且布风板后墙至前墙设计具有一定的倾斜角度，排渣口布置在靠近前墙的位置。布风板结构设计如图2所示。布风板和排渣口的设计确保炉内流化均匀稳定的前提下，能够将入炉生物质燃料中掺杂的大块颗粒物在炉内流化作用下顺利地滑向处于低位的排渣口并排出炉外。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F002图2布风板结构设计（3）过热级受热面设计及汽水系统优化。将设计壁温较高的中温过热器、高温过热器以及高温再热器设计成屏式结构，布置在炉内；低温过热器、低温再热器设计成蛇形管结构，布置在尾部烟道。壁温相对较高的受热面布置在炉膛内，能够通过炉膛内高浓度床料颗粒的冲刷增强其换热，在一定限度上还能够削弱受热面灰沉积带来的高温腐蚀。中温过热器高温段、高温过热器以及高温再热器采用SA-213TP347H，采用该材料能够进一步减少受热面的高温腐蚀现象。在再热器壁温控制方面，在低温再热器入口至高温再热器入口处设置旁路，并且在低温再热器入口和高温再热器入口设置两级喷水减温器，通过采用喷水调温加低温再热器蒸汽旁路的组合调温方式控制再热器温度在合理范围内，该方式既能够保证再热器调温，又能够降低减温水量，提高机组效率。（4）给料口位置与负压控制设计。生物质燃料具有体积大、比重小、热值低的特点，锅炉设计时给料口采用前墙集中布置，共设置4个给料口，避免锅炉给料口太大或给料机选型困难。虽然给料装置不属于锅炉设计范畴，但由于生物质锅炉以螺旋给料居多，从螺旋给料实现克服炉内正压及密封防止烟气反窜的角度出发，锅炉给料口设置一定的向下倾斜角度。为了防止给料系统无法密封导致给料口烟气反窜，并结合生物质易于燃尽的特点，与燃煤流化床锅炉给料口设计相比，本项目将给料口高度提高至布风板以上2.7 m位置处，提高给料口高度有利于降低给料口处的背压，并通过运行将炉膛出口负压控制在-950~-700 Pa，通过设计以及运行控制双重保障将给料口位置处的压力维持在零压点附近，进而从锅炉设计方面避免给料口烟气正压反窜现象。2锅炉运行问题分析及优化建议2.1锅炉运行期间问题分析2.1.1炉内温度水平偏离设计值锅炉燃用燃料1高负荷运行时，炉内温度水平比设计值降低超过100 ℃，锅炉尾部存在明显的后燃情况，造成位于尾部烟道的水冷管束具有超温风险。进行锅炉回料器放灰以及更换燃料2后，锅炉炉内温度水平接近或达到设计参数。锅炉运行期间入炉燃料如图3所示。锅炉设计燃料以及实际入炉燃料工业分析如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F003图3锅炉运行期间入炉燃料10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.T002表2锅炉设计燃料以及实际入炉燃料工业分析项目设计燃料燃料1燃料2全水/%35.0012.6230.60收到基灰分/%15.0028.105.31收到基挥发分/%40.3456.2053.80干燥无灰基挥发分/%80.6894.8083.94收到基固定碳/%9.663.0810.29收到基低位热值/(MJ/kg)10.509.1010.45燃用不同燃料时锅炉主要参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.T003表3燃用不同燃料时锅炉主要参数项目设计值燃料1燃料1*燃料2负荷/MW35.033.034.033.6蒸发量/(t/h)13011010497炉膛平均温度/℃809670779799分离器进口烟温/℃809685789826分离器出口烟温/℃799742725766水冷管束入口烟温/℃760718657689炉膛出口负压/Pa~-800-300-700-530给料口压力/Pa~01 050150-100炉膛上部差压/Pa~8001 400800400排烟温度/℃148140139134注：1*表示燃用燃料1时进行回料器放灰操作。由图3、表2可知，由于燃料1掺杂了较多泥土，导致其入炉燃料灰分高（最高时可达50%）。通过分析燃料中泥土的成分和粒度发现，燃料中泥土的成分和中位径与锅炉循环灰的成分和中位径接近，泥土进入炉膛后产生大量的循环灰，导致炉内温度水平相比设计值大幅降低。炉内温度水平的降低导致生物质燃料在炉膛内无法燃尽，这些燃料经分离器与烟气搅混均匀，进入尾部燃烧，出现后燃现象。为了解决此问题，燃用燃料1时进行锅炉回料器排放循环灰，由于循环灰减少，炉内温度水平具有较大提升（但仍和设计值存在一定差距），能够解决尾部后燃情况。锅炉采用设计燃料或优于设计的燃料时，不进行循环灰排放的锅炉炉内温度水平可以达到设计值，且不会出现后燃情况。2.1.2烟气反窜至给料系统锅炉给料系统为江苏某公司设计供货，炉前给料系统如图4所示。给料系统工作原理如下，燃料经由皮带运输至位于料仓上部的落料口，由位于料仓内的承载螺旋拨匀并分配给给料螺旋，给料螺旋将燃料推至下料管，并经下料管末端的无轴螺旋输送至锅炉给料口。锅炉运行时，给料量由给料螺旋转速控制，无轴螺旋为固定频率运行。系统燃用燃料1并处于高负荷运行期间，出现烟气自炉膛给料口经由无轴螺旋反窜至下料管和给料螺旋现象，甚至达到料仓，给整个锅炉安全运行带来极大危险。烟气反窜至给料螺旋现象如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F004图4炉前给料系统10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F005图5烟气反窜至给料螺旋现象燃煤CFB锅炉炉膛给煤口低，炉内正压大，但给料口不会出现烟气反窜现象，主要原因是燃煤致密度较大、不易形成空隙，依靠煤仓内堆积的煤以及给煤机的密封形成料封克服炉内的正压。燃用生物质燃料的CFB锅炉生物质料仓内堆积过多的燃料，会出现堆积堵塞现象，导致下料不畅，因而料仓不应堆积过多的燃料。由于CFB锅炉无轴螺旋为定速最大出力运行，只能通过给料螺旋控制燃料给料量，由此会造成无轴螺旋内燃料填充度差，易形成较大空隙，在料仓无存料以及给料系统密封性较差的情况下，整个给料系统的背压为大气压力，如果炉内压力为正压，给料系统必然会出现烟气反窜现象。如果通过锅炉炉膛出口抽-950~-700 Pa的负压，将给料口处压力降至零压点附近，不会出现烟气反窜至给料系统现象，但是由于燃料1含土率高，增加了炉内循环灰浓度，进而引起炉膛上部差压（锅炉给料口至炉膛出口段压差）增加。炉膛上部压差过高（超过2 000 Pa）时，通过锅炉出口抽-950~-700 Pa的压力不足以克服该段压差，导致给料口处正压过大，并且给料系统无法形成料封，因而无法避免给料口烟气反窜现象。根据上述分析可知，锅炉炉膛温度水平低和给料口烟气反窜的本质原因是燃料参数偏离设计值，如果燃料含土率过高，所含土质的物理特性（粒度、比重）与锅炉循环灰相似，导致炉内循环物料浓度高，进而引起炉内温度水平低，给料口处的高正压无法依靠炉膛出口抽较低负压至零点。在无法改变燃料的情况下，锅炉只能通过回料器放灰的方法解决上述问题。当锅炉燃料变为接近设计燃料甚至含灰量低于设计值后，上述问题不需要通过回料器放灰就能解决。2.2优化建议针对东方锅炉130 t/h燃用生物质CFB锅炉运行期间出现的问题，从设计和运行角度提出以下优化建议：（1）锅炉设计前期，需对锅炉实际燃料进行反复确认，基于实际燃料设计，因为一旦锅炉设计完成，实际燃料参数偏离设计值会出现一系列的问题。（2）针对含土量率高的生物质燃料，可以不设计运行过程中的床料添加系统，因为燃料含土率达到一定值后，土可以作为循环物料的一部分补充[4]。（3）燃料含土率高时，可以将回料器事故放灰改为设置冷灰器，不但能解决炉内循环物料量过多带来的问题，而且在部分回收循环灰热量的同时保证放灰的安全性。（4）虽然锅炉可以设置冷灰器，并通过回料器放灰的方法解决生物质燃料含土率高带来的问题，但是考虑大量泥土进入锅炉被加热到800 ℃甚至更高温度，设置冷灰器只能回收部分热量，会降低机组的经济性，因而可以在进行经济性比较后，考虑采用燃料前处理设施。（5）给料设备作为生物质CFB锅炉系统的重要组成部分，其稳定性、连续性直接影响锅炉的运行。本项目锅炉给料系统仍具有较多缺陷，针对生物质燃料特性，可以考虑如何从实现密封（如正压给料）、燃料前处理等方面优化给料系统。3结语东方锅炉在其丰富的燃煤CFB锅炉设计经验基础之上，成功设计投运130 t/h的燃用生物质CFB锅炉。设计过程中对水冷受热面、蒸发受热面及汽水系统、炉内布风系统、给料口位置及控制方法等方面进行了有的放矢的优化设计。锅炉在运行过程中出现炉内温度水平低以及给料口正压大烟气反窜的问题，主要由入炉燃料含土率高导致燃料偏离设计值以及给料设备无法实现料封等原因引起。运行过程中通过回料器放灰或更换燃料至接近设计值，锅炉能够达到设计值并稳定运行。对炉内温度水平低以及给料口正压大烟气反窜问题进行分析，提出改正建议。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.022.F006