（热能工程专业论文）循环流化床锅炉热力计算程序的开发和过热系统的优化布置.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 循环流化床锅炉的设计计算包括热力计算、空气动力计算、水动力计算等，因 为这些计算对循环流化床锅炉的设计与改造起着至关重要的作用。但是热力计算涉 及的参量非常多，在进行多个方案比较时更是力不从心。因此，编制锅炉的热力计 算程序可以大大的提高其效率。本文采用d e l p h i 7 0 尝试开发一个循环流化床锅炉 的热力计算程序，然后采用1 3 0 t h 和1 8 0 t h 的循环流化床锅炉对程序进行了测试， 测试结果表明该程序具有良好的工程实用性。本文利用该程序对循环流化床锅炉过 热系统的常规布置方案和两个推荐方案分别进行热力计算，通过对计算结果的分析 获得了循环流化床锅炉过热系统的优化布置方案。 关键词：循环流化床锅炉、热力计算、d e l p h i 7 0 、过热系统 a b s t r a c t t h ed e s i g n i n gc a l c u l a t i o no fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( c f b b ) i si n c l u d e ：h e a t c a l c u l a t i o n ，a e r o d y n a m i ca n a l y s i s ，h y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，c o m p u t m i o no f w a l l t e m p e r a t u r ea n ds oo n ，b e c a u s et h i sc a l c u l a t i o n sa x ep l a ya l li m p o r t a n tr o l ew h e nd e s i g n i n g a n dr e c o n s t r u c t i n gac f b b b u tm o s to fp a r a m e t e r sa r ei n v o l v e di nt h ec a l c u l a t i n g ，m o r ea n d m o r er e s e a r c h e r sb e g i nt ou s ec o m p u t e rt od oi t ，w h i c hw i l lg r e a t l yi m p r o v et h ea c c u r a c ya n d e f f i c i e n c yo fc a l c u l a t i o n t h i sp a p e ru s eo ft h es o f t w a r ed e l p h i 7 0t od e v e l o pan e wd e s i g n a n dc h e c kp r o g r a mf o rh e a tc a l c u l a t i n go fc f b bi sd e s i g n e d a p p l y i n gt h i s p r o g r a m ，t h e a u t h o rh a sc a l c u l a t e dt w od i f f e r e n tc a p a c i t yb o i l e r s ，w h i c hi s1 3 0 t ha n d1 8 0 t hc f b b ，a n d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti th a dac e r t a i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y f i n a l l y , m a k i n gt h eh e a t c a l c u l a t i o nw i t ht h e h e l po ft h i sp r o g r a mi nt e r m so fr e g u l a rl a y o u ts c h e m ea sw e l la s r e f e r r i n gs c h e m ef o rt h es u p e r h e a t i n gs y s t e mo fc f b b ，a f t e rw h i c h ，q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z i n g o ft h er e s u l t s ，a n dg e tt h eo p t i m i z e dl a y o u ts c h e m eo ft h ec f bb o i l e r ss u p e r h e a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r , h e a tc a l c u l a t i o n ，d e l l p h i 7 0 ，s u p e r h e a t i n gs y s t e m 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i 英文摘要i 目录i i 第一章引言l 1 1 发展循环流化床锅炉的意义l 1 2 循环流化床锅炉的发展概况1 1 2 1 常规流化床锅炉2 1 2 2 循环流化床锅炉2 1 2 3 增压流化床锅炉3 1 3 研究的目的和意义3 1 4 本文的主要工作任务4 第二章研究对象的概况5 2 1 循环流化床锅炉的工作原理5 2 2 循环流化床燃烧技术的特点5 2 3 循环流化床的主要类型及其结构设计特点7 2 3 1 鲁奇( l u r g i ) 型循环流化床锅炉8 2 3 2 百宝炉( p y r o f l o w ) 型循环流化床锅炉8 2 3 3 福斯特惠勒( f o s t e rw h e e l e r ) 型循环流化床锅炉9 第三章循环流化床锅炉主要部件的设计1 1 3 1 布风装置1 1 3 1 1 布风板l l 3 1 2 风帽1 2 3 1 3 布风板阻力1 2 3 1 4 风室设计1 3 3 2 气固分离器1 4 3 2 1 气固分离器原理1 4 3 2 2 旋风分离器1 4 3 2 3 旋风分离器的设计1 5 3 3 回料器1 8 3 3 1 回料器的形式及结构1 8 3 3 2 回料器运行原理与稳定循环理论1 9 l l 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3 结构尺寸的确定原则及方法一2 0 第四章循环流化床锅炉热力计算原理2 2 4 1 热平衡计算2 2 4 1 - l 热平衡方程式2 2 4 1 2 输入锅炉的热量2 2 4 1 3 锅炉的各项热损失2 3 4 2 灰平衡计算2 4 4 3 锅炉的有效利用热量2 5 4 4 炉膛热力计算2 6 4 5 尾部对流受热面热力计算2 7 4 5 1 换热计算2 7 4 5 2 烟气流速及热有效系数2 9 第五章循环流化床锅炉热力计算程序的编制3 0 5 1 锅炉热力计算软件的发展现状3 0 5 2 程序编制语言介绍3 l 5 3 程序编制的具体过程3 1 5 3 1 数据输入部分的编制3 4 5 3 2 主程序的编制3 4 5 3 3 子程序的编制3 6 5 3 4 数据输出部分的编制3 7 第六章热力计算程序的实例分析与过热器系统的优化布置3 8 6 11 3 0 t h 循环流化床锅炉的初设计算3 8 6 21 8 0 t h 循环流化床锅炉的初设计算4 0 6 3 计算结果分析4 l 6 4 高温过热器的优化布置方法4 3 6 5 定量分析4 4 6 6 三个方案的经济性分析4 4 第七章全文总结4 7 7 1 结论4 7 7 2 进一步的工作建议4 7 参考文献4 8 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l l i l 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 发展循环流化床锅炉的意义 中国是世界上最大的耗煤与产煤国家。我国的煤炭资源丰富，由于历史与经济等方 面的原因，形成了我国以煤为主的能源格局。目前，我国的一次能源消费中，煤炭所占 的比例约为7 4 。随着水电的大力开发以及核电和新能源发电的增长，燃煤发电在今后 的比例肯定会下降。但是，我国煤炭储备量不仅占化石能源总资源的9 4 ，而且价格远 低于石油和天然气，因此，从我国资源条件来看，在未来较长时间内以煤为主的能源结 构和以燃煤电站为主的电源结构不会有很大的变化。因此，科学合理的使用煤炭资源是 电源结构优化升级的重要途径u 。 改革开放3 0 年来，我国的经济快速发展。随着人民生活水平的提高，环境污染也 达到了惊人的地步，生态环境严重恶化。随着人类对环境问题认识程度的逐渐加深，我 国面临的环境压力也越来越大。 导致我国环境恶化的因素很多，但是煤的利用是首当其冲。高硫煤所占比例高是我 国煤炭的一个重要特点，含硫在3 以上的高硫煤在我国煤炭储量中占2 0 左右，而且 越往深部开采，高硫煤会更多。近年来，燃煤电厂的s o 。年排放量都在以一个较快的幅 度增长，而s 0 2 是形成酸雨的重要原因。我国长江以南的众多省市已成为稳定的酸雨区。 环境问题对燃煤电站提出了新的、更高的要求，不仅要求要效率高、投资少、可靠性好、 燃料适应性广，更重要的是要能实现低排放。 循环流化床燃烧技术是近年来国际上新发展的一项洁净煤燃烧技术，在电力工业和 化工等方面得到广泛应用。它通过燃煤和脱硫剂的多次循环，反复进行低温燃烧和脱硫 反应，达到了燃料适应性强、燃烧效率高、污染控制性好和易于调节负荷等优点，在保 证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物的排放以满足目前的环保标准。 循环流化床燃烧技术的诸多优点使得该技术特别适合我国的国情。在我国目前环保 要求日益严格、电厂负荷调节范围较大、煤种多变、原煤直接燃烧比例高、国民经济发 展水平不平衡、燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，循环流化床锅炉已成首选的高效 低污染的新型燃烧技术儿“。 1 2 循环流化床锅炉的发展概况 流化床燃烧是介于层状燃烧和悬浮燃烧之间的一种燃烧方式，既克服两者的缺陷， 还保留了它们的优点，是一种很有竞争力和发展优势的洁净煤燃烧技术。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 常规流化床锅炉 德国人弗里茨温克勒于1 9 2 1 年建立了第一个小型流化床试验台，进行了流化 床技术的实验研究，并申请了专利。到2 0 世纪4 0 年代，流态化技术已广泛应用于 各工业领域( 如石油、化工、冶炼、粮食、制药等) ，并大大提高了其技术水平和 理论水平。 流态化技术真正用于煤的燃烧始于2 0 世纪6 0 年代。英国人道格拉斯埃利奥 特于2 0 世纪6 0 年代初与英国煤炭利用研究协会和煤炭局一起开发研究流化床燃煤 锅炉，几年之后第一台常规流化床锅炉( 即沸腾炉) 投入运行。1 9 6 5 年我国第一台燃 用油页岩的流化床锅炉也在广东茂名投产成功，并在全国得到迅猛发展。但常规流 化床锅炉存在一些难以解决的技术问题，这些问题主要有： 1 ) 当燃用宽筛分煤时，飞灰可燃物含量大，锅炉热效率低； 2 ) 床内布置的埋管受热面磨损严重； 3 ) 锅炉大型化受到限制。尽管炉内燃烧热强度大( 可达1 5 m w 吖) ，但要制造 一台4 0 0 t h 的流化床锅炉，炉床面积将要达到1 0 0i n 以上，给设备布置带来很大的 困难； 4 ) 采用石灰石脱硫时，石灰石的钙利用率低。如果脱硫效率达9 0 ，则钙硫比 c a s ( 摩尔比) 一般要在3 以上，即石灰石消耗量太大。 为解决上述问题，2 0 世纪8 0 年代初，国外在总结和研究流化床锅炉的基础上， 开发研制出了循环流化床锅炉。 1 2 2 循环流化床锅炉 通常把早期的流化床锅炉称作鼓泡床锅炉( 又称沸腾炉) ，即第一代流化床锅 炉，而循环流化床锅炉称作第二代流化床锅炉，两者既有联系又有区别。 1 9 7 9 年芬兰奥斯龙公司开发的热功率为1 5 m w 、由燃油改烧泥煤的循环流化床 锅炉在皮拉瓦建成并投入运行。由德国鲁奇公司开发的第一台燃煤循环流化床锅炉 于1 9 8 2 年在德国的鲁能投入运行，其热功率为8 4 m w 。美国拜特尔公司开发的2 5 t h 循环流化床锅炉于1 9 8 1 年投入运行。目前，循环流化床锅炉向大型化发电锅炉方 向发展的步伐十分迅速，世界上运行的最大容量循环流化床锅炉发电容量已达 4 6 0 m w 2 o 我国对循环流化床锅炉的研究和开发起步较晚。1 9 8 2 年开始循环流化床燃烧技 术的研究，1 9 8 8 年第一台3 5 t h 循环流化床锅炉在山东明水电厂投产。但近几年来， 国内在开发和研制循环流化床锅炉技术方面发展迅猛，已具备自主设计制造5 0 、 1 0 0 、2 0 0 m w 和3 0 0 m w 等级循环流化床锅炉的能力和业绩。其中，由西安热工研 究院开发、哈尔滨锅炉厂有限责任制造的首台2 1 0 m w 锅炉已于2 0 0 6 年7 月投入运 2 华北电力大学硕士学位论文 行，首台3 3 0 m w 循环流化床锅炉也于2 0 0 9 年1 月投入运行。在国家有关部门的主 持下，我国超临界6 0 0 m w 级循环流化床锅炉自主研制工作也正在积极进行中。 1 2 3 增压流化床锅炉 增压流化床锅炉的发展始于2 0 世纪7 0 年代初，2 0 世纪8 0 年代中期向示范电 站阶段过渡。目前世界上已投入运营的此类电站约有8 座，最大容量已达3 6 0 m w ， 技术也日益完善和成熟。增压流化床锅炉是当今发展起来的洁净煤利用技术之一， 具有很大的发展潜力。采用增压流化床燃煤联合循环( p f b c c c ) 具有效率高、环保 性能好、系统比较简单、占地面积小、可直接燃用原煤、煤种适应性广、运行方式 与常规燃煤电站接近等优点。 增压流化床燃煤联合循环根据燃烧室的类型不同，分为增压鼓泡流化床联合循 环和增压循环流化床联合循环。目前，前者为增压流化床燃煤联合循环实际应用的 主流，而后者将成为未来增压流化床联合循环发展的方向。在增压流化床燃烧技术 发展中，瑞典a b b 公司( 现为美国a a b c e 公司) 处于领先地位。 1 3 研究的目的和意义 1 3 0 4 5 0 t h 高温、高压循环流化床锅炉过热器系统一般分为三级布置和两级喷 水减温，三级布置分别为布置在尾部烟道的两级对流过热器和炉膛内布置的一级屏 式过热器。常规的过热器系统流程为：锅筒一汽冷式旋风分离器( 如果有) 一尾部烟 道低温对流过热器一一级喷水减温器一屏式过热器一二级喷水减温器一尾部烟道 高温对流过热器，如图1 - 1 。 根据壁温和强度计算选用的材料一般为：低温对流过热器下部为2 0 g ，低温对 流过热器上部为1 5 c r m o g ，屏式过热器为1 2 c r l m o v g ，高温对流过热器下部为 1 2 c r l m o v g ，上部为s a 2 1 3 t 9 1 。这种布置方式存在2 个缺点：一是蒸汽连接管道 需炉前、炉后引3 次，管道阻力损失大，布置困难，管道及支吊架成本高；二是各 级受热面温压设计不尽合理，总的金属耗量较大，使用材料规格较高。 而且高温过热器常规布置于尾部烟道上部、转向室出口处，进口烟气温度一般 为8 5 0 - - - 8 8 0 ；出口烟气温度一般为6 7 0 - - - 7 3 0 ；进口蒸汽温度一般为4 5 0 - - - 4 8 0 ； 出口蒸汽温度为5 4 0 。目前，国内几乎所有投运和在建的1 3 0 4 5 0 t h 高温、高压 循环流化床锅炉的高温过热器均采用逆流布置和蛇形管排。在此情况下，早期( 上 世纪9 0 年代中期) 的高温、高压循环流化床锅炉的高温过热器材料下部1 2 c r l m o v g ； 上部为钢研1 0 2 。但是，钢研1 0 2 在长期运行中暴露出不少问题，目前大多数用户已 不使用钢研1 0 2 。于是，高温过热器上部( 占高温过热器受热面积l 4 1 3 ) 不得不使 用价格极昂贵、加工工艺非常复杂的s a 2 1 3 t 9 1 ，从而使高温过热器的造价也大大 3 华北电力大学硕士学位论文 增加。 为合理使用高温过热器材料，降低高温过热器的造价，在这里提出了高温过热 器的优化布置方法，为循环流化床锅炉过热器系统的改造提供一定的理论基础。 1 4 本文的主要工作任务 图1 - 1 过热器结构布置图 本文首先介绍了循环流化床锅炉的工作原理和技术特点；接着对循环流化床锅 炉的布风装置、旋风分离器和回料器等主要部件的设计做了详细的介绍；阐述了循 环流化床锅炉热力计算的原理；然后对热力计算程序进行了编制，并且对程序的计 算结果进行验证；最后是利用开发的程序对常规的过热器布置方案和推荐的过热器 布置方案分别进行热力计算，并对此进行定量分析，提出高温高压循环流化床锅炉 过热器系统布置的优化方案。 本文的主要工作分为三部分：第一部分为利用可视化编程软件d e l p h i ，对循环 流化床锅炉热力计算进行可视化编程；第二部分为利用软件对相关锅炉进行设计演 算，将得到的数据与文献数据进行对比，进行研究分析；第三部分为利用开发的程 序对各方案进行热力计算，提出高温高压循环流化床锅炉过热器系统布置的优化方 案。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章研究对象的概况 2 1 循环流化床锅炉的工作原理 电站循环流化床锅炉的典型工作过程如下：煤在煤场经抓斗和运煤皮带等传输 后进入燃料仓，然后煤由燃料仓进入破碎机，并且被破碎成粒径小于6 m m 的煤粒 后加入炉膛。与此同时，脱硫剂石灰石也经石灰石仓进入炉膛，参与到煤粒的燃烧 反应过程。炉内温度由于受到脱硫最佳温度的限制，一般保持在8 5 0 左右。此后， 携带颗粒的烟气流出炉膛进入旋风分离器，烟气中的大量颗粒在旋风分离器中与烟 气分离。分离出来的颗粒既可以直接返回炉膛，也可以进入外置式换热器换热后， 再进炉膛参与燃烧过程。由旋风分离器分离出来的烟气则被引入锅炉尾部烟道，对 布置在尾部烟道中的过热器、省煤器和空气预热器中的工质进行加热，然后经布袋 除尘器由引风机排入烟囱流入大气h 儿训1 。 在汽水系统方面，给水由给水泵送入省煤器，在省煤器吸热后流入布置在炉膛 四周的水冷壁。工质在水冷壁中吸热汽化后流入位于布置在烟道中的过热器，在过 热器中工质被烟气进一步加热到规定的过热蒸汽温度和过热蒸汽压力。最后，工质 进入汽轮发电机组。 2 2 循环流化床燃烧技术的特点 应用于发电领域的常压循环流化床技术始于2 0 世纪7 0 年代，作为一项高效、 低成本的清洁燃烧，具有以下优点： 1 ) 燃料适应性广。按质量百分比计，在循环流化床锅炉中新加入燃料量仅占炉 内床料总量的5 以下，原有床料均处于高温灼热状态，而且气体与固体床料、各 种固体床料之间混合得非常好。大量灼热惰性床料的存在，使得循环流化床锅炉燃 烧过程非常稳定，新加入的燃料在进入炉膛后很快与大量高温床料混合，并很快被 灼热床料加热引燃，同时并不会对床温造成明显冲击。只要燃料本身燃烧后释放热 量大于加热燃料本身及燃烧所需空气达到着火温度所需的热量，就可以保证燃烧过 程的稳定( 与之相对，煤粉锅炉需要燃料在着火区域局部的释热远大于着火所需的 吸热，以保证燃烧火焰的稳定) 。所以，循环流化床锅炉设计燃料的适应性非常广， 既可以燃用烟煤、贫煤、褐煤和低发热量( 灰分大于6 0 ) 、低挥发分( 无烟煤) 常规 劣质燃料，也可以燃用煤泥、石油焦、矸石、生物质燃料等特殊劣质燃料，并且能 在3 0 额定负荷下实现不投油稳定燃烧。 2 ) 燃烧效率高。循环流化床锅炉中，由于分离器的存在，大量的颗粒在炉膛及 5 华北电力大学硕士学位论文 灰循环回路中循环燃烧，只有较细的颗粒从分离器逃逸成为飞灰，保证了即使粒度 很大的颗粒也能够在相对较低的燃烧温度下燃尽。随烟气逃离分离器的细颗粒形成 的循环流化床锅炉飞灰，其平均粒径一般只有1 0 3 毗m 左右，与煤粉炉飞灰粒径 相当甚至略低于煤粉炉，保证了循环流化床锅炉对细颗粒燃烧也可以获得与煤粉炉 相当的燃烧效率。因此，循环流化床锅炉燃烧效率高，对不同煤种燃烧效率均可达 9 7 - - 9 9 5 。 3 ) 高效脱硫。通常情况下，循环流化床锅炉的床温保持在8 5 0 , - , - , 9 2 0 。c 之间，过 高可能因床内结焦而破坏正常流化工况，过低则难保证必要的燃烧温度。而这一温 度范围正是脱硫反应效率最高的温度区间。加入l m m 以下的石灰石粉，在钙硫摩 尔比为1 5 - 2 5 以及适当的石灰石粒度分布下，就可以在炉内燃烧的同时，实现高 达9 0 以上的s 0 2 脱除率，系统远较常规煤粉炉尾部烟气脱硫( f g d ) 简单，投资成 本低，运行维护费用也大幅度降低。 4 ) n o x 排放量低。循环流化床锅炉炉膛内一般维持8 5 0 9 5 0 左右的燃烧温 度，低于燃烧化学当量的一次风从炉膛底部加入，析出的燃烧氮不能充分与氧反应 产生n o x ；二次风在炉膛底部还原区的上部加入，使过量空气达到2 0 ，燃烧氮已 转化为分子氮，在还原区以上形成n o x 的机会较小。因此，循环流化床锅炉n o x 的排放量远低于煤粉锅炉，其燃用常规燃料时n o x 排放一般在2 5 0 m g m j 以下。而 对于煤粉锅炉，n o x 排放浓度在4 0 0 - - 6 0 0 m g m ) 。 5 ) 燃烧强度大。其燃烧强度大概是煤粉锅炉的1 0 倍。 6 ) 负荷调节范围大。由于吸热控制容易并且截面风速高，所以循环流化床锅炉 的负荷调节快，低负荷时可降到满负荷的3 0 左右，负荷调节速度可达到5 1 0 m i n 。 7 ) 灰渣综合利用率。循环流化床燃烧过程为低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条 件使得锅炉的底渣含碳量低( 底渣可燃物小于5 ) ，属于低温烧透，易于实现底渣 的综合利用，如制造碾压水泥、路基材料、混凝土添加材料、酸性土壤中和剂以及 化学肥料等。对于循环流化床锅炉的飞灰，现在已经相继开发了土壤固化、路基、 建筑填料以及合成混凝土等用途。 此外，循环流化床锅炉还具有传热系数高、可以压火运行、不存在炉内和受热 面结渣、不会灭火放炮等优点，其他污染物如c o 、h c i 、h f 等的排放量低。 然而，也应当看到，虽然循环流化床技术具有一系列的优点，但由于其发展时 间尚短，相对煤粉炉来说技术不够成熟，发展过程中也暴露出一些问题，主要表现 在以下几个方面： 1 ) 烟风阻力大，厂用电率高。由于循环流化床锅炉独有的布风板、分离器结构 和炉内大量床料的存在，循环流化床锅炉烟风阻力比煤粉炉大得多，通风电耗也相 应较高。因此，虽然循环流化床锅炉没有磨煤机等大功率煤粉制备设备，一般认为 6 华北电力大学硕士学位论文 循环流化床锅炉厂用电率比煤粉炉高。同时，循环流化床配置的高压流化风机等大 功率设备也在一定程度上增加了厂用电率。当然，循环流化床锅炉厂用电率高，也 有相当部分是由于系统设计、选型( 主要是风机设备) 不合理所致。 2 ) n 2 0 排放高。流化床低温燃烧技术可有效低抑制n o x 和s 0 2 的排放，但是， 又产生了另一个环境问题，即n 2 0 排放的增加。n 2 0 俗称笑气，也是一种对大气臭 氧层有着非常强的破坏作用的有害气体，同时具有干扰人的神经系统的作用。近年 来的一系列研究结果表明，流化床低温燃烧产生的n 2 0 是很大的污染源，因此，循 环流化床锅炉燃烧温度不能选择过低，特别是低负荷运行时，也很有必要保持较高 的燃烧温度，以降低n 2 0 污染物的排放( 燃烧温度在8 8 0 0 以上时，n 2 0 的排放就 可以控制得比较低了) 。 3 ) 需大量敷设耐火浇注材料，建设运行维护成本高。循环流化床锅炉炉膛及物 料循环系统敷设大量耐磨耐火浇注料，增加了循环流化床锅炉的建设、运行、维护 成本和工作量。 需要注意的是，循环流化床的优点之一“燃料适应性广 是有针对性的，广 主要是体现在设计前的燃料选择上，而一旦设计燃料确定，在实际运行中应尽可能 与设计燃料一致，如果实际燃料与设计燃料差别太大，对锅炉的稳定运行有一定的 影响。此外，由于各种原因，我国循环流化床锅炉的灰渣未能得到充分利用，或者 只进行了一些低水平利用。 虽然存在这样那样的问题，但不管怎样，循环流化床锅炉燃烧技术仍然是一种 先进的洁净煤燃烧技术。我国煤炭资源的特点是难燃煤多，高灰、高硫煤比重大。 对于低发热量t 高灰分、中高硫分以及低挥发分劣质燃料( 如洗煤矸石、洗中煤、 无烟煤、褐煤) ，在火力发电领域，采用常规煤粉锅炉仍难以有效利用。循环流化 床锅炉作为清洁煤发电技术，可以有效利用这些劣质燃料，成为常规煤粉锅炉燃煤 发电技术十分有益的补充。因此，未来循环流化床锅炉仍将在我国发电技术领域得 到广泛应用，对该项技术的研究开发及完善也就十分必要。 2 3 循环流化床的主要类型及其结构设计特点 世界上各工业国家为了开发和完善循环流化床燃烧技术，在技术、人力和财力 等各方面都做了大量的投入，几个发达的工业化国家走在世界的前列。德国鲁奇 ( l u r g i ) 公司，芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司( 现已并入f w 公司) 、美国巴特尔( b a t t e l l e ) 研究中心、美国福斯特惠勒( f o s t e rw h e e l e r ) 等公司是目前国外主要的开发研制单 位和生产厂家。随着循环流化床锅炉的发展，出现了一系列具有不同结构特点和运 行参数的循环流化床锅炉，但从循环流化床锅炉设计结构特点上主要分为以下几种 型式 2 o 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 。1 鲁奇( l u r g i ) 型循环流化床锅炉 鲁奇公司是世界上最早开发循环流化床锅炉的公司之一。公司经过长期大量的 生产和试验，循环流化床技术逐步形成了自己的特色，在循环流化床锅炉研究和设 计上已处于领先地位。八十年代末使用鲁奇( l u r g i ) 循环流化床技术的锅炉已达4 0 多台，最大容量的循环流化床锅炉为7 0 0 t h 。 鲁奇循环流化床锅炉的主要特点是： 1 ) 循环系统内设置了外置鼓泡床换热器和主床燃烧室，并且在主床的上部布置 了少量的屏式受热面，在外置换热器和对流烟道中布置了再热器和过热器受热面， 炉膛温度和蒸汽温度的控制通过调节燃料量和经过外置换热器的热灰流量来完成。 2 ) 由于燃料特性的差异，循环流速也不尽相同，一般在4 9 - - 9 m s 之间，烟气 在炉膛出1 3 的固体物料含量在5 - - 3 0 k g m j ，而相应的循环倍率在3 0 - - 4 0 以上。 3 ) 使用分段送风的燃烧方式，从布风板下部把一次风送入燃烧室，从布风板上 部一定高度把二次风送入炉膛，一二次风量比大概为4 ：6 ，过量空气系数a = 1 1 5 1 2 5 ，这样可以在燃烧室下部的密相区形成低氧燃烧的还原气氛；而在二次风口的 上部形成富氧燃烧的氧化性气氛，通过合理的调配一、二次风比，不仅可以维持较 理想的燃烧效率，而且可以有效地控制n o x 的生成量。 4 ) 高温旋风分离器布置在炉膛出口，入口烟温大概在8 5 0 左右。分离器内衬 耐火和防磨衬里，采用钢架结构，分离效率可达9 9 。 5 ) 负荷调节比为3 ：1 或4 ：1 ，负荷变化率为5 m i n ，特别在低负荷工况的优势 显而易见。 6 ) 鲁奇循环流化床锅炉在运行的经济性、机动性、排放技术以及燃料的适应性 等方面都有着良好的业绩。但是鲁奇循环流化床锅炉的系统结构比较复杂，厂用电 非常高，磨损问题也比较严重，与其他类型循环流化床锅炉相比投资最高。 2 3 2 百宝炉( p y r o f io w ) 型循环流化床锅炉 百宝炉最开始由奥斯龙( a h l s t r o m ) 生产，在世界各地遍布着各种容量的百宝炉 达到1 2 0 多台。奥斯龙公司在7 0 年代初就投入了大量的人力和财力来专门从事开 发适合各种燃料的循环流化床燃烧技术，并且建有大型的试验站，八十年代末生产 的循环流化床锅炉最大容量为4 2 0 t h 。 百宝炉循环流化床锅炉的特点： 1 ) 没有设置外置式换热器，循环流化床锅炉主要部分包括：燃烧室、高温旋风 分离器、对流烟道、回料器等。 2 ) 燃烧室由上下两部分组成，下部包括：水冷壁延伸部分、耐火砖衬和钢板外 壳；上部炉膛四周为膜式水冷壁，在炉膛顶部或尾部烟道上方布置一、三级过热器， r 华北电力大学硕士学位论文 炉膛中部布置由钢管制作的二级过热器，这是百宝炉型循环流化床特有的设计结 ， 构。 3 ) 使用高温旋风分离器，入口烟温最高可以达到9 5 0 。c 。分离器的布置方式非 常的灵活，既可以布置在炉前或炉两侧，也可以布置在炉膛与尾部烟道之间，一般 采用高循环倍率，分离效率可达9 9 。 4 ) 一、二次风量比大概为1 ：1 ，燃料不仅可以在炉膛的下部区域燃烧，而且会 随着气流上升，整个炉膛都可用来燃烧，烟气温度沿水冷壁高度方向比较均匀。在 低负荷时，随着物料循环量的减少，燃烧主要集中在炉膛的下部区域，并且逐步过 渡到鼓泡床运行方式。 5 ) 负荷调节比为3 ：1 或4 ：1 ，负荷变化速率在升负荷时为7 m i n ，降负荷时为 1 0 r a i n 。 6 ) 锅炉本体布置结构比鲁奇公司的循环流化床锅炉紧凑，耗钢量少得很多，厂 用电也少得很多。从投运的几十台炉子统计来看，百宝炉型循环流化床的各项运行 指标都达到了令人满意的水平，可用率也高达9 8 。 因此，百宝炉型循环流化床市场占有率最高，在世界上享有较高的信誉，但该 炉型也有缺点，主要包括： 1 ) 对于由钢管制造的二级过热器工艺难度太高，稍有缺陷，很容易磨损。 2 ) 对于采用高温旋风分离器的小容量机组来说成本较高，从而使整个的装置造 价成本提高。 3 ) 一般的机械分离装置很难扑集小于分离器切割直径的飞灰粒子，如果采用 袋式除尘或电除尘等装置，造价又相对较高。 2 3 3 福斯特惠勒( f o s t e rw h e e ie r ) 型循环流化床锅炉 美国f w 公司是美国三大锅炉公司之一，制造锅炉的历史已经有百余年了，在 生产循环流化床之前，就有多年生产流化床锅炉的经验。该公司认为他们开发的循 环流化床锅炉是在鼓泡床技术上的自然延伸和发展，同时具有煤粉炉、鼓泡床与循 环流化床的长处，设计生产出的循环流化床锅炉别具特色。 f w 循环流化床锅炉的主要特点是： 1 ) 使用汽( 或水) 冷旋风分离器，不仅可以起到分离作用，还可以是加热部件， 涂有耐热防磨衬里的分离器壁面由膜式鳍片管制成，其厚度大概在5 0 , - 一7 0 m m ，仅 是百宝炉和鲁奇型循环流化床锅炉分离器衬里壁厚的1 5 1 6 ，冷炉启动速度非常 快，适合于变负荷运行。 2 ) 带有整体化循环物料换热床( i n t r e x ) ，可以多布置受热面，有利于炉子大 型化。 9 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 分离器外壳的水冷壁或汽冷壁与锅炉水循环系统或过热器系统相连，分离器 整体在结构上和热膨胀方面与锅炉为一体，这样一来可充分利用空间来布置受热 面，简化和减少了高温管道和热膨胀点，降低造价和设备维修费。为有效降低辐射 热损失，水冷( 或汽冷) 壁外壳可采用标准的绝热材料和外护板，这样既可以减少设 备重量，简化支吊系统，也可节省安装时间和成本。 4 ) 回料系统采用一个工作速度很低的j 型阀，j 型阀可使物料在流化中利用虹 吸效果自动排入主床或i n t r e x 。循环物料量靠回料系统的溢流量来调节，这种系 统不仅具有自平衡功能，还可以充当旋风分离器与主床之间的密封。 5 ) 炉膛截面沿高度没有变化，炉膛中没有安装任何对流管屏，因此，磨损问题 小，寿命长。 随着循环流化床燃烧技术的发展，各种类型的循环流化床锅炉也在不断的改进 和完善之中，并且向着大型化、高参数方向发展儿“。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 布风装置 第三章循环流化床锅炉主要部件的设计 c f b 锅炉的布风装置如图3 1 所示，布风装置一般由布风板和风室组成。 3 1 1 布风板 图3 - 1 布风板装置结构 布风板位于炉膛底部，将风室和炉膛分开，使一次风在穿过布风板能均匀进入 炉膛，对颗粒均匀流化，并将固体颗粒限制在炉膛布风板上，对固体颗粒起支撑作 用。布风板基本结构为膜式水冷壁结构，鳍片上设有风帽，空气由风室经风帽上的 小孔以较高流速进入炉膛n0 1 。 水冷布风板应有足够的强度以支撑床料重量，特别是正常运行的c f b 锅炉一次 风机突然跳闸时，落到布风板的床料可达近百吨重，因此结构设计时常采用较大直 径的厚壁管，如某台1 3 5 m wc f b 锅炉水冷布风板的管子规格为f8 2 5 x 1 2 5 m m ，节 距为2 7 0 m m ，材料为1 5 c r m o 。 布风板的面积在设计中根据一次风量及运行风速确定，据此计算布风板有效面 积，即： 瓦，；q ( 2 7 3 + 0 b ) x 1 0 1 3 2 5 ( 3 - 1 ) u l 2 7 3 x wp m 式中瓦，一布风板有效面积，m 2 ；q 1 一标准状况下通过布风板的一次风量，m 3 s ； 华北电力大学硕士学位论文 吃一床温，：吃布风板处的流化速度，m s ；珊一布风板上的压力，k p a 。 布风板的截面积确定后，还应确定布风板的宽度和深度尺寸，宽度通常取炉膛 的宽度，然后用除以宽度即可确定深度尺寸。 布风板上的风帽可按正三角形或正方形布置。风帽之间的空隙不宜过大，以免 形成死滞区，造成床料沉积，发生局部结焦。风帽间距一般应为： s s d ，+ ( 4 0 - - - 8 0 ) ( 3 2 ) 式中s 一风帽间距，一般为水冷壁节距，m m ；d r 一风帽外径，m m 。 为避免布风板受热面弯曲变形，水冷板或支撑板必须有一定厚度的耐火保护 层。保护层厚度根据风帽高度而定，一般为1 0 0 - - 2 0 0 m m 。风帽插入水冷板以后， 水冷板自下而上敷设耐磨耐火层，直到距风帽小孔中心线以下1 5 一- 3 0 m m 处。这一 距离不宜超过3 0 r a m ，否则运行中容易结焦，但也不宜离风帽小孔太近，以免堵塞 小孔。 3 1 2 风帽 循环锅炉采用的风帽有许多种形式，典型结构有钟罩式、t 型、猪尾形及定向 风帽等。钟罩式风帽是以上几种风帽中实际使用效果最好的，德国e v t 公司最早开 始使用该型风帽。 钟罩式风帽由外罩和内管两部分组成，其设计原理是在外罩的下端采用足够大 的孔，而在内管的上端采用小孔结构，风帽的压降主要是产生在内管的小孔上，使 得布风板具有合理的阻力特性。 钟罩式风帽的迷宫式结构可有效防止床料漏入风室，风帽采用耐热钢精铸而 成，材料一般为z g 8 g r 2 6 n i 4 m n 3 n 或z g 4 0 g r 2 5 n i 2 0 。风帽外罩厚度为8 m m ，外罩 内径与内管外径的间隙不小于1 0 m m 。 3 1 3 布风板阻力 为使整个布风板截面上布风均匀，布风板应有足够大的阻力。根据经验，布风 板阻力与料层阻力的比值户是设计的重要参数，其值为0 4 - - 0 5 时可使布风板具有 合适的阻力特性，即 卢= 鲁 ( 3 - 3 ) 式中声一阻力比；卸6 ，一布风板阻力，p a ；瓴一料层阻力，p a 。 布风板的阻力特性还应保证锅炉在最低负荷时大于2 k p a ，布风板阻力可表示为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 a p v ；譬 ( 3 - 4 ) 力，p a ；一布风板阻力系数，由试验确定；以一气体密度， 孔速度。 在热态流化状态下，料层阻力可以用下式计算，即 瓴- h ，p , 0 一，) g ( 3 - 5 ) 式中瓴一料层阻力，p a ；h ，一流化状态下的料层高度，一般可取为静止料层高度 的2 倍；砟一床料的表观密度，姆朋3 ；，一床层孔隙率，可取，2 0 6 5 0 8 5 。 3 1 4 风室设计 风室的作用是尽可能均匀地将空气分布于布风板下，为一次风在进入布风板前 提供一个空气稳压区。中、小型c f b 锅炉通常将风室设计成等压风室，其特点是风 室具有倾斜的底面，如图3 2 所示，可使风室内的静压沿深度分布较为均匀，在垂 直方向的风速相等。 图3 - 2 等压风室 风板 倾斜底面距布风板的最短距离( t o 称为稳压段，其高度一般不小于5 0 0 m m ，底 边倾角一般为8 。 - - 1 5 0 ，布风板的有效截面积与风室的水平截面积相等。为了使风 室具有更好的均压效果，消除进口风速对气流速度分布不均匀性的影响，气流在风 室的上升速度不应超过1 5 m s ，进入风室的气流速度应低于l o m s 。 由于大型循环流化床锅炉多数采用床下点火启动方式，因此风室一般设计成膜 式水冷壁结构。风室四周均由水冷壁管延伸后构成，在水冷管之间用鳍片密封。水 冷风室的管子上焊有销钉，并敷设一定厚度的绝热耐火层u 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 气固分离器 3 2 1 气固分离器原理 气固分离器是循环流化床锅炉的关键部件之一，其分离效率的高低是建立稳定 循环的关键，其阻力的大小对锅炉的动力消耗有着重要影响。如果分离器结构设计 不合理，将会直接影响固体颗粒的稳定和连续循环，导致锅炉燃烧效率的脱硫效率 下降，尾部受热面磨损加剧，影响锅炉的安全可靠性。 理想的气固分离器设计应当保证其最小分离粒径小于一次通过炉膛可燃尽粒 径值。这样设计的分离器，就能保证飞出炉膛且不被分离器收集的细颗粒能够一次 燃尽，而不能一次燃尽的较粗颗粒能被收集而循环燃烧，从而也能达到燃尽的目的。 除旋风分离器外，循环流化床锅炉的气固分离器还有许多形式，如u 形槽、百 叶窗等均主要是利用惯性原理进行气固分离。与旋风分离器相比，惯性原理的气固 分离器结构简单，布置容易，但分离效率较低，只适用于小型c f b 锅炉。 循环流化床锅炉的大型化发展已证明，工业中应用广泛且性能最可靠的气固分 离器是旋风分离器。循环流化床锅炉旋风分离器与一般工业锅炉旋风分离器的区别 是：处理的烟气量大，烟气所携带的固体颗粒浓度较高，分离器工作温度高。根据 旋风分离器的工作温度可以将其分为高温分离器( 8 0 0 - - 一9 2 0 c ) 和中温分离器( 4 0 0 - 6 0 0 。c ) ；根据冷却方式可分为汽冷式以及内衬耐磨耐火衬里的绝热旋风分离器。 3 2 2 旋风分离器 绝热旋风分离器是根据分离器的传统理论来设计的，由钢板外壳、内衬耐磨耐 火材料组成。目前循环流化床锅炉中应用最多的分离器结构是绝热旋风分离器，其 优点是技术成熟，便于制造和安装，造价也相对较低；缺点是分离器耐磨耐火材料 衬里较厚，导致冷态启动时间长，通常要8 h 以上。 绝热旋风分离器由于重量大，无法采用悬吊结构，一般在分离器简体直段底端 支撑，与采用悬吊结构的炉膛的热膨胀方向相反，膨胀差较大，需要采用膨胀量大 的非金属膨胀节吸收膨胀差。 对于无烟煤等难燃煤种，绝热旋风分离器内部的燃烧会使c o 等可燃物进一步 燃尽，有利于提高燃烧效率，设计时可根据经验对分离器内温升给予正确的预测， 并限制分离器出口烟温。运行时应注意控制分离器内的温升，以防止温度过高产生 局部结焦1 引。 美国f w 公司开发的汽冷旋风分离器如图3 3 。汽冷膜式壁管组成了分离器的 外壳，销钉在膜式壁的曲面上固定一层厚度为5 0 r a m 的耐磨可塑料，约l o o m m 的 保温层覆以膜式壁和金属外壳之间，使金属外壳温度降至5 4 。c 以下。这样既可以减 1 4 华北电力大学硕士学位论文 少热惯性大的耐磨耐火材料的用量，又可以缩短启停时间。 “ 勰耩秘龙瓣辫 图3 - 3 汽冷旋风分离器 汽冷旋风筒吸收的一部分热量可作为过热器系统的初级过热器，分离器内的物 料燃烧和换热后温度不