（动力工程及工程热物理专业论文）返料换热型cfb燃煤工业锅炉的研制开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 鉴于我国以煤炭为主的能源结构，以及煤质逐渐变差的新形势，能燃用各种 劣质燃料且高效环保的循环流化床燃煤锅炉技术成为燃煤工业锅炉发展的重要方 向。然而，由于在循环流化床锅炉基础理论和试验研究方面欠佳，致使循环流化 床工业锅炉热效率偏低、埋管磨损严重、结构复杂、成本较高等问题长期存在， 当锅炉煤质下降（发热量降低，灰分增加，硫分增加）时，这些问题就更加严重。 针对目前循环流化床燃煤工业锅炉发展的新要求，作者及其同事在对中小型循环 流化床燃煤锅炉现状充分调研的基础上，首次提出了一种新的小型 cfb 锅炉布置 方案，并申请了国家发明专利。采用该方案设计的 11t/hcfb 燃煤工业锅炉，已经 在 2009 年投入运行。 本文通过一系列工业试验，得到返料换热型 cfb 工业锅炉在结构布置、炉内 气固流动、燃烧传热以及物料平衡与热量平衡等方面的基本规律，并通过数值模 拟计算，详细了解细颗粒换热器内的气固流动特性。主要试验研究结果表明： 返料换热型 cfb 工业锅炉，基本达到设计参数；返料换热型 cfb 锅炉的布置 方案是可行的； 在锅炉结构布置上，合理采用细颗粒换热器后，可以显著减少锅炉炉膛尺寸， 降低金属耗量； 取消炉内埋管并将其移入细颗粒换热器后，能显著提高锅炉点火效率，同时大 幅度减少了埋管磨损； 通过细致考虑锅炉的燃烧效率与物料平衡，可以有效提高锅炉负荷调节性能； 运用 fluent 软件模拟计算，能够正确反映细颗粒换热器的气固流动特性； 在流化风速 0.5m/s、初始床料高度 1200mm 的工况下，细颗粒换热器内的流化 状态最好，与实际运行结果基本相符。 关键词：关键词：工业锅炉，循环流化床，细颗粒换热器，工业试验，数值模拟 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract because coal play a main role in the energy structure of our country and coal quality is worse gradually, the cycle fluidized bed (cfb) combustion technology has become an important direction of coal-fired industrial boiler, which can burning various inferior fuel and is an environment-friendly and highly efficient technology. however, the basic theories and experimental study are unsatisfactory, which lead to some problems of industrial cfb boiler for a long time, such as low thermal efficiency, wear of buried pipes, complex structure, high cost and so on. when the quality of coal degenerates, the problems will be more serious. the poor quality of coal mainly reflected in decrease of calorific value, increase of ash content and raise of sulfur content. in order to meet the new requirements of industrial coal-fired cfb boiler, a new scheme was first proposed by the author and his colleagues and had already applied for a nation invention patent. the research was based on sufficient survey on middle and small size industrial cfb boiler. the 11t/h industrial cfb boiler with the new scheme of the structure arrangement had been put into operation in 2009. through a series of industrial tests, the basic rules of industrial cfb boiler with recycled solid heat exchanger in structural arrangement, gas-solid flow, combustion and heat transfer, the material and energy balance were obtained. by numerical simulation, the gas-solids flow characteristics could be known in the fine particles heat exchanger. the results of the study mainly included that: the industrial cfb boiler with recycled solid heat exchanger reached the expected design parameters and its scheme of the structure arrangement was available. the rational use of fine particles heat exchanger was the key to lessening the furnace size of boiler and reducing consumption of metals. the ignition efficiency was increased through calling off buried pipes of furnace and moving them to the fine particles heat exchanger. at the same time, wear of buried pipes was also substantially reduced. it was effective to improve load-following capability through carefully considering the problems of combustion efficiency and material balance. through numerical simulation in software fluent, the gas-solids flow characteristics could be reflected in the fine particles heat exchanger. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii when the fluidization velocity of air was 0.5m/s and the initial bed height was 1200mm, the fluid state of gas-solids was best in the fine particles heat exchanger. key words：industrial boiler, circulating fluidized bed, fine particles heat exchanger, industrial tests, numerical simulation 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 1 1 引 言 1.1 我国的能源现状 能源是国民经济与社会活动赖以生存和发展的物质基础，煤炭是世界上应用 较广泛的一次能源之一。在我国的一次能源消耗中，煤炭占较大的比重，约占 70%12，由于目前能源学科的发展遭遇瓶颈，我们还没有找到很好的办法解决人 类能源的根本性问题。因此，我国以煤炭为主的能源结构在较长时期内难以改变。 尽管我国是一个煤炭资源比较丰富的国家，但随着煤炭资源的逐渐消耗，煤 炭开采不断深入，劣质煤所占的比例逐渐上升，劣质煤具有：水分高，灰分大， 发热量低，挥发分低，着火点高、难以利用等特点。燃用劣质煤往往会造成炉内 燃烧温度低、燃烧稳定性差、受热面磨损泄露、飞灰可燃物高及锅炉热效率低等 一系列问题，影响了机组运行的安全性和经济性。另外，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，每年我国煤矸石的排放量可达到 1.3 亿吨以上，分析认为，目前我国煤矸石堆积量 35 亿吨左右3，大量堆积的煤矸石 不仅侵占土地、污染环境，而且造成资源浪费。如果能“变废为宝”加以利用， 则具有可观的经济效益和环保效益。 1.2 我国的工业锅炉现状 工业锅炉是指广泛应用于生产、生活、采暖等方面的各种容量、压力、温度 的蒸汽锅炉和热水锅炉，它是我国重要的热能动力设备。目前，我国已成为当今 世界锅炉生产和使用最多的国家，特别是改革开放以来，我国锅炉制造业取得了 长足的发展，全国有千余家持有各级锅炉制造许可证的企业，可以生产各种不同 等级的锅炉。我国在用工业锅炉的数量很大，近几年的年产量约为20万蒸吨，但 平均容量不大，单机容量平均为6.5蒸吨/台，以中小容量为主。 表1.1 中国2005-2009年工业锅炉产量统计4 table 1.1 production statistics of industry boiler from 2005 to 2009 in our country 年份 产量（蒸发量吨） 同比增长率 2005 162960 21.93 2006 175126 7.46 2007 208595.5 19.8 2008 218693.1 4.64 2009（1-5 月份） 90356.4 23.9 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 2 从表1.1可以看出，近几年来，我国工业锅炉的发展很快，其中与2006年同期 相比，2007年的容量（蒸吨）增幅达到19.8%；2008年，受金融危机的影响，工业 锅炉的增幅有所减缓；但2009年15月份，工业锅炉容量（蒸吨）的增幅竟达到 23.9%，为历年之最，成为2009年工业锅炉行业的亮点，这足可见工业锅炉的发展 势头十分强劲。有关专家预计，今后几年，我国对工业锅炉的需求年增长率将保 持在5以上。 工业锅炉的发展动向强烈地受控于国家能源和环保政策，虽然近些年来，我 国各级政府和社会公众对环保问题日益重视，环保执法力度逐渐加大，在城市地 区提倡用燃油、燃气锅炉，但受国内能源构成以煤炭为主的条件制约，我国工业 锅炉仍以燃煤锅炉为主，并且这种情况在将来很长一段时间内都不会改变。 1.3 我国工业燃煤锅炉的类型 在我国的燃煤工业锅炉中，品种规格较多，炉型各异。按燃烧方式主要分为 层燃锅炉、沸腾炉和循环流化床锅炉。其中层燃锅炉约占燃煤工业锅炉总容量的 95%（其中链条炉排锅炉约占65%，往复炉排锅炉约占20%，固定炉排锅炉约占 10%），循环流化床锅炉为数不多，约占3%5%，但单台蒸发量较大，平均蒸发 量达15t/h左右5。 表1.2是我国2007统计的工业锅炉产品的分类构成，从表中可以看出，燃煤锅 炉占了很大的比重，达到61%。 表1.2 中国2007年工业锅炉产品的分类构成统计6 table 1.2 the classification statistics of chinese industrial boiler in 2007 序号 名称 占总产量比例(%) 台数 t(蒸汽) (一)按工质分类 1 蒸汽锅炉 77.0 58.0 2 热水锅炉 23.0 42.0 (二)按燃料分类 1 燃煤锅炉 58.9 61.0 2 燃油/气锅炉 20.9 11.2 3 余热锅炉 4.4 16.3 4 电热锅炉 2.7 0.5 5 有机热载体锅炉 7.6 3.7 6 其他锅炉 5.5 7.3 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 3 1.4 我国工业燃煤锅炉的使用状况 目前，我国燃煤工业锅炉存在的主要问题是：效率低，污染重。调查表明， 我国约有80%的燃煤工业锅炉未能经济运行， 主要表现为锅炉运行时过量空气系数 过大，热效率过低，煤耗过大，污染物及烟尘排放总量过大。其主要原因是用煤 质量不过关，用于工业锅炉的煤基本上是来自煤矿直接开采的原煤，没有进行过 任何洗选、筛分和配煤；锅炉房的管理和运行水平差，设备管理不善，运行人员 水平相对较低；设备陈旧老化，锅炉平均负荷低，污染控制设施简陋，多数未安 装或未运行脱硫装置，污染排放严重等。 目前中国在用燃煤工业锅炉的平均热效率偏低，仅为65%左右，与设计热效率 相差10%15%，与先进国家同类锅炉相差12% 15%， 平均每年多耗煤6000万吨 左右5。研究表明，提高中小工业锅炉1%的效率，就可以产生上百亿的经济效益， 工业锅炉的节能潜力已被广泛认可。国家发改委于2006年7月颁布了“十一五” 十大重点节能工程实施意见 ，其中实施内容中的第一项即为“燃煤工业锅炉（窑 炉）改造工程”7。 另外，由于燃煤工业锅炉排放大量的烟尘以及二氧化硫、氮氧化物等污染物， 远远不能达到锅炉大气污染物排放标准的要求，使之成为我国大气主要煤烟 型污染之一。每年排放烟尘约800万吨，二氧化硫约600万吨，向地面排放灰渣约 8700万吨。产生的污染占燃煤污染总量的1/3，是仅次于火电厂的第二大煤烟型污 染源8。 先进国家或地区对于小容量燃煤工业锅炉所进行的技术改进，主要从燃料入 手，小型燃煤锅炉燃用的是经过洗选的标准煤，其含灰量小于5%、粒度不大于 25mm、小于3mm 的煤屑量小于30%、含硫量小于1%，这样不仅锅炉的效率高， 烟尘和so2排放也少9。因此，借鉴先进国家或地区的经验，制定工业锅炉用煤的 技术规范，改革煤炭供应体系是改变目前工业锅炉效率低污染重的一个重要方向。 然而对于我国来说，由于能源结构的特殊性及煤质问题的严重性，似乎更应该从 改进炉型结构上入手，因为只有这样才更适合我国的国情。由此，开发设计出清 洁高效同时又简单经济的适用炉型是目前十分迫切的任务。 1.5 循环流化床工业锅炉面临的机遇与挑战 循环流化床（cfb）锅炉燃烧技术是新一代的洁净煤燃烧技术10，与传统燃 煤锅炉相比，循环流化床锅炉具有煤种适应性广、燃烧稳定、污染物排放量少且 易于控制、负荷调节性好、灰渣可以综合利用等一系列优点11，特别是适应燃烧 高灰分、低挥发分等其他燃烧设备难以燃用的劣质燃料。在我国目前特殊的能源 结构、原煤直接燃烧比例高、煤质不够好、环保要求日益严格、国民经济发展水 重庆大学硕士学位论文 1 引 言 4 平不平衡的情况下，循环流化床锅炉已成为首选的高效低污染且适应燃烧劣质煤 的新型燃烧技术。因此，循环流化床锅炉不仅受到国内大型电站燃煤锅炉用户的 普遍欢迎，同时，也受到中小型工业燃煤锅炉用户的普遍重视，这已成为国内绝 大多数燃煤工业锅炉制造厂商优先考虑的产品开发战略。 面对我国煤质变差，煤种多变的燃煤新形势，加上近年来我国各级政府和社 会公众对能源节约和环境保护的日益重视，工业燃煤锅炉面临更大的节能减排压 力，同时也给循环流化床锅炉技术的发展带来更多的机遇。 最初作为一种大型电站锅炉技术发展起来的 cfb 燃烧技术，在用于小型 cfb 锅炉时，也存在一些新的问题。这些问题主要包括：炉膛高度降低后的燃烧时间 不够、炉内受热面磨损、以及回料不够稳定等。当煤质下降后，这些问题会更加 突出。因此，迫切需要开发一种适应劣质煤燃烧的新型工业循环流化床锅炉。 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 5 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 循环流化床（cfb）锅炉以其特殊的流体 动力特性，使炉内的质量和热量交换非常充分， 未燃尽的煤颗粒通过多次循环，延长在炉内的 停留时间，燃烧中多次参与床层中剧烈的质量 和热量交换，十分有利于煤的燃尽，这就使得 cfb锅炉具有良好的燃料适应性，一般燃烧方 式难以正常燃烧的泥煤、石煤、煤矸石、低热 值无烟煤、油页岩以及各种工农业垃圾等劣质 燃料都可以在循环流化床内燃烧，并能达到很 高的燃烧效率1213。 二十世纪80年代以来，循环流化床燃烧技 术在商业化过程中显示了优良的燃烧性能和环 境排放特性，是国际上公认的商业化程度最好 的洁净煤燃烧技术之一。据预测，到2020年，世界上以燃煤为主的循环流化床锅 炉的容量将达到150000mw左右, 其中中国约为125000mw 1415， 可以看出其商业 前途十分光明。 2.1 国外中小型 cfb 工业锅炉的发展现状 为了开发完善循环流化床燃烧技术，世界上各工业国家不论从技术，还是从 资金等方面都作了大量投入，取得了较大的发展。2009 年，f.w.公司设计制造的 460mw 超临界循环流化床锅炉在波兰的 lagisza 电站投运，成为目前世界上投运 的最大容量的循环流化床锅炉。目前，国外的循环流化床锅炉主要是用于大型电 站锅炉16，而对于中低压 cfb 锅炉，则应用较少。 国外学者研究表明，中小型循环流化床锅炉由于炉膛高度较低，采用 cfb 燃 烧技术，将会出现燃烧时间不足、受热面布置困难、埋管磨损严重等问题，发展 小型工业 cfb 锅炉相对于常规的燃煤工业锅炉的优势不突出17。同时，由于能源 结构上的差异，国外的中低压工业锅炉多为燃油燃气锅炉，而为数不多的燃煤工 业锅炉中，因其燃煤质量相对较好，并且燃用的都是经过洗选和筛分的煤炭，因 此，普遍以层燃锅炉为主。 近年来，国外也发展出一些新型循环流化床工业锅炉，但基本上用于燃烧生 物质（如木屑、树皮、秸秆等）和各种工业垃圾以及城市垃圾。可以说国外发达 800900 46m/s 烟气 800900 空气 燃料 石灰石 空气 图 2.1 循环流化床锅炉工作原理图 fig 2.1 schematic diagram of the circulating fluidized bed boiler 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 6 图 2.2 35t/h 循环流化床锅炉 fig 2.2 35t/h cfb boiler 国家目前也没有可应用于燃烧劣质煤的中小型 cfb 燃烧技术。35t/h 以下容量、燃 烧高灰分煤种的高效 cfb 锅炉，已成为国际上循环流化床高效燃烧技术应用的一 个难题。 2.2 国内中小型 cfb 工业锅炉的发展现状 能源结构以煤炭为主，且劣质煤所占比重较大这样的特殊国情，使我国成为 了世界上应用 cfb 锅炉最多的国家，大中小型 cfb 锅炉遍布电力、化工等行业。 国内的燃煤工业锅炉按燃烧方式主要分为层燃锅炉、煤粉炉和循环流化床锅炉。 近年来，由于我国煤炭供应紧张，煤质下降较快，传统的层燃锅炉和煤粉锅炉难 以燃烧 14mj/kg 以下热值的劣质煤18，加之燃烧过程中产生的 so2 等污染物排放 量较大，其应用受到限制。而煤质适应性好、污染少的循环流化床锅炉的市场需 求则很大，成为工业燃煤锅炉市场中产量增长最快的产品。 然而，中小型循环流化床工业锅炉由于受到成本的制约，炉膛高度有限，煤 在炉内达不到足够的燃烧时间，这也是我国 cfb 工业锅炉设计效率较高，而实际 运行效率普遍偏低的原因。不过，即使循环流化床工业锅炉实际运行热效率比设 计值低，但和其他类型工业锅炉平均仅 65%的热效率相比8，其效率仍要高 10 个 百分点左右，加上 cfb 锅炉特别适合燃烧难以利用的劣质煤，所以作为国家有关 部门重点推荐的工业锅炉炉型，中小型工业 cfb 锅炉的发展十分迅速。据统计， 2007 年 cfb 工业锅炉在我国工业锅炉中的比重已提升到 8.64%，并且正在以 5% 以上的速度快速增长19。 为了发展具有中国特色的中低压循环流化床工业锅炉，国内科研单位和锅炉 制造企业不断消化吸收国外大型 cfb 锅炉的先进技术，相继开发了一些中低压循 环流化床工业锅炉，极大地推动了我国循环流化床燃烧技术的进步和发展。常见 的结构形式主要有以下几种20： 传统方式布置的 cfb 锅炉 图2.2为某锅炉厂生产的35t/h的中 温中压循环流化床锅炉，该锅炉的额定 蒸汽压力为3.82mp，额定蒸汽温度为 450。 该cfb工业锅炉采用传统的布置 方式，单汽包，炉膛内为膜式水冷壁， 为了稳定炉膛下部床温，密相区域内布 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 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 7 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 2.4 10t/h 循环流化床锅炉 fig 2.4 10t/h cfb boiler 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 fig 2.3 cfb boiler of horizontal cyclone 离器技术相对成熟，分离效率较高，但缺点是体积较大。该类型的锅炉由于将埋 管受热面布置于炉膛密相区，因而难以避免埋管的严重磨损。 卧式旋风筒循环流化床锅炉 图2.3所示为某大学与广西某锅炉厂 联合开发的低参数循环流化床锅炉。 锅炉 的主要特点为： 卧式水冷旋风分离器与锅 炉本体整装，密相区内布置有埋管。其主 要优点为： 锅炉结构紧凑， 金属消耗量小， 锅炉和锅炉房投资成本低，利于小型化， 适合蒸发量小于20t/h的工业锅炉。 但在煤 质变差、入炉煤粒较大的情况下，卧式分 离器的回料部位容易堵塞， 影响锅炉的正 常运行。同时，该锅炉同样存在着埋管磨 损的问题。 前置分离器循环流化床锅炉 图2.4为某大学与武汉某锅炉厂共同 开发的低参数 10t/h 前置分离器循环流化 床锅炉。 该种锅炉由于采用了全膜式水冷 壁结构， 因此不需要在流化床的密相区内 布置埋管受热面， 而锅炉的布风板则焊在 膜式水冷壁上。 该种锅炉最主要的特点是 将高温旋风分离器布置在燃烧室前面， 这 样可以使锅炉的汽水系统相对简单， 结构 更加紧凑，从而有效降低锅炉的投资成 本。 两级分离器循环流化床锅炉 图2.5为某大学与某锅炉厂联合开发的低参数循环流化床锅炉。这种炉型的两 级分离器结构中的第一级高温分离器采用槽型分离器，分离下来的较粗飞灰经流 化密封送灰器送入床内循环燃烧。此种分离器吸收了美国巴威锅炉公司槽形分离 器的优点。第二级为低温上排气旋风子分离器，分离下来的细灰经一个流化密封 送灰器送入床内循环燃烧21。 锅炉的主要特点：采用了落灰腔槽型分离器与低温旋风分离器两级分离器串 联布置，在一定程度上提高了分离效率，降低了飞灰含碳量；密相区内设有埋管 受热面。 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 8 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 fig 2.6 cfb boiler of exhaust cyclone 1-落灰腔一级分离器 2-返料器 3-旋风分离 器 4-埋管 5-燃烧室 6-对流管束 7-省煤器 图 2.5 两级分离循环流化床锅炉 fig 2.5 cfb boiler of two stage separation 总体来讲，两级分离式循环流化床 锅炉的结构简单，占地面积小，投资少。 但由于第一级分离器属于惯性分离，分 离效率低，飞灰量大，易造成过热器的 磨损；第二级采用中温分离，其返料温 度低，若燃用灰分高的劣质煤，其循环 灰量大，易造成炉膛温度偏低，燃烧不 稳定，甚至熄火；同时由于其分离效率 低，飞灰含碳量偏高，锅炉效率相对偏 低。 下排气旋风分离器循环流化床锅炉 图 2.6 所示为某大学与武汉某锅炉 厂联合开发的中参数下排气旋风分离器 循环流化床锅炉。其实它也是一种两级 分离器式循环流化床锅炉，一级是在炉 膛出口处，采用槽型分离器，另一级则 是在省煤器前，采用下排气式旋风分离 器。 锅炉的主要特点：采用了下排气中 温旋风分离器；密相区内设有埋管；采 用光管水冷壁，重型炉墙。锅炉的主要 优点：两级分离，分离效率高；锅炉呈 典型的“”型布置，结构紧凑；该炉型 特别适宜将“”型燃煤、燃油锅炉改造 为循环流化床锅炉。 但是，下排气旋风分离器对细颗粒 夹带严重，导致细颗粒分离效率稍低， 从而影响锅炉效率。同时，由于在炉膛的密相区布置有埋管受热面，因此同样面 临着受热面磨损的问题。 循环双流化床锅炉 图 2.7 为四川某锅炉厂的双循环流化床锅炉（型号 dg20-1.25，蒸发量 20t/h） 的结构简图，其典型特点是在主床后部又加装了一个副床用来烧灰22。 该种循环流化床主床内没有埋管，流化速度较高，一般大于 8m/s。螺旋给煤 机正压给煤，配播煤风。由于床内没有埋管受热面，主床面积小，锅炉点火启动 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 9 图 2.7 循环双流化床锅炉结构示意图 fig 2.7 schematic diagram of circulating double fluidized bed boiler 容易，燃料品种不受限制，在同一台锅炉中可以烧 800026000kj/kg 的各类煤种。 由于速度高，负荷调节范围宽，调节比例可达到 1：0.3。 副床位于悬浮室之后、燃尽室的下部，副床用来烧灰，流化速度很低，只有 1m/s 左右，是低速飞灰床，床内设有埋管。由于流化速度低，床料细，床料的冲 刷不会造成副床埋管磨损，埋管不需加防磨装置。这种设计虽然减轻了埋管磨损， 但存在以下缺点：主床无埋管受热面，床料也得不到有效补充，主床温度和床压 控制困难，主床出口烟温仍需要采用较大的过剩空气系数来控制；副床上部空间 浪费，增加了锅炉的制造成本；副床流化风直接经分离器流入尾部烟道，增加了 排烟损失；循环灰返料只进入副床，无法发挥对主床床温的调节作用。 高低混合流速循环流化床锅炉 该种锅炉的炉膛下部截面积大，燃 烧介质流动速度为低流速；炉膛上部截 面积较小， 燃烧介质流动速度为高流速， 所以称其为“高、低混合流速循环流化 床锅炉” ，如图2.8所示23。 主要有以下特点：密相区的较高位 置布置有一定数量的埋管，由于该位置 介质流速低，所以磨损大大减轻，埋管 换热效率高，使用寿命长；炉膛上部燃 烧介质流速高，携带能力强、分离效率 和循环倍率比低速床有明显提高；膜式 1-高温过热器 2-低温过热器 3-高温省煤器 4-多管分离器 5-低温省煤器 6-空气预热器 图 2.8 高低混合流速循环流化床锅炉 fig 2.8 cfb boiler of mixture velocity 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 10 图 2.9 intrex 流化床热交换器 fig 2.9 intrex heat exchanger 图 2.10 lurgi 型外置式换热器 fig 2.10 lurgi heat exchanger 壁将炉内分隔为三个流程，这样就延长了烟气流程，燃烧颗粒在炉内停留时间增 加，能够充分燃尽，提高了燃烧效率。高温分离器为全膜式壁结构且使用挂砖， 受热面可以调整，使用寿命长；中温分离器为多管旋风分离器，采用积木式结构， 维修方便；采用两级分离、两级回送返料系统，锅炉热效率较高。 综上所述， 目前我国中小型cfb燃煤工业锅炉， 普遍采用布置埋管或加大过剩 空气系数的方法来保证炉膛出口烟温和蒸发量，没有采用细颗粒换热器的布置方 案。 2.3 细颗粒换热器在 cfb 锅炉上的应用概况 细颗粒换热器（或称外置式换热器）是解决 cfb 锅炉炉内受热面布置困难问 题的一种细颗粒鼓泡床，对于采用了细颗粒换热器的锅炉来说，它增加了锅炉及 其受热面布置的灵活性，在大型 cfb 锅炉中应用较多。典型的细颗粒换热器结构 形式主要有以下几种11： f.w.公司的一体化返料换热器（intrex） 。如图 2.9 所示。其主要特点在 于，外壳由膜式水冷壁构成，并且与炉膛连为一体，膨胀和炉膛一致，内部布置 有过热器。它没有独立的热灰回送系统，而是在换热器中设置热灰旁路通道。 lurgi 型外置式热交换器。如图 2.10 所示。从高温旋风分离器分离下来的 高温循环灰，被分成两路：一路采用流动密封阀将高温循环灰直接送回炉膛；另 一路通过水冷锥形机械阀将高温循环灰送入外置式换热器中冷却后再送回炉膛。 在这种方案中，外置式换热器本身也兼作回送装置。循环物料进入外置式换热器 的流量采用水冷锥形机械阀来控制。外置式热交换器内布置有过热器和再热器。 西安热工院的紧凑式分流回灰换热器。该细颗粒换热器采用气动控制的方 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 11 图 2.11 分流回灰换热器 fig2.11 splitting-type returning ash heat exchanger 式，在运行中根据具体工况条件的变化，利用各仓室风量大小的变化来控制循环 物料的分流量，其调节方式较为简单，且同时兼有循环灰的分流、冷却和回送功 能。如图 2.11 所示。 另外，国电科技环保集团和某大学联合开发的 75t/h 秸秆循环流化床锅炉，也 采用了细颗粒换热器，如图 2.12 所示。从高温旋风分离器分离下来的高温循环灰 全部进入细颗粒换热器，经受热面换热后返回炉膛，在这种方案中，细颗粒换热 器本身也兼作回送装置。细颗粒换热器内布置高温过热器，以避免过热器的高温 碱金属腐蚀24。 细颗粒换热器的采用，难免会使循环流化床锅炉的结构和运行控制系统复杂 化，因此，它主要应用在大型 cfb 锅炉中，在中小容量的循环流化床锅炉中应用 较少。而且细颗粒换热器中大都布置的是过热器或再热器等受热面，尚未见到采 用细颗粒换热器且换热器中布置蒸发受热面的中小型 cfb 工业燃煤锅炉。 2.4 中小型工业 cfb 锅炉存在的主要问题 我国早期的中小型循环流化床锅炉是在鼓泡式流化床锅炉（沸腾炉）的基础 上发展起来的，后来不断引进并应用大型循环流化床锅炉的一些新技术，使中小 型循环流化床锅炉技术得到不断完善。循环流化床工业锅炉的异军突起，带来了 我国中小型循环流化床锅炉技术的快速发展，国内绝大多数燃煤工业锅炉制造商 纷纷把循环流化床工业锅炉作为优先考虑的产品开发战略。但在中小型 cfb 工业 锅炉的发展实践中，仍然存在许多问题。其中比较突出的是： 炉内燃烧、脱硫时间不足 图 2.12 秸秆循环流化床锅炉 fig 2.12 cfb boiler of flaming straw 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 12 由于循环流化床锅炉属于低温燃烧，因此对煤在炉内的燃烧时间有一定要求， 通常要求燃烧时间至少要达到 4.5 秒（最好在 5 秒以上） 17，从而对锅炉炉膛高度 有一定要求。以炉内达到快速床的平均烟气速度为 5m/s 计算，则炉膛高度至少要 达到 25m 左右。当锅炉蒸发量小于 35t/h 时，受锅炉成本因素的限制，炉膛高度很 少能达到 20m 以上，煤在炉膛内也就没有足够的燃烧时间，通常只有 23 秒，这 样往往不能满足一次通过燃烧室的细煤粒燃尽时间的要求，飞灰含碳量高，固体 不完全燃烧损失 q4就会增大，这样就会降低锅炉的热效率。 烟气在炉内停留时间的减少，还会影响锅炉脱硫效率，使锅炉脱硫的石灰石耗 量增加。 受热面布置与磨损矛盾 随着锅炉容量、蒸汽参数的降低，炉内蒸发吸热占汽水总吸热的比例大幅增 加， 即使全部炉墙都布置水冷壁， 炉膛出口温度仍然很难控制在 950以下， 为此， 不得不在炉内密相区布置埋管受热面。由于循环流化床锅炉的烟气速度较高，烟 气中的物料浓度也很高，因此，埋管受热面的磨损十分严重。某些燃用高灰分煤 种的工业 cfb 锅炉， 平均 20 天左右就会出现一次埋管爆管事故， 严重影响锅炉的 安全运行。 为此，国内某些工业锅炉制造厂家，采取了一种折中方案，即通过降低流化 风速，采用鼓泡床的运行方式来减轻埋管的磨损速度。但流化风速降至鼓泡床运 行状态后，埋管的快速磨损问题并不能得到根本解决，反而造成炉膛上部空间燃 烧份额下降，传热强度降低，使锅炉制造成本大幅度升高。这种设计，也使得炉 膛上部无法形成快速流化床状态，循环流化床高气固相对速度的燃烧优势，完全 无法发挥。 排烟热损失大 循环流化床锅炉炉膛下部为了防止磨损水冷壁，通用的做法是在炉膛密相区 采用绝热结构，这样，炉膛有效吸热面积就会减少，炉膛上部即使全部布置膜式 水冷壁，仍然很难将炉膛出口烟温控制在允许温度内。为保证炉膛出口烟温不超 过 950，只有用增加附加受热面（如埋管）或加大炉内过剩空气量的方法，才能 控制炉膛出口烟温在允许范围内。增加埋管会产生磨损问题，而增大炉膛的过剩 空气量，则会导致排烟损失 q2增大，使锅炉热效率降低。此外，过量的空气还会 造成锅炉其他部分的磨损，也会增加风机的耗电量。另外，始终用加大炉内过剩 空气量的方法控制炉内温度，炉膛下部就不易形成还原性气氛，不利于抑制 nox 的生成，所以对降低 nox的排放也非常不利。 锅炉钢材耗量大，制造成本高 传统的工业 cfb 锅炉，为保证炉膛出口烟温不超过 950，无论是否采用埋 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 13 1-炉膛 2-旋风分离器 3-立管 4-回料阀 5-布风板 6-风室 7-埋管 8-中心筒 图 2.13 带细颗粒换热器的新型 cfb 工业锅炉示意图 fig 2.13 schematic diagram of cfb boiler with fine particles heat exchanger 管受热面，都需要建造一个较大尺寸的炉膛上部空间，因此，锅炉受压部件的金 属耗量较高，以 1 台 10t/h 的循环流化床锅炉为例，锅炉所耗钢材约为 4550 吨， 甚至高于传统的层燃锅炉。 2.5 新型 cfb 工业锅炉方案简介及作者所做的研究工作 针对循环流化床燃煤工业锅炉发展的 新要求，在对中小型循环流化床燃煤锅炉 现状充分调研的基础上，作者及同事研制 开发出了一种具有完全自主知识产权的新 型循环流化床燃煤工业锅炉，其核心思路 是：在炉膛内维持快速流化床状态，使炉 膛上部保持较高的燃烧强度和传热强度。 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细颗粒换 热器中；通过在换热系数较高的细颗粒换 热器中布置埋管受热面，来满足低压锅炉 对蒸发吸热的要求2528。高温颗粒在换热 器中燃烧换热后，返回炉膛，维持炉膛出 口烟温。从而解决受热面布置、炉内气固 流动状态以及受热面磨损之间的矛盾。 本课题所做的工作主要包括： 在对国内外循环流化床燃煤工业锅炉进行详细分析了解的基础上，结合重 庆大学锅炉燃烧环保研究室近 10 年的基础研究成果，最后形成自己的炉型结构设 计方案。 进行炉膛结构设计及各受热面的设计和布置，完成各分段结构处的热力计 算、烟风阻力计算，并进行校核，使计算误差在合理范围之内，之后对相应部件 的金属材料进行强度校核。在此过程中，与热力计算过程相结合，进一步优化， 在保证热力计算误差合理的前提下，尽量使结构设置合理、符合实际，提高锅炉 的经济性。 对该新型 cfb 工业锅炉进行相关的工业试验研究， 主要包括： 冷态和热态 条件下的调试试验、燃烧效率及物料平衡试验研究。通过这些试验研究，充分了 解锅炉的结构特点和运行特性，为进一步优化该锅炉的相关结构和参数，提高锅 炉的热效率提供依据。 重庆大学硕士学位论文 2 中小型 cfb 工业锅炉国内外发展概况 14 对细颗粒换热器进行冷态模拟试验研究，主要模拟不同风速、不同初始料 层高度情况下，细颗粒换热器内的冷态气固流动特性，分析新型细颗粒换热器内 的床料体积份额分布和气固两相流体的速度分布情况。 重庆大学硕士学位论文 3 返料换热型 cfb 工业锅炉研发概况 15 图3.1 11t/h返料换热型cfb工业锅炉 fig 3.1 11t/h cfb boiler with recycled solids heat exchanger 3 返料换热型 cfb 工业锅炉研发概况 3.1 锅炉总体方案布置设计 本课题设计的返料换热型 cfb 工业锅炉的额定蒸发量为 11t/h， 设计的主要内 容包括：返料换热型 cfb 工业锅炉的方案设计、锅炉热力设计计算、烟风阻力设 计计算、风机选型、汽包及联箱强度校核计算、绘制锅炉总图等。锅炉在设计时， 主要遵循以下几个原则： 锅炉总体布置采用返料换热型 cfb 工业锅炉技术方案。在具体技术应用 上，尽量采用国内外以及重庆大学成熟而先进的技术措施，保证锅炉的出力和热 效率。 注意结构和布置的合理性，尽量从锅炉结构和布置方面消除引起爆管及其 它事故的隐患，提高锅炉的运行安全性。 对于锅炉设计的创新技术方面，考虑多种补救和应急方案，以充分发挥新 技术的优点。 3.1.1 锅炉的总体布置 新型返料换热型 cfb 工业锅炉 为双锅筒横置式循环流化床锅炉，主 体设计如图所示，主要结构包括：炉 膛、 高温旋风分离器、 细颗粒换热器、 尾部烟道以及横置式双汽包、横埋 管、膜式水冷壁、对流管束、省煤器 等。整个锅炉采用支撑结构，其中， 锅炉为紧凑型布置，炉膛为全膜式壁 结构，炉膛密相区不设置埋管受热 面，而将埋管受热面布置在细颗粒换 热器内，分离器后置并采用高温旋风 分离器，对流管束布置在水平烟道 中，尾部烟道布置有钢管省煤器和铸 铁省煤器。 煤经煤仓由螺旋给煤机送入炽热的流化料层中，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炉膛就被迅速烘干、预热、着火燃烧。燃烧 产生的烟气携带大量的床料经炉顶转向，通过烟气出口进入高温旋风分离器进行 气固分离。分离后，含少量飞灰的烟气由分离器中心筒引出，经布置有对流管 重庆大学硕士学位论文 3 返料换热型 cfb 工业锅炉研发概况 16 图 3.2 细颗粒换热器示意图 fig 3.2 fine particles heat exchanger 束的水平烟道，进入尾部竖井烟道，对布置在其中的钢管省煤器和铸铁省煤器放 热，最后经过水膜除尘器，从烟囱排出。被高温旋风分离器捕集下来的床料，通 过分离器下部的立管进入细颗粒换热器，未燃尽的床料在细颗粒换热器内燃烧换 热后返回炉膛实现循环燃烧。 通过向煤斗中加入一定量的石灰石，达到炉内脱硫的目的。 3.1.2 炉膛结构 按照返料换热型cfb锅炉技术的设计理 念，炉膛截面积约为传统 cfb 锅炉炉膛截面 积的 1/31/2，炉膛高度略低于传统 cfb 锅 炉。炉内二次风以上炉膛采用膜式壁结构。 3.1.3 细颗粒换热器 图 3.2 即为细颗粒换热器的结构示意图。 细颗粒换热器中布置有蒸发埋管受热面。从 高温旋风分离器分离下来的高温循环灰，在 细颗粒换热器中与水冷管换热后，全部返回 炉膛。 3.1.4 汽水系统 汽水循环的主要流程为：锅炉用水经水处理设备净化后（应达到工业锅炉水质 要求）进入水池，然后经清水泵进入铸铁省煤器的进口联箱，在铸铁省煤器内预热 后进入除氧器，在除氧器内用蒸汽将其加热到 105除氧，再经给水泵送入钢管省 煤器， 然后经汽包给水引入管流入对流管束上汽包。 上汽包内的锅水一部分通过对 流管束下行至下汽包，上、下汽包中的工质是处于饱和状态下的汽水混合物。上 汽包内的另一部分锅水通过下降管分别引入前墙和侧墙水冷壁的下联箱，工质经 水冷壁管吸收烟气热量汽化形成比重较轻的汽水混合物，进入水冷壁上联箱，继 而通过上联箱上的汽水引出管将汽水混合物引入上汽包；下汽包内的锅水通过下 降管进入细颗粒换热器内埋管的入口联箱，工质在细颗粒换热器的埋管内吸收热 量汽化，汽水混合物通过埋管出口集箱进入炉膛后墙水冷壁的下联箱，然后在水 冷壁内进一步吸热蒸发，形成比重更轻的汽水混合物，最后经水冷壁的上联箱以 及汽水引出管将汽水混合物引入至上汽包。汽水混合物经过上汽包内设置的汽水 分离器得到分离，分离出来的饱和蒸汽送至用户，而分离下来的饱和水则流回上 汽包的下半部水空间，进行再循环。 该锅炉的省煤器布置方式和其他锅炉有所不同，由于该锅炉的容量较小，出 于经济性的考虑，没有布置空气预热器，但为了降低排烟温度，所以在尾部烟道 除了布置钢管省煤器外，还布置了铸铁省煤器。由于除氧器之前的给水没有经过 重庆大学硕士学位论文 3 返料换热型 cfb 工业锅炉研发概况 17 热力除氧，所以此处采用铸铁式省煤器较为经济。净化过的水在进入除氧器加热 除氧之前，先经过铸铁省煤器预热，因此，给水温度近似等于铸铁省煤器前的水 温。为了在点火或低负荷运行期间，防止铸铁省煤器内的水沸腾，下汽包与省煤 器入口之间安装有再循环回路。 3.1.5 烟风系统 烟风系统的主要流程为：由送风机母管的一个支路引出的一次风经主床流化 风室和布风板进入炉膛，另一个支路引出的二次风经二次风口进入炉膛；罗茨风 机提供的高压流化风经细颗粒换热器的风室和布风板进入细颗粒换热器；煤与空 气在炉内燃烧后产生的烟气通过高温旋风分离器的中心筒后，依次经过对流管束、 钢管省煤器和铸铁省煤器，加热受热面中的工质，烟温逐渐降低，后经水膜除尘 器、引风机，从烟囱排