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循环流化床基础理论 清华大学热能工程系杨海瑞 内容 背景循环流化床锅炉技术比较循环流化床锅炉设计理念 循环流化床燃烧技术发展 流化床技术最早应用于化工领域1942年美国出现流化床煤燃烧技术 鼓泡床 60年代在世界范围发展 中国64年开始 主要原因是流化床燃烧具有低sox nox排放 世界最大容量160mw 1988 中国130t h 循环流化床燃烧技术 cfbc 出现在1978年 lugi公司270t hcfbc锅炉 解决了fbc存在的脱硫效率低 燃烧效率低 磨损大 不易放大等缺点 保留了煤种适应性强 燃劣质煤的优点 背景 循环流化床燃煤燃烧技术在近三十年内得到了长足的发展和进步 到今天 世界上单机组容量达为460mwe的超临界循环流化床锅炉已经制造 我国运行的循环床达2000台 135mwe容量的循环流化床锅炉投运台数已经超过30台 订货量近百台 引进300mwe循环流化床锅炉进入设计制造阶段 订货量达15台 超临界循环床研发提上日程 循环流化床锅炉技术比较 1 三大技术流派 三代技术 1 芬兰奥斯隆 ahlstrom 采用高循环倍率 高温旋风分离器 在炉膛内可布置少量受热面但不设外置流化床热交换器 最大容量是装在美国宾夕法尼亚州约克郡的783t h 配250mw 亚临界压力循流化床锅炉该锅炉已于1997年上半年投入商业运行 四川高坝发电厂410t hpyroflow型cfb锅炉 2 德国鲁齐 采用高循环倍率高温旋风分离器和外置流化床热交换器 床温调节更加简便 过热器 再热器的布置更为灵活 最大容量的锅炉是法国阿尔斯通斯登工业公司制造的 装在普罗旺斯电厂配250mw机组的700t h亚临界压力循环流化床锅炉 该锅炉已于1996年4月投入商业运行 法国普罗旺斯配250mw机组的700t h亚临界压力循环流化床锅炉 3 德国巴高克 circofluid 1下降管2省煤器3过热器4煤仓5加料口6炉膛7返料装置8引风机9除尘器10空气预热器11旋风分离器 特点是采用低循环倍率和中温 400 500oc 旋风分离 炉膛上方布置过热器和部分省煤器受热面 再热器的布置有一定困难 目前最大容量的这种锅炉是装在捷克的燃褐煤的350t h高压电站锅炉 循环流化床锅炉技术比较 2 三大技术流派 三代技术 第一代技术应当是最初开发的高温旋风筒技术 由于高温旋风筒的热稳定性差 fw公司开发了蒸汽冷却圆形旋风筒 即为第二代技术1992年以后 水冷方形分离器循环床在三大技术的发展中 着眼于紧凑设计和进一步提高可靠性 技术已发展到第三代技术 绝热旋风筒cfb锅炉 lugicfb锅炉 turrow电厂1 2 3号锅炉剖面图 第二代技术 由于高温旋风筒的热稳定性差 fw公司开发了蒸汽冷却圆形旋风筒 即为第二代技术 第二代技术在循环床锅炉的可靠性方面是一个突出的进步 第一代技术高温旋风筒技术 右 和第二代蒸汽冷却圆形旋风筒技术 左 fw dg jea 300mwe 现场组装的汽冷旋风筒 第三代技术 第二代技术在循环床锅炉的可靠性方面是一个突出的进步 但是 未解决结构紧凑设计和生产成本高等问题 1992年以后 水冷方形分离器循环床开发一举解决了分离器可靠性 制造成本和紧凑设计等问题 因此该技术出现后市场占有率迅速提高 这是世界上最先进的循环床技术 国际上称为第三代循环床技术 世界上容量最大的460mwe超临界循环流化床直流锅炉就是采用这种技术 第三代方形冷却旋风筒紧凑型循环流化床技术 方形分离器紧凑型是一项突破性的设计 方形紧凑型分离器 改进了的设计矩形分离器室水 蒸汽冷却膜式壁薄层耐火材料衬里与炉膛水冷壁组成一个整体较少 较小的膨胀节 紧凑型循环流化床具有许多优点 占地最小重量最轻耐火材料的维护最少膨胀节的维护最少燃料费用最低 方形分离器紧凑型循环流化床迅速在国际市场被接受 至今在国际市场上 不包括中国 已售约40台以上 已投入运行的方形分离器紧凑型循环流化床锅炉的最大容量为265mwe 正在设计之中最大容量的方形分离器紧凑型循环流化床锅炉为460mwe超临界直流锅炉 它将安装在波兰 计划2006年投入运行 泰国thatoom的150mwe紧凑型cfb锅炉 turow260mwe紧凑型再热cfb4 5 6锅炉 460mwe方形分离器紧凑型超临界循环流化床直流锅炉 建于波兰lagisza的pek电厂 将于2005年底进行调试并于2006年投入商业运行蒸汽流量 1300 1109t h 蒸汽参数 285 6 51 3bar 563 582oc 循环流化床燃烧装置设计的理念 循环流化床燃烧装置设计理念的构成 基本理论层次 1循环床气固两项流理论2循环床燃烧理论3循环床传热理论4循环床污染排放理论 设计理论层次 概念设计 1状态设计 定态设计理论2热力计算 烟风阻力计算 水动力学计算 脱硫 计算3设计导则 施工设计层次 1部件设计规范 循环流化床燃烧装置定态设计理论 什么是定态设计 在设计循环流化床时均确定了一个流化状态作为满负荷计算的参考 即在满负荷条件下的物料质量 指平均粒度ds 循环量 物料沿床高浓度分布是确定量 相应传热系数沿床高的分布也是确定的 这就是所谓的定态设计原则 能采取定态设计的基本理论根据在于 循环流化床内有一个人为可调量 即床存量 可以在循环量或物料浓度发生漂移时调整床存量而把流化状态调整回到设计态 决定流态的关键参数是燃烧室截面烟气速度vg和燃烧室上部单位截面的物料携带率gs 它取决于系统物料平衡能力和床存量 床存量是非独立变量 但又是由操作者控制的可调参数 在确定烟速下 由于其它因素扰动影响了物料浓度分布偏离设计值时可以调整床存量 以恢复设计状态 定态设计的准则 uf 燃烧室截面烟气速度 最小不能低于物料的饱和夹带速度uc 取大可以增加锅炉截面热负荷 但是要保证垂直受热面不磨损 gs 燃烧室上部单位截面的物料携带率 最小不能小于最小加料率 最小循环量rmin 最大受到系统物料平衡限制 应小于系统最大平衡循环量 最近的研究证明还要考虑气体混合的限制 定态设计 变工况运行 任何流派的循环床均是按照在满负荷为某一个确定的快速床流态设计的满负荷运行的循环床应当是在设计的状态下有确定的流化风速和确定的循环量 并达到上下均匀的设计温度 部分负荷运行时 随着流化风速的降低 循环量降低 启动状态的循环床循环环量小于形成快速床的最低循环量 因此应当是鼓泡床状态