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文档简介

低能耗循环流化床锅炉的设计与应用苏俊1, 佘简文1, 赵晓星1, 张建春1, 付志平2, 杨海瑞3, 岳光溪3(1. 太原锅炉集团有限公司 太原 030000; 2. 山西离石大土河热电厂 离石 033000;3. 清华大学热能工程系 北京 100084)文 摘:深入分析了常规循环流化床锅炉面临的问题和挑战,太锅集团和清华大学合作提出了低能耗循环流化床锅炉设计理论和方法,形成了第二代循环流化床锅炉全套设计导则,完成了第二代循环流化床锅炉的产品结构设计,首台低能耗产品在山西离石大土河热电厂已运行两年,运行结果及测试数据均表明,第二代节能型循环流化床锅炉代表了流化床技术发展的最新方向,该技术应用于大容量循环流化床锅炉后,必将显示出其更大的技术优越性。关键词:低能耗, 循环流化床锅炉, 设计, 应用The design and its application of the lower energy consumption circulating fluidized bed Boiler Su Jun 1, She Jianwen 1, Zhao Xiaoxing 1, Zhang Jianchun 1, Liu Aicheng 1, Fu Zhiping2, Jia Zhiqiang2, Yang Hairui3, Yue Guangxi3(1. Taiyuan boiler Group Co. Ltd., Taiyuan 030000; 2. Shanxi Lishi Datuhe Heat & Power Cogeneration, Lishi 033000; 3. Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084)Abstract: The challenge and problems of the circulating fluidized bed (CFB) combustion technology is analyzed. And the Lower Energy Consumption (LEC) CFB Technology is suggested by Taiyuan Boiler Grop Co. Ltd. corporate with Tsinghua University. And the design theory, design code of LEC CFB boiler is built, with which the secondary generation CFB boilers are designed. The first pilot one was demonstrated in Datuhe Heat & Power Cogeneration, Lishi, Shanxi province. The two years operation practice and measurements show that the LEC technology is the future of the CFB boiler. The advantage of LEC technology will be more prominent if the CFB boiler capacity is larger. Keywords:circulating fluidized bed boiler, erosion, theoretic analysis, solution1 循环流化床锅炉面临的问题和对策循环流化床(CFB)锅炉相比煤粉炉而言,具有燃料适应性广、环保性能优异、负荷调节范围宽广三大突出优点,正是凭借这些技术优势,近二十年来,循环流化床燃烧技术得到飞速发展,在国内中小容量锅炉机组中取得了不可替代的市场地位,成为了国际上公认的商业化程度最好的洁净煤燃烧技术1。但是,在循环流化床燃烧技术快速发展的同时,仍然面临着很多问题和挑战,首先,对于循环流化床锅炉运行的安全可靠性而言,尽管在解决了磨损、耐火材料、辅机系统三大问题后,CFB锅炉的可用率得到很大提高,一批135MW级别CFB锅炉连续运行时间超过200天,甚至达到了300天,年运行时间超过8000h2,但总体上与煤粉炉相比仍然有一定差距。同时我们应该看到,循环流化床锅炉运行的经济性与煤粉炉相比仍然有较大差距,如CFB锅炉煤耗高于煤粉炉13个百分点,厂用电率高于煤粉炉23个百分点,表1为300MW循环流化床锅炉和煤粉炉主要辅机功率对比。循环流化床锅炉能否在以上两个方面特别是运行的经济性方面实现突破是国际循环流化燃烧技术的重大课题。循环流化床锅炉的理论研究和产品开发如果不能有所突破,循环流化床锅炉的发展将受到严峻挑战。表1 300MW循环流化床锅炉和煤粉炉主要辅机对比设备名称300MW流化床锅炉300MW普通煤粉锅炉主要参数功率(kW)总功率(kW)主要参数功率(kW)总功率(kW)一次风机压头:27800Pa流量:73m/s30002台6000压头:15163Pa流量:58.53m/s12502台2500二次风机压头:15700Pa流量:98m/s22402台4480压头:3277Pa流量:107m/s5602台1120引风机压头:7800Pa流量:340m/s36002台7200压头:3737Pa流量:231m/s16002台3200流化风机压头: 68000Pa流量:10m/s8005台4000磨煤机58.5t/h4505台2250总计216809070从表1可以看出,流化床锅炉主要辅机的功率比普通煤粉炉高出一倍多,使机组的厂用电率比较高,平均达到9左右,这其中有锅炉本体结构设计方面的问题,同时也有系统布置复杂、辅机选配不合理方面的原因。针对上述问题,清华大学在总结了第一代CFB锅炉设计理论的基础上提出了CFB锅炉“定态设计”理论模型3,从机理上阐明了解决循环流化床锅炉两大难题的技术方向及具体技术措施,形成了指导第二代循环流化床锅炉低能耗产品开发的全套设计导则及计算方法。太锅集团应用这一设计导则和计算方法,开发出了75480t/h第二代节能型循环流化床锅炉系列产品,首台75t/h级别节能型产品已于2006年1月投入运行,并于2007年6月进行了详细的现场测试。测试数据表明,该第二代节能型CFB锅炉产品在运行的可靠性和经济性方面均实现了重大突破。2 第二代循环流化床锅炉设计理论和方法2.1 第二代循环流化床锅炉节能的理论基础第二代循环流化床锅炉的技术优势就是节煤、节电和高可靠性,技术关键就是在低床压运行时,要维持炉膛物料浓度和流经分离器的循环物料量基本不变。对75t/h级别CFB锅炉而言,床压降降低到3kPa,不影响到锅炉的传热性能。而传统观念认为,锅炉床压降的高低对循环量的影响很大,从而对炉内传热及锅炉负荷产生较大影响。实际上,床压降提高,炉膛内整体压差及物料浓度增大,但增加的压差及物料绝大部分消耗在炉膛下部,所提高的风压几乎全部贡献给了炉膛下部物料浓度的增加,对传热的贡献很小,炉膛物料浓度的增加必然带来磨损的加剧、风机电耗的增加等不利影响。床存量降低后,二次风区域物料浓度降低,二次风穿透扰动效果增强,炉膛上部气固混合效果得以改进,提高了锅炉燃烧效率,降低了锅炉机组的供电煤耗。床存量降低后,物料流化需要的动力减小,锅炉一、二次风机的压头降低,风机电耗下降,从而降低锅炉机组的厂用电率。床存量降低后,炉膛下部物料浓度大幅度减小,从而可以减轻炉膛下部浓相区特别是防磨层与膜式壁交界处的磨损,提高锅炉机组的可用率。实现低床压降运行的条件是煤的成灰粒度能否达到床内大颗粒减小的目的,与煤的灰分含量高低没有必然联系,一般来说,床内大颗粒越少,床压降就可以控制的越低,锅炉运行的效果就越好。2.2 第二代循环流化床锅炉流态选择及性能计算第二代循环流化床锅炉的流态选择采用了清华大学提出的“定态设计”理论模型3。“定态设计”理论解决了开发第二代循环流化床锅炉的基础问题,即流态如何选择的问题,因为CFB锅炉技术研发一旦选定流态,有关床内物料质量、循环量、物料沿床高浓度分布、相应传热系数沿床高的分布、燃烧份额的分布等设计数据均需要从工程实践中逐步积累,并需要匹配相应的结构及辅机系统来保证,是一个庞大复杂协调配合的系统体系,再更动流态十分困难。清华大学确定的第二代炉内流化状态在实际运行过程中具有可控性,当发生循环量或物料浓度漂移时,可以通过调整床存量而保持设计的流化状态不变。“定态设计”理论核心就是:以循环流化床锅炉基本原理为依据,从理论高度寻求第二代循环流化床锅炉运行时的最佳状态模型,确定在最佳状态下锅炉应具备的设计参数,锅炉产品按照该组参数进行设计就能够获得最好的运行效果,体现最佳的经济性和可靠性。第二代循环流化床锅炉产品性能计算采用了清华大学编制的“热力性能计算”软件4。清华大学以定态设计理论为基础,研究总结了国内外数百台循环流化床锅炉的实际运行工况及相应煤种的大量数据,完成了以我国燃煤条件为基础编制的最佳状态参数的“热力性能计算”软件。应用这一软件计算出的锅炉各种结构参数,充分考虑了环境地质条件、燃料、脱硫、锅炉汽水参数、司炉运行操作等各种因素的影响,成为锅炉设计时最基本的计算数据。目前,该软件在太锅35t/h、75t/h、130t/h、260t/h、480t/h锅炉产品上应用,获得成功。2.3 第二代循环流化床锅炉设计导则第二代循环流化床锅炉采用低床压运行方式以及相应的流态确定后,太锅和清华大学一起,建立了一整套具有自主知识产权的设计导则,包括锅炉各类性能及结构计算软件;锅炉整体结构布置准则;受热面安排准则;主要部件基本结构尺寸准则;防磨密封膨胀技术准则;炉墙设计准则;烟风系统结构设计准则;燃料基配准则;辅机系统设计选配准则等等。依据这些准则和规范,太锅形成了多项专利和专有技术。3 第二代循环流化床锅炉产品结构特征太锅和清华大学合作开发的第二代循环流化床锅炉产品采用高温绝热旋风分离的主流炉型,75t/h480t/h级别锅炉均在炉膛出口并列布置两个高温绝热旋风分离器,锅炉结构设计采用了多项专利和专有技术。对锅炉核心部件结构进行优化,保证流化床内的物料达到要求的“品质”和“数量”,是第二代节能型循环流化床锅炉最根本的结构保证。这些核心部件成为一个有机的统一体,相互关联,协调配合,每一个部件的优化都从系统的角度进行考虑,目的都是为了系统高效可靠的运转,任何一个部件的功能或结构设计不协调,都将影响到第二代流化床锅炉的正常稳定运行。3.1 炉膛结构优化按照清华大学定态理论确定的流态选取炉膛烟气流速和炉膛出口烟气中的物料携带量;炉膛顶部采用失速区防磨结构;给煤管和二次风管等与膜式壁采用厂内预制式连接密封结构;炉膛下部交界处采用系统性防磨措施与让管结构相结合的方式;规范炉内烟气温度压力测点的结构及位置;炉膛出烟口结构的设计充分考虑了炉内烟气流场的分布并兼顾分离器入口烟道的优化设计。3.2 低阻力、不漏渣的风帽结构风帽设计吸取引进型钟罩式风帽不漏渣的结构特点,克服其容易磨损、阻力大和更换困难的缺点,在风帽中增加易更换夹套,采取合理的风帽直径和风帽小孔结构型式,选取合理的风帽阻力,风帽磨损后只需更换夹套和风帽头,缩短了检修周期,减小了检修费用。该风帽为太锅专利技术。3.3 二次风结构优化对二次风在炉膛四周的布置位置、二次风布置的层数及喷口结构形式、不同区域二次风量的配置、二次风口的数量及喷口流速、二次风比例等进行优化设计。3.4 分离器结构优化优化分离器的结构模型;分离器进口烟道采用足够长的加速段并优化其高宽比;分离器中心筒采用偏置、缩径等一系列结构措施;分离器圆筒截面根据优选的烟气上升流速来确定;锥体角度尺寸与烟气流场相协调,同时与料腿结构相匹配。3.5 低阻力、大流率、小风量回料装置对回料装置的物料流动模型、回料阀阻力、回料腿物料下降流速以及料腿直径、返料隔墙结构形式及尺寸、水平回料通道结构形式及尺寸、返料风室及布风装置结构形式和风帽结构等进行优化设计。回料装置为太锅专利技术。3.6 返料风量的精确控制及独立调节按照清华大学绘制的回料立管负压差移动床流动流谱对返料风系统及返料风量进行优化设计和选取,该流谱从理论层面揭示了回料装置的工作机理,阐明了物料流动与返料风之间的动态关系,建立了物料流速与返料风量之间的数学关系。3.7 尾部烟道结构优化分离循环燃烧系统结构优化后,对尾部烟道结构进行相应的优化,使尾部烟道结构及受热面排布与循环燃烧系统的设计相匹配,确保在尾部受热面不会出现磨损的同时又能很好的避免积灰,保证尾部受热面高效地进行换热。3.8 提高锅炉部件的厂内装配率为最大限度的减小现场安装质量不能保证给锅炉运行带来的隐患,太锅集团秉承在厂内进行最大化装配的设计理念,对锅炉的一些关键部件如水冷床、膜式壁密封塞块、炉膛出烟口、膜式壁的让管、炉墙护架等采用整体出厂的方式。3.9 系统及辅机选配优化对一二次冷热风系统、返料风系统、引风系统、给煤系统、石灰石脱硫系统、出渣系统等进行优化设计,对一二次风机、罗茨风机、给煤机、冷渣器、吹灰器、耐磨耐火材料等提出选型规范。4 第二代循环流化床锅炉产品应用实例山西离石大土河热电厂使用太锅三台75t/h中温中压循环流化床锅炉,三台锅炉于2003年底投入运行,运行状况良好。2005年后,太锅与清华大学合作将第二代节能型循环流化床锅炉最新技术应用于积极配合的大土河用户,首台采用二代技术的75t/h流化床锅炉于2006年1月正式投入运行,实现了电厂节煤节电的运行成果。图1 第二代节能型循环流化床锅炉基本结构(75t/h)4.1 二代技术应用前后情况对比锅炉基本结构形式见图1。与以前的循环流化床锅炉相比,为了维持锅炉在较低风室风压下仍能达到相同的传热需要并在流态迁移后对燃烧产生积极的影响,应用二代技术的锅炉整体布置上的热量分配和部件上均有不同,同时采用了一系列的结构变化。除了受热面的差异,还要对分离器、回料装置的阻力等进行调整,包括采用易更换夹套的低阻力、不倒灰的专利技术式风帽;分离器及中心筒进行低阻力、高分离效率的技术改进;采用专利技术的返料装置并配置独立的罗茨风机供风节省电耗;采用压头更小的一次风机,减小一次风机风量;改进燃料破碎和筛分系统,使燃煤粒度符合设计要求;采用低床压运行方式。采用二代技术前后,锅炉机组额定负荷下主要运行参数变化见表2。采用低能耗的第二代技术,2006年锅炉机组全年运行效果是:机组可用率达到99.9%;锅炉燃烧效率和热效率提高,单台锅炉年节省洗中煤10000吨,洗中煤运到价80元/吨,年节省人民币80万元;风机电耗下降,机组厂用电率降低了1%,单台机组年节电100万度,每度电使用价按0.4元计,年节省人民币40万元;锅炉及辅机设备磨损减轻,检修周期延长,年节省设备检修费用10以上。表2 二代技术对锅炉运行参数的影响序号运行参数采用二代技术前采用二代技术后1风室风压(Pa)1150012000580062002一次风量(m3/h)470004800043000440003一次风机电流(A)19201112(更换风机)4引风机电流(A)212216175排渣时间间隔(min)202535406返料风压(Pa)12000(采用一次风)11500(采用罗茨风机7.5kW)7燃料热值(kcal/kg)3500380035003800根据清华大学和太锅的建议,用户于2007年10月将一次风机更换为低压头风机(14.8D),电机功率下降100kW,进一步降低了机组的厂用电率。图2 炉膛区间的悬浮浓度。4.2 性能测试情况2007年6月2728日,清华大学、太原锅炉集团、大土河热电厂三方合作在该炉进行了热态测试,验证第二代循环流化床锅炉运行成果。测试分四个工况进行,锅炉蒸发量均为额定负荷75t/h,风室风压分别为6.09kPa、7.07kPa、9.56kPa和11.1kPa。四个工况下,炉膛区间的悬浮浓度分布见图2,风室风压、料层差压、回料风压、给煤机平均转速、排渣量比较见表3,风机电流比较见表4,分离器阻力、回料阀阻力及相对循环流率变化见表5,炉膛上部温度与换热系数的变化见表6。表3 额定负荷不同工况下风室风压、料层差压、回料风压、给煤机平均转速、排渣量比较工况锅炉负荷(t/h)风室风压(Pa)料层差压(Pa)回料风压(Pa)给煤机转速(r/min)排渣量(kg/h)17560903220112903901200275707038301233044617003759560568013560468207047511100733014570487注:尽管由于充满度的影响,给煤机转速和给煤量不成线性比例关系,但给煤量的变化趋势完全可以通过给煤机转速的变化来反映。随着料层压降的增加,给煤量是增加的,与排渣量的增加是吻合的。表4 额定负荷不同风室风压工况下风机电流比较工况锅炉负荷(t/h)风室风压(Pa)一次风机(A)*二次风机(A)引风机(A)罗茨风机(A)175609018.32164.8719.4110.99275707019.09170.4319.5311.11375956019.60172.9319.7211.414751110020.36178.4319.9911.76注:测试时一次风机尚未更换,更换后一次风机运行电流11.5A左右。表5 额定负荷不同风室风压工况下分离器阻力、回料阀阻力及相对循环流率变化工况锅炉负荷(t/h)风室风压(Pa)分离器阻力(Pa)回料阀阻力(Pa)相对循环流率1756090920959012757070975102251.0337595601020105791.05475111001080107881.06表6 额定负荷不同风室风压工况下炉膛温度与水冷壁传热系数变化工况锅炉负荷(t/h)风室风压(Pa)炉膛平均温度()相对辐射换热系数相对对流传热系001.0027570709051.020.9837595608951.011.01475111008941.021.02测试结果表明,锅炉在低床压(风室风压6.09kPa)工况运行时,给煤机转速最低;一二次风机、罗茨风机、引风机的电流最小;分离器阻力最小;底渣及飞灰的含碳量最低。体现了第二代循环流化床锅炉优异的技术性能指标。床压降降低后,炉膛上部悬浮浓度降低,导致传热系数有所下降,同时炉膛温度的升高抵消了浓度降低的影响,如果浓度再高,影响更小。在四个不同工况下,循环灰的含碳量和粒径基本维持不变,飞灰的含碳量和粒径总体趋势是随床压降降低而降低,在第1工况(风室风压6.09kPa)下飞灰切割粒径d50为21m。一方面反映了分离器效率很高,同时也说明了随着炉膛压降的减小,炉内碳的反应速率是提高的。反应速率提高的主要因素应该是空气扩散和混合条件的改善,这主要是由于随着床压降的减少,过渡区悬浮浓度降低,二次风穿透深度增加导致炉膛中心氧浓度

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