（热能工程专业论文）循环流化床锅炉二次风射流特性的冷态实验研究与数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 循环流化床燃烧技术以其燃料适应性广、污染物控制好、良好的负荷调节性 能等优点成为洁净煤技术中最佳的选择。但是随着循环流化床锅炉大型化的发展， 出现了许多的问题，二次风射流就是其中最重要的问题之一。二次风射流刚度如 果不够，二次风就不能到达炉膛中心，势必会对炉膛中心的燃烧产生影响。 为对这一问题有更好的了解，在一个可视化冷态实验装置上，采用漂珠为床 料，对二次风射流特性进行了冷态试验。试验研究的内容主要有： 循环流化床锅炉模型的冷态流化特性试验； 对二次风喷口所在炉膛横截面的平均固体颗粒浓度进行测量； 对不同物料浓度、不同二次风速及不同二次风喷口直径条件下二次风的射 程进行了实验研究。 为了较准确的测量二次风的射程，试验采用不等温射流方法。即一次风为室 温，二次风采用高温空气，在炉内二次风平面布置热电偶测温网络，通过测量炉 内温度场的方法问接得出二次风的射程。利用数据采集和处理系统来完成二次风 平面测温网格各点的温度测量，并使用数据图形处理软件实现温升分布的可视化。 通过分析研究结果得到以下结论： 在床料为漂珠的情况下，循环流化床锅炉冷态实验台临界流化风速为 0 1 7 m s ，同经验公式计算所得到的i 临界流化风速0 1 8 2 m s 基本一致； 循环流化床锅炉二次风喷口所在横截面区域内固体颗粒呈环核结构分布， 且随着流化风速的增大，固体颗粒的浓度是增大的； 在固体颗粒浓度一定情况下，二次风射程与二次风动量成正比；二次风动 量一定时，二次风射程与固体颗粒浓度成反比。 通过对实验数据进行拟合得到一个关于循环流化床二次风最大射程的关 系式 在冷态试验的基础上，对炉内二次风射流特性进行了数值模拟，结果表明： 在保持二次风速度不变，改变一次风速度和二次风喷口管径的情况下，数 值模拟二次风射程的结果变化趋势是随着次风速度的增加而减小的； 二次风射入炉内后，速度在一定的距离内减小到最小值； 数值模拟得到的二次风最大射程与试验结果相比较也基本一致。 关键词：循环流化床锅炉，二次风射流，射程，流化风速，颗粒浓度 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo fm a n ya d v a n t a g e s 嬲丽d ca d a p t a b i l i t yw i t hf u e l s i d e a la d j u s t a b i l i t y w i t hl o a da n dw e l lp o l l u t a n tc o n t r 0 1 c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) c o m b u s t i o n t e c h n i q u eb e c 蚴et h eb e s tc h o i c eo fc l e a nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n i q u e b u tw i mt h e l a r g e s c a l ed e v e l o p m e n to f c f bb o i l e r , m a n yp r o b l e m sa p p e a r t h er a n g eo f s e c o n d a r y a i r ( s a ) i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s t h es e c o n d a r ya i rc 姐t 踟et of l l m a c e c e n t e rf o rl o ws e c o n d a r ya i rj e ts t i f f r i e s s i tw i l li n f l u e n c et h ec o m b u s t i o ni nt h ef u r n a c e c e n t e r i nav i s u a lc o l de x p e r i m e n t a la p p a r a t u s as e r i e so fc o l de x p e r i m e n t a lt e s t s0 1 1t h e s e c o n d a r ya i r j e tc h a r a c t e r i s t i c sw e l r ec o m p l e t e dw i t hb e dm a t e r i a lo f a s hf l o a t e r t h ec o l de x p e r i m e n t a lt e s t sm a i n l yi n c l u d e ： t h ec o l df l u i d i z i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ec f bb o i l e rm o d e l ； t h ea v e r a g es o l i dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni nt h ef u r l l a c l ec t o $ f ls e c t i o no f s e c o n d a r y a i rn o z z l e ； t h er a n g eo fs e c o n d a r ya i rj e tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o no fs o l i dp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n , s e c o n a a r ya i rv e l o c i t ya n dd i a m e t e ro f s e c o n d a r ya i rn o z z l e i no r d e rt on “珀暇u r et h er a n g eo fs e e o n d a r ya i re x a c t l y , d i f f e r e n tt e m p e r a t u r es p o u t t e s tm e t h o dw a su s e d t h er o o ma i rw a su s e d 嬲p r i m a r ya i r i nt h es a m et i m e ，h e a t e da i r w a ss e r v e da ss e c o n d a r ya i r t h et h e r m o e o u p l et e m p e r a t u r em e a s u r i n gn e tw 硇f i x e di n t h es e c o n d a r ya i rp l a n e t h es e c o n d a r ya i rr a n g ew 鹪g o t t e nt h r o u g hm e a s u r i n gt h e t e m p e r a t u r ei nt h ef l l l n l l c ad a t aa c q u i s i t i o na n dl a e a t m e n ts y s t e mw i l l su s e dt o c o m p l e t et h et e m p e r a t u r em e a s u r i n gi nt e m p e r a t u r em e a s u r i n gn e ti nt h ec i 0 5 $ s e c t i o n o fs e c o n d a r ya i rp l a n e g r a p h i c a lt r e a t m e n ts o t t w a r ew a su s e dt ot r e a tt e m p e r a t u r ed a t a a n dr e a l i z et h ev i s i b l er e s u l t s f r o mt h ee x p e r i m e n t sa n d a n a l y s i s ，b e l o wr e s u l t sw e r eg o t t e n ： t h ec o l de x p e r i m e n t a lt e s t si n d i c a t et h ec r i t i c a lf l u i d i z i n gv e l o c i t yw 嬲0 1 7 m s w h e nt h eb e dm a t e r i a lw 嬲f l o a t e r t h i sr e s u l tw s sb a s i c a l l ye q u a lt ot h ec r i t i c a l f l u i d i z i n gv e l o c i t yc a l c u l a t e db y 翻p 嘶e n c ef o r m u l a ( o 1 8 2 m s ) ； t h es o l i dp a r t i c l ed i s l r i b u t e d 嬲c o r e - a n n u l a ri nt h es e c o n d a r ya i rp l a n e , a n d t h ec o n c e n t r a t i o no f s o l i dp a r t i c l ei n e r e a s e di nd i r e c tr a t i ot ot h ef l u i d i z e da i r ； t h em a xr a n g ea n dd i f f u s i o no fs e c o n d a r ya i rj e tw 鹪i nd i r e c tr a t i ot ot h e m o m e n t u mo f s e c o n d a r ya i r j e tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f s o l i dp a r t i c l er e m a i n e ds t e a d y , 重鏖盔兰堡主兰垡堡奎 茎壅塑墨 a n di ni n v e r s er a t i ot ot h ep a r t i c l ed e n s i t yw h e nt h em o m e n t u mo fs e c o n d a r ya i rj e t r e m a i n e ds t e a d y t h r o u g hc o l l e c t i n gd a t ag a i n e df r o me x p e r i m e n t s ，af o r m u l ao fm a xr a n g ew a s p r o p o s e d t h ec o l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i e so fs e c o n d a r ya i rw a s c o m p l e t e db a s e do rt h ec o l de x p e r i m e n t a lt e x t s t h er e s u l t so ft h e c o l dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm a i n l yi n c l u d e d ： t h ec h a n g et r e n do ft h er a n g e o fs e c o n d a r ya i rd e c r e a s e dw h i l et h ev e l o c i t yo f p r i m a r ya i ri n c r e a s e di nt h es a m ev e l o c i t yo fs e c o n d a r ya md i f f e r e n tv e l o c i t yo f p r i m a r y a i ra n dd i a m e t e ro f n o z z l e ； t h ev e l o c i t yo f s e c o n d a r ya i rd e c r e a s e dt oz e r oi nac e r t a i nd i s t a n c e ； t h er a n g eo fs e 虻o n d a g ya i rf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s i c a l l ye q u a l e dt ot h e e x p e r i m e n tr e s u l t k e y w o r d s ：c f bb o i l e r , s e c o n d a r ya i rj e t ，r a n g e ，f l u i d i z e da 址c o n c e n t r a t i o no fs o l i d p a r t i c l e h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特另j d i ：i 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 导师虢卢啼t 屯 签字日期：年月日 签字日期：凇7 年厂月日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 循环流化床锅炉技术发展的必要性 1 1 1 能源及环保现状 能源和环境是人类社会与经济发展的两大要素。目前，煤炭是我国最主要的 能源，一次能源消耗中煤炭占7 5 左右，占全球煤炭总消耗量的3 5 左右。而且 从我国自然资源特点及技术经济发展水平来看，这种状况在相当长的时期内不会 有实质性改变。燃煤发电是我国煤炭利用最重要的途径，目前我国用于发电的煤 炭已超过总产量的5 0 。与其他一次能源相比( 石油、天然气、核能等) ，煤的大量 消耗同时会带来严重的环境污染问题，再加上我国发电用煤的煤质较差( 灰分高、 硫分高、低热值) ，使得普通燃煤锅炉的s 0 2 和n o x 的排放严重超标，每年排入大 气的8 5 的s 0 2 和6 5 的n o x 均来源于煤的直接燃烧，这导致了空气质量的严重 恶化和大规模的酸雨沉降污染；同时煤燃烧生成了大量的c 0 2 ，这会产生温室效应、 导致全球变暖，严重破坏地球的生态平衡：另外，2 0 0 2 年全国烟尘排放量达到 1 0 1 2 ，7 万吨，燃煤产生的烟尘占了7 0 左右，不仅污染环境，对人体也会造成很 大的危害【1 。5 1 。 为了保证国民经济的可持续发展，满足资源的可持续利用，降低环境污染， 必须提高煤炭的利用率，减少燃煤对大气的污染，发展洁净煤发电技术已经成为 中国今后一个时期的战略主攻方向。洁净煤技术是指从煤炭开采到利用的全过程 中旨在减少污染物排放、提高利用效率的加工、转化、燃烧及污染控制等新技术 群，是一个非常庞大的技术体系。主要包括煤炭的洁净生产技术、煤炭的洁净加 工技术、煤炭的高效洁净转化技术、煤炭的高效洁净燃烧与发电技术以及燃烧污 染排放治理技术。根据我国目前的技术经济发展水平，针对洁净煤技术研发周期 长、资金投入大的特点，我国洁净煤技术的发展方向重点定在洁净煤先进发电技 术和煤炭高效洁净转化技术。这些技术主要包括增压流化床联合循环、整体煤气 化联合循环、烟气净化的超i l 笛界煤粉炉、常压循环流化床技术 6 - 9 。 同其他几种技术相比，上世纪七十年代末应用于发电领域的常压循环流化床 燃烧技术更为成熟，是目前国际上公认的商业化程度最高的洁净煤技术之一。在 世界范围内，已有近千台循环流化床锅炉投入运行。近年来，随着我国电力需求 的迅速增加和火力发电厂动力用煤的紧张，能燃用低挥发份、低发热量劣质无烟 煤、煤泥、石油焦和矸石等劣质燃料的循环流化床锅炉在我国也得到迅速发展。 经过1 0 多年的快速发展，中小型循环流化床技术在我国已趋于成熟。在此基础上， 循环流化床锅炉的大型化也正在加速进行并取得了一定进展，四川白马电厂引进 重庆大学硕士学位论文1 绪论 法国a l s t o m 公司的3 0 0 w m 循环流化床已经运行发电。可见，经过早期的快速发 展和随后的调整之后，再加之循环流化床技术能较好地适应我国煤炭资源分布和 地区特点。随着洁净燃煤联合循环系统技术成熟、投资降低，循环流化床锅炉在 我国将具有更广阔的市场前景 1 0 1 2 】。 1 1 2 循环流化床锅炉技术的优点 循环流化床燃烧技术之所以能够得到人们的广泛关注并迅速发展，其主要原 因就是该技术具有许多优点，具体表现在以下几个方面【1 3 - 1 7 1 ： 燃料适应性广 在循环流化床锅炉中燃烧的新燃料仅占整个床料的5 左右，其余则是惰性物 质，这些大量的惰性热床料不会与新加入的燃料争夺氧气，却为加热新燃料提供 了丰富的热量，使燃料迅速加热，析出挥发分并着火燃烧，而床层温度又无明显 降低。另外，飞灰循环量大小的改变可以调节炉内的吸热份额和炉内的温度，外 部热交换器的使用对炉内吸热份额和炉内燃烧温度的调节范围更大。所以循环流 化床锅炉对燃料的适应性非常广，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。 燃烧效率高 循环流化床锅炉中，燃料一方面在炉内燃烧，且绝大部分未燃尽的燃料被再 循环装置( 旋风分离器) 送回到炉膛进行再次燃烧。被分离下来的颗料经过返料装置 又送回炉膛，使锅炉炉膛内有足够高的灰浓度，因此，循环流化床锅炉不同于常 规锅炉炉膛仅有辐射传热方式，而且还有对流及热传导等传热方式，大大提高了 炉膛的传热效率，因此，其燃烧效率高，对不同煤种燃烧效率均可达9 弘9 9 5 。 燃烧强度大 在循环流化床锅炉内，燃烧比较均匀的发生在整个炉膛高度内，沿炉膛高度 方向燃烧温度相差不大，从而大大提高了循环流化床锅炉的截面热强度和容积热 强度。循环流化床锅炉的截面热强度约为3 8 m w m 2 ，容积热强度为0 1 6 - o 3 2 m w m 2 ，是常规流化床锅炉的2 3 倍。 污染物控制好 在通常情况下，循环流化床锅炉运行的床温保持在8 5 0 - - 9 5 0 * ( 2 之间，而这一温 度范围恰好是脱硫反应效率最好的温度区间。若床温低于7 5 0 1 2 ，燃烧及脱硫速度 明显降低；而温度过高后，氧化钙的空隙被迅速生成的c a s 0 4 堵塞而阻止了脱硫 剂的进一步反应。同时，石灰石脱硫剂在多次循环过程中，与烟气中s 0 2 的接触 时间增加。在钙硫摩尔比在1 5 2 5 以及合适的脱硫剂粒径下，能够保证脱硫效率 在9 0 以上，将s 0 2 的排放浓度有效的控制在1 0 0 3 0 0 m g m 3 的范围内。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在氮氧化物的污染控制上，由于循环流化床锅炉采用低温燃烧，热力型n o x 生成量几乎可以忽略不计。同时，由燃料中的氮生成的n o x 也随着燃烧温度的降 低而降低；另外，循环流化床锅炉采用分级燃烧，一次风由炉膛底部送入，通常 占燃烧所需空气的5 0 - - 6 0 ，然后再通入足够的二次风，使得炉膛内部处于一种还 原性气氛，进一步抑制了n o x 的生成。同煤粉炉相比，循环流化床锅炉n o x 的排 放量远低于煤粉锅炉。在不需要任何脱氮措施的情况下，循环流化床锅炉的n o x 排放仅为2 0 0 p p m 左右，达到环境排放标准，烟气可以直接排放。 负荷调节范围广 循环流化床锅炉由于采用飞灰循环燃烧和外部流化床热交换器，使得锅炉的 负荷能够在2 5 1 0 0 之间变化，负荷变化速率每分钟可达5 - 1 0 。当负荷变化时， 只需要调节给煤量、送风量和床料量就可以满足负荷的变化。而对煤粉锅炉，低 负荷时需要采用燃油助燃。这一优点使循环流化床锅炉作为电网中的调峰机组， 作为热负荷变化大的热电联产机组和供热工业锅炉是特别适合的。 系统简单、操作方便 循环流化床锅炉入炉燃料颗粒比煤粉炉的煤粉颗粒粗得多，因此，不需要磨 煤机，只需简单的干燥及破碎装置即可满足燃烧要求。同时，循环流化床锅炉可 以集中给料，给煤点数量少，为锅炉的大型化创造了有利条件。与煤粉炉相比， 使用流化床锅炉厂房，土建费用节约1 0 左右，设备费用节约2 0 3 0 ，而且运 行人员操作的辅机设备少，控制简单。 灰渣综合利用率高 循环流化床炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含碳量比较低，一般为 1 。循环流化床燃烧属于低温燃烧，这种条件下的灰渣活性好，易于实现灰渣 的综合利用，如制造碾压水泥，可用于路基材料，也可以用作混凝料、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。 1 2 循环流化床锅炉技术的发展现状 1 2 1 国外循环流化床锅炉的发展 国外第一台商业循环流化床锅炉是芬兰a h l s t r o m 公司开发的一台2 0 t h 的循环 流化床锅炉，于1 9 7 9 年在芬兰的p i h l a v a 投运。经过近二、三十年的迅速发展， 国外循环流化床锅炉的技术已趋于成熟。经过多年来的发展和整合，目前国外循 环床锅炉比较有代表性的炉型如下【1 睨9 1 。 l u r g i 炉型 德国鲁奇公司是世界上最早从事循环流化床燃烧技术研究与开发的公司之 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一，l u r g i 型循环流化床锅炉的结构特点为：将燃烧与传热分开，采用高循环倍 率、高温旋风分离器和布置有外置流化床热交换器( e h e ) 。具有负荷调节、床温控 制灵活性大，燃料适应性好等特点，但系统过于复杂。图1 1 就是典型的l u r g i 型 循环流化床锅炉。该公司最具代表性的是安装在我国四川内江白马电厂的3 0 0 m w 机组( 图1 2 ) ，目前，该锅炉已经成功投入运行。 图1 1 德国l u r g i 公司制造的c f b 锅炉 f i g1 1c f b b o i l e r p r o d u c l b y l u r g i c o r p o r a t i o n 图1 2a l s t o m 公司制造的嘶炉型的c f b 锅炉 f i g1 2 h 哂t y p e c f b b o i l e r p r o d u c e d b y a l s t o mc o r p o r a t i o n p y r o f l o w 炉型 由芬兰奥斯龙( a h l s t r o m ) 公司生产的p y r o f l o w 型循环流化床锅炉是目前世界上 运行台数最多的一种循环流化床锅炉。其特点是：采用高循环倍率，高温旋风分 离器，不设外置流化床热交换器，炉内布置有翼墙受热面和。形过热器。具有系 统简单、结构紧凑等优点。这种循环流化床锅炉的大型化问题也已顺利解决，已 有各种容量的大型电站锅炉在世界各地运行。图1 3 是a h l s t r o m 公司的p y r o f l o w 型4 1 0 t h 循环流化床锅炉。 c i r c o f l u i d 炉型 德国b a b c o c k 和v k w 公司开发的c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉较好地保持了 鼓泡流化床和高倍率循环流化床锅炉的优点，形成了典型的中温分离循环流化床 锅炉。它的主要特点为：布置有两级分离器，第二级分离器布置在过热器后。具 有结构简单、燃烧效率高等优点。但大型化，特别是再热器布置比较困难。图1 4 是c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉的结构示意图。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 3p y r o f l o w 型4 1 0 t h 循环流化床锅炉 f i g1 3p y r o f l o wt y p e4 1 0 t hc f b b o i l e r 图1 4c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉 f i g1 4c i r c o f l u i dt y p ec f bb o i l e r f & w 炉型 美国福斯特惠勒公司( f & w ) 也是一家有较长的c f b 锅炉生产历史的制造商， 汽水冷高温旋风分离器、i n t r e x 循环灰热交换器、带有方形分离器的紧凑型循环 流化床锅炉设计都是他的专利。他的结构特点有：采用汽冷高温旋风分离器和 i n t r e x 热交换器，用流化风控制循环灰量，i n t r e x 内只布置过热器，尾部采用 平行双烟道，保证低负荷时再热气温。在波兰开工建设，目前世界上最大的4 6 0 m w 超临界循环流化床锅炉( 图1 5 ) 就是该公司设计的。 图1 5e w 公司设计制造的4 6 0 m w 超临界循 环流化床锅炉 f i g1 54 6 0 m wa u p e r c r i t i c a lc f bd e s i g n e d a n dp | d i l c e db ye w c o r p o r a t i o n 5 图1 6 巴威公司制造的内循环型c f b 锅炉 f i g1 6i n n e rl o o pt y p ec f bb o i l e rp r o d u c e d b yb & wc o r p o r a t i o n 重庆大学硕士学位论文1 绪论 美国巴威的内循环炉型 这种锅炉采用高速床和两级分离器。在炉膛出口前后的高温区装有两组槽型 惯性分离器作为第一级分离，而分离下来的飞灰将在炉膛上部形成内部循环。据 介绍，其累计分离效率可达9 7 5 。在锅炉尾部省煤器之后还有一多管旋风分离器 作第二次分离。这种锅炉的结构相对简单，布置更接近传统的煤粉锅炉，便于采 用传统锅炉成熟可靠的受热面结构。图1 6 是美国巴威生产的内循环型循环流化床 锅炉。 此外，国外从事循环流化床锅炉研制开发与生产的主要厂商还有：英国 b a b c n c k 公司、美国f n 公司、百威公司、c p c 公司、日本三菱公司等。目前，循 环流化床锅炉正向高参数、更大容量的方向发展。国外多家循环流化床锅炉制造 商已经完成了5 0 0 - - 6 0 0 m w 级超临界循环流化床锅炉的方案设计和技术准备工作。 1 2 2 国内循环流化床锅炉发展 随着我国经济的快速发展对能源需求的增加与防止环境污染的矛盾日益突 出，传统的煤粉燃烧加烟气脱硫脱硝投资较高，而循环流化床技术具有技术成熟、 良好的排放性能以及相对较低的安装和运行成本。所以，循环流化床锅炉技术及 产品将具有巨大的市场潜力和良好的社会效益。目前，我国已经运行的大大小小 的循环流化床锅炉已经超过了1 0 0 0 台，我国已经成为世界上循环流化床锅炉台数 最多和总的蒸发量最大的国家。我们可以相信在不久的将来循环流化床锅炉在我 国会获得更大的发展，并提升到一个新的水平。循环流化床锅炉在我国的发展大 致分为以下几个阶段1 3 0 - 3 9 ： 鼓泡流化床锅炉的研究开发 在二十世纪六十年代，我国就开始了鼓泡流化床锅炉( 沸腾炉) 的研究和产品开 发工作。从七十年代起，4 t h 、1 0t h 、2 0t h 到1 3 0t h 鼓泡流化床锅炉相继投运。 到八十年代初，我国投运的鼓泡流化床锅炉数量已经接近3 0 0 0 台。但是在锅炉的 容量上，基本上都是小型锅炉，几乎没有考虑向更大容量等级发展，而且在自动 控制和一些技术上存在着很多不足，但是也得到了许多经验，为后来循环流化床 锅炉的开发提供了十分宝贵的经验。 小型循环流化床锅炉的研究开发 1 9 8 1 年，国家科委下达了“煤的流化床燃烧技术研究课题，标志着我国循环 流化床锅炉的研究和产品的开发工作正式启动。随后，一些高等院校和科研单位 与中小锅炉制造厂合作，进行了循环流化床锅炉的产品开发工作。中国科学院工 程热物理研究所和济南锅炉厂合作研制的我国第一台3 5 t h 循环流化床锅炉，于 1 9 8 9 年末在山东明水热电厂投运；清华大学与四川锅炉厂合作研制的第一台7 5 t h 循环流化床锅炉，1 9 9 1 年l o 月投运于辽宁鞍山第二热电厂。到九十年代中期，投 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 入运行的7 5 t h 以下容量的循环流化床锅炉已有近2 0 0 台。这一时期的锅炉主要问 题是出力不足、磨损严重、自动化水平低等。这一阶段循环流化床技术进步不大， 主要是因为一方面尽管有多家研究单位从事这方面的研究，但缺乏统一的组织， 研究工作在同一水平上不断重复，缺乏深层次开发的能力；另一方面就是研究工 作和产品开发没有能有机地结合起来，大多数研究成果不能直接甚至间接转化为 产品，这一问题至今仍然存在。 中等容量循环流化床锅炉的投运 到了九十年代中期，广阔的市场前景促进了大型锅炉制造企业逐渐重视循环流 化床锅炉技术的发展，先后有哈尔滨锅炉有限责任公司、东方锅炉股份( 集团) 有限 责任公司等采取国际合作、技术引进等不同方式为国内化工、电力等行业提供数 台5 0 m w 、1 0 0 m w 高压循环流化床锅炉，同时各锅炉厂在消化吸收国外先进技术 的基础上自己研制开发并推出了一系列具有自主知识产权的循环流化床锅炉。这 些机组尽管在初期都存在一些问题，但经过不断调试和改进，基本上都达到了设 计要求，更为重要的是，这些机组的成功投运整体提升了我国循环流化床锅炉技 术水平，并在中等容量循环流化床锅炉商业市场的竞争中站稳了脚跟。同时，国 内高校和科研机构在循环流化床锅炉的开发上也不断进行努力，他们与锅炉厂家 合作，在国家的支持下，目前也取得了一定的成果。如中国科学院工程热物理研 究所开发的两级分离循环流化床锅炉、清华大学开发的漩涡内分离循环流化床锅 炉和异型水冷分离循环流化床锅炉、华中科技大学开发的下排气中温旋风分离器 循环流化床锅炉等。 向大型化发展 九十年代中后期，四川白马高坝电厂引进原芬兰a h l s t r o m 公司4 1 0 t h 高温高 压循环流化床锅炉，这是我国首台大容量的循环流化床锅炉。到了九十年代末期， 随着我国对环境问题的日益重视，以及电力工业产业结构的调整，国家政策向循 环流化床锅炉倾斜，循环流化床锅炉得到了一个很好的发展机遇。为了适应这一 发展形势，国内三大锅炉厂通过引进国外技术或者技术贸易相结合，拥有了 1 0 0 m w 循环流化床锅炉制造的能力。由哈锅和国家电力公司热工研究院共同开发 设计并由哈锅制造，安装在江西分宜的4 1 0 t h 循环流化床锅炉是我国第一台自行 研制并具有自主知识产权的大型循环流化床锅炉于2 0 0 2 年1 1 月并网发电，这标 志着我国的循环流化床技术发展到了一个新的阶段。2 0 0 6 年在四川白马电站，我 国引进a l s t o m 循环流化床锅炉技术的第一台3 0 0 m w 级的循环流化床示范电站 已经成功投入运行。 近阶段，我国循环流化床锅炉发展的方向是在大型化方面缩短与世界先进水 平的差距，先将3 0 0 m w 循环流化床锅炉技术进行消化吸收，并开发出具有自主知 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 识产权的3 0 0 m w 循环流化床锅炉，然后加紧对单机容量更大的超临界循环流化床 锅炉研究，争取早日将我国的大型循环流化床锅炉的发展提高到世界先进水平。 图1 7 为国内c f b 锅炉的发展现状图。 善 营 蜀 冒 雪 营 舅 昌 y e a ro f i n i t i a lo p e r a t i o n 图1 7 国内c f b 锅炉的发展现状 f i g1 7d e v e l o p m e n to f t h ec a p a c i t yo f as i n g l ec f bb o i l e ri nc h i n a 1 3 循环流化床锅炉技术的发展趋势 1 3 1 大型化、超临界方向发展 循环流化床燃烧技术由于具有以下燃烧特性而使它特别适合于与超临界参数 技术结合【4 h 7 1 ： 循环流化床锅炉炉膛内的温度通常控制在8 5 0 9 5 0 c ，这比常规的煤粉炉 炉膛温度低很多，因此炉膛内的热流要比煤粉锅炉低。炉内较低的热流密度可降 低对水冷壁冷却能力的要求。 在循环流化床锅炉炉膛内，固体颗粒浓度和传热系数在炉膛底部最大且 随着炉膛高度的增加而逐渐减小，热流曲线的最大值出现在炉膛底部附近。这样， 炉膛内高热流密度区域刚好处于工质温度最低的炉膛下部区域，这样对传热十分 有利，还有利于水冷壁金属温度的控制。 与煤粉炉相比，由于循环流化床锅炉炉内燃烧特点，循环流化床锅炉的低温 燃烧使得炉膛内的温度水平低于一般煤灰的灰熔点，再加上炉膛内较高的固体颗 粒浓度，所以炉墙上的沉积物很少，炉墙很清洁，水冷壁发生传热恶化的情况将大幅 重庆大学硕士学位论文1 绪论 减少。 有了以上的这些优点，使得循环流化床锅炉无论是在技术还是污染的控制上 面都比煤粉锅炉更加适合于采用超临界参数，实现锅炉的大型化。 1 3 2 深度脱硫和脱硝【4 8 - 5 2 j 深度脱硫问题 近年来，随着脱硫技术的进步，尾部烟气脱硫的成本已逐步降低。为达到9 0 的脱硫效率，采用循环流化床锅炉炉内添加石灰石的脱硫方法，钙硫摩尔比一般 需达2 0 以上，而采用烟气湿法脱硫技术，钙硫摩尔比仅需1 1 左右，那么与“煤粉 炉+ f g d 系统”相比，循环流化床锅炉系统在脱硫方面的优势将进一步减弱，因此 需要对c f b 锅炉的深度脱硫技术进行更深入的研究。另外，随着人们对环境保护问 题的日益重视，世界各国对s 0 2 排放的控制标准也已更加严格。因此，深度脱硫是 循环流化床燃烧技术今后发展中需要解决的一个重要问题。 深度脱硝问题 循环流化床锅炉的低温燃烧特性以及空气分段送入的燃烧方式对抑制氮氧化 物生成十分有利。目前，c f b 锅炉烟气中n o x 的排放浓度大多能控制在2 0 0 m g n m 3 以下。但从长远看，随着人们生活水平的提高和对n o x 危害认识的深化，对n o x 排放的要求也必将迸一步提高。另外，c f b 锅炉燃烧产生的n 2 0 排放近年来也引 起了重视。因此，寻求同时降低n o x 和n 2 0 排放的技术是未来c f b 锅炉低污染 燃烧发展的另一个重要方向。 1 3 3 能源的综合利用【5 3 巧6 】 能源的综合利用是c f b 锅炉今后发展的又一个重要方向。能源综合利用包含有 以下几个方面内容： 利用c f b 燃烧技术对低级资源或能源的利用。目前，人们使用c f b 锅炉在 燃烧石油焦、污泥、生物质、生活垃圾等方面已取得了一些经验，但对于废弃物 循环流化床处理技术的总体研究和应用仍存在不少问题。 灰渣的综合利用。循环流化床锅炉运行中由于采用了炉内添加石灰石脱硫 技术，不但增加了灰渣数量，而且它的灰渣与普通煤粉炉产生的灰渣在形态、粒 度、化学性质等方面有很多不同之处，以至于很难用常规的灰渣利用方式对其进 行处理。目前，开发和研究适合c f b 锅炉脱硫灰渣的处理方式和利用途径已成为 国内外关注的热点。 循环流化床锅炉与其它系统整合的能源高效利用。目前，以循环流化床锅 炉技术为基础的i g c c 系统、p c f b c 系统均已开发成功，今后应朝着大型化和优化 运行方向发展。 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 目前循环流化床锅炉技术存在的主要问题 目前，国内煤粉锅炉技术早已成熟，各项性能与国际先进水平基本相当。而 从国内己运行的循环流化床锅炉来看，循环流化床锅炉可靠性和长期连续带负荷 能力比煤粉炉差，普遍存在着受热面磨损快、给煤、回料不畅、冷渣器故障等多 方面问题。在运行上，国内大型c f b 锅炉主要有以下几个问题1 5 7 8 】： 冷渣器的问题 循环流化床锅炉的底渣量占锅炉总灰量的比例在5 0 左右，再加之脱硫所形 成的额外排渣，因此，底渣的排放量比煤粉炉要大得多。而且，循环流化床锅炉 的排渣具有灰渣流量不稳定、温度较高且波动大、热量回收价值高以及灰渣颗粒 不均匀等特点。如果底渣排渣不畅或受阻，导致结焦，将影响锅炉的正常运行。 国内大部分的大容量c f b 锅炉都配备多仓式选择性流化床冷渣器。但是该类型冷 渣器的进渣存在自流现象，进渣量控制不可靠，造成大量堆积或被吹空；冷渣器 选择仓存在结焦堵塞现象，排渣困难，堵塞严重时可能造成锅炉事故停炉。 炉内受热面磨损的问题 在循环流化床锅炉的物料循环中，由于烟气中的灰量大，烟气流速高，炉墙 和受热面受到大量固体颗粒的冲刷，炉内布置的受热面的磨损比传统锅炉要严重 得多。尤其是较高循环倍率的循环流化床锅炉，炉内烟气所携带的灰量往往是普 通煤粉炉的十几倍。当高含尘浓度的烟气携带床料粒子高速流过时，就会在炉墙 或金属受热面表面产生磨损，严重时有可能引起爆管。 二次风的问题 在循环流化床锅炉中，二次风的主要作用是补充燃料燃烧所需要的空气并加强 炉内物料的扰动。随着c f b 锅炉大型化的发展，二次风的主要问题有： 1 ) 二次风射流的刚度问题 二次风喷口面积及速度，决定了二次风喷入的动能，是影响二次风穿透性能非 常重要的因素。目前存在的主要问题是二次风射流刚度不够，不能到达炉膛中心， 势必会影响炉膛中心区域的燃烧，受此限制，燃烧室的宽度一般不能超过1 0 m 。国 产大型循环流化床锅炉的二次风速度通常在8 0 m s 以上。 2 ) 二次风口的布置高度 二次风喷口高度是一个重要参数，喷口位置过高，会使炉内氧化区域的燃烧行 程缩短，使飞灰含碳量增加。二次风喷口到炉膛出口的距离越大，对飞灰燃尽越有 利。但是二次风喷口高度过低，就必须采用压头更高的二次风机，否则运行时的二 次风量就达不到设计要求。 3 ) 二次风分布的均匀问题 对于大型c f b 锅炉，采用比较多的二次风喷口，一般沿燃烧室墙或裤腿形内 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 墙布置。二次风喷射到燃烧室中心，以确保氧气在炉内的均匀分布。燃烧室内氧的 分布越均匀，碳的燃尽度和石灰石的利用率越高，同时也能更好的降低污染物的排 放。 除上述主要问题外，循环流化床锅炉在运行过程中还会出现给煤及回料不畅、 耐火材料及膨胀节内护套损坏脱落、布风板漏渣、风帽漏渣等问题，这些都是在 循环流化床锅炉运行过程中所不容忽视的。 1 5 循环流化床锅炉二次风的研究现状 在循环流化床燃烧装置里，横向气流混合的缺乏将会导致气体和燃料的不完 全混合。因此通常情况下，循环流化床锅炉一般都会在布风板以上几米高的地方 布置单层或多层二次风口，可以限制n o x 的生成、降低风机能耗、提高燃烧质量、 保证锅炉的颗粒循环倍率等。尽管二次风在工业循环流化床锅炉中应用的已经非 常广泛了，但关于循环流化床锅炉内流体动力学的研究大都集中于流化风的情况， 关于二次风的研究很缺乏【6 l 】。 1 5 1 循环流化床锅炉二次风研究的主要内容 近年来，一些学者也开始研究上升管中横向气体的加入对气固流动特性、固 体颗粒循环倍率、固体颗粒平均浓度等的影响。其中关于循环流化床二次风主要 的研究有二次风的加入对上升管中气体、固体流动特性，例如横向射流对上升管 中气固扩散的影响、对固体颗粒停留时间的影响、对二次风和主气流之间的混合 现象的影响等。 研究循环流化床锅炉二次风的几个重要参数有：二次风与一次风的体积流量、 二次风喷口的高度、二次风喷口布置方式等。 二次风与一次风的体积流量 在循环流化床锅炉内，物料燃烧所需要的空气分为一次风和二次风，分别从 炉膛底部和二次风喷口送入炉膛，一次风主要为床料提供流化风和初始燃烧所需 的空气，但是又不能太多，太多以后密相区的燃烧由还原态变为氧化态，对燃烧 反而不利，因此要通入二次风，二次风补充燃料完全燃烧所需的空气量，还可以 加强物料在炉内的扰动，延长物料在炉内停留的时间，使其更充分的燃烧。因此， 一、二次风占总空气量的百分比是一个与设计和运行都相关的重要参数。许多学 者都指出了在循环流化床锅炉中分级燃烧的重要性，但都没有给出一个比较准确 的一、二次风配比值。通常情况下，在工业循环流化床锅炉中，二次风约占总空 气量的4 0 5 0 【6 2 ，6 3 1 。 二次风喷口的高度 二次风喷口的高度决定了循环流化床锅炉炉膛底部密相区的高度、温度水平 重庆大学硕士学位论文1 绪论 以及颗粒在该区域的停留时间脚】。二次风喷口的位置将炉膛分为密相区和稀相区。 喷口位置过高，炉内稀相区高度减少，物料燃烧行程缩短，飞灰含碳量势必会增 加。二次风喷口到炉膛出口的距离越大，对飞灰燃尽越有利。但是，二次风喷口 高度过低，就必须采用压头更高的二次风机，否则运行时二次风量就达不到设计 要求，这又会增加风机的能耗。 此外，二次风的加入使得底部密相区和上部稀相区之间的存在一个急剧变化 的边界层，以此边界层炉膛被分为上下两个区域的流动特征也是不同的【”l 。因此， 二次风喷口的轴向高度对循环流化床锅炉来说是一个十分重要的参数。对工业循 环流化床锅炉，根据制造商的不同，二次风喷口的高度一般在3 - - - 6 m 之间变化。 二次风喷口布置方