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300MW循环流化床锅炉燃烧系统分析本文着重介绍锅炉型号为HG-1025/17.5-L.HM37的燃烧系统分析目录1. 绪论 循环流化床锅炉的发展及应用2. 第一章 300MW循环流化床锅炉的燃烧系统1. 概述2. 燃烧系统流程3. 总结3. 第二章 300MW循环流化床锅炉的炉内燃烧绪论 循环流化床锅炉(CFB)燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。世界上最大容量的250MW循环流化床锅炉已在1997年投运，多台200250MW大容量循环流化床锅炉也已投产。我国集中于中型CFB的研制与开发，目前已完全商业化。到1998年底，我国已投运及订货的35t/h以下的循环流化床锅炉共计约600台，已开始走向电力市场，并且开始大型CFB的研制工作。主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置，而且与其运行性能有直接关系。分离器是主循环回路的主要部件，因而人们通常把分离器的形式，工作状态作为循环流化床锅炉的标志。1循环流化床的发展现状气固分离器是CFB系统的核心部件之一。其之所以关键，从运行机理上来讲，只有当分离器完成了含尘气流的气固分离并连续地把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，才能保证炉内燃烧的稳定与高效；就系统结构而言，分离器设计、布置得是否合理直接关系着锅炉系统制造、安装、运行、维修等各方面的经济性与可靠性。虽然分离器是CFB必不可少的关键环节，但它又具有相对的独立性和灵活性，在结构与布置上回旋余地很大。从某种意义上讲，CFB锅炉燃烧技术的发展也取决于气固分离技术的发展，分离器设计上的差异标志着不同的CFB技术流派。1.1第一代循环流化床燃烧技术-绝热旋风分离循环流化床锅炉旋风分离器在化工、冶金等领域具有悠久的使用历史，是比较成熟的气固分离装置，因此在CFB领域应用最多。德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉1。分离器入口烟温在850左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等公司设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。据统计，目前除中国大陆外，有78%的CFB全部采用了高温绝热旋风分离器，但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高，见图1；启动时间长、运行中易出现故障；密封和膨胀系统复杂；尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时，旋风筒内的燃烧导致分离后的物料温度上升，引起旋风筒内或回料腿回料阀内的超温结焦。这些问题在我国的实际生产条件下显得更为突出。Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置了较多数量的受热面，降低了旋风筒入口处的烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛比较高，钢耗量大，使锅炉造价提高。同时，它的CO排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。1.2第二代CFB燃烧技术-水(汽)冷分离循环流化床锅炉为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点，同时有效地克服该炉型的缺陷，Foster Wheeler公司设计出了堪称典范的水(汽)冷旋风分离器2，其结构如图2。应用水(汽)冷分离器的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉。该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料。壳外侧覆以一定厚度的保温层，内侧只敷设一薄层防磨材料，见图3。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题，也未发生旋风筒内磨损问题，充分显示了其优越性。这样，高温绝热型旋风分离循环床的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW式水(汽)冷旋风分离器的问题是制造工艺复杂，生产成本过高，缺乏市场竞争力，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制3。1.3水冷方形分离器为克服汽冷旋风筒制造成本高的问题，芬兰Ahlstrom公司创造性地提出了Pyroflow Compact设计构想4，5，图4是Pyroflow Compact型循环流化床锅炉结构简图。Pyroflow Compact循环床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，壳体仍采用FW式水(汽)冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间免除热膨胀节。同时方形分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。此外，为防止磨损，方形分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，这使得分离器起到传热表面的作用，并使锅炉启动和冷却速率加快。从国内许多已投入运行的流化床锅炉来看，普遍都存在有床内的燃烧工况组织不好、床温偏高以及旋风分离器内CO和残碳后燃造成数十度甚至上百度温升的现象，加上流化床中的结焦温度比较低，因此结焦的可能在运行中始终是一个很大的隐患。如果采用有冷却的旋风筒，分离器内的温度就可以得到控制，从而消除了结焦的危险。水冷或汽冷的方形旋风分离器与不冷却的钢板卷成的旋风筒制造成本基本相当，考虑到前者所节省的大量的保温和耐火材料，最终的实际成本有所下降。此外它还减少了散热损失，提高了锅炉效率。另外由于保温厚度的减少，可以提高启停速度，启停过程中床料的温升速率不再取决于耐火材料，而主要取决于水循环的安全性，使得启停时间大大缩短。以一台高温绝热旋风筒的75t/h锅炉为例，采用两根油枪床下点火，一般设计每小时耗油量为600kg左右，启动时间8h以上，如果将分离器做成汽冷或水冷，只要23h就足够了，这样每次启动都可以节省23t的轻柴油。循环流化床锅炉的应用前景相对于煤粉炉和链条炉而言，循环流化床锅炉的发展历史还较短，尤其是循环流化床锅炉90年代初期在国内一些工程中留下了深刻教训，使一些用户至今对循环流化床的应用非常谨慎。但是认真学习吸收成功的制造厂、设计院、安装和运行单位的经验，应该说没有不可克服的技术障碍。我国的经济在飞速发展，煤炭和电力对经济发展的瓶颈制约作用重现，今后一个相当长的时间内煤炭供应将更加紧张，不少的中小热电厂和区域锅炉房要燃用当地的劣质煤或多渠道解决煤炭供应问题，因而循环流化床燃料适应广的特性将更加发挥出来。同时，随着对大气环污染物排放的更加科学严格的政策措施的出台，也将使循环流化床锅炉由于清洁燃烧的特性而更加具有竞争力，因此，应当因地制宜地扩大循环流化床锅炉的应用范围。 第一章 锅炉的燃烧系统1 概述 300MW循环流化床锅炉，是引进法国ALSTOM公司技术，哈尔滨锅炉厂有限公司生产。锅炉型号为HG-1025/17.5-L.HM37，该锅炉系超高压参数、单汽包、自然循环、单炉膛、平衡通风、半露天岛式布置。炉膛宽度15.051m，深度14.703m，高度35.5m。锅炉采用全密封结构，燃用煤质为小龙潭褐煤，设计燃煤量226.5t/h。2 燃烧系统流程2.1燃烧机理循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，是介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。在循环流化床锅炉中,存有大量床料,首次启动时人为添加床料,在锅炉运行时床料主要由煤中的灰、未反应的石灰石、石灰石脱硫反应产物等构成。床料在从布风板下送入的一次风的作用下处于流化状态，煤粒、床料及石灰石被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度部分大颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；较小固体颗粒被烟气夹带进入分离器，进行分离，绝大多数颗粒被分离下来，一部分通过回料阀直接返回炉膛，另一部分通过外置式换热器后返回炉膛，形成物料的外循环；飞灰随烟气进入尾部烟道。通过炉膛的内循环和炉外的外循环，从而实现燃料不断的往复循环燃烧。 循环流化床根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分，密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火；与密相区相比，稀相区的物料浓度很小，稀相区是燃料的燃烧、燃尽段，同时完成炉内气固两相介质与蒸发受热面的换热，以保证锅炉的出力及炉内温度的控制。2.2脱硫原理循环流化床锅炉处在830-900的工作温度下，在此温度下石灰石可充分发生燃烧反应，使碳酸钙分解为氧化钙，氧化钙与煤燃烧产生的二氧化硫进行盐化反应，生成硫酸钙，以固体形式排出达到脱硫的目的。 石灰石脱硫反应方程CaCO3=CaO CO2-热量Q CaO SO2 1/2O2=CaSO4 热量Q 因此循环流化床锅炉可实现炉内高效廉价脱硫，一般脱硫率均在90以上。同时，由于较低的炉内燃烧温度，循环流化床锅炉中生成的NOX主要由燃料NOX构成即燃料中的N转化成的NOX；而热力NOX即空气中的N转化成的NOX生成量很小；同时循环流化床锅炉采用分级送风的方式即一次风从布风板下送入，二次风分二层从炉膛下部密相区送入，可以有效地抑制NOX的生成。因此循环流化床锅炉中的污染物排放很低。 2.3 燃烧系统的设备组成W型火焰炉：冷热风管（包括粉管）、燃烧器