循环流化床锅炉炉膛布风板漏渣原因分析

循环流化床锅炉炉膛布风板漏渣原因分析

流量浪费和风险箱流量泄漏是循环流量锅炉的一个共同问题。在通常情况下,少量漏渣是不可避免的,对锅炉的正常运行影响不大。但如果出现大量漏渣,需要频繁停机进行风室清渣,则会严重影响锅炉机组的安全与经济运行。某热电厂新建450t/h循环流化床锅炉布风板存在比较严重的漏渣现象,而且漏渣严重与否与运行状况紧密相关,具体表现为:在锅炉冷态试验阶段与锅炉启动点火投床下油枪阶段均没有明显漏料;但在停用床下油枪进入投煤热态运行后漏渣严重,在较短的时间内就在水冷风室中积存大量的炉渣,漏渣的颗粒粒径和组成的分布与排入冷渣器的底渣基本相同,而且,根据观察,漏渣的位置并不完全固定。但是,该炉的4台冷渣器采用同样的风帽结构和相同的开孔率,却完全不发生漏渣。由于该炉布风板漏渣严重,必须频繁停炉进行风室清除,是困扰该机组稳定运行的主要原因之一。根据经验分析,炉膛布风板工作压降偏低应当是造成漏渣的主要原因,解决的主要途径是增大布风板的阻力。但是,对在不同工况下发生漏渣的差别很大的原因尚不清楚,在缺乏合理解释的情况下,单纯增加布风板压降是不合适的。本文根据流化床布风板稳定工作的基本原理,对炉膛布风板在不同的工况下漏渣与不漏渣的原因,同样布风板结构的冷渣器不漏渣的原因,进行了理论分析、计算和讨论。1布风板、炉硫酸钠的开孔率该锅炉炉膛宽14.32m,深6.71m,炉膛内净高度35m,下部锥段净高度为7.447m,前后墙水冷壁与水平面相交角度为83°,下部的流化风速设计为3.7m/s,上部为5.1m/s。炉膛底部由水冷壁弯制围成水冷风室,水冷风室上部水冷壁管间布置定向风帽(也称为7字型风帽),通过螺栓固定在布风板上,并按一定的方向进行排列(图1)。布风板由↣φ82.55mm的大口径内螺纹厚壁管水冷壁加扁钢焊接而成,水冷风室设有较薄的耐火、绝热材料层。炉膛布风板面积约70m2,风帽数量为39×93,定向风帽出口内径25.4mm;厂家提供的设计风帽阻力4900Pa,计算的布风板开孔率2.67%。冷渣器为风水联合冷却,分4个仓室,单个仓室的布风板面积为2.09m2,风帽结构与炉膛布风板相同,布风板开孔率2.7%,略高于炉膛布风板的开孔率。在额定负荷下,设计书提供的预热器出口一次风量258100Nm3/h,二次风量122400Nm3/h。根据本文计算,设计煤种的理论空气量为5.35Nm3/h,按过量空气系数1.2,100%负荷下一次风量占总风量的50%计算的一次风风量为193500Nm3/h,在同等条件下,60%负荷下计算的一次风风量为116000Nm3/h。锅炉冷态试验时的风温为52℃,投入床下点火油枪时,风温为800℃左右,停用床下点火油枪热态运行时热风温度为188℃。2布风板工作压降偏低、不稳定问题分析布风板的特性与流态化的质量密切相关,其设计是否合理是流化操作成败的关键因素之一。流化床锅炉的布风装置必须具有均匀分布来流气流、有助于产生均匀而平稳的流态化和阻力损失比较合理。由布风板的设计原理可知:布风板的设计压降应大于分布气体临界压降及稳定性临界压降中数值较大的一个。分布气体临界压降与来流分配的均匀度有关,根据对该锅炉风室内流体静压分布的详细检测,风室内流体静压分布均匀,风室设计合理,可以排除来流会出现较大不均匀的可能性。因此,布风板的工作压降足以满足分布气体临界压降的要求。当布风板的工作压降偏低且不满足稳定性压降时,流化床会运行在不稳定状态。如图2所示,对低阻力的布风板,在某一操作气速下,可能出现3个不同的工作点,导致床层中某些部位的气体以u2通过,即气流通过气泡相发生短路(沟流),而有些部位的气体以u1通过(死床),总压降仍表现为ΔΡ。其原因显然是由于布风板产生的压降在总压降中所占的比例太小。对高阻力布风板,只存在唯一的稳定工作点,任何偏离工作点的扰动都将自动回复。当流化床工作在不稳定状态时,接近布风板的颗粒浓相区在流化床与固定床两个状态下随机变换,部分风帽在工作状态与非工作状态之间变换,导致颗粒的扰动或脉动,极易发生漏料,但由于整体仍处于流化,并不会造成结渣。同时,阻力较低的布风板,其气体出布风板风帽气流速度也会偏低(局部),不足以托住床料颗粒,也易形成局部漏料。因此,此时布风板的工作压降小于满足稳定性所要求的压降。3床层密度d/l对稳定性临界压降值的影响布风板稳定性临界压降的数值与流化床的床径/床高的比值D/L密切相关,即,床层面积不变时,稳定性临界压降随床层高度的变化而变化;而对床层高度等因素相同的2个流化床,如果床层面积不同,稳定性临界压降也不同,因此,在流化床的运行中,稳定性临界压降并不维持在一个固定的数值。稳定性临界压降通常用布风板压降与床层压降的比值来表示,即关于床径与床层高度之比D/L对布风板的稳定性的影响,尚缺乏理论分析结果,但根据大量实验数据结果已经整理出稳定性临界压降比Rsc与流化床径/高比D/L之间的经验关系式(2)。该式反映了布风板稳定性临界压降的一般规律,但在数量上可能不完全代表该类型的布风板,对应的曲线见图3所示。可见,在床径/高比小于10的范围内,稳定性临界压降比Rsc随D/L的增加而增加,在床径/高比大于10时,稳定性临界压降比Rsc基本维持不变。根据流化床的当量直径与当时的床层高度,由式(2)可求出稳定性临界压降比Rsc,再由下式(3)计算出床层压降:式中Lmf——床层在初始流化状态下的高度(或厚度)εmf——床层在初始流化状态下的空隙率ρs——床料颗粒的密度ρf——经布风板送入床层的气体的密度进而求出对应该流化床布风板运行工况下的稳定性临界压降ΔpD,能够稳定操作的流化床布风板压降必须在其所有运行工况下均大于以上计算得到的稳定性临界压降值。在某一运行工况下,如果布风板的实际工作压降低于布风板的稳定性临界压降,将出现不稳定状态,从而会导致漏料,而在布风板的实际工作压降高于布风板的稳定性临界压降其它运行工况下,将稳定工作。4冷渣器布风板与炉硫装置的配合性该循环流化床锅炉炉膛流化床布风板的当量床径为9.45m,床层高度在0.8~1.3m之间(启动阶段为低值,较高负荷时为高值),因此,床径/高比为11.8~7.26(较高负荷时对应为低值)。冷渣器布风板的当量床径为1.63m,较炉膛布风板面积小得多,床层高度在0.8~1.5m之间,床径/高比为2.0~1.1,也小得多。因此,在与炉膛布风板相同的布风板结构、相同床料与床层厚度下,冷渣器布风板稳定性临界压降比小,稳定性临界压力的数值也小。因此,布风板更容易稳定工作。炉膛布风板的稳定性临界压力的数值大,因此在布风板工作压降相同时,炉膛布风板可能不容易保持稳定工作。5初始流化温度对床层阻力特性的影响图4与图5分别为根据运行参数计算的炉膛布风板与冷渣器布风板的稳定性临界压降随各自床层高度变化的规律。流化气体的温度仅影响到式(3)中的气体密度,对稳定性临界压降的影响很小,也认为初始流化下的床层空隙率随温度基本不变。图6为该炉膛布风板空床阻力特性曲线,其中的冷态(52℃)为现场实际测量得到的曲线,而180℃的曲线为在此基础上换算得到的。图7为该炉冷渣器布风板空床阻力特性曲线,其中的52℃为现场实际测量得到的曲线,其余各温度下的曲线为换算得到的。6流化床在实际床下和炉内是否发生漏渣的问题(1)由图4与图6可知:在流化气体温度为52℃的冷态试验条件下,炉膛床层高度较低,仅为0.7m左右,稳定性临界压降值约为1.2kPa,额定负荷风量时的布风板实际压降至少为1.5kPa,高于稳定性临界压降值,布风板工作稳定,所以,漏渣的可能性较小。在投用床下油枪的工况下,流化气体温度达到800℃以上,布风板的实际压降(未绘出)远大于流化气体180℃时的压降,因此也远高于稳定性临界压降值,所以不可能出现漏渣。在停用床下油枪后,流化气体温度为180℃左右,床层高度提高到1.3m左右,稳定性临界压降值约为2.2kPa,额定负荷风量时的布风板实际压降也约为2.2kPa,很接近稳定性临界压降值。在较低负荷时,布风板的实际压降会进一步降低,出口风速也降低,如果仍维持较大的床层厚度,可能会低于稳定性临界压降的运行工况,因此更增加了发生漏渣的可能性。(2)布风板下风温变化对风帽小孔出口速度有明显的影响,采用气流携带颗粒的临界直径计算方法,可近似计算出在相同质量流量时,不同温度气流携带的临界颗粒粒径。计算表明:当温度为200℃时,在60%负荷下,携带的临界直径为6mm;在800℃时,携带的临界直径为14mm:在30℃时,携带的临界直径为4mm。如果考虑部分风帽出口流速不均匀,部分区域的风帽出口风速明显偏低,出现漏渣的可能性也是存在的。另外,锅炉运行一次风运行风量偏低也是一个原因。(3)由图5与图7可知:冷渣器流化床的稳定性临界压降值大大低于炉内流化床的稳定性临界压降值。所以,在维持接近的布风板压降的条件下,冷渣器流化床更不容易出现漏料,这与实际中冷渣器基本不发生漏渣的情况是一致的。这也说明,将小尺寸流化床上得到的布风板稳定运行压降的数据应用到大尺寸流化床时需要考虑床径/高比值对稳定性临界压降的影响。7布风板实际压降问题布风板工作在不稳定状态下时,即使可以维持流化,也会由于床层状态的随机变化而出现漏渣。布风板的稳定性临界压降数值与床径/高度的比值密切相关,布风板的实际压降与流化气体的温度有关。在冷态试验工况下,炉膛床层高度较低,布风板实际压降高于稳定性临界压降值,工作稳定,漏渣的可能性很小。在床下油枪点火阶段,布风板的实际压降远高于稳定性临界压降值,也不可能发生漏渣。在锅炉投煤带负荷运行时,床层高度提高,