35th低热值循环流化床工业锅炉布置方案分析及初步设计.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）35t/h低热值循环流化床工业锅炉布置方案分析及初步设计学 生：李建波学 号：20073861指导老师：卢啸风 教 授专业：热能与动力工程重庆大学动力工程学院二o一一年六月graduation design(thesis) of chongqing universitythe analysis of arrangement scheme and preliminary design of 35t/h low-calorie coal-fired industrial cfb boilerundergraduate： jianbo lisupervisor: prof. xiaofeng lumajor: thermal energy andpower engineeringcollege of thermal energy and power engineering chongqing universityjune 2011 摘 要随着我国煤炭形势逐渐紧张和国家排放法规的日益严格，像煤矸石这样的劣质燃料的燃烧技术越来越受到限制，燃料范围广泛且高效环保的循环流化床工业锅炉成为工业锅炉的主要发展方向。目前国内循环流化床工业锅炉的燃料大都在12mj/kg 以上，对低于12mj/kg的劣质燃料研究涉及较少。煤质下降带来发热量减少、灰分增多，引起燃烧效率降低、埋管磨损严重、锅炉燃烧不稳定等一系列问题。针对这些问题，重庆大学燃烧环保研究室提出了带有炉膛隔墙的循环流化床燃烧专利技术。作者在导师的指导下，完成了锅炉的物料平衡计算、热平衡计算；在此基础上提出了35t/h低热值循环流化床工业锅炉的原则性设计方案；对原则性设计方案的不同量化参数进行分析对比，提出其优选方案；利用所在研究室的计算程序，再对优选方案进行热力计算；最后根据计算结果，拟出了其具体结构设计方案，并用cad绘出锅炉总图和汽水管路图等锅炉布置图。主要研究计算表明：1） 随着灰分的增多，炉膛密相区温度降低。 当灰分增大到68%时，循环流化床密相区温度低于850，不足以维持煤的正常稳定燃烧。2） 在炉膛密相区加入隔墙，密相区一侧给煤，另一侧循环灰返回炉膛，成功的解决了劣质煤的燃烧问题，可以燃烧发热量在12mj/kg 4mj/kg的劣质煤。3） 经过初步方案设计和具体的热力计算，我们确定了35t/h的循环流化床工业锅炉设计方案。在该方案中，发热量为5mj/kg的煤矸石可以得到很好燃烧。证明了带有炉膛隔墙的循环流化床燃烧技术在低热值燃料利用方面有很好的工业应用前景。关键词： 工业锅炉,循环流化床,劣质燃料,锅炉设计重庆大学本科学生毕业设计（论文） abstractabstractwith the increasingly intensity of coal utilization and the increasingly strictness of emission regulations in china, the utilization of low-calorie fossil fuels such as coal gangue is more and more confined .with extensive fuel range、high efficiency and low gas emission ,cfb boiler will inevitably become the main development direction of industrial boiler. due to the current domestic industrial cfb boilers fuel mostly above 12mj / kg, the research of poor quality fuels less than 12mjkg involves less. with coal quality declines, less heat and more ash it generates, which lead to low combustion efficiency,serious pipe wear and combustion instability.against these problems, our laboratory puts forward a new technology which is used to combust poor-quality coal，the main difference is the circulating fluidized bed boiler has a partition in the lower furnace. the author completes the computation of material balance and thermal balance with the supervision of his tutor. based on this a design of 35t/h low-calorie coal-fired industrial cfb boiler is put forward .through the design principle of the analysis and comparison of different quantitative parameters, we propose the optimal scheme. then the author goes on thermodynamic calculation with the software in the laboratory. according to the results, the author designs the specific structural design and draw up the boiler with the cad software. the main calculations show that:1) with increases in ashes, the temperature of lower furnace declines. when ash content exceeds 68%,the temperature of lower furnace is below 850,thus is unable to sustain stable combustion in the lower part.2) in dense phase area joins furnace partition, one side to give coal and another side to give circulation ash, thus successfully solves the problem of poor-quality coal combustion. it is available to burn such poor-quality coals those their heat value range from 12mj to 4mj per kilogram.3) after thermodynamic calculation and design scheme， the scheme of 35t/h industrial circulating fluidized bed boiler is put forward. in the scheme the coal gangue of 5mj/kg calorific value has a good combustion state.key words： industrial boiler, circulating fluidized bed, poor-quality coal，boiler design重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要iabstractii1 引 言11.1我国能源环境现状11.2我国劣质煤利用现状11.3循环流化床燃烧技术22 国内外劣质煤燃烧技术12.1国内循环流化床工业锅炉现状12.1.1传统方式布置的循环流化床锅炉12.1.2两级分离式循环流化床锅炉12.1.3卧式旋风筒循环流化床锅炉52.1.4前置分离器循环流化床锅炉52.1.6下排气旋风分离器循环流化床锅炉62.1.7返料换热型循环流化床工业锅炉72.2国外循环流化床工业锅炉发展现状82.3循环流化床工业锅炉存在的主要问题82.4 新型低热值循环流化床燃烧技术及作者所做的研究工作93低热值循环流化床工业锅炉方案设计论证103.1低热值循环流化床工业锅炉原则性方案103.2锅炉热平衡103.2.1锅炉热平衡与热损失103.2.2 锅炉热效率与热平衡113.2.3锅炉热平衡计算113.2.4计算结果与分析143.3锅炉物料平衡153.3.1循环流化床物料平衡153.3.2循环倍率与循环灰量163.3.3密相区物料平衡163.4炉膛密相区温度的影响因素163.4.1密相区温度的确定173.4.2不同灰分对炉膛密相区温度的影响193.4.3不同外置床面积对炉膛密相区温度的影响203.4.4不同循环倍率对炉膛密相区温度的影响223.4.5不同燃烧份额对炉膛密相区温度的影响233.4.6不同燃烧份额和循环倍率对炉膛密相区温度的影响233.4.7不同外置床面积和循环倍率对炉膛密相区温度的影响253.5结果与分析264 优化方案设计计算284.1量化参数选择284.2锅炉系统设计284.3热力计算304.3.1锅炉主要结构参数304.3.2热力计算过程314.4锅炉总图及其它布置图445 结论及展望45致 谢46参考文献47附 录48重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 引言重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 引 言1 引 言1.1我国能源环境现状能源作为人类社会生活和发展的物质基础，在世界各个国家都得到了极大的重视。在过去的 20 世纪中, 人类使用的能源主要有四种：原油、天然气、煤炭和电力。我国的能源结构体系中，煤炭消耗所占的比例在总的能源消费中占70%左右，并且有增大的趋势12。日前日本地震导致的福岛核电站泄漏，再一次凸显了核能电站安全运行问题。国务院总理温家宝指出，叫停正在审批的核电站项目，全力对核电进行安全检查，重新设置防震等级；欧盟一些国家也重新考虑核电运行的危险性，减缓核电发展的进程；德国更是发表声明说，在2022年之前关闭国内所有核电项目。最近长江中下游的干旱问题严重，三峡大坝日均下泄流量加大到两千立方米每秒，以缓解中下游抗旱用水、城乡供水等压力3，水电受天气的变化稳定性太差。因此，尽管我国能源结构有一定的不合理性，但在很长一段时期内，其它能源如核能、水能、可再生能源并不能担当重任，成为我国电力供应的主体，以燃煤为主的能源结构不会发生变化。 煤炭作为我国能源结构的主题，在发电、动力、化工等工业和生活中起着重大的作用，同时没得燃烧也引起了一系列环境问题。无论是煤炭的开采过程，还是输运、燃烧过程，都会造成很大的环境污染。煤炭开采运输，产生的煤矸石，煤泥等固体废物堆积堵塞河道、造成水土流失；燃煤过程中产生的、和更是温室效应和酸雨的罪魁祸首。随着人类对环境的重视，各种排放物和污染物的排放要求也越来越严格。一方面我国对电量的需求逐渐增大；另一方面我国煤炭的不断开采，煤炭质量降低，劣质煤所占的比重必然上升。随着我国节能减排的实施和社会可持续发展的进程，国家更严格的要求降低能耗、提高效率，对我国工业锅炉燃烧技术提出了新的挑战。1.2我国劣质煤利用现状煤矸石是煤炭开采及利用过程中产生的固体废弃物之一，是我国劣质煤的主体。在煤炭生产和洗选过程中会产生10%15%的煤矸石等固体废弃物。我国煤矸石和岩石的年排放量大约在113亿t 以上 , 截至2008年底 , 全国矸石累计堆存量35亿t , 占地约114万h4。由此带来一系列环境问题： 煤矸石山溢流水使地下水呈现高矿化度、高硬度，导致土壤盐碱化，使农作物减产甚至绝收；煤矸石随意堆放还造成河道堵塞、土地沙化和大面积水土流失；煤矸石自燃产生的一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体，已经成为大气污染的主要元凶5。如果能使煤矸石“变废为宝”加以利用，则它具有的经济效益和环保效益非常可观。劣质煤水分高、灰分大、发热量低、挥发分低，整体来说利用起来比较困难。燃用劣质煤造成炉膛燃烧温度低、燃烧不稳定、受热面磨损泄露严重、飞灰含碳量高及锅炉热效率低等一系列问题，严重影响着工业锅炉的安全性和经济性。随着我国对煤炭长期开采，劣质煤越来越多，无论从环境保护还是节能减排的角度讲，像煤矸石这样的劣质煤的应该得到合理的综合的利用。煤矸石发电技术即是一种综合利用煤矸石中很好的方法之一。发电产生的粉煤灰制成砖，取代加固井下煤矿巷道的石料，避免了开山凿石对环境的破坏。从地下挖出来的煤矸石利用后又回到了地下，做到了物尽其用。据不完全统计 , 2004年，全国煤矸石综合利用电厂年盈利在4亿元以上 , 绝大部分 (90 %以上) 的煤矸石综合利用电厂经济效益较好6。在煤矸石发电技术中，目前主要利用的是发热量在5mj/kg以上的煤矸石，但还有大量发热量在4mj/kg以下的煤矸石还未得到有效的综合利用。目前煤粉炉和链条炉在工业锅炉中占很大比重，但随着国家排放法规的严格，这些锅炉已经不能满足国家对节能环保的要求。循环流化床以其高效环保的优势可以很好的满足这些要求，使之成为煤矸石发电技术中的越来越有前途的燃烧技术。1.3循环流化床燃烧技术 循环流化床燃烧技术是一种新型高效低污染的清洁燃烧技术,具有燃烧效率高、低温燃烧稳定、煤种适应性强、浓度低等优点。在劣质煤利用方面具有较大优势。若直接向炉膛内加入石灰石，可实现炉内脱硫,脱硫率可达90 %以上，对不同煤种燃烧效率可达97%99%，锅炉热效率高于煤粉炉，比鼓泡型流化床高5 %15 %7。与煤粉锅炉、链条炉相比循环流化床锅炉有以下的优点：1. 燃料适应性广。循环流化床炉内存在大量灰粒的稳定循环，热容量大，加入锅炉的燃料占床料分量很少；同时燃料在循环流化床中呈流态化燃烧，炉内质量和热量交换十分充分，为新加入燃料的预热、着火创造了非常有利的条件。未燃尽的颗粒经过分离器分离下来，在炉内多次循环燃烧增加了颗粒在炉内的停留时间，进行多次剧烈的质量和热量交换。因此，除了燃用较好的煤种，它还可以燃烧煤矸石、煤泥、生活垃圾等发热量比较低的劣质燃料，对于我国能源的综合利用和城市垃圾处理具有显著地社会效益和经济效益。2. 燃烧效率高。颗粒经过在炉膛多次循环燃烧，其灰渣含碳量和飞灰含碳量可降到1%10%以下，同时利用冷渣器充分回收利用灰渣中的热量，使循环流化床燃烧损失少，具有很高的燃烧效率。3. 污染低。循环流化床的温度通常控制在850900之间。在这个温度范围内，空气中的氮气一般不会转化为氮氧化物；另外炉内分段燃烧，抑制了燃料中的氮转化为氮氧化物，炉内还原性气氛还可以还原炉内的氮氧化物。向炉内添加石灰石，石灰石在炉内反复循环，能够方便高效地实现炉内脱硫脱硝，减少了有害气体的排放。4. 负荷调节范围广，可用于调峰运行。循环流化床锅炉内存在大量的高温循环灰，炉内热容量大，即使在30%的负荷下也可以稳定燃烧，不会造成低负荷熄火的情况；炉内颗粒的环核结构使炉内呈现一个均匀的温度分布，当负荷变化时，温度保持相对稳定，变化不大。因此，它具有良好的负荷调节能力，可以调节30%120%负荷的变化。5. 经济性好。循环流化床锅炉燃烧温度较低，炉内颗粒燃烧时间长，灰渣含碳量较低。灰渣能够综合利用，可以作为水泥添加剂和轻质建筑材料，也能够很好的对稀有金属进行提取。无论是建造新电站还是改造旧电站，循环流化床锅炉在环境方面和能源利用效率方面都有着很大的优势，因此循环流化床锅炉的利用得到了很大的发展。在工业锅炉方面，循环流化床锅炉以其燃料范围广的优势可以很好的、高效的将煤矸石燃烧。因此，在能源紧张和排放法规严格的今天，循环流化床得到了越来越广泛的利用和空前的发展。53重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 国内外劣质煤燃烧技术2 国内外劣质煤燃烧技术2.1国内循环流化床工业锅炉现状虽然循环流化床锅炉具有很多优越于煤粉锅炉的特点，但在我国，循环流化床的发展更倾向于大型化而忽略了工业锅炉的发展，因此目前我国循环流化床工业锅炉在工业锅炉中所占的比重并不是很大。我国燃煤工业锅炉设计效率一般在72%80%，但实际运行热效率大多在60%65%8。随着国家排放法规的提高，煤粉锅已经不能完成减排任务，循环流化床锅炉所具有的优点则能够很好的满足国家排放标准，符合了我国工业锅炉的发展需求。因此循环流化床锅炉得到了良好的发展，国内研究机构和设计院也开发出了一些好的炉型。在国内使用数量较多的炉型主要有以下几种911。图2.1 35t/h循环流化床锅炉2.1.1传统方式布置的循环流化床锅炉图2.1为35t/h的中温中压循环流化床锅炉，该锅炉额定蒸汽压力为3.82mpa，额定蒸汽温度450。该循环流化床工业锅炉采用传统的布置方式：单汽包、炉内布置膜式水冷壁。为了稳定炉膛密相区床温，密相区布置有埋管受热面。炉膛后墙为高温绝热旋风分离器，尾部烟道依次布置过热器、再热器、省煤器等受热面。高温旋风分离器分离效率较高，但体积较大，占地面积较大。该类型锅炉埋管受热面布置在炉膛密相区，因此埋管会产生严重磨损。图2.2 两级分离式循环流化床锅炉2.1.2两级分离式循环流化床锅炉图2.1为两级分离式循环流化床。该炉型采用两级分离器结构，第一级高温分离器为槽型分离器，分离下来的粗灰经流化密封送灰器返回床内循环燃烧。第二级分离器为低温上排气旋风子分离器，分离下来的细灰经流化密封送灰器返回床内循环燃烧。锅炉主要特点有：落灰腔槽型分离器与低温旋风分离器串联布置，在一定程度上提高了分离效率，降低了飞灰含碳量；两级分离式循环流化床锅炉结构简单，投资少，占地面积小。第一级分离器为惯性分离，分离效率低、飞灰量大，过热器磨损严重；第二级分离器为中温分离，返料温度低，如果燃用灰分高的劣质煤，循环灰量大，造成炉膛温度偏低、燃烧不稳定，熄火等问题；同时飞灰含碳量相对较高，锅炉效率相对偏低。2.1.3卧式旋风筒循环流化床锅炉下图2.3为卧式旋风筒循环流化床锅炉。锅炉的主要特点有：卧式水冷旋风分离器与锅炉本体整装，密相区内设有埋管。该锅炉主要优点是锅炉结构紧凑、投资少、利于小型化，适合蒸发量小于20t/h的工业锅炉。在煤质变差、入炉煤粒较大时，卧式分离器回料部位易造成堵塞，影响锅炉的正常运行。同样该锅炉也存在着埋管磨损的问题。2.1.4前置分离器循环流化床锅炉1-风箱2-燃烧室3-旋风分离器4-送灰器 5-对流管束6-省煤器图2.410t/h循环流化床锅炉图2.4为低参数10t/h的前置分离器循环流化床锅炉。该炉型采用全膜式水冷壁结构，炉膛密相区不布置埋管受热面，锅炉布风板焊接在膜式水冷壁上。该种炉型最主要的特点是高温旋风分离器布置在燃烧室前面，汽水系统简单，结构紧凑，锅炉投资成本较低。1-主旋风燃烧室2-燃烧室出口 3-燃烧室图2.3卧式旋风筒循环流化床锅炉2.1.5循环双流化床锅炉图2.5 循环双流化床锅炉结构示意图图2.5为型号dg20-1.25的双循环流化床锅炉结构简图，其典型特点是在主床后部加装了副床用来烧灰。该循环流化床主床内没有布置埋管。螺旋给煤机正压给煤，配播煤风。主床面积小，锅炉容易点火启动，燃料品种不受限制，在同一台锅炉中可以烧发热量为8mj/kg26mj/kg的煤种。炉内流化速度高、负荷调节范围广，调节比例可达到1：0.3。1-风箱2-浓相床 3-埋管受热面 4-稀相床 5-高温过热器 6-低温过热器7-下排气旋风分离器 8-省煤器9-空气预热器 10-送灰器图2.6下排气旋风分离器循环流化床锅炉副床布置于悬浮室之后、燃尽室的下面用来烧灰。副床流化速度很低，床内设有埋管。这种设计减轻了埋管磨损，但主床无埋管受热面，床料不能得到有效补充。主床温度和床压控制比较困难，主床出口烟温控制主要通过采用较大的过剩空气系数；副床上部空间较大，锅炉制造成本增大；副床流化风直接经分离器进入尾部烟道，排烟损失增大；返料灰只进入副床，无法调节主床温度。2.1.6下排气旋风分离器循环流化床锅炉图2.6为中参数下排气旋风分离器循环流化床锅炉。它是一种两级分离器式循环流化床锅炉，一级布置在炉膛出口，采用槽型分离器，另一级布置在省煤器前，采用下排气式旋风分离器。锅炉的主要特点有：采用下排气中温旋风分离器；密相区布置埋管受热面；炉膛采用光管水冷壁等。锅炉的主要优点是采用两级分离，分离效率高；锅炉 “”型布置、结构紧凑；下排气旋风分离器对细颗粒夹带严重，对细颗粒分离效率稍低，使得锅炉效率降低；炉膛密相区布置埋管受热面，同样存在着受热面磨损的问题。2.1.7返料换热型循环流化床工业锅炉图2.7返料换热型循环流化床锅炉返料换热型循环流化床工业锅炉是重庆大学锅炉燃烧环保研究室独自设计的一种带外置式返料换热器的新型循环流化床工业锅炉。其设计思路为12：在炉膛内维持快速流化床状态，应用高效旋风分离器将未燃尽高温细煤粒收集下来，送入一个低速流化的颗粒换热器中；通过在颗粒换热器中布置埋管受热面，保证了低压锅炉对蒸发吸热的要求。高温颗粒在换热器中燃烧换热后，流回炉膛，维持炉膛出口烟温。该思路来源就是利用大型循环流化床锅炉的外置式换热器技术，将换热器布置在中小型循环流化床工业锅炉上，解决了受热面布置不均、受热面磨损严重的文问题，降低了锅炉高度，较少了锅炉投资成本。其结构图2.71213如下：运行时，煤由煤斗经螺旋给煤机送入流化着的炽热料层中，由于床料粒子间的混合和热交换非常强烈，因而新鲜燃料一进入就被迅速烘干、预热、着火燃烧。燃烧产生的高温烟气经上、下炉膛、炉膛出口进入高温旋风分离器。大部分烟气被分离器排入对流烟道，经对流管束、省煤器、除尘器、引风机、烟囱排入大气。煤粒灰渣及微量烟气经分离器进入回料管由外置床再回送到炉膛形成循环燃烧。锅炉用水经水处理设备净化后进入水池、水泵、铸铁省煤器、钢管省煤器、上汽包、下汽包、下降管、埋管、上升管、导汽管、上汽包、产生的汽水混合物经汽水分离器分离后、蒸汽送至生产车间。每一种锅炉都有其一定的优点和缺点，总的来讲，循环流化床锅炉以热容量大、易点火等优点在工业锅炉中得到了很好的应用。从燃烧的燃料上来讲，以上各种炉型适用于发热量大于10mj/kg的煤种，对于高灰分、低热值的燃料，以上炉型将它很好的燃烧还有一定的困难和不足。2.2国外循环流化床工业锅炉发展现状国外的工业锅炉以燃油燃气锅炉为主，少量的燃煤工业锅炉使用的煤种质量较好，中小型循环流化床工业锅炉相对于燃煤工业锅炉没有突出的优势，循环流化床工业锅炉发展较少。由于循环流化床燃煤技术对煤在炉内的停留时间有一定要求，一般要求停留时间至少达到4.5秒，因此要求循环流化床锅炉炉膛有一定的高度。但是高度越高，锅炉成本越大，因此，国外很少有蒸发量小于35t/h的燃煤锅炉采用循环流化床燃烧技术。也有一些循环流化床工业锅炉取得公众认可，具有代表性的就是美国华盛顿电力工程1997 年投运的4 万千瓦烧煤矸石的循环流化床锅炉。2.3循环流化床工业锅炉存在的主要问题在循环流化床工业锅炉的发展过程中，国内研究人员都在努力改进不同炉型存在的缺陷，同时也不断地开发和研究新的炉型。我国循环流化床燃烧技术起步较晚、发展时间太短，人们还没有熟悉的了解它的特性，在设计、制造等方面还有很多不完善之处。综合现在国内外循环流化床工业锅炉在运行中出现的问题，主要体现在以下几个方面1415：劣质煤燃烧不稳定。当循环流化床工业锅炉燃用劣质煤时，灰分含量大、密相区温度往往偏低。当密相区温度低于850时，炉膛不足以维持煤的燃烧而很容易造成熄火。炉内燃烧时间不足。工业锅炉的体积较小，炉膛高度不够，颗粒在炉内停留时间短未完全燃烧损失大。 飞灰含碳量高。在运行的循环流化床工业锅炉中，由于分离器分离效率不高、煤的制备系统不完善等因素，烟气的飞灰含碳量偏高。热面磨损严重。烟气中飞灰浓度很高，很容易造成炉膛蒸发受热面的磨损。 如果分离器分离效率不高，还会对对流受热面、省煤器、空预器等尾部受热面造成严重磨损。炉膛出口过剩空气系数过大。在运行过程中，循环流化床工业锅炉因蒸发吸热面经常磨损，水冷壁吸热量减少，导致炉膛温度偏高，炉膛结焦。一般炉内的温度通过增大风量来控制，这就使得炉膛出口的过量空气系数偏大，燃烧产生的排烟损失增加。相对于组装链条炉,循环流化床锅炉建投资较大。循环流化床锅炉厂房需要双层布置, 而组装链条炉一般只需单层布置。 除尘设备投资较高。循环流化床锅炉炉膛出口烟气飞灰浓度远高于链条炉,所配除尘设备要求比链条炉更高。因此，对于致力于循环流化床燃烧技术研究的人员来说，需要解决的问题还很多。2.4 新型低热值循环流化床燃烧技术及作者所做的研究工作从燃烧的燃料来看，无论国内还是国外的循环流化床工业锅炉，都能够很好的燃烧发热量大于12mj/kg的煤种。因此，各厂家和研究机构对12mj/kg以上的燃料研究较多，而对12mj/kg以下的劣质燃料研究较少。随着我国用煤紧张，越来越多的劣质煤需要得到利用，因此对发热量在12mj/kg以下的劣质煤研究越来越紧迫。循环流化床炉内锅炉的热容量大，循环灰分量相当大，给煤只占其中很少分量。当循环灰返回炉膛时，不但能够再次燃烧，更重要的还是可以调节密相区的温度。随着燃料发热量的降低，燃料在密相区产生的热量减少，煤燃烧产生的热量有可能仅仅维持自己的燃烧而不能将循环灰加热到850以上。如果炉膛密相区温度低于850，就会造成炉内燃烧不稳定、甚至熄火的问题。针对还没有充分解决的低热值燃料燃烧稳定性问题，重庆大学燃烧环保研究室提出了一种带有炉膛隔墙的新型循环流化床燃烧技术。该燃烧技术通过在炉膛密相区加入隔墙成功的解决了煤矸石不能燃烧或者燃烧不稳定的问题。无论从创新性还是从工业应用上来讲，作者所做的工作是非常必要的。作者完成了本课题所做的工作主要包括：1）锅炉热平衡计算，分析循环流化床锅炉燃烧低热值燃料时，需要解决主要问题，并提出原则性设计方案；2）对原则性设计方案的不同量化参数，进行分析对比，探讨论证循环流化床锅炉燃烧5mj/kg12mj/kg的燃料是否可行并提出优选方案；3) 提出35t/h低热值循环流化床工业锅炉布置方案并利用所在研究室开发出的计算程序对其进行热力计算，根据计算结果，优化其结构设计方案。4) 根据优化后的设计方案，采用autocad软件完成主要图纸的绘制工作。主要图纸包括：锅炉总图、汽水管路图、布风板、外置床等图纸。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 低热值循环流化床工业锅炉方案设计论证3 低热值循环流化床工业锅炉方案设计论证3.1低热值循环流化床工业锅炉原则性方案图3.1带隔墙循环流化床示意图循环流化床工业锅炉燃烧低热值燃料时，由于燃料发热量较低，燃料在密相区产生的热量会很少，甚至还有可能发生产生的热量仅仅能够维持自己的燃烧而不能加热循环灰的问题。当大量的循环灰返入炉膛时，煤燃烧产生的热量有可能不能将循环灰加热到850以上。如果炉膛密相区温度低于850，就会造成炉内燃烧不稳定、甚至熄火的问题。低热值循环流化床工业锅炉面临的第一个问题就是如何保证炉内稳定燃烧的问题。低热值煤矸石循环流化床锅炉面临的第二个问题，就是燃煤灰分高，排渣量大，从而带来极大的灰渣物理热损失问题。针对低热值燃料燃烧稳定性问题，在返料换热型循环流化床工业锅炉上，重庆大学燃烧环保研究室提出了一种带有炉膛隔墙的新型循环流化床燃烧技术。该燃烧技术其核心思路为：在炉膛密相区加入隔墙，隔墙一侧给煤，使煤在该侧进行燃烧；换热后的循环灰从隔墙另一侧进入密相区。这样煤燃烧后再混合进入稀相区，成功的解决了密相区温度过低、不能维持稳定燃烧的问题。原理示意图见图3.1。低热值循环流化床锅炉设计时，首先要考虑炉膛的热量平衡问题，以确保炉内达到着火温度；其次要考虑物料平衡问题，通过组织炉内床料的有效流动，确保锅炉炉膛的热量平衡与物料平衡。在热量平衡和物料平衡的基础上，我们才能进一步研究炉膛温度的影响因素。通过热量平衡和物料平衡，我们不但可以解决低热值燃料燃烧效率低的问题，更可以解决其燃烧不稳定、磨损等的问题。3.2锅炉热平衡3.2.1锅炉热平衡与热损失 在对循环流化床锅炉进行设计时，首先需要熟悉的就是锅炉热平衡。锅炉热平衡是指在稳态运行状态下，锅炉输入热量与输出热量及各项损失。由它可以确定锅炉有效利用热量、各项热损失、锅炉热效率及燃料消耗量，以检查锅炉的设计质量和运行水平，并由此分析造成热损失的主要原因，做到及时改进，提高锅炉效率。锅炉的热平衡方程式16为：. .(3.1) 式中 锅炉输入热量； 锅炉有效利用的热量； 排烟热损失； 可燃气体不完全燃烧热损失； 固体不完全燃烧热损失； 锅炉散热损失； 其它热损失。式（1）两边同时除以，即得到锅炉热平衡方程的百分比表达式： .(3.2)3.2.2 锅炉热效率与热平衡锅炉热效率为锅炉有效利用热与锅炉输入热量之比。测定锅炉效率的方法有两种：正平衡法与反平衡法。正平衡法就是直接测量锅炉输入热量和输出热量，按下式就算锅炉热效率： (3.3)反平衡法就是先确定各项热损失和锅炉输入热量，再按下式计算锅炉热效率：(3.4)在设计锅炉或热效率试验时，常用反平衡法，即求得各项损失之后，再求得锅炉热效率。3.2.3锅炉热平衡计算作者以5mj/kg煤矸石为研究对象，按照工业锅炉设计计算方法17对其进行热平衡计算，燃料特性见3.1，锅炉规范见表3.2，主要数据计算结果见表3.3。表3.1 煤的成分名称chonsa含量13.330.560.540.230.100.8984.357.9850005018.273表3.2锅炉规范项 目数 值蒸汽流量/th-135饱和蒸汽压力/mpa2.45蒸汽温度/225蒸汽焓/ 2801.00排烟温度/155锅筒饱和水压力/mpa2.45锅筒压力下的饱和水温225锅炉饱和水焓/966.85锅炉饱和水压力的汽化潜热/1834.15锅炉饱和压力下的蒸汽焓/2801.00给水温度/105给水焓/426表3.3 锅炉热效率及燃料消耗量计算序号名称符号单位来源或计算公式数值1煤的比热容kj/(kg)0.952热空气温度尽量提高空气温度，以提高炉温372.193按全部空气通过空预器的热空气焓kj/kg查空气焓温表649.874热空气带入炉内热量（一次风）kj/kg通过烟气焓温表计算372.035煤的输入热量kj/kg5018.986排烟温度等于空预器出口烟气温度+低温省煤器温降xxx146.007低温省煤器设计烟温降低155.508排烟焓kj/kg查烟气焓温表420.129冷空气温度室温经高压风机后，取值3030.0010理论冷空气焓kj/kg52.3811固体不完全燃烧热损失%参见烟气特性计算表6.4512排烟热损失%6.5113气体不完全燃烧热损失%按工业锅炉设计计算方法表b5-2选取0.5014散热损失%按工业锅炉设计计算方法表4-1选取1.5015冷渣器回风温度（二次风温）设计320.0016冷渣器回风焓kj/kg冷渣器回风量占总风量35%257.9017灰渣物理热损失(取150，带冷渣器）%1.4718总热损失q%16.4319锅炉效率100-q83.5720保热系数0.9821锅筒压力下饱和水温查表b13，由2.55mpa(绝对压力）下的饱和温度224.9922锅炉出口蒸汽焓kj/kg查表b13，由2.55mpa（绝对压力）下的蒸汽焓2801.0023给水温度给定105.0024省煤器入口压力mpa给定2.6025给水焓kj/kg低压清水泵打入铸铁省煤器，查表b14426.0026锅筒工作压力mpa给定2.4527锅筒工作压力下饱和水焓kj/kg查表b13，由锅筒工作压力查966.8528锅炉蒸发量dt/h给定35.0029排污率%给定5.0030锅炉的输出热量kj/h84071487.5031耗煤量bkg/h20045.0032计算耗煤量kg/h18751.693.2.4计算结果与分析通过锅炉热平衡计算我们发现，锅炉热效率决定于各项损失的多少，化学不完全燃烧损失和散热损失相对较少，因此锅炉热效率主要取决于、的大小：1）当灰分增加时，灰渣物理热损失占据相当大的比例。因此，必须使用冷渣器来冷却灰渣中的热量，并将热量回收入炉膛中，以减少其物理热损失，提高锅炉燃烧效率，并满足gb24500-2009技术标准要求。在本文中，作者利用实验室的发明专利复合式冷渣器技术，用于回收锅炉排渣的物理热，并将回收的热量全部送回锅炉，以降低灰渣物理热损失。复合式流化床冷渣器是用于大型cfb锅炉的冷渣装置，但本设计锅炉的底渣排放量，已相当于一台130-220t/hcfb锅炉的底渣排放量，因此采用这一技术非常合适。复合式流化床冷渣装置集中体现了多种冷渣装置的技术优点，实现不同结构的良好配合，从而满足了实际运行的需要，取得了炉渣冷却与排放的良好效果；该装置采用多仓式流化床结构，对于炉内的粗渣、细渣、飞灰分别控制，极大地提高了流化床冷渣器对底渣粒度的适应性，适合国内给煤粒度的要求，小粒径的灰渣在后面的冷却仓内有尽量多的停留时间，增强了冷却效果，提高了冷渣器的稳定性，同时也提高了锅炉燃烧效率。复合式冷渣器装置的具体结构见下图3.2：图3.2 复合式冷渣器结构2）与煤粉炉不同的是，循环流化床锅炉所需要控制的量比较多，特别是炉膛温度的控制。当炉膛密相区温度高于950时，炉膛容易发生结焦现象，严重影响锅炉的运行；当炉膛密相区温度低于850时，煤的机械不完全燃烧损失比较大，甚至不能燃烧，造成锅炉燃烧的稳定性变差。因此正常的锅炉密相区温度应控制在850950之间。炉膛稀相区的温度控制也很重要，它决定着分离器和返料装置是否有燃烧、炉膛受热面的如何布置等方面。当炉膛出口温度在800以下时，分离器和返料装置中的灰渣不能燃烧，造成飞灰含碳量增大、燃烧不充分的问题，降低了锅炉效率。因此，炉膛出口的温度也应控制在800以上。稀相区的受热面布置也应有相应的变化，以确保炉膛出口的温度。3.3锅炉物料平衡锅炉物料平衡是锅炉机组热力计算的关键数据之一，循环流化床锅炉也不例外。锅炉物料平衡决定着燃烧的多少、传热量的分配等问题。3.3.1循环流化床物料平衡循环流化床“一进二出”的物料系统是循环流化床的核心概念，也是理解循环流化床物料平衡的关键。以下即是循环流化床“一进二出”物料系统图3.3。 从灰平衡上来看，煤燃烧成灰，一部分从炉膛底部排除，称为底灰。另一部分飞出炉膛，进入分离器，其中小于切割粒径的灰飞出分离器进入尾部烟道，成为飞灰；大于切割粒径的灰被分离器分离下来，经返料装置返回炉膛再燃烧，称为循环灰。锅炉灰平衡原理见下图3.4。图3.4灰平衡原理图图3.3 循环流化床“一进二出”物料系统当煤质变差时，飞灰份额逐渐减少而灰渣份额逐步增加，排渣量逐渐增加，由此造成灰渣物理热损失较大。从这里也说明，必须使用冷渣器冷却灰渣、回收热量，才能提高锅炉的热效率。3.3.2循环倍率与循环灰量循环灰量是设计、运行循环流化床锅炉的一个基本参数。它不仅影响着炉膛燃烧，也影响着传热。循环倍率是指循环灰量与炉膛入炉煤量得比值18：.(3.7)循环灰的热容量很小，但循环倍率增大后，灰量很大，因此循环灰所带的热量相当大。返料装置中的换热也取决于循环灰量和循环灰温的变化，因此返料装置的受热面布置与之密切相关。在蒸汽参数和蒸发量不变的情况下，煤质越差，发热量越低，耗煤量越高，灰分含量也越大。当循环灰量很大时，炉膛、分离器和返料装置中的高温灰量很大，因此会产生很严重的磨损问题。一方面我们通过在炉膛少布置受热面，在返料装置中多布置受热面外，另一方面通过降低循环倍率来降低循环灰对受热面的磨损。循环倍率还与炉膛传热系数密切相关，循环倍率越大则传热系数越大，因此循环倍率也不能太小。3.3.3密相区物料平衡在炉膛密相区，我们要保证密相区温度在850900之间。特别是煤质下降时，温度的控制变得尤为重要。低热值燃料的发热量少，在密相区煤矸石燃烧产生的热量相对较少，很多情况下，煤矸石产生的热量紧紧能够维持自己燃烧而不能加热循环灰到所需温度。因此我们就需要解决密相区的煤矸石燃烧与循环灰加热的问题。煤质变差时，密相区温度会降低，因此通过加入隔墙来控制密相区的温度。当给煤产生的热量多，煤自身燃烧的温度比较高时，循环灰从隔墙右侧进入隔墙左侧来冷却煤燃烧，以防止密相区发生结焦问题；当煤燃烧产生的热量比较少时，煤燃烧产生的灰从隔墙左侧进入隔墙右侧，来加热循环灰；当煤燃烧产生的热量在某一个值时，循环灰不从隔墙右侧进到左侧，煤燃烧产生的灰也不从左侧进入右侧，这就是我们需要找的平衡点，也是我们设计的平衡点工况。通过加入隔墙，很好的解决了低热值燃料不能燃烧或燃烧不稳定的问题，该燃烧技术为重庆大学燃烧环保实验室所研究，目前已经申请了发明专利。申报的重庆市科委攻关项目，已经得到市科委正式批准为2011年科技攻关项目。3.4炉膛密相区温度的影响因素循环流化床以其环核结构的气固流动状态增大了煤颗粒在炉膛内的停留时间，提高了燃烧效率。密相区的温度很大程度上决定着燃烧是否充分，当密相区温度高于950时，容易造成密相区超温、结渣，不利于燃烧、脱硫率低等情况；当密相区温度低于850的情况下，煤颗粒着火困难甚至不能燃烧，燃烧不稳定。因此，密相区的温度控制在设计中是一个主要的考虑因素。3.4.1密相区温度的确定在循环流化床炉膛密相区，很多因素影响其温度的高低。密相区温度可由密相区烟气焓温表查得，而密相区烟气焓则由下面公式计算得到19：(3.8)其中， 密相区输入热量；燃料入炉热量； 返料灰焓；密相区燃烧份额； 返料烟焓。一次风所占的比率； n循环倍率 冷空气焓值 、分