（机械工程专业论文）循环流化床锅炉燃烧控制系统研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 循环流化床锅炉( c f b b ) 是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的 清洁燃煤技术。循环循环流化床锅炉在汽温控制和水位控制方面和煤粉锅炉基本相 同，而其燃烧系统与煤粉炉差别较大，循环流化床锅炉在风量控制方面既要保证燃 料与控制的比例又要保证床温在一定的范围内，因此床温控制系统和床压控制系统 是循环流化床锅炉所特有的。 模糊控制是二种适用于多变量、强耦合、大时滞复杂非线性系统的控制方法， 其特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制的动态性能，然而，在工作点附 近容易产生极限环振荡。p i d 控制器具有较强的稳定性，为了达到较好的控制效果 把两种控制规律组合的一起组成模糊p i d 控制。 本文主要对床温控制系统和床压控制系统进行研究，并在床压控制系统中采用 模糊p i d 控制，通过在上海锅炉厂生产的4 4 0 t h 循环流化床锅炉锅炉上运用，发 现控制方案是可行的。 关键词：循环流化床锅炉，床温控制，床压控制，模糊p i d 控制，燃烧控制系统 a b s t r a c t c f b bi san e wc l e a nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yt h a ti so fh i g he f h c i e n c ya n dl o wp o l l u t i o n i nt h ew o r l d c o m p a r e dw i t ht h ep u l v e r i z e d c o a lb o i l e r s t h e ya r et h es a m ei nt h es t e a m t e m p e r a t u r ec o n t r o la n d t h es t e a md r u ml e v e lc o n t r 0 1 b u tt h e r ea r eo b v i o u sd i f f e r e n c e si nt h e c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m a n di nt h ea i rf l o wc o n t r o lo ft h ec f b bi t st ob es u r et h a tt h eb e d t e m p e r a t u r ei si nc e r t a i nb o u n da sw e l la st h ep r o p o r t i o no fc o a lt oc o n t r 0 1 t h e r e f o r e t h eb e d t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n db e dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e ma r ep e c u l i a rt oc f b b f u z z yc o n t r o li sac o n t r o lm e t h o dt h a ti ss u i t a b l ef o rm u l t i v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n ga n d l a r g e s c a l et i m e d e l a yc o m p l e xs y s t e m s i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e rc a n o b v i o u s l yi m p r o v et h ed y n a m i cc o n t r o lp e r f o r m a n c ew h e nt h e r ei sal a r g ed e p a r t u r ef r o mt h e w o r k i n gp o i n t ，w h e r e a s i ti n t r o d u c e sl i m i tc y c l eo s c i l l a t i o na r o u n dt h ew o r k i n gp o i n t m o r e o v e r , t h ep i dc o n t r o l l e ri so fb e r e rs t a b i l i t y , s ot h ef u z z y p i dc o n t r o li sa d o p t e dt o 一 a c h i e v ep e r f e c tc o n t r o le f f e c t i nt h i sp a p e rt h er e s e a r c hi sm a i n l yo nt h eb e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n dt h eb e d p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ef u z z y p i dc o n t r o li si n t r o d u c e di nt h eb e dp r e s s u r ec o n t r o l s y s t e m t h ec o n t r o lm e t h o di se x e c u t e do nt h e4 4 0 t hc f b bp r o d u c e db ys h a n g h a ib o i l e r f a c t o r y , a n dt h ef a c th a sp r o v e dt 1 1 a tt h ep r o j e c ti sf e a s i b l e l i uz h e n g h u a d i r e c t e db yp r o f c u iy a n b i n k e yw o r d s ：c f b b ，b e dt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，b e dp r e s s u r ec o n t r o l ，f u z z y - p i dc o n t r o l ， c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文循环流化床锅炉燃烧控制系统研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垂! i 量笙一日期：! ：i ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：童：l 垄坚 日期：生：f 导师签名： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 循环流化床锅炉的应用与发展 1 9 2 1 年1 2 月德国人温克勒( f r i zw i n k l e r ) 发明了第一台流化床，温克勒所 发明的流化床使用粗颗粒床料。，1 9 3 8 年1 2 月麻省理工学院的刘易斯( w a r r e n ，k l e w is ) 和吉里兰( e d w in ，rg i1 1i1 a n d ) 发明了快速流化床。直到2 0 世纪5 0 年代 末期，鼓泡流化床一直占主要地位。循环流化床( c f b ) 真正成为具有工业实用价值 的新技术是在6 0 年代。6 0 年代末，德国鲁奇公司( l u r g i ) 发展并运行了l u r g i v a w 循环流化床氢氧化铝熔烧反应器。随后由于分子筛、高活性、高选择性催化剂的出 现，提升管流化催化裂化反应器很快又取代了鼓泡流化床而得到推广应用。1 9 7 9 年 芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司生产了2 0t h 的循环流化床锅炉，1 9 8 2 年德国鲁奇 公司的第一台5 0 t h 的商用循环流化床锅炉投入运行，这标志着作为煤燃烧设备 的循环流化床锅炉进入商业化阶段。1 9 9 5 年，2 5 0 m w 的循环流化床锅炉( 7 0 0 t h 、 1 6 3 m p a 、跚伤铲c ) 在法国g a r d a n n e 电站投运，是循环流化床锅炉技术实现 大型化的重要标志。 我国对循环硫化床技术的研究开始于2 0 世纪4 0 年代末，一度处于世界领先地 位，主要用于化工材料的合成和冶金材料的焙烧。5 0 年代末，中国科学院化工冶金 研究所开始对循环流化床进行研究。此后，6 0 年代中期开始流化床锅炉的研究， 并相继投运了大量流化床锅炉( 早期称沸腾炉) 。但循环流化床锅炉( c f b b ) 的起步 却较晚，1 9 8 1 年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，清华大学与中 国科学院工程热物理研究所分别率先开展了循环流化床燃烧技术的研究，标志着我 国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。 1 9 8 6 年中国科学院工程热物理研究所与济南锅炉集团有限公司合作成功研制了 3 5 t h 循环流化床锅炉，并于1 9 8 8 年1 1 月在济南明水热电厂带负荷运行并并网发 电，。成为国家“七五”科技攻关成功的一个重要标志性成果。接着他们研制的7 5 t h 循环流化床锅炉于1 9 9 1 年1 1 月在锦西热电厂投运供热，使我国热旋风筒分离循环 流化床技术向前跨越了一个容量等级。 “八五”期间，国家经贸委组织7 5 t h 循环流化床锅炉完善化示范工程，济南 锅炉集团有限公司和杭州锅炉厂相继完成了自己的任务，进一步推动了循环流化床 技术的完善和改进。清华大学与四川锅炉厂放弃了早期研发的平面流分离器式循环 流化床锅炉技术，跟踪国际上最新出现的水冷方形分离器，成功地开发了水冷异形 分离循环流化床锅炉，并取得了专利。这种炉型的7 5 t h 锅炉于1 9 9 6 年投运，为 我国循环流化床锅炉技术的发展提供了一种新炉型。 华北电力大学工程硕士学位论文 “九五”期间，在国家科技攻关计划下，国内三大锅炉制造集团( 东方锅炉集 团股份有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海锅炉厂有限公司) 分别与国内 大专院校、科研单位紧密合作，开发研制出具有自主知识产权的4 2 0 t h ( 1 2 5 m w ) 带 中间再热的循环流化床电站锅炉。 同时我国也在大力引进、消化、吸收国外大型循环流化床锅炉的先进经验。北 京锅炉厂子1 9 9 0 年起，采用德国b a b c o c k 公司技术，生产了一批7 5 t h 中温分 离的循环流化床锅炉。哈尔滨锅炉厂有限责任公司于1 9 9 2 年与美国p p c 公可( 奥 斯龙技术) 合作设计并生产国内首台2 2 0 t h 循环流化床锅炉，1 9 9 9 年与阿尔斯 通( a l s t o m ) 能源系统( 原德国e v t 公司) 签订了2 2 0 4 1 0 t h 循环流化床锅炉技 术引进合同。东方锅炉集团股份有限公司1 9 9 2 年起参与电力工业部内江高坝电厂 4 l o t h 循环流化床锅炉示范项目的引进工作，其技术为原芬兰a h l s t r o m 公司的。 该项目于1 9 9 6 年进入商业运行，1 9 9 8 年完成验收工作。1 9 9 4 年东方锅炉集团股份 有限公司与美国福斯特惠勒( f o s t e r - w h e e l e r ) 公司签订了5 0 ，- - - i o o m w 容量等级 的循环流化床锅炉许可证技术转让合同，技术引进依托工程的首台2 2 0 t h 锅炉于 1 9 9 7 年投运。上海锅炉厂也与美国a 1 s t o m c e 公司开展了5 0 一1 3 5 m w 循环流化床 锅炉的设计制造技术的引进工作。 目前我国采用不同的分离器及循环模式，开发了具有中国特点的循环流化床锅 炉，形成了2 0 、3 5 、6 5 、7 5 、1 3 0 t h 系列循环流化床锅炉产品，并取得较为丰 富和成熟的工程实践经验。到目前为止，我国运行的循环流化床锅炉主力机组是 3 5 t h 和7 5 t h 锅炉，已经积累了比较丰富的设计、制造和运行经验；2 2 0 t h 和4 1 0t h 容量范围的大型循环流化床锅炉也己投入运行，目前已订货生产的 2 2 0 t h 及以上的循环流化床锅炉c f b b 已超过1 0 0 台，已经投运的最大机组是安装 在四川内江、从奥斯龙公司进口的4 1 0 t h ( 1o o m w ) 循环流化床高压电站锅炉，由 于运行台数较少，各方面的经验还有待积累。 另外，我国正在引进一台a i s t o m 公司的1 0 2 5 t h 的常压循环流化床锅炉及相 应的关键配用设备，在四川白马电厂建立3 0 0 m w 循环流化床示范工程；国家电力公 司热工研究院也设计了3 0 0 m w 循环流化床锅炉方案，标志着我国循环流化床锅炉 将朝着大型化方向发展。 1 。2 模糊控制的发展和应用 美国教授查德( l a z a n d e h ) 1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概念，由此开创 了模糊数学及其应用的新纪元。模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面。 1 9 7 4 年英国教授马丹尼( e eh m a m d a n i ) 首先将模糊集合理论应用于加热器的控 制，其后产生了许多应用的例子。其中比较典型的有：热交换过程的控制，暖水工 厂的控制，污水处理过程控制，交通路口控制，水泥窑控制，飞船飞行控制，机器 2 华北电力大学工程硕士学位论文 人控制，模型小车的停靠和转弯控制，汽车速度控制，水质净化控制，电梯控制， 电流和核反应堆的控制，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。在模糊控制 的应用方面，日本走在了前列。日本在国内建立了专门的模糊控制研究所，日本仙 台的一条地铁的控制系统采用了模糊控制的方法取得了很好的效果。日本还率先将 模糊控制应用到日用家电产品的控制，如照相机、吸尘器、洗衣机等，模糊控制的 应用在日本已经相当普及。 j 1 3 选题背景及意义 1 3 1 循环流化床锅炉控制研究的意义 随着我国国民经济的迅速增长，对电力的需求也日益加快，作为主要电力资源 的燃煤发电厂逐年增加，这必然导致燃煤量的增大。因此，许多与燃煤有关的环境 问题日渐突出，我国能源与环境领域面临的形势非常严峻：第一、煤的使用量日益 增大，第二、环境污染必须控制。那么解决这一矛盾的唯一办法就是洁净煤发电技 术。 循环流化床锅炉( c f b b ) 是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的 清洁燃煤技术，与常规煤粉炉比较具有下列优点：燃烧效率高，燃料适应性广，脱 硫效率高，氮氧化物( n 0 。) 排放低，燃烧热强度大，炉膛体积小，燃料预处理及给煤 系统简单，负荷调节范围大，调节速度快，易于实现灰渣综合利用。它与其他类型 锅炉的最主要区别是其处于流化状态下的燃烧过程。其主要特点在于燃料及脱硫剂 经多次循环，反复的进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低 排放n o x 、9 0 的脱硫效率和与煤粉锅炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广， 负荷调节范围宽、调节性能好，灰渣有利于综合利用等的优点，因此在国内外得到 迅速推广。 为了保证循环流化床锅炉安全经济运行，循环流化床锅炉必须具备完善的自 动控制系统。循环流化床锅炉的控制主要包括下列三方面：1 、汽包水位控制，2 、 蒸汽温度控制，3 、燃烧控制。汽包水位控制和蒸汽温度控制与常规的煤粉锅炉基 本相同，控制系统基本成熟。燃烧方面的控制与煤粉锅炉差异较大，循环流化床锅 炉燃烧方面的控制包括汽压一燃烧控制、炉膛压力控制、床温控制，其中循环流化 床床温控制是循环流化床锅炉特有的控制系统。 循环流化床锅炉床温一般控制在8 5 0 。c 9 5 0 。c ，温度过高则会产生高温结焦， 影响锅炉稳定运行，若此时风量不足；甚至引发大范围结焦事故，造成长时间停炉， 温度事故，造成长时间停炉，温度过低易产生低温结焦和熄火事故。温度在8 5 0 。c 9 5 0 。c 时，石灰石脱硫效果最好，并且氮氧化物排放量也较低，有较高环保价值。 影响床温的因素比较多，主要有煤种、燃料的粒径、床料量、一二次风量、返料量 华北电力大学工程硕士学位论文 和冷灰循环等。不同的循环流化床锅炉床温的控制方式不同，比较典型的有：l 、 调整一二次风比例；2 、调节给煤量；3 、控制灰循环流量。床温控制往往与其他控 制系统产生耦合作用，如通过调节给煤量控制床温会与汽压控制回路产生极强的耦 合作用，即两回路间相互影响。根据循环流化床锅炉燃烧控制的特点燃烧系统中的 控制器采用模糊p i d 控制，并通过一定调节下的比例解耦，降低床温和汽压控制回 路见的耦合作用。 1 3 2 研究模糊一p ld 控制的意义 p i d 控制器至今仍在电厂控制系统的应用中占有统治地位，这主要是因为p i d 控制器结构简单，使用方便，适用面广，在理论上有成熟的稳定性设计和参数整定 方法，在电厂的控制应用中积累了丰富的实践经验。但p i d 控制器由于它的线性特 性只能在工作点附近具有良好的控制性能，当偏离工作点较远时，由于控制对象非 线性特征难以保持设计的动态品质。模糊控制是一种适用于多变量、强耦合、大时 滞复杂非线性系统的控制方法，其特点是在偏离工作点较远的区域可明显改善控制 的动态性能，并且对控制对象的特性的变化具有较强的鲁棒性，然而由于模糊控制 本质上属于非线性控制方法，控制器的稳定性难以保证，控制精度不够高，并且在 工作点附近容易产生极限环振荡，在实际应用中，模糊控制器的设计和参数整定往 往过分依赖于现场操作经验和试凑法。基于p i d 控制器和模糊控制的特点，为提高 循环流化床锅炉燃烧控制性能，采用模糊- p i d 控制器，在偏离工作点较远区域以模 糊控制为主，在工作点附近则p i d 控制，并采用模糊推理完成两种控制的“切换”， 实现两种控制方式的优势互补，和控制性能的明显改进。 1 4 本课题研究的主要问题 本课题的主要工作可以大致分成以下三方面：第一，循环流化床锅炉的原理、 结构、特点：第二，循环流化床锅炉燃烧控制系统的方案；第三，模糊一p i d 控制 器在循环流化床锅炉燃烧控制系统中的应用。循环流化床锅炉蒸汽温度的控制以及 汽包水位的控制与常规的煤粉锅炉相差无几，而燃烧控制系统则与煤粉炉差别很 大，床层温度的控制是循环流化床锅炉所特有的。循环流化床锅炉中床层温度和主 汽压力是耦合最为严重的两个变量。本文首先对循环流化床的工作原理以及燃烧系 统的组成进行了分析，阐述了循环流化床的结构和基本特点，并且对燃烧控制系统 中被控对象的动态特性，特别是床层温度和主汽压控制系统动态特性进行了分析， 确定控制方案，控制器采用解耦能力较强的模糊控制。并且对床温和过热蒸汽压力 控制器进行了优化和仿真，并给出了现场应用效果。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章循环流化床锅炉的特性分析 2 1 循环流化床锅炉的原理及特点 2 1 1 循环流化床的原理 2 1 1 1 流态化过程 流态化是固体颗粒在提作用下表现出类似流体状态的一种现象。固体颗粒、流 体以及完成流态化的设备称为流化床。流体作为流化介质，。般有气体和液体两大 类，在锅炉燃烧中，流化介质为气体，固体煤颗粒以及煤燃烧后的灰渣( 床料) 被 流化，称为气固流态化。循环流化床锅炉与其他类型锅炉的根本区别在于燃料处于 流态化运动状态，并在流态化过程中进行燃烧。 当气体通过颗粒床层时，该床层随着气流速度的变化会呈现不同的流动状态。 随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现出固定床、起始流态化、湍流流态化及气 力输送等状态。 气体 ( a ) 气体 气体 ( c ) 气体 ( d ) 气体 ( e ) ll 1 臣 寸 气体 ( f ) 图2 1 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 ( a ) 固定床( b ) 起始流态化( c ) 鼓泡流化床( d ) 节涌 ( e ) 湍流流态化( f ) 具有气力输送的稀相流态化 在流速较低时，气流是在静止颗粒的缝隙中流过，这时称为固定床，如图2 一l ( a ) 所示。当气体流动速度增加到一定值时，颗粒被上升的气流托起，床层开始 松动，气体对颗粒的作用力与颗粒的重力相平衡，通过床层任意两个截面的压力降 与在此两截面间单位面积上颗粒和气体的重量之和相等。这时床层开始进入流态 化，如图2 - 1 ( b ) 所示，对应的气流速度称为最小硫化速度或称为临界流态化速度。 当气流速度超过最小流化速度时，床层形成鼓泡流化床，如图2 1 ( c ) 所示。当气 流速度增大到一定数值，颗粒将被夹带流动，此时对应的气流速度称为颗粒的终端 华北电力大学工程硕士学位论文 速度，此时的床层呈现湍流床状态。当气流速度进一步增大，颗粒就由气体均匀带 出床层，我们成这种状态为颗粒气体输送的稀相流化床。在湍流和稀相化状态下， 有大量的颗粒被携带出床层、炉膛。为了稳定操作，必须用分离器把这些颗粒从气 流中分离出来，然后在返回床层，这样就形成了循环流化床。 对于燃煤流化床锅炉，由于床内为一定尺寸范围的宽筛分颗粒，在床的下部形 成主要由较大颗粒组成的湍流流化床，而较细颗粒则由气流携带进入输送状态，经 分离器和返料器构成颗粒的循环。另外，某些小颗粒在上行的过程中产生凝聚、结 团，以及与壁面的摩擦碰撞，而沿壁面回流，从而形成循环流化床的内部循环。 2 1 1 2 循环流化床的特点 1 ) 不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间。 2 ) 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动。 3 ) 颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关。 4 ) 运行流化速度为鼓泡流化床的2 3 倍。 5 ) 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化。 6 ) 颗粒横向混合良好。 7 ) 强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升段内 温度分布均匀。 8 ) 通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到数 小时内调节。 9 ) 流化气体的整体性状呈塞状流。 1 0 ) 流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。 2 1 2 循环流化床锅炉的特点 煤和脱硫剂被送入炉膛后，迅速被炉膛内存在的大量惰性高温物料包围，着火 燃烧，发生脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内 布置的其他受热面放热。粗大粒子在被上升气流带入悬浮区后，在重力及其他外力 作用下不断减速偏离主气流，并最终形成附壁下降粒子流。被夹带出炉膛的粒子气 固混合物进入高温分离器，大量固体物料被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧和脱 硫。未被分离的极细粒子随烟气进入未部烟道，进一步对受热面、空预器等放热冷 却，经除尘器后，由引风机送入烟囱排入大气。 循环流化床锅炉可分为两个部分：第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物料 分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过 热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规燃烧锅炉相近。 图2 2 为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图。燃烧所需的一次风和二次风 6 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 华北电力大学工程硕士学位论文 分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水 冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。 置中被收集并通过返料装置送回炉膛。 循环流化床锅炉的特点如下： 1 、低温的动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉 内使高速运动的烟气与其所携带 的湍流扰动极强的固体颗粒密切 接触。并具有大量颗粒返混的流 态化燃烧反应过程；同时，在炉 外将绝大部分高温的固体颗粒捕 集，并将它们送回炉内再次参与 燃烧过程反复循环地组织燃烧。 在这种燃烧方式下，炉内温度水 平因受脱硫最佳温度限制，一般 8 5 0 左右，这样的温度远低于普 通煤粉炉中的温度水平，并低于 由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装 烟气送至 尾部受热面 排渣 图2 - 2 典型的循环流化床锅炉原理图 一般煤的灰熔点，这种“低温燃 烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的 敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉 内组织廉价而高效的脱硫工艺等。燃烧效率可达9 9 。 2 、高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程 循环流化床锅炉内的固体物料( 包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等) 经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时炉膛内固体物料的内循环 是快速流态化的一大特点，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两 种循环运动、整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运动的动态过程 中逐步完成的。 3 、高强度的热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作 可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律以适应不同的燃烧工况。在这种 组织方式下炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度 的温度分布均匀。 2 1 3 循环流化床锅炉的优点 7 华北电力大学工程硕士学位论文 循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备有许多独特的优点，以下 分别加以简述。 l 、燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅 占床料的1 3 ，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。循环流化床 锅炉的特殊流体动力特性使得气固和固固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很 快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层温度没有明显降 低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量， 上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅 炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高 水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、 垃圾等。 2 、燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率通常在9 7 5 9 9 5 范围内，可与煤粉锅炉相 媲美。 3 、高效脱硫 流化床低温燃烧的特点使其能够与多数天然石灰石的最佳燃烧脱硫温度相一 致。循环流化床锅炉在结构设计合理、运行操作适当以及添加合适品种和粒度的石 灰石等条件下，可以达到9 0 的脱硫效率。 4 、氮氧化物( n o ，) 排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。一是低温燃烧， 此时空气中的氮一般不会生成n 0 。二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为n 0 ，并使 部分已生成的n 0 。得到还原。 5 、燃烧强度高，炉膛截面积小 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。 循环流化床 锅炉的截面热负荷约为3 5 - - - 4 5mw m 2 ，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡 流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 3 倍。 6 、给煤点少 循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需 的给煤点数大大减少。在循环流化床锅炉中，燃料经常给入返料管内，这样在进入 炉膛前经历一个预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 7 、燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于1 2m m 。因此与煤粉锅炉相比，燃料的制 备破碎系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤( 水分可达到3 0 以上) ，当然用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 r 华北电力大学工程硕士学位论文 8 、易于实现灰渣综合利用 循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣 含炭量低，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用。如灰渣作为水泥掺和料或做 建筑材料、同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 9 、负荷调节范围大、负荷调节速度快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅 炉那样采用分床压火技术。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达3 - - - 4 ：1 。 此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快， 一般可达每分钟4 。 1 0 、投资和运行费用适中 循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫装置的 煤粉炉低1 5 2 0 。 。 2 2 循环流化床锅炉的燃烧特性 2 2 1 燃烧过程 当煤粒通过给料机给入流化床后，将依次发生下列过程： 煤粒得到高温床料的加热并干燥 热解及挥发分燃烧 对某些煤种会发生颗粒膨胀和一级破碎现象 焦碳燃烧并伴随着二级破碎和磨损现象 c f b b 内燃烧是一个错综复杂的过程，煤粒中挥发分析过程与焦碳燃烧过程存在 着一定的重叠，要十分精确地定量描述整个燃烧过程还很困难。 2 2 2 煤的燃烧特性 1 煤粒在流化床中的破碎特性 煤粒在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后其粒度发生急剧减 小的一种性质。而就流化床内粒度变化而言，引起的因素除破碎外还有颗粒与剧烈 运动的床层间磨损以及颗粒与埋管受热面的碰撞等。事实上对破碎和磨损很难确切 区分。就其本质而言是一种缓慢的破碎过程，它着重于固体颗粒间的机械磨擦作用， 作用结果是颗粒表面粗糙不平的物质以磨损细粒形式分离，因此影响颗粒磨损的主 要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。磨损的作用贯穿于 整个燃烧过程而燃料颗粒的破碎则主要是自身因素引起的使粒度变化的过程并 且具有短时间内快速改变粒度的特点 颗粒在进入高温流化床后，受到炽热床料的快速加热，首先是水分蒸发，然后 9 华北电力大学工程硕士学位论文 当颗粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发分反应。由于热解的作用，颗粒物理 化学特性发生急剧的变化。 煤粒破碎的直接结果是在煤粒投入床内后很快形成大量的细小粒子，改变了给 煤的粒度分布。 2 流化床内煤的磨损特性 磨损是种缓慢的破碎过程，它着重于固体颗粒间的机械磨擦作用，作用结果 是颗粒表面粗糙不平的物质以磨损细粒形式分离。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程 而燃料颗粒的破碎则主要是自身因素引起的使粒度变化的过程并且具有短时间内 快速改变粒度的特点。 3 挥发分的析出与燃烧 挥发分的析出( 或热解) 过程是煤粒受到高温加热后分解并产生大量气态物质 的过程，热解产物由焦油和气体组成。煤的热解是煤炭转化过程( 气化、燃烧、 液化、炼焦等) 的一个重要的初始过程，并对后续过程有很大影响。 就煤的热解过程所涉及的环境因素而言，一般热解可分两类： 在惰性气氛中加热时煤中挥发分析出的过程，如煤的液化、炼焦过程等均 属此类。 在氧化性气氛中加热时煤中挥发分析出的过程，如煤的燃烧过程初期经历 的热解就同此类。 就煤的燃烧而言，热解的影响大致有两个方面： 直接影响：挥发分的析出除造成煤粒质量消耗外，挥发分中的一些可燃组 分( 如c 0 、h ：、c h 。、c 。h 。等) 会发生着火燃烧。燃烧放热将使煤粒本身被迅速加 热。煤粒温度的提高，将有利于加速煤粒的多相着火与燃烧。 间接作用：由于煤中挥发分的析出，使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙 结构发生了很大的变化，从而改变了煤焦的反应性能。 4 煤炭的着火与燃尽 在流化床燃烧条件下煤粒中挥发分析出过程与焦炭燃烧过程存在着一定的重 叠，即在初期以挥发分析出与燃烧为主，后期以焦炭燃尽为主。至于二者的持续时 间则受煤种及运行工况的影响，很难确切划分。经有关研究证明，焦炭的燃尽时间 比挥发分的燃烧时间大两个数量级，也就是说焦炭的燃烧过程控制着煤粒在流化床 中的整个燃烧过程。 2 2 3 循环流化床锅炉的燃烧特性 循环流化床锅炉的主要特征在于颗粒在离开炉膛出口后经适当的气固分离装 置和回送机构不断送回床层燃烧，首先是运行风速高，其次，由于采取分级送风和 飞灰循环燃烧，不仅改善了燃烧效率，而且显示出了更好的脱硫和脱硝性能以及优 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 良的负荷调节性能和燃料适应性。 随着循环倍率的增加，燃烧效率增加。 、 床层温度对燃烧效率的影响超过过量空气系数a 。 流化风速的增加，使颗粒在炉内的停留时间缩短，使燃烧效率有所下降。但总 体上流化风速增加造成的燃烧效率下降的倾向是很小的。 2 3循环流化床锅炉的结构组成和工作过程 2 3 1 循环流化床锅炉的结构 循环流化床锅炉通常由炉膛、气固分离器、灰回送系统、尾部受热面和辅助设 备组成。一些循环流化床锅炉还有外置热交换器，也称外置式冷灰床。图2 3 为带 有外置热交换器的循环流化床锅炉系统示意图。 旋风分离器尾部受热面 图2 - 3 循环流化床锅炉系统 囟 1 燃烧室 循环流化床锅炉的燃烧室与常规煤粉锅炉的炉膛有较大差异，以二次风喷口为 界，下部为密相还原燃烧区，上部为稀相氧化燃烧区。还原燃烧区布置有燃料、石 灰石、循环灰进口。燃烧室底部有布风板，其作用是使一次风均匀地被送入炉内。 有的形式的循环流化床锅炉，其燃烧室上都布置有过热器或再热器等受热面。 2 物料分离器 目前，大型c t h 锅炉一般都采用高温旋风分离器。高温旋风分离器是一个内 敷有耐火。隔热两层材料的钢制件。与烟气接触的外层用耐高温、耐磨材料制成， 华北电力大学工程硕士学位论文 内层用轻质保温材料填充。高温旋风风离器是循环流化床锅炉在结构上的特征之 一，其高温分离性能对循环流化床锅炉的正常运行有较大的影响。 高温旋风分离器的分离效率通常用切割直径来表示，其定义为在给定颗粒特 性和操作条件下分离效率为5 0 时的颗粒直径。大于此直径的颗粒极有可能在高温 旋风分离器中被分离出来，而小于这一直径的颗粒被分离的可能性就小得多。分离 器的分离效率和分离器的阻力是评价高温旋风分离器性能的主要指标。 影响高温旋风分离器性能的因素有烟气温度和分离器尺寸。烟气温度越高， 分离器的分离效率越低。分离器直径越大，其分离效率越低。 高温旋风分离器通常敷设大量的耐火材料。这些耐火材料的加热和冷却需要 很长的时间，因而锅炉的启动也需要很长的时间。高温旋风分离器表面的温度相对 很高，所以对流和辐射损失很大。为了解决这个问题，高温旋风分离器采用水或蒸 汽冷却，这样，分离器能减少使用耐火材料的数量，也能减少高温旋风分离器外表 面的辐射热损失，同时还能缩短锅炉的启动时间。不仅如此，这种超薄的带细小龟 裂裂纹的耐火耐磨层使水、汽冷分离器成为锅炉追加受热面，有利于大型c f b 锅炉 受热面布置。 3 飞灰回送装置( 回料器) 回料器的作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部的低压侧 ( 一般为负压) 输送到燃烧室下部的高压侧( 正压) 。经过几十年的发展，u 形结构 的非机械式回料器成为c f b 锅炉的回料装置的主要形式，常见的有u 阀和j 阀。实 现这种输送的动力来自流化后的物料重力。因此，分离器与回料器之间的立管高度 和料位高度对回送的实现非常重要。 4 外部低速流化床换热器 有的形式的循环流化床锅炉，设置有外部流化床( f b h e ) 换热器。部分从高温 旋风分离器分离出来回送至炉膛的高温固体颗粒，可分流到流化床换热器中，其数 量可以通过机械阀来控制。f b h e 除了可以增加受热面布置外，还有助于锅炉的变负 荷运行，增加锅炉对燃料的适应性。采用外部低速流化床热交换器的重要原因之一 是为了将锅炉的燃烧过程与传热过程分开，便于调节燃烧室温度和锅炉负荷。 外部低速流化床热交换器实质上是一个细颗粒鼓泡床冷却器，流化风速通常为 0 1 5 0 4 5 m s ，用来将高温循环灰从9 0 0 。c 左右冷却到5 0 0 左右，之后经送灰器 送入床内再燃烧。它一般由几个分床组成。省煤器、蒸发器、过热器分别布置在不 同的分床内j 2 3 2 循环流化床锅炉的工作过程 华北电力大学工程硕士学位论文 9 煤和脱硫剂被送入炉膛后，迅速被炉膛内存在的大量惰性高温物料包围，着火 燃烧，发生脱硫反应，并在上升烟气流作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布 置的其他受热面放热。粗大粒子在被上升气流带入悬浮区后，在重力及其他外力作 用下不断减速偏离主气流，并最终形成附壁下降粒子流。被夹带出炉膛的粒子气固 混合物进人高温分离器，大量固体物料，包括煤粒和脱硫剂，被分离出来回送炉膛， 进行循环燃烧和脱硫。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、 空气预热器等放热冷却，经除尘器后，由引风机送入烟囱排入大气。 燃料燃烧、气固流体对受热面放热、再循环灰与补充物料及排渣的热量带入与 带出，形成热平衡，使炉膛温度维持在一定温度水平上。大量循环灰的存在，较好 地维持了炉膛的温度均匀性，增大了传热。而燃料成灰、脱硫剂与补充物料以及粗 渣排除维持了炉膛的物料平衡。 、 煤质变化或加人石灰石均会改变炉内热平衡，故燃用不同煤种的循环流化床锅 炉在设计及运行方面都有不同程度的差异。循环流化床锅炉在煤种变化时，会对运 行调节带来影响。试验表明，各种煤种的燃尽率差别极大，在更换煤种时，必须重 新调节分段送风和床温，使燃烧室适应新的煤种。 在循环流化床锅炉中，气固流态处于湍流流化床一快速流化床、快速流化床一 密相气力输送之间。二 次风口以上为环核结 构，存在附壁下降流。 二次风口下的区域是 一个浓相床区。其流态 上的主要特点还表现 在床内无气泡，无明显 密相分界面，存在颗粒 成团与返混现象，具有 较大的气固滑移速度。 循环流化床锅炉由 燃烧系统和汽水系统 两个子系统组成，各子 系统又由若干部件构 成。与煤粉锅炉相比， 其在汽一水侧的控制 崮程 次风 图2 - 4 点火方式示意 ( a ) 床上油枪点火( b ) 床内天然气点火( c ) 床下热风点火 ( d ) 床下油气预燃室点火 方式基本相同，区别主要体现在燃烧系统的控制上。由图2 1 可知，与常规煤粉炉 华北电力大学工程硕士学位论文 燃烧系统相比，由于燃烧方式不同，循环流化床锅炉的燃烧过程有五个输入量：燃 料量、一次风量、二次风量、返料量和排渣量，四个输出量：主蒸汽压力、床层温 度、烟气含氧量和炉膛压力。输入对输出量分别产生影响。目前，国内外循环流化 床锅炉所采用的控制系统主要还是在煤粉炉的控制基础上作一定的调整，即用燃料 量控制主汽压力，用一次风量维持床内的流化状态，用一、二次风的配比控制床层 温度，用二次风量控制烟气含氧量，用返料量和排渣量控制炉膛压力。 2 4 循环流化床的启动和运行 2 4 1 循环流化床的点火启动 1 点火方式 循环床的点火就是指通过某种方式使床层温度提高到并保持在投煤运行所需 的最低水平以上，从而实现投煤后的正常稳定运行。目前循环流化床锅炉的点火 方式可简单地归为如下几种：微流化点火、流态化点火、循环床点火，分别指点火 初期时床层的状态。点火热源可以是床上或床层中的油枪、气枪等以及床下预燃装 置产生的热烟气。如图2 4 所示： 在床下点火方式中，床层是由通过布风板送入床层的热烟气来加热的，热烟气 来自布置在风道上或床外其他地方的点火预燃器。热烟气通过整个床层高度加热底 料，故气流带走的热量较少，加热效率高。 床下点火的手段通常是一些放置在风道上的点火预燃器，燃料为轻油或气 体，点火燃烧的放热首先加热流化风。送入风箱的热风可以更有效地加热床料。 但对点火装置的材料要求高。 莱芜兴源采用轻柴油床下点火。油枪一支，流量8 0 0 - 1 2 0 0 k g h ，油压3 m p a ， 点火时炉底风室的烟气温度控制在8 0 0c 以下。 2 床层升温过程 点火过程中，床料一般经过加热升温、快速引燃和向稳定状态过渡等几个阶段。 下图是某台循环床锅炉典型的启动升温曲线。可以看出，底料的加热是一个相对校 长、较平稳的过程，升温热量来自油枪火炬或床下热烟气。随着床温升高，加热速 率越来越小。但是，当整个或局部床料温度达到煤的着火温度时，将出现图中所示 的快速引燃段，其标志是床温在很短时间内的快速爬升，初始爬升速率主要取决于 床料中引子煤和给煤的份额、反应活性( 热值) 、鼓风量和炉内受热面的布置情况。 而在过渡期内，由于风量、给煤时机和给煤速度的掌握不同，床温会有不同程度的 波动。在成功的点火过程中，床温最终将稳定在适当水平上。 从点火时间来看，加热过程对静态床上点火方式一般持续2 - 3 h ，而用油枪或 床下热烟气加热微沸腾的床层则可以相对缩短；对床下热烟气加热的全循环点火， 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 加热过程就稍长，从锅炉点火到并炉5 小时左右，因为此时热烟气的热量不仅用于 加热床料，而且还通过循环物料加热分离器等部件。快速引燃过程一般持续5 1 0 m i n ，而过渡阶段约为2 0 3 0 m i n ，视具体情况和操作水平而异。 3 点火时应注意的几个方面 设计上的考虑：要有均匀的布风装置，灵活的风量调节手段，可靠的给煤 机构，适当的受热面和边角结构设计，以及可靠的温度和压力监测手段。 料的配置：底料的粒度及引燃物的比例、静止料层高度是几个重要的指标。 一般而言底料颗粒要求在8 m m 以下，如有条件达到6 m m 以下则更好。底料中大小颗 粒的分配要适当，既要有小颗粒( 小于1 m m ) 作为初期的点火源，又要有大颗粒作 为后期维持床