（热能工程专业论文）影响循环流化床锅炉燃烧效率的因素分析及其锅炉改造.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃烧强度大、污染物排放低、灰渣可综 i 问用以及负荷调节范围大等优点，在我国得到了迅速发展。但是目前我国仍有 孺分循环流化床锅炉，尤其是中、小型锅炉存在燃烧效率低、飞灰含碳量高、锅 p 蒸发量达不到设计值、经济性差等问题。厂、厂 蕾本文讨论了影响缰墅堕型塑重我燮j i ! 壁的因素：燃煤特性与粒径分布影响 1 环流化床锅炉的设计及运行；燃烧室受热面布置决定了锅炉各部分的燃烧温度 赫燃烧份额；物料循环影响床内颗粒浓度分布、传热特性、锅炉负荷调节：床温、 料层厚度和床料粒径分布影响燃煤在炉内的燃烧速率。并结合实际运行的循环流 眦床锅炉予以证明。 ： 然后介绍了循环流化床技术在锅炉改造中的应用，重点分析了大冶电厂4 0 娟 循环流化床锅炉和南阳电厂3 5 t h 循环流化床锅炉存在的问题及原因。提出了改 造措施。f 改造后的运行结果表明：这些改造措施是有效的，显著提高了锅炉的燃 i 烧效率，降低了飞灰含碳量，一 i最后介绍了其它降低飞灰含碳量的措施， 括飞灰底饲回燃和除尘灰再循环 _ 燃烧技术。重点讨论了飞灰成型技术。利用一定粘结剂将含碳量较高的飞灰加工 f 成型再送入炉内燃烧，可有效提高燃烧效率。对成型飞灰颗粒进行了燃烧试验， 建立了单颗粒成型飞灰燃烧的数学模型，得到了理论解。试验结果及模型解均表 明成型颗粒燃烧5 分钟左右，可燃物基本燃烧完全。广卜一 关键词：循环流化床煤的粒径分布飞灰成型燃烧模型 孙仞l 到蚕v 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c f b ( c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d ) c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y h a s m a n y a d v a n t a g e s ，s u c h a se x c e l l e n tf u e l f l e x i b i l i t y , h i g h c o m b u s t i o n e f f i c i e n c y , l o w p o l l u t a n te m i s s i o n ，c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o ft h ea s hr e s i d u ea n d l a r g e l o a d t u r n i n g d o w nr a n g e s oi tw a sd e v e l o p e dq u i c k l yi no u rc o u n t r y h o w e v e r ，i ns o m e c f bb o i l e r s ，e s p e c i a l l yi ns m a l lo rm i d d l ec f bb o i l e r s ，t h e r ea r es o m ec o l n m o n p r o b l e m s f o re x a m p l e ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi sl o w , t h ec a r b o nc o n t e n to f f l ya s h i s1 1 i g h t h el o a dc a l l tr e a c ht h ed e s i g nv a l u ea n dt h ee c o n o m i cb e n e f i ti sl o w f i r s t l y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c t so nt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo fc f b b o i l e r s t h ef u e lc h a r a c t e r i s t i ca n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni n f l u e n c et h ed e s i g na n d t h e o p t i m a lo p e r a t i o no f t h e b o i l e r t h ea r r a n g e m e n to f t h eh e a t i n gs u r f a c ed e t e r m i n e s t h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n df r a c t i o na l o n et h ef l a l r k a c e h e i g h t t h ea m o u n to f r e c y c l e df l ya s ha f f e c t st h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na l o n et h ef u r n a c eh e i g h t ，h e a t t r a n s f e ra n dl o a da d j u s t i n g t h eb e dt e m p e r a t u r ea n db e dm a t e r i a ld e p t ha sw e l la s p a r t i c l e ss i z ed i s t r i b u t i o na l s oa f f e c tt h ec o m b u s t i o n r a t e w h a t sm o r e ，s o m e p r a c t i c a l c f bb o i l e r sp r o v et h e s e t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fc f bt e c h n o l o g yi nr e b u i l d i n gc f b b o i l e r s t h ep r o b l e m sa n dt h er e a s o n so f t w oc f b b o i l e r s ，a4 0 t hc f b b o i l e ri nd a y e p o w e rp l a n ta n da3 5 t hc f bb o i l e ri nn a n y a n gp o w e r p l a n t ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l t h er e b u i l d i n gm e a s u r e sa r ei n t r o d u c e d t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e m e a s u r e m e n t sa r ee f f e c t i v e ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi si n c r e a s e da n dt h ec a r b o n c o n t e n to f f l ya s hi sd e c r e a s e d f i n a l l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h eo t h e rt e c h n i q u e st or e d u c et h ec a r b o nc o n t e n to f f l ya s h ，i n c l u d i n gt h ef l ya s hg a t h e r e db ye l e c t r i c a lp r e c i p i t a t o rr e c y c l ec o m b u s t i o n t h ep a p e r s u g g e s t sa d d i n gs o m eb o n dt o t h ef l ya s h 、v i t l lh i 曲c a r b o nc o n t e n t ， m o l d i n gt h e mi ns p h e f i c i t y o ro t h e ra p p r o p r i a t es h a p e s ，a n df e e d i n gt h e mi n t ot h e f u r n a c ef o rc o m b u s t i o n t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dc o m b u s t i o nt e s t i n go ft h e s h p e r i c i t yf l ya s hc a r b o np a r t i c l e sa r e i n t r o d u c e d t h e nt h ec o m b u s t i o nm o d e lo f t h e s e p a r t i c l e si s s e tu p t h er e s u l ti n d i c a t e st h e s ep a r t i c l e sc a nc o m b u s te n t i r e l yn e a r l y5 i i 华中科技大学硕士学位论文 m i n u t e s k e y w o r d s ：c f bc o a ls i z ed i s t r i b u t i o n m o l d e d f l ya s hc o m b u s t i o nm o d e l 1 1 1 华中科技大学硕士学位论文 1 1 我国的能源和环境现状 1 绪论 我国能源资源丰富，其中煤炭资源的经济可开采储量为6 2 2 亿吨，居世界 第三位；水利资源可供开发的储量达3 7 9 亿k w ，占世界第一位；已探明的核能 资源储量相当于1 5 7 5 亿吨标准煤。但人均能源资源占有量只有世界人均占有量 的1 2 ，仅为美国人均占有量的1 1 0 “1 。 在化石燃料构成中，煤炭资源占9 5 4 。石油占3 3 ，天然气占1 3 。 煤炭资源分布不均，东北、华北、西北地区煤的储存量多，煤的灰分、硫分低， 热值高，煤质好。”；华东、华南、西南地区煤的储藏量较少，煤的灰分、硫分 高，热值低，煤质较差，其中含硫量大于2 的高硫煤占2 5 左右。并且人均占 有量低，我国人均煤炭能源占有量只有2 3 3 4 吨，而美国人均煤炭资源占有量为 1 0 4 5 吨，世界人均煤炭资源占有量为3 1 2 7 吨。从人均能源占有量和人均煤 炭占有量来看，我国是个能源资源十分贫乏的国家。 在我国一次能源消费结构中，煤炭占7 5 ，而用于发电的煤量仅占总煤量的 3 5 ，其它煤炭则用于工业及民用燃烧。有8 4 的煤炭直接燃烧，这种煤炭消费 构成是很不合理的。煤产量的7 0 用于电站锅炉、工业锅炉和窑炉。全国中、 小型工业锅炉约有5 0 万台，年耗煤4 0 01 i l t 以上，平均单炉容量2 4t h ，布局 分散，9 0 以上为效率低下、污染严重的旧式层燃锅炉。锅炉热效率很低，平均 仅为5 0 一6 0 ，资源浪费很大。 一方面资源没有得到高效利用，另一方面，在资源的利用中又存在环境污 染和生态破坏的严重问题。大量燃煤造成严重的煤烟型大气污染，尤其是在能源 消费集中的大中城市，污染更加严重。约7 0 的粉尘，9 0 的s 如，7 0 的n o 。 7 1 c 0 ，4 3 c 。h ，和8 5 的c 0 z 来自于煤的燃烧。1 。据2 0 0 0 年环境状况公报介 绍，在统计的3 3 8 个城市中，3 6 5 的城市达到国家空气质量二级标准，6 3 5 的城市超过国家空气质量二级标准，其中超过三级标准的有1 1 2 个城市，占监测 城市的3 3 1 。总悬浮颗粒物( t s p ) 或可吸入颗粒物( p m l 0 ) 年均值超过国家 二级标准限值的城市占统计城市的6 1 6 。2 0 7 的城市二氧化硫浓度年均值超 华中科技大学硕士学位论文 过国家二级标准限值，氮氧化物污染较重的多为人口超过百万的大城市。】。 中国环境保护总局公布的2 0 0 0 年中国环境状况公报主要污染数据见表1 1 。 由表可知，中国目前环境污染仍比较严重，部分地区二氧化硫污染较重，少数大 城市氮氧化物浓度较高，酸雨区面积约占国土面积的3 0 。监测的2 5 4 个城市中， 1 5 7 个城市受酸雨危害，占6 1 8 ，其中9 2 个城市年均p h 值小于5 6 ，占3 6 2 【2 1 。 表1 1 中国环境现况( 2 0 0 0 年中国环保总局公报) 。 环境名称2 0 0 0 伍 1 大气污染 ( 1 ) 烟尘总排放量，帆 1 1 6 5 工业烟尘排放量，m t9 5 3 ( 占总排放8 1 8 ) ( 2 ) 工业粉尘排放量，m t l o 9 2 ( 3 ) s o 。总排放量，m t 1 9 9 5 工业s 0 2 排放量，m t1 6 1 2 ( 占总量的8 0 8 ) ( 4 ) n o 。城市n o 。年均值，ug m a 4 5 北方城市 4 9 南方城市 4 1 2 酸雨，p h 4 1 0 7 0 0 其中： 5 6 占3 6 2 s l i 邕 一 ： 堡 1 ， 剽 矗 三 。_ 正“ 1 一炉膛 2 一汽冷旋风分离器 3 一过热器 4 一再热器 5 一省煤器 6 一j 型阀 7 i n d e x 8 一固体粒子回送通道 图1 3f w 型循环流化床锅炉结构简图 华中科技大学硕士学位论文 表1 2 国外公司循环流化床锅炉技术特点 公司c f b b 燃烧技术特点 s t u d s v i k ( 瑞典)u 形分离器 l u r g i ( 德国) 高温旋风分离器，外置式流化床换热器 f w ( 美国)汽冷旋风分离器，整体式再循环热交换器 l u r g i c f b b ，c i r c r o f l u i d c f b b ， l l b 中温旋风分离器 大容量锅炉类似l u r g i 型 s t e i n m u l l e r 小容量锅炉内有斜槽钢惯性分离器 目前由法国s t e i n 公司生产的单机最大容量2 5 0 m w 循环流化床锅炉已成功投 入运行；美国f w 公司正在开发7 8 0 t h 循环流化床锅炉，为波兰提供的2 台2 3 5 m w 机组的循环流化床锅炉正在调试；a b b c e 正在设计1 5 0 0 t h 的循环流化床锅炉， 为韩国电力公司提供的2 台配单机容量2 2 0 m w 的循环流化床锅炉预计今年投入运 行州。 1 3 2 我国循环流化床技术的发展概况 我国循环流化床锅炉起步较晚，不过发展迅速。国家将c f b 锅炉大型化作为 “八五”及“九五”重点攻关项目，并已完成了1 2 5 m w 级循环流化床锅炉的研究： 许多省区，如四川、广东、辽宁、湖北等都已经或正准备引进大型循环床锅炉( 如 四川内江引进的p y r o f l o w 型i o o m w 循环床锅炉已投入商业运行) ；许多锅炉厂， 如东方锅炉厂、上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等以各种方式和国外厂家合作，引进 技术研制大型循环床锅炉，如东方锅炉厂引进美国f w 公司技术生产的2 2 0 t h 汽 冷旋风分离型循环床锅炉已投入商业运行；许多大专院校、科研院所也正开展循 环床锅炉大型化的理论和关键技术研究。 近十年来，我国循环床锅炉的发展取得了可喜的进步。目前已形成具有中国 特色的三种典型循环床锅炉技术，它们分别是由清华大学与有关锅炉厂开发的异 型水冷分离循环床锅炉、中科院工程热物理所与有关锅炉厂开发的百叶窗加旋风 两级分离循环床锅炉、以及由华中科技大学与有关锅炉厂开发的下排气旋风分离 循环床锅炉。这三种循环床锅炉的共同特点是锅炉结构紧凑，呈典型的r i 形布置， 华中科技大学硕士学位论文 未采用冷灰床；此外，都没有采用国外普遍采用的高温上排气旋风分离器，而使 用了它们各具中国特点的分离器。 1 异形水冷分离循环流化床锅炉 异形水冷分离循环床锅炉( 见图1 4 ) 是在平面流循环床锅炉的基础上，吸收并发 展了国外方形水冷分离技术而开发的，是具 有自主知识产权的技术。分离器为高温型， 截面形状为方形，进口采用了独特的加速段 结构，有效地提高了分离性能。异形水冷分 离器由燃烧室后墙与两侧墙水冷壁构成，与 锅炉整装成一体。这种锅炉结构紧凑、整体 膨胀性能好、分离器分离效率较高、锅炉运 v i l * “ 翘 笔毋& l 篆 _ _ 口 。 b门 蔓 髯 道 i 爿 f i r 矗1 图1 5 两级分离器c f b b 2 两级分离循环床锅炉 百叶窗加旋风两级分离循环床锅炉( 见图 1 5 ) 主要特点是在燃烧室出口采用百叶窗分离 器，实现物料的第一级循环，然后在省煤器之 间或之后采用旋风分离器，实现物料的第二级 分离循环。这种锅炉整体结构也比较紧凑，但 分离系统较复杂，容易出现百叶窗磨损等问题。 目前7 5 t h 级已投入运行。但是，大型化有困 难。 3 下排气旋风分离循环床锅炉 下排气旋风分离循环床锅炉如图1 6 所示， 采用了向下排气的旋风分离器，布置在n 形锅 炉的水平烟道与尾部竖井烟道之间的转向室。这种分离器多采用中温分离，过热 器布置在分离器之前，过热器实际上起到了外部流化床热交换器的部分作用。其 优点是：分离效率高，压力损失小，使锅炉呈典型的兀形布置，锅炉结构紧凑， 系统简单。对大容量锅炉，可采取尾部、水平烟道包覆水冷壁与分离器整装，对 华中科技大学硕士学位论文 锅炉大型化和整体膨胀性能等更有优越性。这种锅炉采用了华中科技大学的专利 技术，对于1 - i 形布置的煤粉锅炉的技术改造也非常适宜。目前7 5 t h 级已投运， 正向更大容量发展。 1 一燃烧室 2 一高温过热器 3 一低温过热器 4 一省煤器 5 一空气预热器 6 一下排气旋风分离器 7 一流化密封送灰器 8 一布风系统 9 一给煤装置 图1 6 下排气分离器c f b b 除了以上三种具有中国特色的典型循环流化床锅炉外，国内还有中科院工程 热物理研究所与济南锅炉厂开发的高温旋风分离器循环流化床锅炉，哈尔滨工业 大学与北京b w 锅炉公司开发的槽形分离器循环流化床锅炉，东方锅炉厂引进 f w 技术生产的汽冷旋风分离器循环流化床锅炉，以及哈尔滨锅炉厂引进 p y r o f l o w 技术生产的高温旋风分离器循环流化床锅炉等。 1 4 课题的来源、提出与本文的主要工作 本课题来源于电厂中的实际项目。循环流化床锅炉具有很多优点，在我国中 小型电站锅炉及工业锅炉中应用较多，取得了良好的经济、社会、环境效益。但 是也存在一些问题，如锅炉蒸发量不足，燃烧效率达不到设计值，飞灰含碳量高， 床层或返料器易结渣，受热面磨损严重等。如贵州某厂2 5 t h 循环流化床锅炉飞 灰含碳量为2 3 8 5 ：嘉鱼电厂3 5 讹循环流化床锅炉床层温度一般在9 0 0 1 0 0 0 间，而炉膛出口温度只有7 0 0 左右，燃烧不稳，操作困难，飞灰含碳量高达 3 5 以上；宜昌一台循环流化床锅炉飞灰含碳量为2 1 4 1 ；郑州某煤气公司流 化床煤气发生炉飞灰含碳量为2 4 7 1 ，等等。造成这一现象的原因是多方面的， 华中科技大学硕士学位论文 在本文中主要分析了煤的热值及煤的粒径、燃烧室受热面布置、物料循环、床温 以及料层厚度对飞灰含碳量及燃烧效率的影响。 本文以大冶电厂4 0 t h 循环流化床锅炉和南阳电厂3 5 t h 循环流化床锅炉为 例，分析了其存在的问题和影响燃烧效率的原因，提出了改造措施，实践证明这 些措施是有效的。并根据实际操作，给出了循环流化床锅炉冷、热态试验步骤、 结果以及锅炉操作过程中应注意的问题，对实际锅炉调试和操作有一定指导意 义。 最后本文介绍了飞灰底饲回燃和除尘灰再循环燃烧技术，均有效降低了飞灰 含碳量，提高了燃烧效率。并重点介绍了飞灰成型技术。利用一定的粘结剂与除 尘灰混合 j l q - 成型，再送入炉内循环燃烧，可充分利用飞灰中未燃烬的炭，从而 提高燃烧效率，降低煤耗。 1 5 本章小结 本章阐述了我国的能源利用和环境现状，着重讲述了循环流化床燃烧技术的 特点和在国内外的发展概况。指出了国内循环流化床锅炉发展出现的一些问题， 并提出了本课题的来源和本文所做的主要工作。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 影响循环流化床锅炉燃烧效率的因素分析 燃料在循环流化床中的燃烧是锅炉内所发生的最基本而又最为重要的过程。 它涉及到流动、传热、化学反应及若干相关的物理化学现象。因此影响燃烧效率 的因素是多方面的。本章将重点讨论其影响因素。 2 1 燃料特性及粒径分布 2 1 1 燃料特性对c f b 锅炉燃烧效率的影响 燃料特性对循环流化床锅炉的设计和运行会有很大的影响。燃料的灰分增 加，其他成分不变时，锅炉效率会减少。因为随着燃煤灰分的增加，煤的热值将 降低，在同一传热量下的，给煤率增加，会产生更多的床料，随着床料的增加， 排渣量和排灰量也成比例增加，从而增加了排料的热损失，降低锅炉效率，如图 2 1 ，2 2 所示【1 3 】【4 l 。 燃煤灰分， 图2 1 灰分对给煤率的影响 燃煤灰分( ) 图2 2 燃煤灰分对锅炉效率的影响 煤的水分对煤的热值以及生成的烟气量都有影响。随着水分增加，煤的热值 减少，烟气产生量增加，将增加排烟损失。并且烟气容积变化，将会改变炉膛内 的气动力特性。图2 3 和2 4 给出了燃煤水分对烟气量和锅炉效率的影响关系。 o 够竹雌们聃柏盯h“ 安u静较冬躁 啪懈伽懈m 懈m 安瓣蜷躲 华中科技大学硕士学位论文 之 兰 删 煺 旷 曼 图2 3 水分对烟气量的影响 燃料水分( ) 图2 4 燃煤水分对锅炉效率的影响 燃料中的含硫量影响了石灰石给料系统以及灰处理系统。对于给定的钙硫摩 尔比，随着燃料中含硫量的增加，石灰石的给料量和床料灰量也相应增加，导致 炉膛内的排料热损失增加，锅炉效率下降。图2 5 显示了锅炉效率和硫捕获率随 煤中含硫量的增加而下降的趋势。含硫量的变化对给煤率没有大的影响，这是因 为煤中硫的份额与煤的热值相比所占很小。含硫量的另一个明显影响是对炉膛中 的粒子尺寸分布。因为加入石灰石做脱硫剂，并且石灰石与煤相比粒子通常更细 些。所以在加入石灰石时必须考虑炉膛内粒子粒径的合理分布，以得到合适的传 热和流化状态 1 3 1 。 美薹 僻9 3 蔌鲐 羲口 罪 羽 8 8 8 7 船 燃煤硫分， 图2 5 燃煤含硫量对锅炉效率和硫捕获的影响 煤的热值与燃烧室运行工况( 床温、出口温度、过量空气系数等) 相结合， 决定了循环燃烧系统和后部对流受热面之间的热负荷分配。从图2 6 中可以看出： 对劣质燃料，如石煤、褐煤、煤矸石、废木头等，烟气携带了大约6 0 的热量到 昭h铊摊峙峙 篡v瞎鬃景唪 摹斟慊摆缮 酆竹引盯够鹅甜伯”站 华中科技大学硕士学位论文 后部的对流受热面；对优质燃料，如烟煤、无烟煤等，只有4 0 左右的热量被烟 气带到后部对流受热面【4 】f 3 】【13 1 。 燃烧室出口烟气带出热量与输入锅炉热量之比 1 一燃烧系统吸热量；2 一尾部对流受热面吸热量 图2 6 燃烧系统与尾部受热面吸热量的分配 当一台锅炉燃用比设计煤种发热量低得多的煤种时，可能会使流化床密相区 温度偏低而对燃烧带来影响。因为当煤的发热量降低时，其折算灰分和折算水分 必然增加，单位质量燃料带出密相区的热焓增加，在主循环回路中的有效放热量 减少。放出的热量小，而吸收的热量大，那么就有可能导致燃烧室吸热和放热失 去平衡，使床温偏低，燃烧不稳定。而同时尾部对流受热面的吸热量增加，容易 造成过热器超温。所以煤的热值必须与锅炉燃烧室受热面布置相符，使热负荷分 配均匀，利于安全、稳定燃烧。 根据以上简单讨论可知，燃料特性对流化床的影响主要有二：首先，燃料性 质决定了燃烧室最佳运行工况。在燃料已定的情况下，如果锅炉没有调整到合适 的燃烧工况，那么必然导致未完全燃烧损失增大，锅炉效率下降。第二，煤的元 素成分、挥发份的高低与燃烧室运行工况相结合，决定了循环燃烧系统和尾部受 热面之间的热量分配，煤的发热量高、挥发份低、灰分少。则单位质量燃料在主 循环回路中燃烧的有效放热量就大。反之，在主循环回路中的放热量就小。 2 1 2 燃料粒径分布对g f b 锅炉燃烧效率的影响 目前，在所有热损失中，对循环流化床锅炉效率影响最大的一项是机械未完 加m o 桨 融求壤督喧壤烈鞋咄冥端嶙埋赣 华中科技大学硕士学位论文 全燃烧热损失q 4 ，它由灰渣和飞灰不完全燃烧损失构成，q 4 的大小与给煤颗粒粒 度关系甚为紧密。这一点可由碳的燃烧时间得到解释【7 】【4 ： 一j 2 “= k 4 2 2 1 1 0 8 ( 1 一去) 篇 ( 2 1 ) 17 1 b o q 其中，为反应速率常数，a 、v 、t b 、p 、c 。分别为煤粒的灰分、挥发份、 床温以及煤粒的物性常数密度与比热。 从上式可以看出，煤粒的燃烧时间与其粒径的平方成j e l l ，即粒径越大，燃 烬所需时间越长。而且煤粒越大，燃烧后的外壳灰层越厚，燃烧反应速度受氧扩 散控制越严重，越难燃烬。随粒径减少，比表面增大，有助于反应速率从扩散控 制向动力控制区域转化，反应速率提高。因此，减少给煤中大颗粒煤的比例，对 提高燃烧效率是有益的。 根据设计运行经验，国外认为循环流化床锅炉入炉煤粒径小于l m m 的份额 和煤的挥发份含量有如下关系： v + a = 6 5 一8 5 ( 2 - 2 ) 其中v ：入炉煤可燃基挥发份， a ：入炉煤粒径小于l m m 的份额，。 对挥发份高的烟煤，小于l m m 粒径的煤的百分数可取低一些，对挥发份低 的无烟煤则要求高一些。另外，对热爆裂性好的煤，小于l m m 粒径的煤的百分 数可低一些【4 】。我国循环流化床锅炉多燃用粒径为0 1 0 m m 的宽筛分燃料，有 的甚至含有大于1 0 m m 的煤块。为了使大粒子流化良好，流化风量将偏大，造成 大量细粒子燃煤被带到炉膛上部燃烧，炉膛内燃烧份额分布不均，造成燃煤燃烧 不完全，飞灰含碳量高。 不同粒径的煤有着各自不同的临界流化速度和飞出速度，为使粗颗粒不致沉 积，保证流化良好，一般选用的运行速度为平均粒径为d p 的煤粒的临界流化速 度的1 5 2 倍。如果床层平均温度为9 0 0 ，不同颗粒相对应的临界流化速度、 运行速度和飞出速度与粒径的关系如图2 7 所示【3 】a 从图2 7 可见，当颗粒直径d 。= 2 6 m m 时，它的运行速度已超过粒径为0 8 m m 的颗粒飞出速度，因此燃料中o 8 m m 以下的煤粒进入流化床后容易很快被烟气 带出床层。从而使飞灰含碳量高，锅炉煤耗大，经济效益差。但在开采、破碎以 及炉膛内磨损、燃烧过程中产生的细颗粒不仅是不可避免的，而且是流化床锅炉 图2 8 大冶电厂4 c f b 锅炉燃煤破碎系统改造前后粒径分布 、 *m3赵艘辑鼹 额 额 x鞲翕卿峰 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，o ! ! o ! ! ，! ! o l _ _ _ _ l _ l _ _ - i - - - _ - l _ l _ _ _ l _ _ _ l _ 一i _ _ - _ _ _ - 一 2 2 燃烧室受热面布置对o f b 锅炉燃烧效率的影响 在循环流化床锅炉中，燃料在燃烧室内燃烧，燃烧产生的热量一部分由高温 烟气带至尾部受热面，但由于高温烟气不可能带走全部燃烧放热，所以必须在固 体颗粒循环回路中布置受热面，受热面的不同布置型式就决定了循环流化床的热 量分配。 目前常规的循环流化床锅炉中，在固体颗粒循环回路中受热面布置型式有如 下几种：在炉膛内布置水冷壁受热面或水冷壁隔墙，这在早期的容量较小、参 数较低的循环流化床锅炉中经常使用。在炉膛内布置水冷壁及过热器受热面。 如a h l s t r o m 公司大容量锅炉采用双q 管等结构型式，以弥补仅在尾部受热面布 置过热器而造成的过热及再热吸热不足。l u r g i c e 和b a t t e l l e r i l e y 等公司从一 开始就从另一思路出发，在炉膛内布置部分受热面，而在固体颗粒循环回路上再 布置外置式流化床换热器。目前这几种受热面布置的型式均有大量循环流化床锅 炉的实际运行经验，证明都是可行的【4 j 。 循环流化床锅炉的受热面布置直接影响着锅炉燃烧和传热。但是因为炉膛内 颗粒流化、传热、燃烧的复杂性，所以目前尚没有准确的描述和计算床内各级受 热面的公式。在设计循环流化床锅炉受热面时多是根据经验公式确定的。 大冶电厂4 0 t h 循环流化床锅炉的受热面布置和传热量见表2 1 。从表中可以 得出，燃烧室内的受热面吸热占总吸热量的4 3 6 ，过热器受热面吸热量占总吸 热量的2 1 3 ，尾部受热面吸热量占总吸热量的2 9 1 。 表2 1 大冶电厂4 0 t hc f b 锅炉受热面布置和传热量 名称受热面积( m 2 )传热量( k j k g ) 炉膛2 0 43 1 2 高温过热器 1 1 77 3 低温过热器 1 8 l7 9 上级省煤器 4 3 21 4 4 下级省煤器 4 1 06 4 空气预热器 1 1 6 14 3 该流化床炉膛内的冷却介质为冷的返料灰。返回炉膛内的级返料灰温度为 华中科技大学硕士学位论文 7 0 0 c 左右，二级返料灰为3 0 0 c 左右。返料灰加热至8 5 0 c 需要的热量占燃料带 入热量的4 0 以上。对于给定的燃料放热量来说，如果流化床锅炉各受热面面 积布置不合理，吸热过多或过少，那么冷的返料灰吸热量则会偏少或过大，这样 就会使得锅炉内各部分温度偏高或偏低，燃烧不稳，燃烧效率下降飞灰含碳量 增高。该锅炉燃烧室下部容积偏小，受热面布置偏多。造成给煤的发热量大部分 被水冷壁中的冷水吸收，二级返料能吸收的热量不足，所以返料返回后燃烧室下 部温度马上下降，上部温度升高，燃烧不稳。 2 3 物料循环对o f b 锅炉燃烧效率的影响 c f b 锅炉区别于常规鼓泡流化床( b f b ) 锅炉的主要特征即为大量物料参 与循环燃烧。c f b 锅炉一般运行于快速床阶段，大量物料通过内循环和外循环 返回炉内，在高速气流的作用下作加速运动，并伴有强烈的粒子混合成团现象， 沿炉膛高度气固混合物的密度分布更趋均匀。这使得c f b 锅炉内温度场非常均 匀，燃烧过程、脱硫过程沿炉膛高度基本上可在恒温下进行，因而延长了燃烧和 脱硫时间；此外，全炉膛高度高浓度的粒子流动也使得在c f b 锅炉炉膛内任何 地方布置的受热面可以获得高强度的传热效果，同时也易于对负荷的灵活调节。 循环流化床锅炉的内循环量主要取决于床内构件及流体动力特性【1 8 】【3 7 】。在 床室内中央区上升、周边区下降的公认流动模式下，床室周边下降的颗粒流便是 内循环物料流，实际上是边界层厚度中的全部固体颗粒流。内循环提供了c f b 床室内高浓度的颗粒流，有利于燃烧与传热；内循环强化了炉内的气固混合过程， 改善了炉内混合，使整个炉膛的温度场得以均匀化；内循环延长了燃料在炉内的 停留时间和路程，使反应进行的更充分。所以增加物料的内循环量，可以提高燃 烧效率，降低飞灰含碳量。 对外循环来说，从c f b 锅炉的工作原理可知，良好的物料循环有三个缺一 不可的环节：f 1 ) 足够多的物料被带出密相区，其中一部分离开炉膛进入分离器； ( 2 ) 随烟气进入分离器的物料绝大部分被捕集分离；( 3 ) 由分离器捕集的物料被 顺利送回炉膛内参与循环燃烧【l s l 【1 7 1 。三个环节互相联系又互相制约，构成了c f b 锅炉物料循环实现的条件。 所以实现c f b 锅炉大量物料循环燃烧也就是使以上三个环节顺利实现。环 1 6 华中科技大学硕士学位论文 节一主要由炉内气固流动状态决定。由气固流态化的知识我们知道，当增加通过 一定高度物料堆积层的气流速度时，气固床层呈现的流动状态依次为：固定床、 鼓泡床、紊流床、快速床及稀相气力输送【4 】【3 1 】。在前3 种流态下，尽管气固床 层的流动结构存在很大差别，但有一点是相同的：即除了部分被扬析的颗粒外， 绝大部分固体颗粒的运动都被限制在布风板上方一定高度内。因而不可能形成全 炉膛高度高浓度的颗粒流动。所以要从源头上保证有足够数量的物料参与循环。 选择与煤种适合的炉膛高度和结构，恰当的一、二次风配比，均会有利于环节一 的实现。 环节二的实现取决于气固分离器的工作性能，最主要的是其分离效率。分 离器的分离效率可表示为 1 7 1 ： r l = r ( r + a 7 o l l t )( 2 3 ) 此即为保证有足够的物料参与正常循环应满足的分离条件。燃煤的灰份越 少，颗粒越细，对分离器的要求越高。 上式中，r 为循环倍率，定义为单位时间内c f b 锅炉的循环物料量与给煤 量之比：r = g b f 2 4 、 在循环流化床锅炉的设计中，它是一个重要的参数。随循环倍率的增加，燃 烧效率也增加( 见图2 9 ) ，大量飞灰循环燃烧，飞灰含碳量也相应减少( 见图 2 】0 ) 4 1 。 浆 糌 辏 堰 鏊 x 蛆 碴 钿 鬟 _ 循环倍率r循环倍率r 图2 9 循环倍率与燃烧效率的关系图2 1 0 飞灰含碳量与循环倍率的关系 影响循环倍率的主要因素有：燃煤和石灰石尺寸及其粒度分布、流化速度 和分离器的效率等。粒子平均粒径小、流化速度高、分离器效率高时，可以实现 华中科技大学硕士学位论文 较高的循环倍率。循环倍率的变化能够改变燃烧系统和后部对流受热面热负荷分 配，从而改变循环燃烧系统内受热面的传热系数，以保证锅炉对负荷变化的适应 性。 在循环流化床锅炉发展的初期，循环倍率都很高，为6 0 9 0 以上。随着循 环流化床锅炉的发展，目前己呈减少趋势，一般为1 0 4 0 左右。目前，l u r g i 型和p y r o f l o w 型锅炉的循环倍率较高，为2 5 4 0 ，而c i r c o f l u i d 型锅炉则采用较 低的循环倍率，为1 0 2 0 。我国的循环流化床锅炉大多燃用宽筛分的劣质煤， 一般采用较低的循环倍率，通常在2 0 以下【1 0 】。 采用较高的循环倍率可以提高石灰石的利用率，扩大锅炉的负荷调节和对 燃料的适应范围，提高床层与受热面之间的传热系数，另外高循环倍率对降低 n o 。的排放浓度也是有利的。但循环倍率过高不仅对燃烧效率增加的影响不显 著，而且会带来不利的影响。如循环倍率过高，会导致：由于高循环倍率需要高 的流化速度和高压头风机，这将导致电耗大；高循环倍率导致床内高粒子浓度， 造成炉内局部( 如埋管、过热器、省煤器以及空预器) 磨损严重；此外高循环倍 率要以分离器的高分离效率作保证，这就对分离器的结构和材料要求较高：另外， 高循环倍率对飞灰循环系统的要求严格。因此，循环倍率的选取必须综合考虑各 种因素的影响，合理选择，以保证流化床锅炉安全、经济运行。 从图2 9 以及一些文献中我们可以看出：当循环倍率大于2 5 后，再增加循 环倍率对锅炉燃烧效率的提高作用已经不明显，美国e p r i ( 电力动力研究所) 的试验结果也表明：不论是床上给煤还是床下给煤，燃烧效率都随循环倍率的增 大而提高，但当循环倍率大于2 5 后，燃烧效率将不随循环倍率的增加而发生显 著变化。这是因为循环流化床锅炉飞灰含碳量最高的灰粒的粒径在0 1 5 o 8 m m 之间。只要将这部分颗粒用分离器捕获下来参与循环，就可以明显的提高燃烧效 率。较大的颗粒在密相区内有充分的停留时间使碳燃烬，而较小的颗粒因在炉内 的停留时间大于碳的燃烬时间，也被燃烬。因此分离器没有必有捕获小于o 1 5 m m 的颗粒，否则只会增加电耗与锅炉的磨损【7 】。 在c f b 锅炉中，物料的回送是通过立管和回料阀实现的。其中立管的作用 是使物料在其内形成足够的压头以克服分离器和炉膛底部的负压差，保证物料的 顺利回送。它的设计对环节三起决定作用。立管高度的选取要保证其中的料柱能 提供足够的有效压头以克服循环回路的流动阻力：立管直径的选取要保证能满足 华中科技大学硕士学位论文 锅炉设计所要求的回料量。根据循环回路压力平衡关系，按立管中气固相对速度 等于临界流化速度的条件，k n o w l t o n 和h i r s a n 给出了立管最小高度的计算式： l 。i 。= p ( p l ) m r( 2 5 ) 在实际运行中，不允许立管中气固相对速度达到临界流化速度，故一般取 立管的实际高度为2 l 。i 。立管的直径可根据所需的回料量用下式计算： d = 4 g ( 0 7 8 5 p d u ，) ( 2 6 ) 我国循环流化床锅炉物料循环系统常见问题主要有：结渣，堵灰、分离效 率下降、回料阀烟气反窜等 3 2 1 , 结渣通常是由燃烧室超温，引起进入分离器的 循环灰温度过高，产生二次燃烧。有的循环灰量太少也易使燃烧室烟气携带煤粒 倒卷吹入返料器引起结渣。这些故障出现，会严重影响锅炉燃烧效率、负荷调节 和安全运行。比如南阳电厂3 5 t h 循环流化床锅炉就存在循环返料系统不能正常 工作的故障。主要是因为返料风调节阀流体截面小，输送床料层厚，造成返料系 统阻力较大，影响了返料器的调节特性。使返料量的调节不灵敏，易发生返料堆 积和二次夹带现象，锅炉燃烧效率低，飞灰含碳量高达3 5 - - 6 0 。 2 4 床层温度对c f b 锅炉燃烧效率的影响 煤粒在循环流化床内的燃烧是流化床锅炉内所发生的最基本而又最为重要 的过程。它涉及到流动、传热、化学反应及若干相关的物理化学现象。煤粒送入 循环流化床内迅速受到高温物料及烟气的加热，首先是水分蒸发，接着是煤中的 挥发份析出并燃烧，以及焦炭的燃烧，期间还伴随着发生煤粒的破碎、磨损等现 象。大量试验表明了挥发份的析出燃烧过程与焦炭燃烧过程有一定的重叠 1 4 1 1 5 1 1 4 9 1 。燃料在炉膛内燃烧的越完全，锅炉的燃烧效率越高。 床层中的热量要足以满足给煤、脱硫剂、返料灰、一次风等的吸热要求。炉 膛密相区的热平衡为【7 】 密相区燃烧燃烧释放的热量： q 。= b ，占q 盘 ( 2 - 7 ) 循环灰带入密相区的热量： 办= r a h b ，a ， ( 2 - 8 ) 9 华中科技大学硕士学位论文 流化介质带入的热量： g = 口。b ，? ( 2 - 9 ) 若在密相区布置受热面，该受热面吸收的热量： 鲰= k 以( 口。一t 。) ( 2 1 0 ) 由密相区带走的热量有：高温烟气带走的热量： q ，= b ，。 ( 2 - 1 1 ) 以及密相区排出的高温灰渣物理热q 6 。，可燃气体带出的热量q 3 。，密相区 散热q 5 。等。平衡方程为： q c + q + g = q 。+ q 卅+ q 6 。+ q 3 。+ g 。 ( 2 - 1 2 ) 在床层中煤粒挥发物的析出速率和碳的反应速率常随床温的增加而增大 【2 3 】【10 1 。因此，提高床温有利于提高燃烧速率和缩短燃烬时间。图2 1 1 给出了床 温对燃烧效率的影响曲线。但床温的提高受到燃料灰熔点的限制，通常要求床温 比煤的变形温度( t 1 ) 低1 0 0 2 0 0 ，所以床温的高限应根据煤的变形温度来确 定，一般不超过1 0 0 0 ( 2 。对于采用石灰石等添加剂作为脱硫剂的流化床锅炉， 脱硫的最佳反应温度在8 5 0 c 左右，床温过高，脱硫效率急剧降低，钙硫比增大。 桨 - 槲 较 襄 鏊 床温， 图2 1 1 床温对燃烧效率的影响 稀相区的温度也影响到燃烧效率。对于燃烧细颗粒份额较高和挥发物含量大 的燃料，提高稀相区温度，可以使这部分可燃物进一步燃烧，降低烟气中可燃物 损失。但是如果稀相区温度过高，会使出口烟温过高，过热器超温，影响安全运 行。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 料层厚度对c f b 锅炉燃烧效率的影响 循环流化床锅炉本身是一个积累了大量灼热床料、蓄热容量很大的热源，有 利于燃料的稳定、迅速着火和燃烧。如1 0 协循环流化床锅炉积累了2 2 5 t 床料， 3 5 t h 循环流化床锅炉积累了6 8 t 温度为8 5 0 1 0 5 0 。c 的床料。床料中9 5 以上 是灼热的惰性灰渣，可燃物含量在5 以下。通常用的床料为燃烧后的渣或者沙 砾。这些床料不与新加入的燃料争夺氧气，但却提供了一个丰富的热源，将新加 入的煤粒迅速加热，析出挥发分并稳定燃烧。煤粒中的挥发分和固定碳燃烧后所 释放的热量，其中一部分又用来加热床料，使炉内温度始终维持在一个稳定的水 平。正因如此，流化床锅炉对燃料有很高的适应性，不仅能烧优质燃料，而且能 烧各种劣质燃料，包括灰分高达8 0 的石煤、水分高达6 0 的褐煤和洗煤矸石、 煤泥等。 流化床中物料上下翻腾，床料与煤粒混合搅拌极为强烈，热质交换条件好， 燃烧极其迅速。对鼓泡流化床锅炉，煤粒在流化床内有较长的停留时间，其平均 停留时间可以用下式表示 2 3 1 ： t m ：6 0 f b h j ( 了1 - 6 9 ) p a 分钟( 2 - 1 3 ) 式中：h i 一料层静止高度 f b 一布风板面积 s 。一床层孔隙率 p 。一粒子密度 b 一给煤量 我国许多循环流化床锅炉因燃用宽筛分煤粒，炉膛内煤粒通常处于分层燃烧 状态，大粒子在下部密相区燃烧，呈鼓泡流化状态，细粒子在炉膛上部燃烧