CFB锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择.doc

第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 113 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 5 1 循环流化床锅炉的设计理论循环流化床锅炉的设计理论 5 1 1 循环流化床中的流态分析循环流化床中的流态分析 如前所述 循环流化床锅炉燃烧室中上部为快速床 固体物料在一定气速条件下流化 当气速低于 Uc时 固体循环量对床层空隙率无明显影响 气速一旦超过 Uc 床层空隙率主 要取决于固体循环量 因此 对任一颗粒物料 当 U Uc时 床层达到饱和携带能力 物料 便被大量吹出 此时必须补充等同于携带能力的物料量才能使床层进入快速流态化状态 故 Uc为该物料进入快速流态化时的操作气速 即初始快速流态化速度 在初始快速流态化 Uc 时的最小加料率定义为最小循环量 Rmin 初始快速流态化速度 Uc主要与物料特性有关 按照实验统计 Uc 3 5 4 0 Ut 5 1 最小循环量可由以下经验关联式给出 5 2 6270 fpp 1 627 f 2 25 c min g1640 d U R 超过最小循环量后 在相同气速下 对应不同的循环量可以有不同的快速床状态 也可 以用不同的床存量对应的不同物料沿床高浓度分布表示不同的快速床状态 如图 5 1 所示 图图 5 1 气固两相流型谱气固两相流型谱 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 114 输送点速度 Ut是快速流态化操作的极限速度 此时床层空隙率纵向分布曲线的拐点恰好 位于布风板处 上部呈稀相气力输送状态 而燃煤循环流化床中 始终有部分粗颗粒存在 因此床内是由鼓泡床与快速床叠和而成 上述所论述的状态转换是针对床上部的细颗粒而言 循环流化床是能形成流态化的一种装置 它由带有布风板的提升管 分离器和分离物料回送 装置构成的 提升管内的流化状态则因固体物料的性质及流化风速的不同而不同 它的流化 状态可以是鼓泡床 湍动床 快速床以致气力输送态 人们公认循环流化床锅炉需要一个大的循环物料流 以维持燃烧室内沿高度方向物料空 间浓度从下向上逐渐变化 而不能象鼓泡流化床锅炉那样密相区以上物料空间浓度迅速减少 仅当沿床高度方向物料浓度逐渐减小并维持一定数值时 才有可能产生高度方向上的较强回 混 从而把燃料释放出的热量纵向传递并横向传给受热面 研究证明 随着循环量的增加 燃烧室内物料的平均粒度明显降低 从而使密相区气体的分配中气泡相的比例增大 气相与 乳化相传质减弱 相应抑制了密相区的热量释放份额 再加上高度方向上物料回混的加强 才能使循环流化床锅炉在密相段不设置受热面的条件下亦能达到热量平衡 清华大学的热态 试验表明 在通常循环流化床 5m s 的热态气速下 循环流化床锅炉燃烧室内单位标态烟气携 带的固体颗粒量若小于 0 7kg Nm3 则锅炉整体显示出鼓泡床的燃烧特点 若超过 1kg Nm3 稀相段平均空隙率已达到 0 98 呈现出与鼓泡床的不同的燃烧特点 5 1 2 确定炉型的流化状态确定炉型的流化状态 因此 循环流化床燃烧室内是由多重粒子构成的下部鼓泡床 上部快速床的复合流态 而快速床的物料循环量可以在一定范围内变化 因此以物料循环量或物料浓度空间分布状态 受到烟速 煤种 煤粒度 分离器效率等不确定因素的影响 但无论如何变化 设计的基本 条件是一个假定的确定的状态 即在满负荷条件下的燃烧室物料浓度分布是确定量 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 时通过调整床存量而把流化状态调整回到设计态 定态设计是循环流化床锅炉燃料适应性的 基础 决定流态的关键参数是燃烧室截面烟气速度和燃烧室上部单位截面的物料携带率 它取 决于系统物料平衡能力和床存量 床存量是可调参数 它由操作者控制 在确定烟速下 由 于其它扰动影响了物料浓度分布偏离设计值时 可以恢复到设计状态 烟速是设计值 选择 烟速最低不能小于该平均粒度物料进入快速流态化时的操作气速 即初始快速流态化速度 Uc 设计者为追求较大的燃烧室截面热负荷 当然愿意提高操作速度 但是该值受到燃烧室 受热面磨损程度的限制 早期研发循环流化床时 曾经选择 9m s 的流化速度 但是由于磨损 不能在燃烧室有任何暴露的金属面受热面 后期各个公司以燃烧室沿气体流向的垂直受热面 不磨损为界限 把烟速逐步统一到 4 6m s 的范围 也有个别特例 如 CPC circufluid 图 5 2 给出了定态图谱以及国内外不同典型设计的锅炉产品 A I 在其中的位置 随着技术的发 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 115 展 这些产品的状态也在不断优化 炉膛流化速度 uf m s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 低硬度煤磨损限 C D E G H I B A 清华推荐 F 循环流率 GS kg m2 s 10 30 5 10 15 20 25 6 高硬度煤磨损限 4 流动要求的下限 2 高分离效率 低磨耗 3 一般分离效率 一般磨耗 1 极高分离效率 极低磨耗 图图 5 2 循环流化床锅炉定态图谱循环流化床锅炉定态图谱 在定态图谱中 曲线 4 代表循环流化床燃烧中 流动需要达到的下限 低于此下限 燃 烧行为和传热效果区域鼓泡床 曲线 3 代表床料粒度为 200 m 时 不同流化风速下的实际可 以达到的循环量 应该高于设计选定的最大循环量 否则燃烧室稀相区无法达到快速床状态 设计的锅炉的燃烧 传热无法实现 2 和 1 两条曲线分别代表配备一级分离装置和二级分离 装置的循环流化床在特定风速下所能达到的最大循环量 曲线 5 和 6 分别代表燃用硬煤和褐 煤的磨耗极限 两条曲线是在投运锅炉上观察得到的 因此 设计中选定的状态是有限制的 主要是燃烧传热等基本性能的要求以及磨损的限制 流态确定后应当对循环系统进行物料平衡的校验 按照平衡理论校验系统分离器效率 在给定煤种的成灰特性下是否可以使床质量达到要求 相应状态下的物料循环量 或用烟气所 携带的物料量表示 是否达到指定的状态 如果床质量或循环量达不到定态的要求 要么改进 分离器 要么提供辅助惰性床料 否则必须选择更低的状态 在物料系统平衡的计算中 应 该考虑脱硫石灰石在炉内的爆裂磨耗特性及反应活性对物料平衡的影响 5 1 3 循环流化床中的物料平衡循环流化床中的物料平衡 认识燃煤循环流化床的流动形态 必须理解它与化工反应器有所不同 对化工反应器 其固体物料是相对稳定 筛分较窄的催化剂 分离器对该催化剂的分离效率很高 反应器对 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 116 于固体物料而言是一个闭口体系 仅对气体是开口体系 而燃煤循环流化床中煤中的灰份及脱硫用的石灰石颗粒连 续不断的进入系统 为维持系统床存量的稳定 需要连续 的向系统外排物料 因此 燃煤循环流化床对气体和固体 均是个开口体系 如图 5 3 所示 开口体系的平衡应当是 对所有单独粒度的颗粒均应达到平衡 即 Gin i Gout i F i 5 3 式中 Gin i 燃煤成灰和石灰石给入带进系统的粒度为 di的物料流率 F i 从分离器出口逃逸的粒度为 di的物料流率 Gout i 循环流化床排渣形成的粒度为 di的物料 排渣流率 X i 密相床内粒度为 di的物料所占的比例 E i 粒度为 di的物料的夹带率 而粒度为 di的物料的夹带物料流应为 E i X i 以夹带物料流为基分离器效率为 不 s i 1 F i E i X i 5 4 则有 F i E i X i 1 i 5 5 同样以夹带物料流为基定义排渣效率为 o i 1 Gout i E i X i 5 6 系统对物料 di的保存效率为 m i 1 Gout i F i E i X i oi i 1 5 7 再考虑物料平衡式有 Gin i Gout i E i X i 1 i 5 8 X i 1 5 9 上述方程组对于将颗粒分成任何数目的粒度档均可解 其中 E i 可以引用文献中的经验 式计算 总排渣率近似认为 Gout Gout i X i 5 10 因此 无论进入循环流化床燃烧室中的物料粒度以及脱硫石灰石 外加床料的分布如何 Gin i Gout i F i X i E i X i 图图 5 3 循环流化床锅炉物料平衡循环流化床锅炉物料平衡 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 117 分散 经过启动运行阶段 循环系统可 对其进行 淘洗 只有这种夹带率高 而分离效率亦很高粒度的颗粒才可以在 床内累计 使床料筛分形成一个很尖锐 的峰 再看前文建议的系统对物料 i 的 保存效率 m i 为图 5 4 所示 系统保存 效率象一个山峰 左边细颗粒侧的形状 主要由分离器效率决定 右边粗颗粒侧 主要由排渣效率决定 床料分布的峰顶 恰恰对应系统保存效率的峰顶 因此 循环流化床锅炉从启动到带 负荷的运行过程也是床物料累积和粒度 逐渐变细的过程 国外将床料平均粒度称为 床质量 并以此考察循环流化床物料循环的好 坏 循环流化床启动前填充的冷床料粒度分布一般较宽较粗 刚刚运行的循环流化床处于鼓 泡床状态 密相床表面有少量细颗粒扬析夹带 随着燃料煤的进入 生成灰份对床料进行补 充 循环系统对物料的淘洗 使得细物料所占比例逐渐增加 床料粒度下降 床质量提高 它反过来使颗粒夹带逐渐增加 当夹带超过快床的最小夹带 即最小固体循环量 则循环流 化床进入快床状态 若循环量继续增加 则床层空隙率沿高度分布除逐渐增加外 床层下部 还会出现细颗粒浓相区 根据清华大学所作的研究 对于目前主流循环床技术 满负荷运行 的循环流化床床存量中 可夹带的细颗粒循环物料应当有 500mm 水柱既可以满足达到上部 为具有颗粒团聚行为的快速床状态 床存量多余部分是为了保证大颗粒有足够停留时间完成 燃尽而设置的 因此可以建立宽筛分给煤条件下循环流 化床锅炉的一维物料平衡模型 但是其基础 是必须考虑燃煤成灰特性 磨耗特性 否则 其计算结果必然因为对对象的过度简化而失 真 法国 EDF 公司在对 Provence 250MWe 循环流化床锅炉的计算曾经遇到这一问题 图 5 5 为 Provence 250MWe 循环流化床锅炉 的模型预测结果和现场测试结果的比较 若 考虑物料磨耗的因素 同时重点研究影响物 料平衡的几大因素 包括特定煤种的成灰特 性和磨耗特性 颗粒停留时间 颗粒分层 分离器效率等 可以对循环流化床锅炉的主 循环回路的物料进行平衡计算 0 20 40 60 80 100 0 500 1000 1500 颗粒粒径 m 效率 分离效率 排渣效率 系统保存效率 床料 床料累计质量份额 0 20 40 60 80 100 图图 5 4 循环循环流化床锅炉物料平衡流化床锅炉物料平衡 图图 5 5 Provence 250MWe CFB 测试与计算比较测试与计算比较 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 118 工程上 要实现物料平衡 可以采用经验的方法 例如对一些主要参数 通过实践经验 数据的积累 确定下来 但是对于一些特定的燃料 如果没有实践经验 则应进行详细地分 析计算研究 5 2 主要性能参数的计算及选择主要性能参数的计算及选择 CFB 锅炉性能参数和结构尺寸选择确定是保证锅炉达到设计出力和设计保证值的重要步 骤 关系到锅炉运行的安全性和经济性 直接影响锅炉厂的信誉和发展 性能参数和结构尺寸与锅炉的容量 燃用的煤种和结构特性有关 随着锅炉容量的升级 有些参数也要相应的发生变化 以下针对 100MWe 到 150MWe 以下的 CFB 锅炉作分析讨论 所推荐的计算式及选择范 围供参考 5 2 1 燃料及石灰石破碎粒度燃料及石灰石破碎粒度 燃料破碎粒度是锅炉性能设计时首先要确定的性能参数 对于 CFB 锅炉而言 煤质 不仅指煤的成分 还包括入炉煤的破碎粒度 实践证明两 者都对锅炉本体及辅机的安全 可靠运行有影响 同时也对锅炉的性能参数有影响 在尽量降低颗粒扬析的情况下 适当减少燃煤粒径 缩小筛分范围是提高燃烧效率和锅炉运 行安全性的有效措施 锅炉设计时一般限定最大允许粒径 dmax 中径 d50 定义为其上下各占 50 重量的直径 和 小粒径的数量 表 5 1 示出了某公司推荐的入炉煤粒度要求 表表 5 1 某公司推荐的入炉煤粒度某公司推荐的入炉煤粒度 煤种褐煤烟煤贫煤无烟煤 Vdaf 45 6038 17125 Aar 1515 15 最大粒径dmaxmm156116431 71 7 中位粒径d50mm7331 81 410 70 7 10 通过的孔径d90mm10 50 50 420 20 20 20 2 表示煤的宽筛分破碎粒度用图示方法更简便 图 5 6 5 7 是某公司对几种煤的破碎粒度 建议 从表 5 1 及图 5 6 5 7 中可见 随着煤的干燥无灰基挥发分减低 其破碎成灰能力变差 燃尽度也降低 因此要求入炉煤粒度更细 只有这样 才能使床料 含煤粒 在炉内形成合理 的循环流率及灰浓度分布 满足燃烧 传热以及燃尽度的要求 并且为冷渣器提供适合其正 常运行的底渣粒度级配 另外 高灰分的燃料宜采用细一些的颗粒尺寸以便燃尽 改善在冷 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 119 渣器中的流化质量 但是由于我国的燃料供应问题 用户要求放宽粒度要求 因而远远超出 理想的粒度级配范围 图图 5 6 某公司推荐的原煤灰某公司推荐的原煤灰 Aar15 的煤的破碎粒度的煤的破碎粒度 表 5 2 列出了某厂贫煤 135MWe 锅炉入炉煤的粒度级配的设计要求及实测值 可见实际 入炉煤粒度偏离了设计要求 该要求已按用户意见放宽了 与规范相差更大 即细粒子份额 多 粗粒子份额也多 能形成有效循环的床料偏少 表表 5 2 一台一台 135 MWe 贫煤锅炉入炉煤粒度范围贫煤锅炉入炉煤粒度范围 dmax mmd50 mmd 0 2mm 占的份额 技术规范41 3 10 锅炉厂要求70 67mm 占 3 0 2544 6 CFB 锅炉的床料粒度级配受两个因素制约 除入炉煤的粒度之外 还有煤的成灰特性 由于不同煤种的成灰特性差别较大 随挥发分 水分的增加 煤的热爆性增强 其次破碎程度 增加 因此 要想在炉内形成合理的床料粒度级配 必须根据煤的成灰特性及燃尽特性来选 择入炉煤的破碎粒度 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 121 石灰石既用于脱硫又起循环物料作用 要求石灰石粒径为 0 1mm 切割粒径 d50 250 m 在循环床燃烧温度区间内 石灰石脱硫是扩散反应 如石灰石粒径 太大 比表面积小 脱硫反应不充分 石灰石利用率低 同时 颗粒扬折率也 低 不能起到循环物料作用 若颗粒太 小 则在床内停留时间太短 脱硫效果 也差 石灰石宜用密闭系统单独送入炉 前石灰石仓中 然后送入燃烧室 清华 大学推荐石灰石粒度应满足图 5 7 的要 求 通常 国外公司要求石灰石破碎粒 度 dmax 1mm d50 0 2mm 10 通过的筛 孔径99 99 5 这对于稳态运行过程 由于物料循环系统颗粒已经 经过积累 是可能达到的 但实际运行结果有待进一步验证 5 2 15 飞灰份额飞灰份额 afh 飞灰份额 afh指从锅炉尾部飞出的灰分占锅炉排出总灰分 包括石灰石添加剂形成的灰分 的比例 一般锅炉排灰分两部分 一部分为飞灰份额 afh 另一部分称底渣份额 adz 两者 相加 afh adz 100 afh与煤的灰分及其性质 颗粒粒径 密度 流化风速 分离器效率 炉型及运行方式有 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 132 关 某引进技术公司规定 在干燥基灰分20 时 取 afh为 45 加石灰石脱硫产生的 afh为 65 两者应加权平均 以 440 t h 锅炉为例进行计算 燃用燃料 Aar 18 64 Mar 7 35 B 14 63kg s Bsh 0 65kg s 燃料干燥基灰分 Ad Aar 19 92 ar 100 100 M 440 t h 锅炉的灰量 BAar 14 63 0 1846 2 7 kg s 以 BAar和 Bsh来加权则 afh 6161 0 65 0 7 2 65 0 65 0 7 26 065 0 6 0 shar shar BB BB A A 按此法计算某 465 t h 锅炉 afh 62 某 450 t h 锅炉 afh 50 另外 飞灰与底渣量比还与煤种有关 褐煤灰的比重轻 故其飞灰量大于贫煤 表 5 5 给出一个经验值 未考虑石灰石 表表 5 5 飞灰与底渣量比经验值飞灰与底渣量比经验值 未考虑石灰石未考虑石灰石 煤 质褐煤烟煤贫煤 灰分 Aar 202020 飞灰 底渣70 3060 4060 4050 5055 4540 60 5 2 16 物料循环流率物料循环流率 Gs 物料循环流率 Gs定义为颗粒循环流量与炉膛截面积之比 这是 CFB 锅炉的特征参数之 一 对于一台设计好的锅炉在其它参数不变的条件下改变燃用煤种时 必须保持循环流率 Gs 不变 才能维持原有的锅炉负荷 在 CFB 锅炉中的物料循环又分为内循环与外循环 通过分离器分离下来的循环流量与炉膛截面积 F 之比称为外循环流率 在不特殊说 0 LC G 明的情况下物料循环流率就是指外循环流率 GS kg m2 s 5 35 0 LC s G G F 式中 颗粒外循环流量 kg s 0 LC G F 炉膛截面积 m2 在已有的国内 CFB 锅炉书籍和文章中常用到循环倍率 R 的概念 循环倍率是在解决鼓泡 床燃烧效率采用飞灰 从除尘器下获得的低温飞灰 再循环时描述回送飞灰量的概念 在此情 况下飞灰回送回炉膛是作为燃料用的 因此与燃料之比定义为循环倍率 而在循环流化床中 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 133 不同 循环流化床自身的定义为循环流化 而非循环燃烧 故这里不提倡循环倍率概念 而 在描述飞灰再循环时在循环流化床锅炉中仍然使用循环倍率概念 考虑到已有文献中或人们的头脑中仍有循环倍率 R 的概念 故这里给出外循环流量 与循环倍率 R 的关系式 0 LC G R B Bsh 5 36 0 LC G 式中 B 煤耗量 kg s Bsh 石灰石耗量 kg s 同时也把循环倍率的推导过程附注于后面 附注 关于物料循环倍率 R 的讨论 文献上对循环倍率 R 有许多不同的定义 这里取用 R 为循环物料量与 煤耗量 石灰石耗量 之比 R 5 37 shfhfl sharfhfl 100100 100 BBC BAAa 式中 fh 飞灰份额 分离器效率 fl Aar 燃料灰份 Cfh 飞灰可燃物含量 Ash 加入石灰石后增加的灰量 kg kg 煤 B 实际煤耗量 kg s Bsh 石灰石耗量 kg s 影响循环倍率的主要因素有 燃煤的灰分 石灰石耗量 燃煤和石灰石尺寸及其粒度分布 流化速度和 分离器的效率等 分离器效率 fl对 R 的影响极为敏感 循环倍率的选取是循环量选取结果的一种表述 要考虑燃烧效率及脱硫效率 还要考虑分离器磨损及引 风机的能耗 根据燃料热值的不同 循环倍率一般为 20 40 循环倍率 R 的推导 设分离器效率为 fl fl是由分离器回来的物料量与进入分离器的物料量之比 即 0 LC G 0 C G fl 100 5 38 0 C 0 LC G G fh Aar 100Ash B 5 39 0 C G fh 100 1 C 0 LC G 根据循环倍率的定义 0 C G 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 134 B Bsh R 5 40 0 C G 将式 5 39 5 40 代入式 5 38 式得 5 41 RBB C BAAa RBB sh fh sharfh sh 100 1 100 100 由式 5 41 式可求得 R 5 42 shfh sharfh 100100 100 BBC BAAa 说明 式中分子 Ash前边乘 100 是因为原单位是 kg kg 是小数 而 Aar 是百分数 将式 5 42 代入式 5 36 和式 5 37 可得外循环流率 G s 的表达式 5 43 FC BAA G 100 100 100 fh sharfh s 100 150MWe 级 CFB 锅炉 Gs在 4 9 kg m2s 范围内 外循环流率还可用炉膛出口物料浓度 Cp和炉膛出口物料流量 Gc来表达 kg m3 5 44 p p1C kg s 5 45 Fu u G t x pC 1 fL kg m2 s 5 46 t x p flC s u u F G G 1 式中 p 物料的真密度 kg m3 炉膛出口处的空隙率 ux 炉膛出口烟气速度 m s F 炉膛出口处床截面积 m2 ut 炉膛出口处物料沉降速度 m s fL 分离器分离效率 假定 p 2200 kg m3 0 999 ux 5 m s ut 1 1 m s 取出口物料平均粒度 150 m fL 0 99 则 kg m2 s 5 899 0 1 1 999 0 5 999 01 2200 s G 5 2 17 物料携带率物料携带率 Mwl 炉膛出口处每千克烟气携带的物料千克质量称为物料携带率 Mwl 100MWe 150MWe 级 CFB 锅炉的 Mwl一般在 3 6 kg kg 范围内 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 135 Mw1 kg 固体 kg 烟气 5 47 4fhy fh shar 0 lc 100 100 100 100 100 100 qCG a AA B G 式中 G 物料外循环流量 G R B Bsh kg s 0 LC 0 LC Aar 煤中灰分 fh 飞灰份额 当加入石灰石脱硫时 fh增大 Ash 加入石灰石后增加的灰量 kg kg 煤 Ash MCaSO4 McaO MMgO M杂质 kg kg 煤 5 48 33 3 sararss sar CaCOMgCOsh 0 04250 01749 0 0312544 01 100 84 31 CaCO S SK KS M 式中 MCaSO4 1kg 实际燃料燃烧脱硫后产生的 CaSO4量 kg kg 煤 McaO MMgO M杂质 1kg 实际燃料燃烧脱硫时未反应的 CaO MgO 和石灰石的杂 质量 kg kg 煤 Ks 钙硫比 CaCO3 CaCO3在石灰石中所占份额 MgCO3 MgCO3在石灰石中所占份额 Msh 石灰石中水份含量 S 脱硫率 取 0 75 0 9 Gy 每公斤燃料的烟气质量 kg kg Cfh 飞灰可燃物 q4 固体未完全燃烧热损失 为考虑飞灰含碳量修正 fh C100 100 为考虑计算煤耗量产生的烟气体积的修正 4 100 100 q 物料携带率有时又称为固气比 M 其定义为任一截面处物料质量流率 Gsolid与气体质量 流率之比 即 5 49 solid g G M u 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 136 式中 Gsolid 物料质量流率 kg m2 s g 气体密度 kg m3 u 气体速度 m s 对于炉膛出口处 5 50 C g G M u M 又可变换为 5 51 oo CCC ggg GGG M uFuG 式中 炉膛出口固体颗粒质量流量 kg s o C G Gg 气体质量流量 kg s 5 2 18 炉膛出口炉膛出口 分离器入口分离器入口 处的物料浓度处的物料浓度 Cp 知道炉膛出口处的物料携带率 Mwl后即可求出炉膛出口物料浓度 Cp Cp Mwl kg m3 5 52 pj y 273 273 式中 y 烟气密度 kg m3 标态 pj 烟气平均温度 以 100MWe 级 CFB 锅炉为例 假定 Mwl 4 kg kg Pj 883 y kg m34 1 21 8 5 62 1306 1 46 1801 0 1 y 306 1 01 01 3 ar 标 V VA O 则 Cp 4 1 34 1 27kg m3 883273 273 一般出口物料浓度为 Cp 1 2 kg m3范围或 Cp 2 5 kg m3 标态 范围内 物料浓度 Cp还可用床层压差 P 与高度差 H 来求出 5 53 pp 1 g P C H 式中 p 物料密度 kg m3 空隙率 P 床压差 Pa H 高度差 m 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 137 g 重力加速度 m s2 5 2 19 炉膛截面及炉膛截面热负荷炉膛截面及炉膛截面热负荷 q f 炉膛截面尺寸由所选取的流化速度决定 具体尺寸的选取应考虑受热面及分离器的布置 考虑二次风的穿透能力 考虑燃料 石灰石及回灰的供给与扩散 炉膛深度一般最大不超过 8 m 必要时采取裤衩式结构 以确保二次风穿透深度 截面热负荷与流化速度两者是相关的 因此流化速度确定后截面热负荷也就 qf确定了 qf MW m2 5 54 ab QB 1000 net arj 式中 Bj 计算煤耗量 kg s Qnet ar 发热量 kJ kg ab 炉膛截面尺寸 m 5 2 20 SO2的排放浓度的排放浓度 CFB 锅炉炉温应保持在 850 900 温度范围 其显著优点之一是可实现高效廉价脱硫 一般脱硫率在 90 以上 SO2的排放浓度可通过给定脱硫率计算 过程如下 1kg 煤在炉内燃烧生成的二氧化硫质量 SO2 m 5 55 kg kg 0 018S0 9S0 02 100 0 9S 32 64 100 0 9S SO arar arar s so m2 2 n n 式中 Sar 燃料含硫量 由于一部分硫含在硫酸盐中 不参加反应 故将 Sar乘以 0 9 SO2的摩尔质量 kg mol 2 SO n S 的摩尔质量 kg mol S n 不脱硫时 SO2的排放浓度 CSO2 mg m3 标态 5 56 gy 6 m2 SO 10 SO C 2 V 式中 Vgy 尾部排烟处 1 4 的干烟气体积 m3 kg 标态 脱硫后 SO2的排放浓度 C SO2 mg m3 标态 5 57 22 SO s so C 100 100 C gy 6 ars 10S018 0 100 100 V 式中 s 脱硫率 式 5 57 是通过计算得出的 CSO2浓度 在试验时实测的 CSO2浓度按下式计算 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 138 mg m3 标态 5 58 22 SO 2 so C2 86 O21 6 21 C 式中 CSO2 实测干烟气中的 SO2体积浓度 L L O2 实测干烟气中的含氧量 按 2003 年 12 月发布的火电厂大气污染排放标准要求 自 2004 年 1 月 1 日起新建 扩建 改建的火电厂项目 包括燃煤及燃油炉 SO2的排放不得高于 400 mg m3 标态 为满足标准要 求应在燃烧中加石灰石脱硫 对于含硫量高的煤要求高的脱硫效率 Ca S 比也相对要高 5 2 21 脱硫效率脱硫效率 s 定义为不加脱硫剂时的 SO2排放浓度 C SO2减去加脱硫剂后的 SO2排放浓度 CSO2之差与 不加脱硫剂的 SO2排放浓度 C SO2之比 即 5 59 2 22 SO soSO s C CC 由式 5 57 可得出给定排放浓度 CSO2后 需要的脱硫效率 s 5 60 ar gysogy S VCV 22 0055 0 100 10S0 018 100C 100 6 ar SO s 根据式 5 60 对几台 100 135MWe 级锅炉需要的脱硫效率计算结果见表 5 6 表表 5 6 需要的脱硫效率实例计算结果需要的脱硫效率实例计算结果 举例 锅炉出力 煤种 燃料中硫含量 Sar 干烟气体积 Vgy Nm3 kg 给定的 SO2排放浓度 CSO2 mg Nm3 需要的脱硫效率 s 1465t h 烟煤1 939 0440090 63 2440t h 贫煤0 58 9940064 3450t h 贫煤1 467 3640089 9 4220t h 贫煤3 128 3940094 5 5440t h 褐煤1 664 740094 3 注 Vgy按未加石灰石计算的 当加石灰石时会略有增加 因而脱硫效率会略有降低 5 2 22 钙硫比钙硫比 Ca S 为达到要求的脱硫率应在炉内掺烧石灰石 钙硫比 Ca S 定义为钙的摩尔质量与硫的摩尔 质量之比 对于不同的燃料含硫量 Sar和给定的脱硫率 s 所需的 Ca S 应根据经验确定 当 没有使用经验时可参考图 5 12 5 15 和后面的式式 5 61 计算 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 139 石灰石流量 0 5 10 15 20 25 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 石灰石流量 t h 1 0 5 10 15 20 25 灰渣中平均CaO含量 灰中CaO含量 脱硫效率 80 85 90 95 100 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 脱硫效率 0 1 2 3 4 5 钙硫摩尔比 钙硫摩尔比 图图 5 12 中硫煤的中硫煤的 SO2排放和石灰石流量 钙硫比 灰渣中排放和石灰石流量 钙硫比 灰渣中 CaO 含量以及脱硫效率的关系含量以及脱硫效率的关系 Sar 2 Aar 25 Qar net 22MJ kg 石灰石流量 0 5 10 15 20 25 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 石灰石流量 t h 1 0 10 20 30 40 50 60 灰渣中平均CaO含量 灰渣CaO含量 脱硫效率 90 92 94 96 98 100 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 脱硫效率 0 1 2 3 4 5 钙硫摩尔比 钙硫摩尔比 图图 5 13 高硫石油焦高硫石油焦 SO2排放值和石灰石流量 灰渣中排放值和石灰石流量 灰渣中 CaO 含量以及脱硫效率的关系含量以及脱硫效率的关系 石油焦含硫量石油焦含硫量 Sar为为 6 石灰石流量 0 5 10 15 20 25 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 石灰石流量 t h 1 0 5 10 15 20 灰渣中平均CaO含量 灰渣CaO含量 脱硫效率 90 92 94 96 98 100 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 脱硫效率 0 1 2 3 4 5 钙硫摩尔比 钙硫摩尔比 图图 5 14 煤矸石的煤矸石的 SO2排放值和石灰石流量 灰渣中排放值和石灰石流量 灰渣中 CaO 的含量以及脱硫效率的关系的含量以及脱硫效率的关系 煤矸石煤矸石 Sar 2 Aar 50 Qar net 13MJ kg 0 0 0 6 1 2 1 8 2 4 3 0 0 01 53 04 56 0 原煤含硫量 钙硫摩尔比 中活性石灰石 低活性石灰石 高活性石灰石 0 25 50 75 100 0 01 53 04 56 0 原煤含硫量 脱硫效率 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 140 a c 石灰石流量 0 5 10 15 20 25 0 01 53 04 56 0 原煤含硫量 灰渣CaO含量 0 5 10 15 20 25 灰渣中平均CaO含量 石灰石流量 t h 1 b 图图 5 15 为达到为达到 400mg Nm3的的 SO2排放 燃料含硫排放 燃料含硫 量对量对 Ca S 石灰石流量 灰渣中 石灰石流量 灰渣中 CaO 的含量的影响的含量的影响 燃料中燃料中 Sar 2 Aar 25 Qar net 22MJ kg a 燃料含硫量与钙硫比 Ca S 的关系 b 燃料含硫量与石灰石流量 灰渣中 CaO 含量的 关系 c 燃料含硫量和脱硫效率的关 从图中可以看出 为了得到相同的脱硫效率 燃料中的含硫量 S 越低 则所需的 Ca S 比 越高 这是因为含硫量越低 则烟气中的 SO2浓度越低 因而反应所需的 Ca S 越高 才能达 到预期的脱硫效率 另外 钙硫比 Ks主要受石灰石活性 K 煤中含硫量 S 所要求的脱硫效率 s和床温 Tb 等因素的影响 根据实际运行的数据 可以将钙硫比表达为 Ks K1 K2 K3 K4 5 61 K1 2 17 0 965S 0 268S2 0 0352S3 0 00172S4 5 62 K2 1 05exp K 2 0 25 5 63 5 64 234 3 567 10 31136 128911 7372920 4777 4163852 441214 31 ssss sss K 5 65 2 4348 0234 100 1163 1123 2 273 1123 005 0 b bbb T TTTa 5 66 25 1 exp 1 2 02 aab 5 67 197 0 exp 4 bc 5 68 24 1 1 5 2 4 cck 式中 Ks 钙硫摩尔比 S 燃料中硫含量 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 141 s 脱硫效率 Tb 炉膛温度 K 表 5 7 为按式 5 61 对一些燃料的计算结果 表表 5 7 按式按式 5 61 对一些燃料的计算结果对一些燃料的计算结果 例 1例 2例 3例 4例 5 燃料中硫含量Sar 1 930 51 463 121 66 要求的脱硫效率 s 92 384 591 094 594 3 炉膛温度Tb K11481156116311701133 石灰石活性K中优中优中优中优中优 需要的 Ca S 比Ca S2 51 93 462 632 692 042 061 772 672 3 表 5 8 为几台大型 CFB 锅炉有关脱硫 NOx排放的设计数据 设 计数据是否准确还要经运行测试验证 表表 5 85 8 几台大型几台大型 CFBCFB 锅炉有关脱硫脱硝设计数据锅炉有关脱硫脱硝设计数据 设计特性 里彦电厂 SG 465 13 7M 爱溪电厂 SG 220 9 9 新乡电厂 HG 440 13 7 晨鸣电厂 HG 220 9 8 石家庄电厂 DG410 9 81 保定电厂 DG450 9 81 威海电厂 UG220 5 3 Sar 1 933 120 512 01 341 461 18 Nar 1 270 711 140 810 980 910 75 Ca S 2 21 7522 22 32 32 1 石灰石耗量 kg s 2 0581 250 651 361 331 841 11 床层温度 875893883874896896898 炉膛出口温度 875893883874882884889 NOx排放量 O2 6 mg m3 标态 202 8250 150 302250136208 SO2排放量 O2 6 mg m3 标态 350650 150 294250400454 5 2 23 石灰石耗量石灰石耗量 Bsh 煤燃烧脱硫需加入的石灰石量 Bsh B t h 5 69 33 3 CaCO ars caco ars CaCO125 3 1 SK BSK n n s 式中 B 煤耗量 t h 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 142 nCaCO3 碳酸钙的摩尔质量 kg mol ns 硫的摩尔质量 kg mol CaCO3 碳酸钙在石灰石中的份额 Ks 钙硫摩尔比 Ca s Sar 燃料中所含的硫量 5 2 24 炉底排渣量炉底排渣量 Qpz的计算的计算 加石灰石脱时炉底排渣量 Qpz的计算中 要知道如下参数 煤耗量 B kg s 石灰石耗量 Bsh kg s 煤中灰含量 Aar 排渣份额 pz 由石灰石锻烧产生的灰渣量可由式 5 48 计算求得 为了简化计算 可取 Ash 0 88Bsh 再 sh pz Q 乘以 pz 即 0 88Bsh pz kg s 由煤中灰分产生的排渣量 B Aar pz kg s A pz Q 总的排渣量 Qpz kg s sh pz Q A pz Q 例如 B 14 63 kg s Bsh 0 65 kg s Aar 18 46 pz 50 则 0 88 Bsh pz 0 88 0 65 0 5 0 285kg s sh pz Q B Aar pz 14 63 0 1846 0 5 1 35kg s A pz Q Qpz 0 285 1 35 1 635kg s 5 89t h sh pz Q A pz Q 5 2 25 加石灰石脱硫的增益量加石灰石脱硫的增益量 Qs CFB 锅炉燃烧的一个显著特点是在煤燃烧过程中加入石灰石实现脱硫 发生下述反应 煅烧反应 CaCO3 CaO CO2 183 kJ mol 5 70 固硫反应 CaO SO2 1 2O2 CaSO4 486 kJ mol 5 71 煅烧与固硫反应的综合结果是输入热量有所增加 其增益量 Qs Qs Sar K 152 s 57 19 Ks kJ kg 5 72 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 143 式中 Sar 燃料中含硫量 K SO2转化率 一般取 K 0 9 s 脱硫率 煅烧率 取 0 95 1 Ks 钙硫摩尔比 Ks Ca S mol mol 加入石灰石后 燃烧所需空气量 烟气量 灰渣量等也有所增加 使 q2 q4 q6损失等 有所增加 具体增加量与 Ca S 比大小及燃烧组织有关 CFB 的炉温下投入床内的全部石灰石均会生成 CaO 而脱硫反应所产生的 CaSO4与脱除 的 SO2量有关 由于石灰的脱硫反应释出的热量大于石灰石煅烧反应所吸收的热量 因此最 后二者的平衡是增加了锅炉的热效率还是降低了锅炉的热效率 取决与脱硫所用的 Ca S 即 石灰石的流量 因为石灰的脱硫放热反应所释放的热量几乎是石灰石煅烧吸热反应所吸收的 热量的一倍 因此 Ca S 较低时 投入炉内的石灰石较少 石灰石煅烧吸热反应所吸收的热 量小于石灰的脱硫放热反应所释放的热量 因而总的效果是改善了锅炉效率 如果 Ca S 较大 则有可能使吸热大于放热 从而使锅炉效率降低 对于三种不同的燃料 分别为含硫量为 6 的石油焦 含硫量为 2 的煤和含硫量为 2 的煤矸石 在不同排放要求即脱硫效率不同时 石灰石脱硫对锅炉效率的影响有所不同 见图 5 16 以石油焦为例 如果要求的排放值为 800mg Nm3时 即脱硫效率为 92 这时的锅 炉效率为 93 2 但如果要求的 SO2排放值为 400mg Nm3 要求达到的脱硫效率为 96 由 于提高了脱硫效率 导致 Ca S 增加 使锅炉效 率略有下降 为 92 7 下降了 0 5 但是 即使脱硫效率达到 96 加入石灰石脱硫实际 上也是提高了锅炉效率 见图 5 17 由图 5 17 可见 石灰石煅烧吸热反应对锅 炉效率的影响从 SO2排放值 200mg Nm3时的 3 降 至 SO2排放浓度为 800mg Nm3时的 2 而石 灰的脱硫放热反应对锅炉效率的影响从 SO2排 放值 200mg Nm3至排放浓度为 800mg Nm3时 均为 3 左右 因而 在 SO2排放值 200mg Nm3时脱硫对锅炉效率没有影响 在 SO2排放值 800mg Nm3时锅炉效率可增加约 88 90 92 94 96 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 锅炉效率 石油焦 6 S 煤 2 S 矸石 2 S 图图 5 16 同一台锅炉燃烧不同燃料时排放值要求的同一台锅炉燃烧不同燃料时排放值要求的 脱硫效率对锅炉效率的影响脱硫效率对锅炉效率的影响 4 3 2 1 0 1 2 3 4 02004006008001000 SO2排放 mg Nm3 锅炉效率 石灰石煅烧白云石煅烧 硫酸盐化总影响 图图 5 17 SO2排放值排放值 脱硫效率脱硫效率 对锅炉效率的影响对锅炉效率的影响 第五章 CFB 锅炉主要性能参数及结构尺寸的计算及选择 144 0 7 从图 5 16 和图 5 17 可以看出 在 CFB 中用石灰石脱硫对锅炉效率影响不大 其影响 随对 SO2排放值的要求而不同 SO2排放浓度越低 即 Ca S 越高 它对锅炉效率的影响就越 大 一般说来 Ca S 2 5 时 脱硫会增加锅炉效率 Ca S 2 5 时 脱硫会略降低锅炉效率 当某些燃料如褐煤的灰分中 CaO 含量较高时 实际上添加的石灰石量可以较小 钙硫比较低 则脱硫的热效应非常明显 此时脱硫利于改善锅炉效率 甚至可以提高锅炉效率达 2 3 5 2 26 SO2超低排放超低排放 CFB 锅炉石灰石脱硫并不是不能满足严格的 SO2排放要求 很多锅炉的运行实践 已证 明了可以达到超过 99 的脱硫效率 但是近年来对于气体排放的要求日益严格 仅仅脱除 SOX NOX和 CO 到一定的水平已不够了 例如美国联邦法律要求 必须根据最佳的可用控 制技术 Best Available Control Technology 即 ACT 逐步加强对空气污染物排放的处理 美国 现在要新批准的大型 CFB 锅炉项目 必须脱除所谓危险的空气污染物 Hazardous Air Pollutant 即 HAPS 如 HCl HFl H2SO4和在火电厂排放的烟气中存在的其它酸性气体 飞灰中的微量 元素 要求新建的大型 CFB 锅炉要将烟气洗涤装置包括在锅炉系统中 因此目前美国三台在 运行的容量在 250 300MWe 的 CFB 锅炉安装了烟气洗涤装置 这就是美国一些电站 CFB 锅 炉除了采用石灰石炉内脱硫外 还在尾部空气预热器后面增设的第二级烟气脱硫系统 该系 统包括一个洗涤塔和一个袋式除尘器 其目的是除去 CFB 本身无法除去的酸性气体和微元素 这就是超低排放 SO2的 CFB 锅炉 将来自锅炉飞灰中的未反应的 CaO 随烟气进入一垂直布置的半干式反应塔 在反应塔中 通过喷水将飞灰中的 CaO 活化成氢氧化钙 或将新的水化石灰同时喷入反应塔 以进一步脱 除烟气中的 SO2和酸性气体 与 HCl HF 和 H2SO4进行反应 在烟气洗涤装置中 SO2和酸 性气体的脱除由两个分开的阶段进行 在第一个阶段 被喷入反应塔的雾化石灰浆液滴吸收 在反应的同时在液滴中的水被蒸发掉 控制喷水量使吸收塔的出口温度保持在 70 80oC 以上 刚好超过烟气的绝热湿球饱和温度的 20 至 30oC 重金属 如汞 Hg 铅 Pb 钡 Be 等 先在反 应塔中凝结和收集 残存在烟气中的细微悬浮固体颗粒 随烟气和固体颗粒被导入一袋式除 尘器将固体颗粒除去 在第二阶段中 SO2和酸性气体和重金属等在烟气通过袋式除尘器的 滤袋外沉积的一层干灰层时被吸收 其效率主要取决于对细微颗粒 亚微米级 的过滤能力 颗粒收集能力越强 脱除细微悬浮固体颗粒的效果越好 JEA 的 300WeCFB 锅炉的反应塔可 将 90 的汞脱除 如果需要 可将活性炭喷入袋式除尘器以进一步将汞除去 因此 袋式除 尘器不仅可非常有效地降低 CFB 锅炉的粉尘排放 而且对进一步降低烟气中的污染物也起着 重要的作用 降低锅炉酸性气体的排放要依靠反应塔 而去除微量元素则要靠袋式除尘器 通