（热能工程专业论文）循环流化床锅炉变工况运行特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以某热电厂实际运行的4 5 0 t h 循环流化床锅炉运行数据为基础 在锅炉密相区 和稀相区分别建立热平衡方程式 计算循环流化床锅炉密相区 稀相区的传热系数 并结合计算过程 计算结果对影响循环流化床传热系数的因素进行了分析 并对燃 烧份额的选取 循环倍率的选取问题等方面进行了阐述 对运行数据用s p s s 软件 进行了特性分析 得出了可用于生产的关系式 总结了最近几年国内1 0 0 m w 级循环 流化床生产和调试单位的最新研究成果和经验 对1 0 0 m w 级循环流化床运行中存在 的问题集中归纳总结 以方便各生产 调试单位在运行中参考 关键词 循环流化床 热力计算 变工况 a b s t i l a c t b a s e do nc e r t a i nt h e r m a lp l a n t4 5 0 f f h c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e r o p e r a t i n g d a t u m b u i l tt h e r m a le q u i l i b r i u me q u m i o nr e s p e c t i v e l yi nd e n s ea n ds p a r s ez o n e a n d c i r c u l a t e dt h ec o e f f i c i e n to fh e a tt r a n s f e r a n dc o m b i n e st oc a l c u l a t i n gc o u r s ea n dr e s u l t a n a l y z et ot h ef a c t o ro fi n f l u e n c ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o e f f i c i e n to f h e a tt r a n s f e r a n dt ot h ec o m b u s t i o ns h a r ec h o o s i n ga n dc i r c u l a t i n gr a t i oa r e e x p o u n d e d o p e r a t i n g d a t aa r ea n a l y z e dw i t hs p s ss o f t w a r eh a sc a r r i e do nt h es p e c i f i cp r o p e r t y a n dr e a c h e d t h ea v a i l a b l er e l a t i o n t y p ei np r o d u c t i o n s u mu pi n t e r n a l 10 0 m wl e v e l c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e do fn e w e s tr e s e a r c ha n de x p e r i e n c ew h i c ht h ed e b u g g i n gu n i to f n e a r e ry e a r t h ee x i s t e n t q u e s t i o n i n10 0 m wl e v e l c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d o p e r a t i n g i s c o n c e n t r a t e dc o n c l u d i n g w i t hr e f e r e n c eo ft h ep r o d u c i n ga n dd e b u g g i n gu n i ti nt h e o p e r a t i n g 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 t h e r m a l c a l c u l a t i o n v a r i a b l e w o r kc o n d i t i o n d i n gy a n f e n g p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g d i r e c t e db y p r o f f a nq u a n g u i i 声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 循环流化床锅炉变工况特性研 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面使用过的材料 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 1 簋壹 日期 幽弓 破 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华j 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 硷 日期 一口 f 三 z z日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 循环流化床锅炉技术 第一章引言 能源与环境是当今社会发展的两大课题 我国是产煤大国同时又是用煤大国 目自口一次能源消耗中煤炭占7 6 而这些煤炭中又有8 4 是直接用于燃烧的 其燃烧 效率还不够高 燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制 我国每年排入大 气的8 7 s o 和6 7 n o 均来源于煤的直接燃烧 可见发展高效低污染的清洁燃烧技 术是急需解决的问题 循环流化床锅炉技术是近二十年来迅速发展起来的一项高效 率低污染清洁燃烧技术 其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环反复地进行低温 燃烧和脱硫反应 强烈的炉内湍流运动不但能达到低n o 的排放 9 0 的脱硫效率 与煤粉炉相近的燃烧效率 并具有燃料适应性广 负荷调节性能好 灰渣易于综合 利用等优点 因此在国际上得到迅速的商业推广 国际上这项技术在电站锅炉 工 业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用 3 0 0 m w 级大型循环流化床 锅炉逐渐成熟 通过引进技术和自行研制国内在这方面的研究开发和应用处于中等 发展水平 1 2 循环流化床锅炉特点 作为新一代的洁净煤技术 循环流化床 c f b 燃烧技术已在世界范围内得到广 泛应用 循环流化床锅炉的低温燃烧特性 一般在8 5 0 c 9 0 0 之间 使得脱硫过程 得以在燃烧区内进行 当c a s 比为1 5 2 5 时 循环流化床锅炉的脱硫效率可达 到9 0 循环流化床锅炉不仅燃料适应性很广 而且其燃烧效率可以与煤粉炉相媲 美 另外 通过分级燃烧 循环流化床锅炉的n o x 排放量可控制在5 0 t 5 0 m g k g 或 4 0 1 2 0 m g m j 范围内 其它污染物例如c o h c i h f 等的排放量也很低 以上这 些都是循环流化床锅炉颇具吸引力的特点 1 2 1 循环流化床燃烧技术锅炉具有的优点h 幻 1 燃料适应性广 循环流化床锅炉中新加入的燃料比例占的很小 7 5 t h 级c f b 中按质量百分比计 新加入燃料仅占床料的5 左右 其余是朱燃尽焦炭和不可燃的固体颗粒 如脱硫剂 荻渣或砂 这些炽热物料为新加入燃料提供了稳定充足的点火热源 循环流化床锅 炉特殊的流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好 因此燃料进入炉膛后很快 与大量灼热床料混合 燃料被迅速加热至高于着火温度 而床层温度没有明显降低 循环流化床锅炉既可燃用优质煤 也可燃用各种劣质燃料 对给定的循环流化床锅 1 华北电力大学硕士学位论文 炉 煤种变化虽不会危及燃烧安全 但在与设计煤种偏差很大时 不能达到设计工 况参数要求 达不到设计出力的情况较多 首先 当燃料发热量改变时 床内热平 衡的改变将影响床温 这不仅会影响燃烧 传热和负荷 也会影响有害气体的排放 量 煤种的变化还涉及密相区燃烧份额 从某种意义上讲 循环流化床对煤种变化 的敏感度要高于其它燃烧方式 2 燃烧效率高 国外循环流化床锅炉 燃烧效率一般高达9 9 燃烧效率高的主要原因是煤粒 燃尽率高 循环流化床锅炉的运行特点是 燃料随床料在炉内多次循环 这为燃料 提供了足够的燃尽时间 使飞灰含碳量下降 但基本事实是 相同煤种条件下 循环流化床的燃烧效率接近于煤粉炉 但略 低 我国早期接触国外循环流亿床锅炉 看到国外许多循环流化床锅炉飞灰含碳量 甚低 误以为循环流化床燃烧效率很高 其重要原因是所参观的循环流化床锅炉多 燃用褐煤 高挥发分烟煤 木屑等高活性燃料 这其中也不乏商业宣传的成功 3 高效脱硫 流化床低温燃烧的特点是其能够与多数天然石灰石的最佳燃烧脱硫温度相一 致 鼓泡流化床锅炉添加石灰石后有较好的炉内脱硫效果 循环流化床锅炉的脱硫 比鼓泡流化床锅炉更有效 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 脱硫剂化学当量比为1 5 2 5 时 可以达到 9 0 的脱硫效率 而鼓泡流化床锅炉和其它燃烧方式的锅炉则很难达到该指标 与燃烧过程不同 脱硫反应的进行比较缓慢 为了使氧化钙充分转化为硫酸钙 烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和尽可能大的反应比面 积 事实上 脱硫剂颗粒的内部还不能完全反应 越小的颗粒越能得到高的利用效 率 鼓泡流化床锅炉中 气体在燃烧区域的平均停留时间为l 2 s 在循环流化床 锅炉中则为3 4 s 循环流化床锅炉中石灰石颗粒粒径通常为o 1 0 3 m m 而鼓泡 流化床锅炉中则为0 5 1 m m 0 1 m m 的反应比表面积是l m m 颗粒的数十倍 再加上 石灰石颡粒也参与循环 可反复使用 因此 无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫 的脱除率 循环流化床锅炉都比鼓泡流化床锅炉优越 对于高硫煤来说 燃烧过程中减少s o 的排放是非常重要的 循环流化床锅炉 中 可在炉内加入石灰石 c a c 0 3 或白云石 c a c 0 3 m g c 0 3 固硫 并且 脱酸刹随床 料多次循环 提高了脱硫剂的利用率 需要指出的是 炉内脱硫的最佳反应温度在 8 5 0 左右 正好与流化燃烧温度基本相同 4 氮氧化物 n o x 排放低 j 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 运行经验表明 循环流化床锅炉的n o x 排放范围为5 0 1 5 0 p p m 或4 0 一1 2 0 m g m j 循环流化床锅炉 n o x 排放低的主要原因是 一低温燃烧 燃烧温度一般控制在8 5 0 9 5 0 c 左右 此 2 华北电力大学硕士学位论文 时空气中的氮一般不会生成n 0 x 二分段燃烧 抑制燃料中的氮转化为n 0 x 并使 部分已生成的n 0 x 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 6 m w m 7 接近或高于煤粉炉 同样熟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 燃料预处理及给煤系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于1 3 m 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 当燃用高水分 燃料时也不需要专门的处理系统 循坏流化床锅炉的炉膛截面积较小 良好的混合 使所需的给煤点数量大大减少 燃料还可以从返料管加入 在进入炉膛前燃料经历 一个预热过程 既有利于燃烧 也简化了给煤系统 7 负荷调节范围大 调节速度快 当负荷变化时 只要调节给煤量 空气量和燃料循环量 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达 3 4 j 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 一5 8 易于实现灰渣综合利用 循环流化床的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狄 渣含碳量低 低温燃烧的灰渣易于实现综合利用 如灰渣作为水泥掺和料或建筑材 料 同时低温燃烧也有利于灰渣中稀有金属的提取 脱硫后含有硫酸钙的灰渣还可 以用来制作膨胀水泥 1 2 2 循环流化床锅炉存在的问题 经过十多年不断的研究 实践和改进 我国的循环流化床锅炉已经进入稳步发 展阶段 早期普遍存在的磨损 结渣 出力不足等问题现在已经基本得到解决 但 随着锅炉自身的发展以及锅炉容量的增大 用户对锅炉可靠性 可控性 自动化程 度等要求越来越高 同时也出现了一些新的问题 循环流化床锅炉自身的缺点有 1 n 2 0 排放较高 流化床燃烧技术可有效的抑制n o x s o x 的排放但是又产生了另一个环境问 题 即n 2 0 的排放问题 n 2 0 俗称笑气 是一种对大气臭氧层有着非常强的破坏 作用的有害气体 同时具有干扰入的神经系统的作用 近年来的一系列研究结果表 明 流化床低温燃烧是产生n 2 0 的最大污染源 因此 控制循环流化床锅炉氮氧化 物的排放必须同时考虑到n o x 和n 2 0 2 厂用电率高 3 华北电力大学硕士学位论文 由于循环流化床锅炉独有的布风板 分离器和炉内料层的存在 烟风阻力比煤 粉炉大的多 通风电耗也相应较高 因此 循环流化床锅炉厂用电率比煤粉炉高 3 设计和施工工艺不当导致的磨损问题 炉膛 分离器 返料装置内由于大量颗粒的循环流动 容易出现材料磨损 破 坏问题 一些施工单位对循环流化床内某些局部部位处理不当 出现凸台 接缝等 导致从这些部位开始磨损 然后磨损扩大 导致炉墙损坏 4 飞灰含碳量高的问题 只要循环流化床锅炉燃烧系统设计合理 运行调整良好 其底渣含碳量通常很 低 但对于比较难于燃烧的煤种在负荷比较低时飞灰含碳量较高 提高炉膛温度是 降低飞灰含碳量的有效手段 但受到石灰石最佳脱硫温度的限制 运行实测飞灰含 碳量比设计值要高出很多 1 3 循环流化床锅炉国内外发展现状 1 3 1 国内发展现状 经过十多年的研究和实践 国内一批技术实力雄厚 多年从事c f b 锅炉技 术开发研究的科研院所和高校 已拥有一定的试验设施和试验研究手段 已具备较 强的c f b 锅炉技术开发能力 国家电力公司热工研究院结合国内实际工程 已进 行了c f b 锅炉设计 改造 调试 性能考核及多项试验研究 在国内自行开发研 制和吸收国外先进技术的基础上 积累了大量的c f b 锅炉技术研究成果和实际经 验 与国内锅炉制造厂家合作 己生产出了具有自主知识产权的5 0 m w 等级c f b 锅炉 并已具备设计1 0 0 m w 等级c f b 电站锅炉的能力 目前正在研制具有自主知 识产权的1 0 0 m w 等级和1 2 5 m w 级c f b 电站锅炉 并拟在消化吸收国外先进技术 的基础上 与国内研究 制造单位合作 有所创新地自行研制3 0 0 m w 等级的c f b 电站锅炉 据不完全统计 我国已投运或在建的蒸发量为7 5 t h 以上的c f b 锅炉达3 5 0 多 台 其中7 5 t h c f b 锅炉有3 2 0 台 2 2 0 t h 级的c f b 锅炉约有2 0 台 4 1 0 t h 级的 c f b 锅炉约有1 0 台以上 c f b 锅炉总台数为世界第一 具有国内自主知识产权的 国产2 2 0 t h 级c f b 锅炉已投入运行 第一台国产4 1 0 t h c f b 锅炉建在江西分宜电 厂 目前 我国己投运或在建的c f b 锅炉多用于热电厂或大型厂矿企业的自备电 站 随着我国c f b 锅炉的技术进步和容量等级的提升 国产c f b 锅炉将逐步在我 国电力生产和环境保护中发挥积极的作用 国内各主要锅炉生产厂家均很重视c f b 锅炉产业的发展 近年来 这些制造 部门通过与国内研究单位及国外公司合作 己生产出数百台容量等级从3 5 t h 到 4 华北电力大学硕士学位论文 4 1 0 t h 的c f b 锅炉 在c f b 锅炉的设计 制造方面取得了丰富的经验 c f b 锅炉 除需配备高温分离器 回料阀 布风板等部件而不同于常规煤粉炉外 锅炉的构造 和加工方法基本相同 并且这些特殊部件国内也能制作 从加工危度来浣 我国已 具备制造和提供 1 0 0 m w 容量等级c f b 电站锅炉的能力 c f b 锅炉在西部大开发中的应用前景 环境保护是我国的基本国策之一 西部 大开发建设中的生态环境保护势在必行 采用c f b 锅炉可在付出代价相对较小的 前提下满足国家环保标准中对于s 0 2 n o x 有害气体的排放要求 减轻燃煤电站对 大气环境的污染 可切实有效地保护西部生态环境 西部地区动力煤炭资源丰富 几乎包括从无烟煤到褐煤的所有煤种 而这些煤 种中有的是高硫高灰煤 有的挥发分很低 有的挥发分高但灰熔点极低 在常规煤 粉锅炉上燃用时常出现 s 0 2 排放浓度高 燃烧不稳 易灭火放炮 低负荷性能差 燃烧器喷口周围及炉膛内容易结焦 受热面容易积灰等问题 此外 为达到国家 火 屯厂大气污染物排放标准 中对于s 0 2 捧放量的要求指标 多数常援煤耢锅炉需配 备价格昂贵的尾部烟气脱硫装置 目前 国内大型煤粉电站锅炉配套的烟气脱硫装 置多为从国外进口或采用国外技术制造 采用c f b 锅炉不仅可一并解决上述问题 而且还可使火电厂燃煤锅炉排烟中的另一种污染物n o x 气体的排放量减少8 0 9 0 有效减轻锅炉排烟对大气环境黔污染 由于有脱硫功能 c f b 锅炉的初投资和建成后的运行费用要稍高于常规煤粉锅 炉 但明显低于配备尾部烟气脱硫装置的煤粉锅炉 因此 在西部地区新建电厂 老厂改造 城市集中供热 电n 调负荷 c f b 锅炉 可以3 0 一4 0 m c r 稳定运行 不需助燃油 等项目中 应积极采用c f b 锅炉技术 以便合理利用西部地区的高硫分 高灰分 低挥发分 低灰熔点劣质煤资源 在为 西部她区提供新电源的同时 保护人类赖以生存的生态环境 1 3 2 国外发展现状 自1 9 7 9 年热功率为1 5 m w 的首台商业化循环流化床锅炉在芬兰p i h l a v a 投运以 来 循环流化床锅炉得到较快发展 目前 世界上已有超过1 0 0 台发电功率三1 0 0 m w e 的循环流化床锅炉在商业运行 由于早期开发c f b 锅炉技术的初衷不同 国内外发展c f b 锅炉技术的目的有 较大的差别 国外工业国家侧重于用流化床燃烧方式减少s 0 2 和n o x 的排放 减 轻大气污染 进而较快地应用于电站锅炉 以满足其严格的环境保护法规 容量和 技术的水平提高均较快 而我国在6 0 年代开发研究第一代鼓泡流化床锅炉的主要 目的是燃用低质煤或洗矸煤 自8 0 年代中期 我国在积累鼓泡床锅炉经验的基础 上开始进行循环床锅炉的研究开发 主要目的之一是提高燃用低质煤的效率 先后 有一批3 5 7 5 t h 容量等级的循环床锅炉投入运行 5 华北电力大学硕士学位论文 为了吸收和借鉴国外c f b 锅炉的先进技术和成功经验 加快我国电力工业应用 c f b 锅炉技术的步伐 1 9 8 7 年 电力工业部热工研究院通过研究论证 提出引进 国外先进设备 建立我国1 0 0 m w c f b 锅炉示范电站的建议 通过示范电站的实践 和相关的消化吸收研究工作 较全面的了解这种技术在电力生产中的实际应用情 况 不仅可验证大型c f b 电站锅炉的技术经济性和环保性能 为我国电力工业采 用煤清洁燃烧技术决策提供参考依据 而且可为国内研制1 0 0 m w 及更大容量级 c f b 电站锅炉提供宝贵的技术资料和借鉴经验 引进示范工程建在我国重点高硫煤 地区之一的四川省 四川内江1 0 0 m wc f b 示范锅炉自1 9 9 6 年投运以来 总体运 行情况良好 特别是高效低排放的特点 良好的调峰性能和稳定的低负荷运行能力 得到了充分的体现 对我国循环流化床锅炉产业的发展起到了积极的示范和推动作 用 为了充分发挥内江1 0 0 m w c f b 锅炉引进机组的示范作用 国家电力公司热工 研究院 四川电力试验研究院等国内科研单位对引进的1 0 0 m wc f b 锅炉迸行了系 统的消化吸收试验研究工作 取得了大量的研究成果 并在研究分析国外3 4 台发 电功率 1 0 0 m w c f b 锅炉技术特性的基础上 先后由热工研究院编写完成了约2 0 万字的 大型循环流化床锅炉技术 专著及 消化吸收内江电厂1 0 0 m wc f b 锅炉技 术的试验研究 和 1 0 0 m wc f b 锅炉机组系统 辅机及配套系统的开发研制 两个课 题 共计约6 0 万字的技术研究报告 内江1 0 0 m wc f b 锅炉示范工程的建立和消 化吸收研究课题的完成 积极的推动了我国c f b 锅炉技术进步 为国产c f b 锅炉 及辅助配套系统设备的研制提供了可以实际应用的大最技术数据和技术资料 为大 型c f b 电站锅炉的产业化发展和实际应用打下了坚实的基础 1 3 3 技术流派阻鲫 目前 世界上循环流化床锅炉的主要炉型为 德国l u r g i 型 芬兰奥斯龙公司 p y r o f l o w 型 美国f w 型 德国c i r c o f l u i d 型等 1 l u r g i 型 炉膛布置膜式水冷壁受热面 采用工作温度与炉膛燃烧温度 8 7 0 c 1 相近的高温型旋风分离器 循环灰回路上布置炉外灰换热器 e h e 关键部件为控 制e h e 进灰量的锥型阀 2 p y r o f l o w 型 采用绝热高温型旋风分离器 膜式壁炉膛内布置抗磨的n 管屏 或翼墙式受热面 回灰系统采用分叉式自平衡u 型回料阀 部分冷烟气再循环 3 f w 型 采用汽冷高温型旋风分离器 整体式i n t r e x 换热器 该公司两台 2 3 5m w 机组在波兰的t u r o w 电厂 容量为6 6 5 t h 参数为1 3 7 m p a 5 4 0 c 5 4 0 c 目前单炉的最大容量等级为3 0 0 m w e 4 c i r c o f l u i d 型 炉塍运行气速相对较低 半塔式布置 炉膛上部布置过热器和 高温省煤器受热面 炉膛出口温度约为4 5 0 c 因而采用体积较小 耐温及防磨要 6 华北电力大学硕士学位论文 求较低的中温型旋风分离器 该炉型目前单炉的最大容量等级为8 0 m w e 由德国 b a b c o c k 公司生产 从技术特点看 由于a b b c e 和法国通用电气阿尔斯通斯坦因工业公司的循环流 化床技术都是从鲁奇公司引进的 所以有很多相似的地方 如高温热旋风筒 外置 式流化床热交换器 f b h e 机械式回灰控制阀等 但是 在循环流化床锅炉大型 化的研究过程中 它们也形成了各自的特点 阿尔斯通认为 裤衩 结构的下部炉 膛对大型化是重要的 必须保证二次风的穿透深度 而a b b c e 认为二次风穿透深度 无关紧要 如此繁琐的设计没有必要 阿尔斯通的点火方式是床上 床下同时点火 a b b c e 只有床上点火系统 另外 在炉膛拓展受热面布置 再热器调温方式 空气 预热器形式 高温旋风分离器只数与布置方式 风帽形式 风机参数等方面 两家 公司的技术方案也不相同 与a b b c e 和法国阿尔斯通斯坦因两家公司相比 福斯特一惠勒公司的循环流化 床锅炉另具特色 独特的管道式床下点火装置 汽冷式旋风分离器 整体化换热床 定向风帽等等 但是 福斯特一惠勒的技术成本较高 影响了市场竞争力 福斯特一 惠勒公司己经考虑放弃一些价格过高的技术方案设计 a b b c e 公司采用鲁奇公司的技术 美国德克萨斯 j l n e w m e x i c o 电厂安装两台 1 6 5 m w e 锅炉 韩国东海 t o l i g h a e 电厂的2 2 0m l i r 循环流化床锅炉由浚公司生产 1 9 9 5 年1 0 月 福斯特一惠勒公司兼并了芬兰奥斯龙p y r o p o w e r 公司 奥斯龙p y r o p o w e r 公司在循环流化床锅炉发展初期几乎与鲁奇公司齐名 它在循环流化锅炉技术开发 上做出了很大的贡献 占领了很大的市场 福斯特一惠勒将其兼并后 不仅拥有了 f w 型和p y r o p o w e r 型两种技术 也成了世界上最大的循环流化床锅炉制造商 阿尔 斯通斯坦因工业公司从一开始就致力于大型循环流化床锅炉的产品开发工作 虽然 其循环流化床锅炉产品不多 但它走在循环流化床锅炉大型化发展的前列 因此 它在大型循环流化床锅炉的发展中占有重要地位 以上三大循环流化床厂家的市场 占有率分别为2 5 3 7 5 2 5 1 4 本论文的研究内容 1 建立循环流化床炉内密相区和稀相区热平衡数学模型 根据某热电厂i o o m w 级循环流化床锅炉实测运行数据计算出传热系数 并进行计算验证 2 对运行实测数据用s p s s 软件包进行因子分析 用最小二乘法理论计算出循 环流化床锅炉的运行特性关系式 指导运行对参数进行有效的调节 3 对目前运行的1 0 0 m w 级大型循环流化床存在的问题进行系统总结 指导厂家 对设备 系统改造 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章数学模型的比较与建立 2 1 与论文研究内容相关的研究成果 循环流化床传热模型的研究是从8 0 年代才开始的 并且一直与流体动力学特 性的研究紧密相联 主要可分为以下四类 3 1 颗粒絮团更新模型 起初的研究主要基于鼓泡流化床的乳化相更新传热理论 主要观点为 换热表 面处均交替与颗粒絮团和分散相接触 颗粒的对流换热通过与换热表面间的瞬态导 热方式进行 随着对循环流化床流体动力学特性研究的进展 环一核 c o r e a n n u l u s 流 体动力学模型对循环流化床气固流动特性进行了比较成功的解释 一些研究者提出 了将循环流化床环核流动结构特性与乳化相更新传热理论相结合的模型 环一核流 动结构的观点认为 在循环流化床床层核心区域 气流夹带着离散的固体颗粒向上 运动 这一区域颗粒较稀 空隙率较大 而周围颗粒则向下流动 形成一周边环形 边界层 这一区域颗粒较密 空隙率较小 2 气体间接传热模型 与颗粒絮团更新模型相对的一类模型是气体间接传热模型 这类模型认为 颗 粒的对流换热并不是通过与换热表面的直接接触进行 而是首先由颗粒通过对流将 热量传递给换热表面附近的气体 然后再由气体传给换热表面 3 微分模型 一些研究者从两相流动和传热的基本方程出发 建立了循环流化床流动和传热 过程的微分模型 4 经验模型 由于循环流化床中传热过程的复杂性 存在着许多不确定性的因素 以上三种 机理模型的研究一直未达到能够直接应用于设计的程度 因而 一些研究者通过试 验研究 采用园次分析法 提出了一些较简单的经验模型 力图获得较为实用的关 联式 尽管各研究者宣称自己的研究热力计算结果如何准确 但事实是 迄今为止所 进行的循环流化床传热研究相当部分所针对的工业应用背景实际是化工反应器 而 非锅炉燃烧室 由于冷态小规模实验装置和实际工业应用情况差异很大 所以通过 实验获得的多为一般趋势而非定量关系 2 2 关于循环流化床热力计算一些方法 8 华北电力大学硕士学位论文 常规锅炉的炉膛热力计算方法是以气固均相流动为理论基础的 该计算方法不 适用于循环流化床锅炉 循环流化床内粒子分布明显不均匀 粒子浓度沿床的高度 方向呈菲线性递减分布 在炉膛出口附近 粒子浓度又有较小幅度的递增 尤其是 粒子沿床的横截面方向的不均匀性 靠近壁面区域的粒子浓度是中心区域的数倍乃 至数十倍 另外 粒子运动特性也很复杂 炉膛中心区的粒子向上运动 而靠近壁 面的粒子则向下回落 大量贴壁回落的粒子与受热面直接接触 存在导热过程 炉膛出口附近还有一个气圃两相运动的漩涡区 因为床内的工况非常复杂 其燃烧和传热过程不可能有一个准确的解析解 热 力计算必须使用大量的试验数据 目前投运的循环流化床锅炉数量还不多 燃料种 类也不齐全 而炉型又非常杂 所以还很难总结出一股性的规律 另一个问题是 在锅炉容量不断增大的过程中 大量试验数据需要重新验证和修正 以符合较大容 量的实际需要 并希望由此总结出与实际情况基本相符的相似准则 出于原始数据从运行实炉取得 现场无法单独控制影响传熟系数的各种因素 因而在分析其对传热系数的影响时 对多种因素交互作用的结果 只能分别按某一 因素所起的主要作用来分析研究 论文主要针对i o o m w 级循环流化床进行运行数据的收集分析计算比较 在试验 研究和不同锅炉运行数据的基础上 对公式所涉及的各项进行修正 进而计算炉膛 密相区和稀相区的传热系数 从事循环流化床热力计算的有浙江大学的骆仲泱 程乐鸣 清华大学的吕俊复 张建胜 东北电力学院的姜秀民 刘辉等 上海锅炉厂的朱国桢 徐洋等 1 骆仲泱 程乐鸣等提出的循环流化床热力计算方法 1 文章认为循环流化床锅炉炉膛的流体动力学特性和传热特性比较复杂 各种物 理特性很不均匀 随床高 床径方向都有变化 认为把炉膛作为一个各种物理性质 均匀一致的整体来处理不合理 所以分段进行计算 即把炉膛分为几个区段 认为 每个区段内各种物理性质 参数基本均匀一致 然后按照能量平衡方程式来计算每 个区段 在稳定工况下 能量平衡方程式决定了该区段内放热与换热之间的关系 通过分段计算 可确定沿炉膛高度的局部负荷 每个区段可根据炉内流体动力学特 性 传热特性 建立适当的能量平衡方程式来计算 并提出以下假设 假设相邻区 段的辐射换热只能在相互接触的两个区段之间进行 一个区段向相邻区段的辐射被 相邻区段内烟气全部吸收 不能穿透到达周围壁面 也不能到达更远的区段 则每 个区段的能量平衡式基本形式如下 胡 一q 换 q 放 q 避一q 2 1 密相区热平衡方程式 9 华北电力大学硕士学位论文 每 二 塾 1 0 0 一q 4 确 c n c 工广 h 盖 志 蔫嘲 讹 一机 c n 笙1 0 0 丽1 0 0 t 石1 0 0 a 一c m 1 g lo o q一3a q4 c cp m ieji j网fi 2 盯 乜4一疋4 2 2 稀相区内各区段热平衡式 一如 三 麦墨i 塑 q 甜 一酲 l l i i 豇t 肛1 c c 州 一 c 州 他m 志 嵩 吼 一 j 等c t 一4 c m 划叫一 1 4 q m j j 石 i 了i 盎c r o 缸 1 4 z 4 e r 叫 两1 0 0 网f o t h 一 2 3 文章认为 循环流化床炉膛内密相区的流体动力特性和鼓泡流化床相似 密相 区直接采用鼓泡流化床模型直接计算 稀相区传热模型由于循环流化床稀相区内传 热特性很复杂 采用颗粒团更新理论 2 清华大学吕俊复 张建胜等提出的循环流化床热力计算方法 吕俊复 张建胜等在数台实际运行的循环流化床锅炉测试分析的基础上 结合 实验室的实验研究 深入分析了循环流化床锅炉内部流动 燃烧 传热和脱硫等主 要过程的机理 应用这些基本原理对影响循环流化床锅炉设计的主要因素进行了分 析和讨论 指出了现有设计方法存在的错误和缺陷 借鉴实际循环流化床锅炉的设 计和运行经验以及前人和作者对炉内各种单独过程的模型化研究成果 结合热态测 试数据 首次提出了循环流化床锅炉定态设计的概念 全面阐述了这一概念的内涵 并依此推论出循环流化床锅炉的设计导则以及流动 燃烧 传热和脱硫的设计计算 方法 依据循环流化床锅炉内部机理对锅炉部件结构尺寸的特殊要求 参考实际循 环流化床锅炉结构设计特点 介绍和分析了锅炉各关键部件的结构设计方法及要 求 结合实际运行的循环流化床锅炉的热态测试数据和实验室研究结果 作者提出 1 0 华北电力大学硕士学位论文 了循环流化床锅炉燃烧室传热系数的计算方法 并对循环流化床锅炉对流竖井受热 面的传热计算进行了分析和改进 循环流化床炉膛内由蒸发或过热器受热面所吸收的热量q 由下式表示 q f k a t 2 4 式中f 一流化床中的金属受热面积 m 2 k 一基于烟气侧总面积的传热系数 w m 2 k 一传热温差 k 传热热阻包括床侧热阻 工质侧热阻 受热面本身热阻和附加热阻四部分 并与结 构有关 按照扩展受热面传热系数的形式 写作 肛雾碚1 码 5 3 朱国桢 徐洋等提出的循环流化床热力计算 3 主要是基于循环流化床炉膛内热量交换规律的热平衡方程式 2 6 2 7 即甜节小级 也 分每q c z b 9 k 一 彤 t 6 2 7 式中 9 一每k g 燃料燃烧产物及循环灰焓向炉膛受热面内工质传递的热量 k j k g 圮一炉膛出口烟气焓 k j k g h i 炉膛计算受热面积 m 2 反过来推着计算炉膛内的传热系数 炉膛内不同位置的受热面处于不同的流态和状 态 它们的受热强度不同 为此把各类受热丽都折算程循环流化床密相区受热面的 传热效果 引入循环流化床锅炉炉膛计算受热面积 稀相区面积折算系数 幡 稀 相区敷设耐火耐磨层面积折算系数 m 密相区敷设耐火耐磨层面积折算系数 一的概念 k 垦笪 垦堕竺 2 8 南一 五百一 舻捌 2 9 华北电力大学硕士学位论文 肾榭 2 1 0 4 姜秀民 刘辉等提出的循环流化床热力计算方法 2 姜秀民等计算方法在密相区计算采用现行鼓泡流化床的计算方法并进行修正 稀相区计算采用 环 核 模型 假定循环流化床床内的空隙率沿床高方向是一维 的 同时对计算公式进行了改进 并开发了基于b o r l a n d 公司的c b u i l d e r 软件 的循环流化床热力计算通用程序 原有公式在计算密相区吸热量时 只考虑 f 1 一吼名0 1 b 燃料水分蒸发吸收的热量 当密相区燃烧份额较小 燃料水分较大时 计算误差不容忽视 进行修正如下 绒节日 卜鬻小惫 和呲4 即 2 1 1 考虑外循环灰对飞灰浓度的影响 飞灰浓度的修正公式为 驴志卜m 半 卷 击 2 1 2 2 3 本论文建立的热力计算数学模型 尽管各位研究者声称自己的计算方法如何精确 而事实上是 由于循环流化床 内动力学特性非常复杂 在理论上没有对其做出更让人信服的理论基础上 所采用 的各种热力计算方法只是在计算手段上对实验得到的传热系数值进行修正 以使计 算结果和实验结果相符 而同时由于实验过程的复杂性和出于商业考虑的保密性 得到的实验数据相差是很大的 基于此本文主要针对已经运行的某热电厂4 5 0 t h 循环流化床运行实测数据 对锅炉进行传热系数的计算 2 3 1 密相区热平衡的几点假定 1 2 3 燃料从密相区输入 只有6 燃烧份额在该区燃烧并放出热量 其余 卜6 燃烧份额的燃料在该区被加热到密相区温度后进入稀相区 这部分燃料中的 水分被加热蒸发 使水蒸汽的温度达到密相区的温度 由于无法测量燃料在 高温下的比热数据 以灰的比热代替燃料的比热 循环灰全部进入密相区 循环灰中的碳在该区进行化学反应而放热 一次风进入的风量与燃烧份额相匹配 华北电力大学硕士学位论文 4 密相区与稀相区的分界面取二次风入口高度平面 2 3 2 循环流化床内热量分析n 酗 进入密相区的热量有 燃烧份额在密相区的放热量q 循环灰进入密相区的 热量q 返料风带入密相区的热量q 脱硫剂的化学反应热带入密相区的热量 燃烧所需空气带入密相区的热量q 共五项 不考虑冷渣器内冷却气流 返 混气固两相流对密相区热平衡的影响 而将冷渣器也计入炉膛密相区整体对待 带 出密相区的热量有 密相区出口烟气带出的热量q 密相区出口循环灰焓带出 热量q 给煤燃烧产生的灰渣带出密相区的热量q 未燃尽的燃料带出密相 区的物理显热量q 与相邻的稀相区的辐射换热q 冷渣器水冷排管带出的 热量q 共六项 带入稀相区的热量有 燃烧份额在稀相区的放热量q 烟气带进的热量q 循环灰带进的热量q 未燃尽的燃料带迸的物理显热q 相邻密相区传递来的 辐射热量q 共五项 带出稀相区的热量有 稀相区出口烟气带出的热量0 与下一区段进行的辐射换热q 炉膛出口循环灰带出的热量 屏式过热器 吸收的热量q 共四项 为了计算的准确性 在稀相区带出热量中将屏式过热器 的吸热量按运行实测数据计算工质侧的热量 计算出的传热系数用烟气侧的屏式过 热器吸热量进行验算 2 3 2 1 密相区内热量平衡 各参数的计算考虑各方面因素的影响 根据该循环流化床锅炉具体情况密相区 内输入的热量有 五项 图2 1 密相区热平衡图 q q l q 2 q 3 q 4 q 5 1 3 2 一1 3 兰 皇塑奎堂堕主兰堡堡塞 一一 一 型孝 瓯 警 半 等警 q s 3 72 2 1 3 2 8 c a s o 5 硷i f c 8 埘 o i l r c 3 i i 膏 b j 密相区内输出的热量有 六项 q q o i 删 q 州2 洲 o 雕3 洲 9 舭4 删 q 州5 咄 q 槲6 盯 鬻 冲 一酱扩x 等 拉 告 m 1 0 01 0 0 1 0 0 一c m1 0 0 q 4 学 半 盯 盟坦掣 掣 2 3 2 2 稀相区内热量平衡 稀相区输入的热量 五项 2 1 4 2 1 5 2 一1 6 2 一1 7 2 1 8 2 一1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 2 5 局 弋 p 一 一 彤 i 万 一 一 一 一 嘉 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 稀相区热平衡图 艮 既l 良2 瓯3 q 盯4 改5 q 9 蚕 1 0 0 q q 一q n 1 0 0 一q 4 警 学 酣 坐盥学 绞 1 一占 c u 如 2 蠢蕊记钾刮 l a l口2 q q l q 2 9 3 q 4 p 一 竺立 一 1 0 0 一9 4 瞄 2 e f c r o t 下 t l 口2口3 1 5 2 2 6 2 2 7 2 2 8 2 2 9 2 3 0 2 3 1 2 3 2 2 3 3 2 3 4 华北电力大学硕士学位论文 眩m 学 q 掣直 2 3 3 对以往公式的修正 2 3 5 23 6 罾相区出口烟气焓 i f j i 十t 一1 l k 十i 2 3 7 1k g 计算燃煤量产生的飞灰焓 一c c m 志懈帅 是 志 2 3 8 上式是 层状燃烧及沸腾燃烧工业锅炉热力计算标准 j 1 3 d q l 0 6 0 8 3 未考虑循 环灰的焓 进行修 f 铲 c 们m 惫 丽1 0 百0 击蠊 c 而1 0 i 0 密相区出口实际空气过剩系数 a 炉罴羔 考虑外循环灰对飞灰浓度的影响 m 志卜r 等 巷 器 2 4 计算结果分析 2 4 1 计算结果 1 6 2 3 9 2 4 0 2 一1 2 表2 1 密相区传热计算结果 序名称符号 单位1 0 0 8 0 5 0 号 1一次风温度 t ik 9 51 8 91 7 2 2 一次风空气焓 c 1 j k j n m 3 2 5 9 3 02 5 1 2 62 2 8 4 8 3 二次风温度t i i 1 8 81 8 52 4 5 4 二次风空气焓 cu 肌 k j n m 3 2 4 9 9 22 4 5 93 2 7 6 5 5 冷空气温度 t lk 2 02 02 0 6 理论冷空气焓 cu 1k k j n m 2 6 4 72 6 4 72 6 4 7 7一次风量q ik m 3 h 3 3 8 4 7 7 3 1 1 3 5 22 2 9 9 7 6 8 二次风量q 1 1k m 3 h9 7 4 8 18 5 9 1 66 9 3 9 3 9 返料及其它冷风量 q f l km 3 h6 8 7 96 7 3 76 4 5 3 1 0 循环灰量 b 吨 k g s 1 5 9 8 31 4 0 2 49 5 3 1 1 1 进入密相区的热量 0 k j k g 2 2 3 3 3 5 32 1 3 4 35 42 1 6 6 8 5 4 1 2 燃烧份额在密相区的放热量 0 训 k j k g 1 0 6 8 2 81 0 6 9 6 4 91 0 6 8 7 9 8 1 3 循环灰进入密相区的热量q m k j k g 9 4 9 0 8 4 8 4 6 5 5 78 5 4 8 0 6 1 4 返料风带入密相区的热量 o k s k g 3 4 93 95 4 9 1 5 脱硫剂的化学反应热带入热 q 朴i k j k g 6 0 26 0 26 0 2 话 1 6燃烧所需空气带入密相区的q m k j k g 2 1 5 0 3 82 1 7 1 5 72 4 2 09 9 热量 l7 带出密相区的热量 0 u u k j k g 2 1 8 t 4 7 72 0 6 5 66 72 1 2 9 9 5 7 1 8 密相区出口烟气带出的热量 0 州 k j k g 1 0 8 7 7 9 31 0 3 5 321 0 6 7 9 3 9 1 9 密相区出口循环灰焓带出热o k j k g 8 9 2 5 1 7 8 4 8 9 1 48 7 6 0 1 9 量 2 0 给煤燃烧产生的灰渣带出的q k j k g 8 4 7 6 78 4 0 1 58 4 4 8 2 热量 2 l 朱燃尽的燃料带出的物理显 q 川呻 k j k g 3 2 3 5 43 0 7 7 33 l7 5 6 热最 2 2 与相邻的稀相区的辐射换热0 k j k g 4 1 321 36 6 6 2 3 冷渣器水冷排管带出的热量0 k j k g 8 3 6 3 4 6 6 4 3 26 9 0 9 6 2 4 密相区水冷壁吸热量0 训 k j k g 5 1 8 7 66 8 6 8 73 6 8 9 7 2 5 密相区传热系数k w m 2 2 0 6 2 82 5 2 4 68 4 7 3 k 华北电力大学硕士学位论文 表2 2 稀相区传热计算结果 序 名称符号单位 1 0 0 8 0 5 0 号 l 稀相区进口烟焓 i x x k j k g 1 0 8 7 7 9 31 0 3 5 3 21 0 6 7 9 3 9 2稀相区出口烟温 u x x 8 3 5 8 0 08 2 l 3 稀相区出口烟焓 i xx j k g 8 2 5 4 2 57 8 7 1 4 78 1 0 1 1 4 4 管内 i 质温度 t s 2 8 72 7 8 2 5 5 5 带入稀相区的热量 如 1 k j k g 2 6 7 3 7 9 62 5 7 7 3 0 92 6 3 7 6 1 7 6燃烧份额在稀相区的放热量0 k j k g 6 6 0 7 1 96 6 2 0 8 86 6 1 2 3 7 7烟气带进的孰量 0 2 1 k j k g 1 0 8 7