循环锅炉培训教材（NEW）.doc

目 录 1 前前 言言 1 第第一一章章 CFBB 的的起起源源和和发发展展状状 况况 3 第一节 CFBB 的起源 3 第二节 循环流化床锅炉发展状况 3 第第 二二 章章 C F B B 的的 原原 理理 及及 特特点点 7 第一节 CFBB 的原理 7 第二节 CFBB 的特点 12 第第三三章章 CFBB 的的流流体体动动力力特特性性 14 第一节 流态化原理 14 第二节 流态化的各种状态 14 第三节 循环流化床的流态 16 第第四四章章 循循环环流流化化床床的的传传热热与与传传 质质 18 第一节 传热机理简介 18 第二节 影响传热的主要因素 18 第三节 流化床内颗粒与流体的传质 19 第五章第五章 煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性性 21 第一节 煤燃烧的各阶段 21 第二节 影响循环流化床燃烧的主要因素 22 第三节 循环流化床燃烧方式的优点 25 第六章第六章 脱硫 脱氮机理及排放控脱硫 脱氮机理及排放控制制 26 第一节 脱硫机理及排放机理 26 第二节 循环流化床中脱氮机理及排放控制 28 第七章第七章 CFBB 的结构 主要设备介的结构 主要设备介绍绍 30 第一节 布风板 30 第二节 汽包 30 第三节 水冷壁 31 第四节 高温旋风分离器 31 目 录 2 第五节 固体物料回送装置 32 第六节 过热器 再热器及减温器 32 第七节 减温器 33 第八节 省煤器 34 第九节 空预器 34 第十节 燃烧器 34 第十一节 膨胀节 35 第十二节 安全阀 35 第第 八八 章章 C F B B的的 辅辅机机 36 第一节 一次风机 36 第二节 二次风机 36 第三节 高压风机 36 第四节 引风机 36 第五节 除尘器 36 第六节 吹灰装置 37 第七节 给煤设备 37 第八节 给石灰石设备 38 第九节 排渣设备 39 第第 九九 章章 C F B B 的的 启启 停停 及及 运运行行 40 第一节 CFBB 的启动前检查及启动过程 40 第二节 锅炉停运 44 第三节 CFBB 的运行 45 第第 十十 章章 C F B B 控控 制制 与与 调调节节 50 第一节 DCS 功能说明 50 第二节 控制回路简述 50 第三节 调节控制特点 52 第十一章第十一章 CFBB 金属件及耐火材料的磨损及预金属件及耐火材料的磨损及预防防 53 第一节 循环流化床锅炉防磨综述 53 第二节 上述各部件防磨措施及设计 54 目 录 3 第十二章第十二章 CFBB 的发展前景及灰渣的综合利的发展前景及灰渣的综合利用用 56 第一节 CFBB 的发展前景 56 第二节 循环流化床锅炉灰渣的处理 56 第三节 灰渣的综合利用 57 前 言 1 前前 言言 能源与环境是当今社会发展的两大问题 我国是产煤大国 也是用煤大国 目前一次能源消耗 中煤炭占 76 在可见的今后若干年内还有上升的趋势 而这些煤炭中又有 84 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 以致于我国每年排入大气 的 87 SO2和 67 NOx 均来源于煤的直接燃烧 可见发展高效 低污染清洁燃烧技术是当前亟待解 决的问题 循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效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 炉内湍流运动强烈 不但能达到低 NOx 排放 90 的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率 而且具有燃料适应性广 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 我国近几年来也有 100 多台循环流 化床锅炉投入运行或正在制造中 100MW 级的循环流化床锅炉已有投运 而更大容量的电站循环 流化床锅炉在国际上正在示范运行 已被发电行业所接受和公认 可以预见 未来的几年将是 CFBB 技术飞速发展的一个重要时期 我厂 2 135MW 机组技改工程正是顺应这一潮流 锅炉设备采用了哈锅生产的 440t h 的循环 流化床锅炉 匹配 135MW 汽轮发电机组 采用一次中间再热 是国内目前正在安装即将投运的容 量最大的循环流化床锅炉 在机组投运前的生产准备工作中 我们通过各种学习途径 对循环流化 床锅炉有了一个较为全面的认识 在此基础上 为了更好地了解循环流化床锅炉 进一步熟悉设备 为新机投运打下良好的基础 同时也为循环流化床锅炉的理论培训工作做些有益的探索进行经验总 结 李孟军专工主持并编写了这本培训教材 结合我厂实际 在收集资料和总结学习经验的基础上 进行编写 力求做到简洁实用 全书共分十二章 第一 二 三章分别讨论了循环流化床锅炉的起源和发展状况 原理及其流 体动力学特性 着重探讨了循环流化床锅炉的工作特点 从鼓泡床过渡到循环流化床的各种特性 循环流化床内气固两相运动特性 第四章着重分析了循环流化床内的传热 传质特性 第五章探讨 了煤粒在循环床内的燃烧过程及燃烧特性 第六章分析了脱硫脱氮的机理及排放控制 第七章介绍 了循环流化床锅炉的结构及主要设备 第八章介绍了循环流化床锅炉的辅机 突出其特有性 第九 章专门讨论了循环流化床锅炉的点火启动及正常运行 第十章讨论了循环流化床锅炉的控制与调节 第十一章探讨了循环流化床锅炉的金属件及耐火材料的磨损及各种预防措施 第十二章探索和分析 了循环流化床锅炉的灰渣的综合利用及其发展前景 循环流化床燃烧技术作为一种新型的洁净燃烧技术 正处于发展和完善阶段 由于试验条件及 前 言 2 运行实践等因素的局限性 在理论上至今尚未形成一致结论 由于水平所限 其中缺点和错误难免 欢迎批评指正 2002 年 4 月 8 日 第一章 CFBB 的起源和发展 3 第第一一章章 CFBB 的的起起源源和和发发展展状状 况况 第一节第一节 CFBB 的起源的起源 在谈循环流化床技术之前 首先要涉及到流态化技术 正如各种技术的形成一样 循环流化床 技术的问世 也是一个逐渐被发展和完善的过程 循环流化床技术是在最初被发现并应用的流态化 技术的基础上发展起来的 流态化技术最初来源于化工生产中的流态化反应器 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒 于 1921 年发明的 他将燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室的底部 然后观察到了固体颗 粒因受气体的阻力而被提升 整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体 这也是工业应用的流化床的雏 形 此后流态化技术一直在化工领域被应用并发展 直到上个世纪五 六十年代 流态化技术才开 始在燃烧领域应用 流化床燃烧技术的应用最初是鼓泡床技术 其大概的工作过程就是 碾碎的小颗粒燃料通过给 煤口送入炉内 床内布置有埋管蒸发受热面 空气由风室通过床下布风板送入床层 将燃料颗粒吹 起 吹起的颗粒上升到一定高度 在重力作用下又落下 再由空气吹起上升 然后又落下 如此反 复上升 落下 好像水在沸腾时的状态一样 固体颗粒层也膨胀起来 此时固体颗粒便进入流化 状态 这便是最初的鼓泡床燃烧 从以上鼓泡床燃烧特点可以看出 其飞灰含碳量大 不完全燃烧 损失大 由于鼓泡床在燃烧宽筛分燃料尤其是劣质燃料时 固体未完全燃烧损失很大 加入石灰石 脱硫效率低 埋管受热面和炉墙磨损大以及大型化时床面积过大受热面难以布置等缺点的限制 由 于上述种种原因 人们便开始新的探索 力图在此基础上进行改进 克服其固有弱点 循环流化床 燃烧技术便应运而生 提到循环流化床燃烧技术 不得不提芬兰奥斯龙 Ahlstrom 公司 新一代循环流化床燃烧技 术真正得到应用始于上世纪七十年代未八十年代初 奥斯龙公司对循环流化床炉的开发是 60 年代 未期在鼓泡流化床炉的基础上开始的 为提高燃烧效率 奥斯龙公司对运行风速为 3m s 的鼓泡流 化床采用高温旋风分离器来实现细粉的再循环进行了试验 结果表明燃烧效率得到提高 随后 奥 斯龙公司在芬兰建造了第一台商用循环流化床锅炉 该锅炉的热功率为 15MW 在这个基础上 循 环流化床燃烧技术不断被发展 并形成几大技术流派 在工业领域迅速的得到大面积应用 第二节第二节 循环流化床锅炉发展状况循环流化床锅炉发展状况 一 流化床锅炉发展概况一 流化床锅炉发展概况 自从第一台专门设计用于生产蒸汽的循环流化床炉投运以来 经过十多年技术开发和工程化的 第一章 CFBB 的起源和发展 4 应用与实践 CFBB 发展到目前已产生许多不同的流派和炉型 技术上也渐趋成熟 其中较有代表 性的是德国鲁奇 Lurgi 公司的 CFBB 芬兰奥斯龙 Ahlstrom 公司的 Pyroflow 循环流化床炉 美国 FW 公司 FosterWheelerEnergyInternationalInc 的 FW 型 CFBB 以下将分别予以介绍 1 Lurgi 型 CFB 锅炉 图 1 1 示出了 Lurgi 型 CFBB 的系统流程 典型的 Lurgi 型 CFBB 由主床燃烧室 高温旋风分离器 外置流化床换热器 EHE 或 FBHE 简称外置床 回料器及尾部对流烟道组成 燃料及石灰石 脱硫剂 从主床密相区给入 在床内 燃烧和反应 燃烧温度控制在 850 900 左右 在较高气流速度作用下 固体物料播散充斥整个炉 膛 物料从炉顶部被携带出燃烧室 经高温旋风分离器分离后 一部分热物料被直接送回主床燃烧 室 另一部分送至外置床 EHE 在外置床中热物料与埋管受热面和空气进行热交换 被冷却至 400 600 后 送回主床燃烧室或直接排出炉外 由旋风分离器出口的高温烟气 经对流烟道受热 面传热后 经静电除尘器或布袋除尘器后排入烟囱 Lurgi 型 CFBB 最主要技术特点是设置了外置流化床换热器 分离器分离后的固体颗粒可以直 接返回燃烧室 或进入外置换热器然后再返回燃烧室 通过调节进入外置换热器的物料量可以调节 循环床的运行温度 Lurgi 型循环床锅炉燃用高灰 高硫煤时床温一般控制在 900 以利于碳燃烬 燃用低灰份 煤时床温控制在 850 以加强石灰石的利用率 Lurgi 型循环流化床锅炉能够燃用多种不同的燃 料 当燃料性质变化过大时可改变下述参数 1 燃烧室温度和过剩空气量 2 一 二次风比例 Lurgi 型 CFB 锅炉的燃料适应性较广 有在一台炉上设计燃用多种燃料的业绩 当燃料品质变 动较大时 通常采用调节进入外置床的灰流量 一 二次风配比及风量等手段 来保证锅炉稳定及 较好的经济性能和环保性能 对于外置流化床换热器的作用 Lurgi 公司认为具有三个优点 1 床温控制仅需调节进入外置 流化床换热器与直接返回燃烧室的固体物料比例 比较灵活 无需改变循环倍率等其它因素 2 将燃烧与传热基本分离 可使二者均达到最佳状态 3 将再热器或过热器布置在流化床换 热器中 调节汽温非常灵活 甚至无需喷水调节 但该方案的缺点是增加了设备的投资和维护 2 Pyroflow 型 CFBB 由芬兰 FWEOY 原 Ahlstrom 公司 开发的 Pyroflow 型 CFBB 结构及系统流程如图 1 2 第一章 CFBB 的起源和发展 5 Pyroflow 型 CFB 锅炉主要由燃烧室 高温旋风分离器 回料器 尾部对流烟道等组成 燃烧 室下部由水冷壁延伸部分 钢板外壳及耐火衬里组成 上部炉膛四周为膜式水冷壁 炉膛中部布置 型过热器或在炉膛上部布置翼墙过热器 炉膛出口烟气携带的固体颗粒绝大部分被高温旋风分离器 分离后 经回料器送回炉膛 旋风分离器可布置在锅炉前面 两侧或炉膛与对流烟道之间 布置自 由灵活 一次风从炉底的布风装置送入 约占总风量的 60 70 二次风在布风板上方两个或 三个不同高度送入 少量 1 2 高压空气经回料器送入炉膛 与 Lurgi 技术最大的不同在于 yroflow 不设外置换热器 EHE 高温旋风分离器容许最高入口烟温为 900 一般可达 99 的分离效率 阻力约 1000Pa 其临 界分离粒径约为 70 um 小于 70um 的飞灰进入对流烟道 经静电除尘器或袋式除尘器收集排除或部 分进行飞灰再循环 燃烧用风分别由三组压头不同的风机供给 一 二次风机和回料器送风机压头分别为 20 15 和 40Kpa 为了保证低负荷时床内有足够的烟气流速使物料良好流化 同时也作为控制床温的技术手段之 一 Pyroflow 型 CFBB 一般还设有烟气再循环系统 Pyroflow 循环流化床锅炉的床料一般采用天然砂子 石灰石等 床料粒度一般为 0 2 0 3mm PyroflowCFBB 的缺点是 对高参数大容量机组 由于没有外置换热器 部分受热面必 须布置在炉内 而对受热面布置及防磨手段等构成难点 第一章 CFBB 的起源和发展 6 3 FW 型 CFB 锅炉 FW 型 CFB 锅炉 图 1 3 的主要特点是采用蒸气冷却式旋风分离器 大型再热 FW 型 CFBB 还布置 INTREX Integrated Recycle Heat Exchanger Bed 换热器 FW 型 CFB 锅炉主要运行参数如下 炉膛下部密相区流化风速 4m s 5m s 炉膛上部稀相区运行风速 5 5 5m s 运行床温 850 900 分离器内温度 850 900 图 1 3 所示为带有蒸汽冷却膜式壁的旋风分离器 分离器的汽冷膜式壁通过上下环形联箱与锅 炉的过热蒸汽系统相连 在分离器内侧的膜式壁管子上焊有四片在车间预制并运到现场组装 它和 锅炉本体一样 采用悬吊支撑系统 在受热时和锅炉本体一起向下膨胀 第二章 CFBB 的原理及特点 7 第第二二章章 CFBB 的的原原理理及及特特 点点 第一节第一节 CFBB 的原理的原理 第二节第二节 CFBB 的特点的特点 由前面循环流化床锅炉工作原理可知 循环流化床锅炉可分为两部分 第一部分由炉膛 快速 流化床 气固物料分离设备 固体物料再循环设备和外置热交换器 有些循环流化床锅炉没有该 设备 等组成 上述部件形成了一个固体物料循环回路 第二部分为对流烟道 布置有过热器 再 热器 省煤器和空气预热器等 与常规炉相似 众所周知 燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入 燃料的燃烧主要在炉膛 中完成 炉膛四周布置有水冷管 用于吸收燃烧所产生的部分热量 由气流带出炉膛的固体物料在 气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛 一 二 环流化床锅炉具有许多不替代的优点二 环流化床锅炉具有许多不替代的优点 除以上主要特点外 同其它燃烧方式相比循环流化床锅炉具有许多不替代的优点 主要表现在 以下几个方面 首先 由于循环流化床采用低温燃烧 850 900 因此可以比较容易地控制 NOx 的排放 方便高效地脱硫 炉内不存在结渣问题 如果燃烧组织好的话 灰渣可以综合利用等 其次 循环流化床锅炉能稳定燃烧多种劣质燃料 燃料适应性广 除烟煤外 还可燃用无烟煤 劣质烟煤 褐煤 石煤以至矸石等固体燃料 并且可以达到较高燃烧效率 与第一代流化床 鼓泡床 燃烧锅炉相比 循环流化床锅炉燃烧效率高 脱硫效率高 给煤容 易 传热系数高 便于大型化 磨损问题也易于解决 第三章 CFBB 的流体动力特性 8 第四章 循环流化床的传热与传质 9 第五章 煤的循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性 10 第五章第五章 煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性性 循环流化床锅炉气固两相流动的复杂性以及煤粉炉完全不同的气固两相流动带来循环流化床锅 炉燃烧方面与众不同的特点 其燃烧机理极为复杂 但是 传统煤燃烧理论所认为的燃烧的主要因 素 即燃烧时间 燃烧温度以及湍流度仍然是循环流化床组织良好燃烧的必要条件 循环流化床物 料循环的特点 沿床高 包括旋风分离器 足够高且均匀的温度分布 以及强烈湍流带来的物料强 烈掺混 为循环流化床内煤颗粒创造了良好的燃烧环境 第一节第一节 煤燃烧的各阶段煤燃烧的各阶段 给入流化床的煤颗粒将依次经历如下过程 煤干燥与加热 挥发份析出和燃烧 煤颗粒的膨胀 和一次爆裂破碎 焦碳燃烧和二次爆裂 磨损 图示如下 新鲜的煤粒加入流化床后 被加热与干燥的过程是很快的 这主要是由于循环流化床床层内强 烈的掺混作用 在鼓泡床运行中由于气泡的运动 破裂 使得颗粒横向掺混非常剧烈 而循环床随 着床层流化速度的提高 这一掺混作用还将得到大大的加强 在 2 3 秒内就可能达到几米宽度的 床表面 同时 由于给煤一般由密相区加入 而密相区聚集着大量处于床温的燃烧着的颗粒 及惰 性床料 而通常给煤量只占床料量的 1 3 这些灼热床料包围着新鲜的煤粒 使其被加热干燥 在我厂循环流化床中给煤与循环灰一起给入 因此 进到炉膛前煤颗粒就得到了加热 一般煤颗粒 在炉膛内的加热率在 100 S 至 1000 S 的范围 挥发份的析出主要有两个稳定阶段 第一个稳定析出阶段在 500 600 范围内 第二个稳定 析出阶段在 800 1000 范围内 析出的挥发份由多种 C H 化合物组成 煤种与挥发份的析出有 很大的关系 煤的工业分析为挥发份的析出量提供了大致的范围 但挥发份的析出量与成份受许多 因素的影响 如 加热速率 初始温度和床温 停留时间 煤的粒度与种类 挥发份析出时的压力 等 焦碳燃烧通常是挥发份析出完成后开始的 有时与上述过程也有重叠 在焦碳的燃烧中 氧气 扩散到焦碳表面并反应生成 CO 和 CO2 由于焦碳是多孔颗粒 焦碳表面确切地说并不完全指碳的 外表面 还包括其内孔面积 并且这些内孔面积要比焦碳表面积大好几个数量级 对燃烧过程起决定性作用的因素主要有两个 一个是燃烧反应本身的化学反应速度 在燃料性 质一定的条件下 主要受反应所处环境温度的影响 温度越高化学反应速度越快 另一个决定性的 因素是燃料所需的氧气的供应 氧气供应主要是指煤颗粒周围氧气到达反应物表面对燃烧反应所需 氧气进行补充的速度 如果氧气供应充分 燃烧反应能够得到足够的氧气补充 燃烧反应就进行的 剧烈 对氧气的供应起主要作用的是煤颗粒的表面积与环境中氧气的浓度 燃烧过程可分为扩散控 制和动力控制 所谓扩散控制 就是指对燃烧反应起决定性的因素是氧气向燃烧颗粒表面的扩散速 第五章 煤的循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性 11 度 此时氧气一到达反应物表面即进行燃烧反应 氧气的扩散对燃烧反应的快慢起着决定性作用 而温度对反应速度的影响不显著 动力控制反应与此相反 此时燃烧反应所需的氧气供给充分 燃 烧反应的速度由化学反应速度即主要由温度控制 挥发份燃烧过程通常是由挥发份和氧的扩散所控制 对于大颗粒煤 粒径大于 1 mm 挥发份析 出时间与煤粒在流化床中整体混合所需时间有相同的量级 因此在循环流化床锅炉中 在炉膛顶部 有时也能观察到大颗粒团的挥发份火焰 对挥发份析出时间的研究对煤粒在循环流化床内的着火燃 烧 尤其是启动点火有着重要的意义 进入循环流化床的燃料中 有大量粗颗粒存在 经挥发份析出 膨胀和破碎后 仍有大量粒度 为 0 6mm 范围内的焦碳存在 这些颗粒在循环流化床中比鼓泡床高的多的传质速率进行混合燃烧 但由于颗粒粒度较大 燃烧反应的化学反应速率远高于扩散速率 燃烧反应为扩散控制 随着颗粒 温度的升高 挥发份析出的增加 颗粒内孔不断增加焦碳颗粒缩小 燃烧反应的反应速率与内部扩 散速率逐步相当 但氧在焦碳中的深入深度有限 接近外表面处的小孔消耗掉大部分氧 这种燃烧 情形的焦碳粒径为中等粒度 随着燃烧的继续进行 反应进入第三个阶段 此时化学反应速度远低 于扩散速率 反应为动力控制 对于多孔焦碳 氧扩散至整个焦碳颗粒 使燃烧在整个焦碳内均匀 进行 在循环流化床锅炉内 煤的燃烧过程伴随着煤颗粒尺寸的逐渐减小 煤颗粒度的减小主要是由 于燃烧过程的膨胀 爆裂和颗粒之间以及颗粒与四壁的磨损造成的 煤颗粒燃烧时的膨胀与爆裂主 要是由于挥发份的析出与焦碳的燃烧产生的 它们使颗粒的体积膨胀 颗粒的小孔增大 增加 使 煤粒的内部结合力下降 这种爆裂产生的颗粒比由于磨损产生的细颗粒碳 一般小于 100 m 大一 个数量级 磨损是由于颗粒之间以及颗粒与床四壁之间的碰撞和摩擦产生的 在燃烧使碳粒表面的 连接力下降后 这种作用得到了加强 细颗粒的形成对煤的燃尽 特别是大颗粒的燃尽是很有利的 它增大了碳颗粒的接触表面 但是 太细的颗粒会逃离旋风分离器 形成固体未完全燃烧损失的一 部分 第二节 第三节 第六章 脱硫 脱氮机理及排放控制 12 第六章第六章 脱硫 脱氮机理及排放控制脱硫 脱氮机理及排放控制 二氧化硫和氮氧化物是大气污染的两种主要排放物 它们对人类健康和生态环境的一个主要危 害是形成酸雨 二氧化硫和氮氧化物一经排入大气后 会在阳光的催化下与大气中的水蒸汽进行复 杂的反应而形成酸性物质 这些酸性物质降至地面就形成酸雨 第一节第一节 脱硫机理及排放机理脱硫机理及排放机理 不同煤种的煤含硫差异很大 一般都在 0 1 10 之间 并以三种形式存在于煤中 即黄铁矿硫 有机硫和硫酸盐硫 其中黄铁矿硫和有机矿硫是燃煤中 SO2生成的主要来源 一 一 SO2的生成的生成 燃煤给入循环流化床锅炉后 其中的硫份 黄铁矿硫和有机硫 首先被氧化生成 SO2 其反应 为 S O2 SO2 296KJ mol 其中一部分 SO2由于燃煤矿物质中会有 CaO 而具有自脱硫能力 能脱去部分的 SO2 CaO O2 SO2 CaSO4 486KJ mol 部分 SO2还会反应生成 SO3 SO2 O2 SO3 但是 由于 SO3的生成在高温高压下进行的更加活跃 一般情况下 在循环流化床中 由于反 应温度控制的很低 850 左右 SO3生成的速率很低 只有很少部分的 SO2转化成 SO3 SO2和 SO3如果不经处理直接排入大气与空气中的水蒸汽反应 就会形成酸雨 二 二 SO2的固定的固定 所谓 SO2的固定是指将 SO2由气态转入固态化合物中 从而能达到脱出 SO2的目的 循环流化 床采用向炉内添加石灰石颗粒的方法来脱除 SO2 之所以采用石灰石很大的原因是世界上分布极广 蕴藏量极为丰富且价格相对低廉的矿物 石灰石加入炉内后 首先发生煅烧反应 CaCO3 CaO CO2 183KJ mol 生成的 CaO 进一步与 SO2反应 生成相对惰性和稳定的 CaSO4固体 CaO SO2 CaSO3 CaSO3 O2 CaSO4 SO2 O2 SO3 第六章 脱硫 脱氮机理及排放控制 13 CaO SO3 CaSO4 反应的第二途径 即经过 SO3的反应 只是在重金属盐作为催化剂时才发生反应 三 石灰石的有效利用三 石灰石的有效利用 1 摩尔 S 反应需要 1 摩尔的 Ca 将实际使用的石灰石中 Ca 摩尔数与煤中需要脱除 S 的摩尔数 之比 称为钙硫摩尔比 用 Ca S 表示 钙硫摩尔比越高 石灰石的利用率越低 影响石灰石有效利用的一个重要因素是由于 CaSO4生成后形成一层外壳 阻止了 CaO 与 SO2 的进一步反应 在煅烧反应时随着 CO2的析出 吸收剂内部形成了许多孔隙 SO2会通过这些孔隙 进到吸收剂内部与 CaO 反应 1 摩尔 CaCO4反应将生成 1 摩尔 CaSO4 由于 1 摩尔 CaCO4的体积 为 36 9cm3 而 1 摩尔 CaSO4的体积为 55 2cm3 因此 CaO 反应生成 CaSO4后体积是膨胀的 在吸收 剂内部有机会与 SO2完全反应之前 吸收剂的孔隙及孔隙入口已经由于产物体积增大而被堵塞 使 吸收剂表面形成一层 CaSO4壳 阻止 SO2继续与氧化碳反应 吸收剂只有一部分得到了利用 这也就是鼓泡床加入石灰石脱硫时难以取得满意脱硫效率的原因 例如 对含硫 5 的高硫煤 鼓泡床要达到 80 的脱硫效果 所需要的钙硫摩尔比要达到 3 以上 为了提高吸收剂利用率 可以 增加吸收剂的反应接触表面 这通常采用将吸收剂磨得更细来实现 但是 在鼓泡床中 颗粒太细 会被直接吹出炉膛 吸收剂同样得不到有效利用 在循环流化床锅炉中加入石灰石以后 由于旋风分离器的分离作用 吸收剂在床内反复循环利 用 因此石灰石的粒度很细 从而有效地增加了吸收剂与 SO2地接触面 同时生成的 CaSO4保护膜 也因为在床内不断磨损而不断剥离 使未反应的 CaO 继续与 SO2反应 因此在循环流化床中 加 入石灰石作为脱硫剂时 石灰石的利用率大大提高了 比如在循环流化床中 要得到 90 以上的脱 硫效果 当采用高活性的石灰石时 所需的 Ca S 摩尔比在 1 5 2 5 范围 四 第二节第二节 循环流化床中脱氮机理及排放控制循环流化床中脱氮机理及排放控制 循环流化床中生成的氮氧化物有很多种 如 NO NO2等 燃煤锅炉生成的 NOx主要来源于燃 料中的氮和燃烧空气中的氮 一 一 NOx的形成的形成 燃烧空气中的 N2在高温下经过氧化生成 NOx 称为热力型 NOx 但是 热力型 NOx的生成仅 在温度高于 1450 时才变的显著 在循环流化床中 由于采用的燃烧温度很低 850 900 因 此生成的热力型 NOx很少 10 可以不作考虑 第六章 脱硫 脱氮机理及排放控制 14 循环流化床中的 NOx生成主要来自燃料 又可以分为挥发份氮和焦碳氮 它们的具体生成途 径及所起的作用如图所示 燃料中的氮按干燥无灰基 可燃基 计算 一般只占 1 2 左右 焦碳中的氮经过一系列反应 被氧化生成 NO 挥发份中的氮也经过一系列反应被氧化成 NO 所生成 NO 中又有一部分被还原 成 N2 其余的燃料氮生成 NH3 它又部分被转化成 N2 二 影响二 影响 NOx生成和排放的因素生成和排放的因素 1 床温 低的床温能够有效地抑制燃烧空气中的氮被氧化成 NOx 在 750 900 温度范围内 热力型 NOx的生成量可以忽略不计 同时由燃料氮生成的 NOx也随燃烧反应温度的降低而降低 但是 例 外的是 N2O 随温度降低 排放值升高 循环流化床排放水平在 50 200ppm 因此 对燃烧以及 NOx的排放等方面综合考虑 选取 850 900 作为循环流化床锅炉的运行温度 2 分段燃烧 还原性气氛对 NOx排放降低作用非常显著 通过分段燃烧 即燃烧空气不是一次性全部给入 而是随燃烧反应的进行对燃烧空气进行补充 从而保证炉膛内特别是 NOx生成区域处于缺氧燃烧 的还原性气氛 由于缺氧状态下有利于焦碳和 CO 对 NO 的还原 十分有利于 NOx排放的降低 在 循环流化床锅炉中 一次风由炉膛底部给入 通常只占燃料所需空气的 60 80 二次风在不同的 炉膛高度进行补充 如图所示 显示了不同的一 二次风比例对 NOx排放的影响 3 低氧燃烧 过量空气系数的降低有利于还原气氛的形成 因此过量空气系数的降低对 NOx排放明显下降 到 150 80ppm 如下图所示 4 Ca S 比 循环流化床中加入石灰石脱硫会对 NOx的排放产生影响 Ca S 比对 NOx的影响如图所示 可见在保证 SO2排放控制满足要求的条件下 采取尽可能低 Ca S 有利于 NOx排放的控制 总之 采取循环流化床燃烧方式 通过合理燃烧 选择适当的参数 能将 NOx的排放有效控 制在 100 150mg Nm3 这也是循环流化床环保方面的一大优势 第七章 CFBB 的结构 主要设备介绍 15 第七章第七章 CFBB 的结构 主要设备介的结构 主要设备介绍绍 我厂的 CFBB 选用哈尔滨锅炉厂引进德国 EVT 公司技术设计生产的 440T H 超高压循环流化床 锅炉 其主要由炉膛 高温绝热旋风分离器 双路回料阀和尾部对流烟道组成 炉膛内蒸发受热面采用膜式水冷壁 水循环采用单汽包自然循环 单段蒸发系统 布风装置采 用水冷布风板 大直径钟罩式风帽 炉膛内布置有屏式 级过热器和 级再热器 级过热器 8 屏 级再热器 6 屏交错布置在炉膛内 两个直径约 7M 的高温旋风分离器布置在燃烧室与尾部对流烟 道之间 高温旋风分离器回料腿下布置一个非机械型双路回料阀 回料为平衡式 流化密封风用高 压风机单独供给 尾部对流烟道中布置有 级 级过热器 低温再热器 省煤器 空气预热器 在过热器之间布置有两级喷水减温装置 现就锅炉本体逐一介绍 第一节第一节 布风板布风板 布风板有膜式水冷管和布风管组成 水冷管即膜式水冷壁 布风管为大直径钟罩式风帽 我厂 采用此形式主要考虑它有以下好处 内管阻力设计合适 可使布风均匀调节性能良好 运行稳定 外帽小孔速度低 降低风帽间的磨损 外帽与内螺纹连接 便于检修 运行时风帽不以堵塞 防止床内局部结焦 使用寿命长 不易损坏 内江高坝电厂布风管采用猪尾巴风帽 此风帽具有易于制作和安装 布风均匀 运行中不易损 坏等优点 但在每次冷态启动前对这种风帽清理却十分困难 工作量大 从检修清理角度考虑 此 风帽结构并不理想 第二节第二节 汽包汽包 循环流化床锅炉的汽包与常规煤粉炉的汽包基本一致 此处不在详细介绍 此处介绍一下汽包 水位计 水位计是显示锅炉工作时水位高低的仪表 能使运行人员随时掌握锅炉的工作状态 避免 发生满水或缺水事故 水位计利用了连通器的原理 它的本体实际上是一个小的容积 其上下两端分别与汽包的蒸汽 空间和水空间直接连接 因此水位计中的水位与锅炉水位是一致的 由于水位计散热 所以锅炉实 际水位稍高于水位计水位 目前常见的水位计有 云母水位计 电接点水位计 双色水位计 机械水位计 现已不采用 第七章 CFBB 的结构 主要设备介绍 16 第三节第三节 水冷壁水冷壁 水冷壁采用的是膜式水冷壁 以保证燃烧室的严密性 另外 对于循环流化床锅炉来说我厂的 容量较大 为了增加蒸发受热面 燃烧室内布置有双面水冷壁 水冷壁下降管有 6 支 其中有两支 细下降管通向双面水冷壁下集箱 双面水冷壁布置在 19 米及以上 将燃烧室分成两部分 构成双 炉膛结构 第四节第四节 高温旋风分离器高温旋风分离器 循环流化床的分离器是循环流化床锅炉的关键部件之一 其主要作用是将大量高温固体物料从 气流中分离出来送回燃烧室以维持燃烧室的快速流化态状态 保证燃料和脱硫剂多次循环 反复燃 烧和反应 这样才能达到理想的燃烧效率和脱硫效率 另外循环流化床的分离器还要满足下列要求 能够在高温情况下正常工作 能够满足极高浓度载粒气流的分离 具有低阻的特性 因为分离装置的阻力增大势必要增加风机的压头 增加能耗 具有较高的分离效率 实际上循环倍率在很大程度上是靠分离器的效率来保证的 能够与锅炉设计的流程相适应 使锅炉结构紧凑 易于设计 按飞灰分离方式分为旋风分离器和惯性分离器 旋风分离器体积较大 工作温度高需用的耐火和保温材料较厚 启动时间长 但分离效率高 惯性分离器相对于旋风分离器 其结构简单 易于锅炉设计 制造简单 启动快 维修方便 运行费用低 但其分离效率较低 对较小的颗粒很难保证能实现循环燃烧和燃尽 特别是采用脱硫 剂时尤其如此 我厂采用的是高温旋风分离器 为了提高分离器分离效率在设计上采取了以下措施 筒身纵向烟速控制 4 6m s 中心筒偏心 收缩形状的中心筒 入口烟道下倾 10 入口烟道设置加速段 其分离效率大于 99 5 但高温旋风分离器在运行上有其特殊性 易发生下列问题 保温材料的耐高温和耐磨能力不够 分离器内衬磨损严重 由于对床内空气动力特性和燃烧特性没有很好的掌握 分离器内经常出现后燃的现象 使 之严重超温 甚至烧坏 由耐火防磨材料及绝热材料建成的分离器 使炉热惯性增加 启动时间增长 负荷变化速 度慢 第七章 CFBB 的结构 主要设备介绍 17 第五节第五节 固体物料回送装置固体物料回送装置 循环流化床锅炉的最基本特点之一是大量的固体颗粒在燃烧室 分离机构和回送装置所组成的 固体颗粒循环回路中循环 由于分离装置中固体颗粒出口出的压力低于炉膛内固体颗粒入口出的压 力 所以固体颗粒回收装置的基本任务是将分离器分离的高温固体颗粒稳定的送回压力较高的燃烧 室内 并保证气体反窜进入分离器的量为最小 基于此对固体颗粒回送装置的基本要求有以下三点 物料流动稳定 无气体反窜 物料流量可控 为了满足上述基本要求回送装置一般有立管和阀两部分组成 立管的主要作用是防止气体反窜 形成足够的压差来克服分离器与炉膛之间的负压差 而阀则起调节和开闭固体颗粒流动的作用 在 各种类型的回送装置中 立管的差别不是很大 主要的差别是在阀部分 回料阀分为机械式回料阀和非机械式回料阀 由于机械式回料阀不耐高温和磨损 难以长期稳 定运转 同时制造比较困难 造价高 因此现已不采用 非机械式回料阀有分为阀型和自动调整型 两大类 阀型有分为 L 阀 J 阀和换向阀 自动调整型分为流化密封回料器 流化床密封罐式回料 器和 V 型回料器及 Y 型回料器 我厂采用的是非机械式流化密封回料阀 当循环物料从高温旋风 分离器中落入回料阀时 从回料阀底部进入的高压流化风将其吹起强迫物料循环进入炉膛 但此回 料阀需要注意布风不均或风量过大而引起物料在回料器内堆积燃烧而结渣 调试后的流化风一经调 好不需要再调整 回料器还采用了分叉管技术 采用此技术不仅将循环灰回灰点增加一倍 使回灰 燃料和石灰石均匀进入炉膛 而且还可减轻巨大的循环回灰流对布风板冲击点的磨损 第六节 第七节第七节 减温器减温器 减温器分为混合式和表面式 其各有优缺点 表面式减温器 优点是对冷却水没有特殊要求 因为工作时冷却水不和蒸汽直接接触 它的缺 点是热惯性大 调节不灵敏 喷水减温器 可直接利用蒸汽对喷水进行雾化也可用其它雾化装置 喷水减温器对喷水的品质 要求高 必须是高纯度的除盐水或冷凝水 一般可采用给水直接作为喷水 以简化系统 但这对给 水品质提出了很高的要求 有时也可采用自制冷凝水喷水减温系统 其工作原理是利用冷却水将部 分饱和蒸汽冷凝 再将得到的冷凝水喷入喷水减温器 过热器调温方式 表面式减温 喷水减温及摆动式燃烧器 煤粉炉采用 第七章 CFBB 的结构 主要设备介绍 18 再热器 其汽温调节要求与过热器一样 但由于其自身的特点 调节手段有所不同 其调节手 段主要有 烟气再循环 摆动式燃烧器 煤粉炉常用 蒸汽旁通 汽 汽热交换器 我厂 200MW 采用 喷水减温 我厂过热器采用喷水减温 喷水来自给水泵出口 高加前 再热器也采用喷水 减温 其喷水来自给水泵中间抽头 喷水减温会使机组循环效率降低 但调节灵敏 我厂蒸汽大致流程 从汽包引出的饱和蒸汽首先通过包墙管过热器 然后经一级过热器 一级 减温器 二级过热器 二级减温器 三级过热器达到所需参数到汽轮机高压缸做功 做过功的蒸汽 再通过一级再热器 再热器减温器 二级再热器达到所需参数送入汽轮机中压缸作功 第八节第八节 省煤器省煤器 按制作材料分为铸铁式和光管式 按工质出口状态分为沸腾式和非沸腾式 凡是给水经过除氧 的锅炉都采用钢管式省煤器 而低压锅炉其给水未经除氧采用铸铁式 钢管式可是沸腾式也可是非 沸腾式 而铸铁式只能是非沸腾式 另外铸铁式虽能耐磨耐腐蚀但不能承受高压且其传热差 因此 其体积较大 对于省煤器的支承有两种方式 一种是用通风梁支承 用通风梁支承时 蛇形管由管夹支承而 管夹本身则支承在通风梁上 为避免布置在烟道中的通风梁过热要用耐火材料包裹并利用通风来冷 却 另一种是悬吊式 此种方式其管夹将蛇形管悬吊在梁上而该梁则被吊在出口联箱上依靠省煤器 引出管来支吊整个省煤器 这样省煤器的联箱也在烟道内 可以减小漏风 但检修起来比较困难 我厂采用的是光管蛇形省煤器 悬吊式支承 第九节第九节 空预器空预器 空预器分为光管式 传热式 和回转式 蓄热式 由于流化床锅炉一次 二次风压力较高 所以我厂采用的是光管式空预器 其可以保证漏风较小 另外其传热效率高 加工制造容易 严密 性也好 但体积较大 磨损严重 光管式空预器布置方式有卧式和立式布置两种 对于卧式布置 其管外壁的加热较好 但管内流动的空气对管壁的冷却较差 因此管壁温度较高 能有效防止结露 但排烟热损失较大 对于立式布置虽然换热较好 但管内易堵灰 我厂采用的是卧式布置一 二次 风分流 逆流式换热 第十节第十节 燃烧器燃烧器 我厂采用的燃烧器有两种 风道燃烧器和启动燃烧器 风道燃烧器 2 支布置在水冷布风板下面 一次风室内 启动燃烧器 4 支布置在前墙 2 支 左右侧墙各 1 支布置在距布风板上约 3 米处 采用 的点火方式为床上 床下联合点火 床下的风道燃烧器负荷约为 12 MCR 床上的启动燃烧器负 第七章 CFBB 的结构 主要设备介绍 19 荷约为 20 MCR 所有的燃烧器投运可满足锅炉 32 MCR 燃烧器主要由内回油机械雾化油枪 高能点火器 配风器和伸缩机构组成 床上燃烧器注意防 磨 床下燃烧器注意防烧坏 启动燃烧器燃用 0 轻柴油 高能点火 火焰监视 油枪进口压力不低于 3 5Mpa 点火方式除了我厂采用的床上 床下联合点火的方式外还有床上点火和床下点火方式 如杭州 热电厂采用的就是床上点火方式 第十一节第十一节 膨胀节膨胀节 膨胀节有金属膨胀节和非金属膨胀节两种 我厂采用的是非金属膨胀节 其易于加工及现场安 装 吸收膨胀能力强 其主要布置在锅炉部件间膨胀较大处 对于膨胀节要考虑其耐高温 防止床 料漏入膨胀节 内部防床料磨损 外侧要有密封 防止烟气泄露 其主要布置在以下部位 炉膛出 口处 高温旋风分离器出口处 高温旋风分离器立管及回料腿处 第十二节第十二节 安全阀安全阀 安全阀是锅炉的一种保护装置 其作用是当锅炉压力达到一定值时通过安全阀排出部分蒸汽泄 压以保证锅炉的正常运行 安全阀一般分为弹簧式安全阀 杠杆 重锤 式安全阀和脉冲式 冲量式 安全阀及活塞式盘 形弹簧式安全阀 我厂采用的安全阀是弹簧式安全阀 它主要有阀芯 阀座 阀杆 弹簧 调整螺钉组成 这种 阀门是利用弹簧的弹力将阀芯压于阀座之上 当锅炉的压力大于弹簧的压力时即可顶开阀门排汽泄 压 弹簧弹力可经过调整螺钉来调节 阀门开启过程中弹簧弹力不断增大 因此开启过程是个不断 受到抑制的过程而不容易顺利的排汽 为克服这一缺点弹簧式安全阀的阀芯与阀座接触面研磨成斜 面 并在阀芯边缘制成一个伸出的弯头 这样做的道理是当阀芯被稍稍顶起时阀芯边缘也受到汽压 的作用 压力的传播速度相当快 使受力面积突然增大 阀门能较大幅度的开启 压力降低时 同 样的道理受力面积突然减小阀门及时关闭 这种 突开突闭 有利于锅炉的安全运行 在安全阀上 还设有调整环 调整环位置高低不同 使阀门开闭的汽压值随之变化 以适应不同的工况 弹簧式 安全阀体积小 调整方便 而且只要弹簧材料的性能跟的上 它的调节范围很广 为了实现弹簧式安全阀的强制开关 在阀门顶部装有提升把手 另外为了保证安全性 阀门还 装有防止随便拧动调节螺钉的装置 第八章 CFBB 的辅机 20 第第 八八 章章 C F B B 的的 辅辅机机 第一节第一节 一次风机一次风机 风机主要分为离心式和轴流式 一次风机由于风压高 当机组负荷变化时 风压变化较小 故选用单速离心风机 其特性曲线适合于一次风的运行工况并且结构简单 运行可靠 价格便 宜 易于维护等特点 从一次风机出口流经空预器加热的热风送入布风板底部作为流化风 其 中一分支还可为回料阀提供流化风 另一路没经过空预器的冷风送入床下燃烧器作燃烧用风 第二节第二节 二次风机二次风机 由于其风压较高 但相对于一次风机较低 当机组负荷变化时 风压 风量均有一定的变 化 技术要求其调节性能要好 运行效率高 故选用单速离心风机配调速型液力偶合器 它具 有调节范围广 效率高等优点 在变工况及煤种发生变化时也能保持较高的运行效率 从二次 风机出口的风经过空预器的热风分成三路 一路到环形二次风箱 其中有一支到炉膛作上 下 二次风 其作助燃风形成分级燃烧 降低 NOx 的生成量 有一分支到启动燃烧器做燃烧用风 一路引至给石灰石口用做密封风 一路引至给煤口做密封风 另外没有经过空预器的冷风到一 级耐压计量式皮带给煤机做密封风 通过改变入炉的二次风量可以调节并获得适宜的运行过剩 空气系数 第三节第三节 高压风机高压风机 高压风机实际上是一台罗茨风机 其流量不大 但其压头较高也有的称高压风机为流化风 机 其作用是将回料阀中的循环物料流化 使循环灰连续均匀的送回炉膛 还对炉膛底部和高 温旋风分离器间的压差起到有效的隔离作用 其风压一经调好以后不再调整 第四节第四节 引风机引风机 引风机也采用单速离心式风机配调速型液力偶合器 其作用是用以克服炉膛顶部至烟囱入 口之间的烟气侧阻力 除了要克服高温旋风分离器阻力需较高的提升压头外 CFBB 的引风机 与常规煤粉炉相似 炉膛负压一般维持在 0 05Kpa 第五节第五节 除尘器除尘器 CFBB 常用的除尘器有两种 静电除尘器和布袋除尘器 它们各有优缺点 对于静电除尘器 由于 CFBB 为环保型锅炉 其炉内脱硫 要进行炉内喷钙 这样烟气中就会 第八章 CFBB 的辅机 21 带有一定量的硫酸钙和亚硫酸钙 这样烟气中尘粒的比电阻要发生很大的变化 也就是说飞灰粒子 的荷电能力大大降低 这样将影响到除尘效率 但是若在电源上做些改动 完全可以得到很高的除 尘效率 所以说静电除尘的关键问题是电源的选取 对于布袋式除尘器 虽然其除尘效率与飞灰的比电阻无关而只与飞灰的其它性质 如 粒径分 布 温度等 和布袋本身的性质有关 且除尘效率高可节约厂用电 但对布袋的要求极高 万一布 袋有泄露 处理起来非常困难 综合以上考虑 我厂的烟道除尘器采用静电除尘器而石灰石粉仓上安的除尘器为布袋除尘器 其除尘效率高达 99 9 第六节第六节 吹灰装置吹灰装置 吹灰装置是锅炉的一个重要辅助设备 目前国内在电厂锅炉上使用的吹灰装置有以下三种形式 蒸汽吹灰装置 它通常使用饱和或过热蒸汽 通过降压 雾化后喷入锅炉尾部受热面 它有长 短伸缩式和固定旋转式两种形式 内江高坝电厂就采用这种形式 但所需吹灰器较多 声波吹灰装置 这是利用压缩空气或低压蒸汽为动力通过发声膜片转化为声波能的一种装置 这种声波通常为次声波或可听低频声波具有较高的能量 能把灰 震 下来 我厂就采用这一种 其所需吹灰器较少 我厂设计吹灰器 24 个 对流受热面 16 个 空预器 8 个 乙炔爆炸吹灰装置 是利用乙炔的爆炸性 点燃后在尾部受热面爆炸 从而把灰 炸 下来的 一种装置 其安全性较差 一般不采用 第七节第七节 给煤设备给煤设备 目前 CFBB 的给煤方式有全部前墙给煤 全部后墙给煤 前后墙同时给煤这三种方式 我厂采 用的是全部后墙给煤方式 其与另两种方式相比 这种给煤方式具有更大的优越性 给煤系统简单 不易发生给煤堵塞或结焦现象 给煤直接与高温循环物料混合 在返料腿内可进行水份蒸发 挥发份析出等过程 同时煤与大 量的循环物料一起进入炉内 与床料混合效果更好 更均匀 有利于煤的燃烧与燃尽 热二次风作为正压密封风 无需增压风机 与布置在前墙的冷渣器配合使用 使给煤远离排渣口 延长了煤颗粒在炉内的停留时间 有利 于降低底渣含碳量 煤的工作流程 原煤从原煤斗下落至第一级耐压计量式皮带给煤机 经第二级耐压刮板给煤机 送入锅炉回料阀给煤口进入锅炉到炉床上 第八章 CFBB 的辅机 22 我厂每台锅炉配有两路给煤系统 每路给煤系统第一级为耐压计量式皮带给煤机 其出力为 10 60T H 输送距离为 25 81M 可实现变速称重 单炉计量 采用全封闭壳体 拆装灵活 其出 力能满足一台炉最大出力的需要 第二级为耐压刮板给煤机 处理 10 60T H 输送距离为 10 4M 其出力能满足一台炉最大出力的需要 对于原