循环流化床锅炉外置式换热器研究

1、循环流化床锅炉外置式换热器研究 周一工 （上海电气电站集团技术部，上海 201108） 摘 要： 循环流化床锅炉大型化过程中，外置式换热器将是一个不可回避的问题。本报告对 外置式换热器的发展及现状、采用外置式换热器的必要性、国外几家主要公司外置 式换热器的设计特点、外置式换热器设计运行中的问题进行了详细阐述。文章最后 提出了发展外置式换热器需引起重视的几点结论。 关键词 ：循环流化床锅炉 外置式换热器（ FBHE） 灰调节阀 1 引言 在循环流化床锅炉问世之初，世界上主要有两大循环流化床技术流派，即鲁 奇（ Lurgi ）型和奥斯龙（ Ahlstrom ）型，而二者的主要区别在于前者在燃烧室外

2、 设置了“外置式换热器”。所谓外置式换热器就是将炉内的一部分受热面移至炉 外，通过高温循环灰加热的一种热交换装置。后来，采用美国 Battelle 研究中心 技术的日本三井 MSFB 炉型也使用外置式换热器。 外置式换热器实际上是由一个或多个仓室构成的非燃烧细粒子鼓泡流化床， 布置在高温灰循环回路中，位于分离器下部。高温循环物料经分离器分离后，在 分流装置的作用下，一部分经返料装置以高温灰形式返回炉膛，另一部分流经外 置式换热器，与布置在外置式换热器内的受热面完成热交换后，以低温灰形式返 回炉膛。外置式换热器内布置的受热面通常为蒸发器、过热器或再热器。通过调 节进入外置式换热器和返料装置的循环

3、物料流量的比例，实现床温控制和汽温控 制。与不带外置式换热器的循环流化床锅炉相比，外置式换热器使燃烧和传热分 开，大大提高了床温、汽温调节和锅炉负荷调节的灵活性。它尤其有利于锅炉受 热面的布置，特别是再热器的布置，易于循环流化床锅炉的大型化。但外置式换 热器使循环流化床锅炉的结构和运行控制系统复杂化，投资增加，因此它在中小 容量循环流化床锅炉中的应用并不占优势。 2 外置式换热器的发展及现状 在循环流化床锅炉研制初期，一些有远见的研究者就提出了在分离器与炉膛 之间装置热交换器的设想， 其目的是为了更好地控制床温。 世界上最早的商用循 环流化床锅炉，1982 年投运的德国鲁奇公司的 50t/h

4、循环流化床锅炉就装备了外 置式换热器，并且它后来成为鲁奇型循环流化床锅炉最具特色和个性的部分。图 1 是鲁奇型循环流化床锅炉的典型结构。 图 1 鲁奇型循环流化床锅炉结构布置图 但是，初期的鲁奇型循环流化床锅炉因结构复杂、造价高而缺乏市场竞争 力。就外置式换热器而言，它要求回料阀具有灰量调节能力。高难度的回料系统 设计增加了用户对其可靠性的担忧。并且，由于外置式换热器置于炉外，它对锅 炉膨胀和密封结构的设计都提出了新的要求。 20 实际 80 年代中后期，芬兰奥斯龙公司在循环流化床领域异军突起，它针 对初期鲁奇型循环流化床锅炉存在的问题，推出了 Pyroflow型循环流化床锅炉 （其基本结构如

5、图 2 所示）。它的特点是取消了外置式换热器，回料灰全部直接 进入炉膛，在炉膛上部布置有辐射式受热面。 Pyroflow型循环流化床锅炉以其结 构简单、造价低、性能可靠而迅速打开了市场，并成为 20 世纪 80 年代中期至 90 年代初循环流化床锅炉市场的主导产品。 织 4 Si if / M 腿 ift H 破牙 2 AH 图 2 芬兰奥斯龙公司 Pyroflow型循环流化床锅炉的结构布置图 同时，德国拔伯葛（Babcock）公司推出了以中温分离和低倍率循环为主要特 征的Circofluid 型循环流化床锅炉，它同样也取消了外置式换热器。 以 Pyroflow型为代表的低成本循环流化床锅炉（

6、无外置式换热器），在中小 型燃煤锅炉的市场中已具有一定的优势。但是，在大型化过程中，这种循环流化 床的结构面临难以克服的困难，这些困难主要是：蒸发受热面和过热受热面平衡 布置的困难；床温难以控制；再热汽温缺乏调节手段；燃料适应性范围不广等。 这些困难有一些是可以克服的，但是在克服其中一些困难的同时，另一些问题变 得更加难以解决。 与此同时，采用鲁奇公司技术的法国 ALSTOM 公司、原美国 ABB-CE 公司 为了适应循环流化床锅炉大型化的需要，对外置式换热器的技术完善化作了不懈 的努力。美国福斯特惠勒公司在其大型鼓泡床锅炉的基础上，独立发展了循环流 化床锅炉，在大型化过程中，参照了各方经验，

7、并收购了奥斯龙公司后，也对外 置式换热器作了很多研究和改进。汽包 F1T 歿渔 F 【耒打 1fi人戌 F B G MKIMK15 厂、t貝龄j 启；焜堤4 *冷砂扳 2 昭“ 1995 年 11 月，由法国 ALSTOM 公司制造的 250MW 机组循环流化床锅炉在 普罗旺斯 Gardanne 电厂正式投入商业运行，在该机组中装备了 4 个外置式换热 器。ALSTOM 公司还计划在 600MW 机组中使用 6 个外置式换热器，并将外置式 换热器大型化。所有这些无疑预示着外置式换热器在大型循环流化床锅炉中的美 好前景。 3 发展外置式换热器的必要性 3.1 有利于受热面布置、磨损低 随着锅炉容

8、量的增加，炉膛水冷壁受热面面积与炉膛容积之比将减小，当循 环流化床锅炉的容量超过 220t/h 时，单靠在炉膛内布置水冷壁就很难保证合理的 床温和炉膛出口温度。对此， Pyroflow 型锅炉的做法是在炉膛上部（即煤粉炉屏 式受热面的位置）布置附加受热面。但是，布置于炉膛上部的受烟气和粒子流冲 刷的附加受热面成为锅炉内磨损最严重的区域。为减少磨损， Pyroflow 型锅炉不 得不采用价格昂贵的异型管（即所谓“ Q管”），从而失去了其价格优势。并 且，附加受热面管处于热强度很高的区域，而吸热量又是不可控的，这不仅不利 于变工况运行，而且对其传热量计算的精确性提出了更高的要求。 如果使用外置式换

9、热器，受热面布置就容易得多了。通过外置式换热器对分 离灰的冷却，可有效控制床温和炉膛出口温度。外置式换热器其实是一个弱流化 床，它的流化速度很低（0.5m/s 以下），粒子较细（平均粒径 300500 卩 m）, 所以它不存在严重的磨损问题。 3.2 负荷调节性能好，有利于污染物排放控制 没有外置式换热器的循环流化床锅炉在降负荷时，只能通过减少燃料量和进 风量进行，但是，此时炉膛水冷壁的吸热量不可能按比例减下来。相对较多的吸 热量会使床温下降，导致燃烧反应和脱硫反应不完全，效率下降。另外，过热蒸 汽温度也不易保持。而带有外置式换热器的系统，在降低负荷时，在减少燃料量 和进风量的同时，可适当减少

10、通过外置式换热器的循环灰量，使回灰温度上升， 从而补偿了此时炉膛水冷壁相对较多的吸热量，使床温相对稳定。因此，它在低 负荷时仍然有良好的运行工况。稳定的床温和燃烧工况对稳定控制 NOx、SO2、CO、 CxHy 等污染物的排放也 是极其重要的。 3.3 良好的汽温调节性能 大型锅炉的蒸汽温度，尤其是再热蒸汽温度的调节性能是衡量锅炉性能指标 的重要方面。以 Pyroflow 为代表的没有外置式换热器的循环流化床锅炉，在炉膛 出口处附加受热面的吸热是不可控的， 因此， 汽温调节只能在烟气温度相对较低 的尾部烟道完成，调节的灵敏度较低。而在带有外置式换热器的系统中，可分别 在外置式换热器内布置过热器

11、和再热器， 通过控制流过其中的循环灰量调节过热 汽温和再热汽温。它的调节方式简单、灵敏度高、操作性能好。可以认为，带有 外置式换热器的循环流化床锅炉具有良好的汽温调节性能。 3.4 燃料适应性好 对于任何燃料，包括常规燃烧方式难以燃烧的燃料，都可以进行循环流化床 锅炉的特殊设计， 使之有效燃烧， 并满足锅炉的各项性能参数。 而一旦一台循环 流化床锅炉设计完成，因受受热面布置方式的限制，它的燃料适应性是有限的， 它只能燃烧与设计燃料相同或相近的燃料，否则，锅炉的出力和汽温难以保证。 因此，如何在一台循环流化床锅炉上提高其燃料适应性仍是一个要不断探索的课 题。 带有外置式换热器的循环流化床锅炉在燃

12、料变化时，可以通过改变外置式换 热器的吸热量来调整锅炉辐射吸热和对流吸热的比例，从而在维持最佳床温的条 件下达到锅炉出力和汽温等参数的要求。因此，可以说，带有外置式换热器的循 环流化床锅炉具有良好的燃料适应性。 3.5 耐腐蚀性好 在燃烧腐蚀性燃料，特别是城市垃圾和工业垃圾时，在某一温度区段（金属 管壁温度在 500C左右）会发生 HCL 气体腐蚀。因此，这类锅炉面临的最大难题 是无法提高蒸汽参数。而采用外置式换热器就可以很好地解决这个问题，因为外 置式换热器内的受热面不与腐蚀性烟气接触， 可将金属壁温在腐蚀性区段的受热 面安置在其内，从而避免腐蚀性气体对受热面的侵害。 4 国外几家主要公司外

13、置式换热器的设计特点 4.1 法国 ALSTOM 公司 ALSTOM 公司设计、制造的普罗旺斯 Gardanne 电厂 250MW 循环流化床锅炉 是目前已投运的最大容量大型循环流化床锅炉。下面就以普罗旺斯 Garda nne 电厂 250MW循环流化床锅炉为例，介绍其外置式换热器的设计特点。 普罗旺斯 Gardanne 电厂 250MW 循环流化床锅炉热力系统见图 3,它共有 4 只高温旋风分离器，每只旋风分离器与一只外置式换热器相连，其中两只外置式 换热器中布置中温过热器，用以控制炉膛温度；另外两只内布置低温过热器和末 级再热器，用以控制再热蒸汽温度。过热汽温用喷水调节。 1 if 41

14、时】 图 3 普罗旺斯电站 250MW 循环流化床锅炉热力系统图 4.2 美国原 ABB-CE 公司 原 ABB-CE 公司和 ALSTOM 公司的循环流化床技术都是来自鲁奇公司，所 以它们外置式换热器的结构也是相似的。图 4 是 ABB-CE 公司一台大型循环流化 床锅炉回料器、灰排放阀和外置式换热器的结构简图。它在其中不仅布置了末级 过热器（也可布置再热器），而且还布置了蒸发受热面。这是因为，对于大型锅 炉来说，炉膛四周的水冷壁不能满足蒸发吸热量的份额，所以将外置式换热器的 部分作为蒸发受热面 图 4 原 ABB-CE 公司大型循环流化床锅炉外置式换热器结构简图 4.3 美国福斯特惠勒公司

15、 福斯特惠勒公司的外置式换热器称为整体化换热床，其结构如图 5 所示。它 的独特设计在于，内部受热面为过热器，其吸热约占过热器总热量的 25%，外壳 由膜式水冷壁构成，并且与炉膛连为一体，因此它与炉膛之间没有膨胀差，可省 去高温膨胀节，密封系统设计也更有保证。它没有独立的热灰回送系统，而是在 换热器中设置热灰旁路通道。一方面，在启动时保护内部的过热器受热面，另一 方面，运行时调节受热面的灰流量，以控制床温；另外，它对灰流量采用气动控 制，而不是采用机械式排灰控制阀。 福斯特惠勒的再热汽温调节采用尾部烟道的烟气挡板，蒸发受热面的扩展采 用炉膛 乘的N1悴Hi粒 * F | - fcli 11 H

16、I 1- j 内纵向冲刷的隔墙式附加蒸发受热面 图 5 福斯特惠勒公司整体化换热床结构图 5 外置式换热器设计运行中的几个问题 5.1 锅炉过热器喷水容量的影响 对于依靠布置过热器的外置式换热器来调节床温的循环流化床锅炉，为了满 足锅炉过热和再热蒸汽参数的要求，在系统设计中，过热器受热面必须有较大的 裕度，也就是说，在锅炉设计工况下过热器要有较大的喷水量。这个裕度的选取 要根据燃用的设计燃料、校核燃料和设计单位对炉膛传热计算的风险情况来进行 合理选取。裕度越大，对炉膛温度、传热的调节能力越大，但锅炉大量喷水，喷 水管路系统成本增加，且尾部对流受热面流量减小，传热效果降低和受热面成本 增加，同时

17、排烟温度高，对流受热面壁温升高。因此，在设计中要统筹兼顾，合 理选择。 5.2 外置式换热器受热面布置的影响 依靠布置过热器的外置式换热器对床温的调节，其调节范围是有限的。对于 大型循环流化床锅炉，要求锅炉对煤种的变化有较好的适应性，同时要求锅炉具 有良好的调峰，因此，在外置式换热器中同时布置过热器受热面、再热器受热面 和蒸发受热面（或省煤器受热面），可以使锅炉各部分受热面的吸热量通过外置 式换热器进行灵活的调节。从理论上分析，只要这 3 种受热面在外置式换热器中 合理地分配，锅炉可以在灵活调节床温的同时，过热器和再热器都无须喷水就能 够满足汽温参数要求。更具有意义的是，如果外置式换热器中布置

18、有一定份额的 蒸发受热面或省煤器受热面，则锅炉在低负荷运行时，可通过减少蒸发受热面的 吸热来提高低负荷运行时的床温，并使再热蒸汽和过热蒸汽参数满足设计要求， 增强锅炉低负荷运行的能力。特别是循环流化床锅炉在燃用无烟煤、贫煤等着火 性差的燃料时，可大大提高锅炉低负荷稳燃的能力。 5.3 外置式换热器对热量分配的影响 关于每个外置式换热器中布置多少份额吸热量的问题，不同流派根据炉型的 不同而有所不同。经过计算分析认为，每个外置式换热器合理的热量分配要根据 设计者所预想的床温调节范围、分离器的数量和每个分离器的循环灰流量以及回 料器的设计等因素来综合考虑。当锅炉只在外置式换热器中布置过热器和再热器

19、受热面时，那么锅炉只有通过调节外置式换热器中过热器的吸热量才能调节床 温，在调节过程中还要兼顾过热蒸汽温度的要求，此时调节床温的范围主要受到 过热器受热面的裕度和减温喷水系统裕量的限制。在这种情况下，即使外置式换 热器中过热器的热量分配再大，床温的调节能力受制于过热器受热面的裕度，对 床温的调节幅度也是有限的。另外，外置式换热器中受热面的热量分配还要充分 考虑以下因素： 1）分离器的数量和被分离的循环物料流量； 2）回料器安全可靠 运行的范围； 3）灰控制阀的调节范围和调节能力。 由于灰控制在调节循环物料进入外置式换热器的过程中，对灰的调节作用除 受到自身开度的影响外，还要受到能够被分离器分离

20、的循环物料流量、回料器结 构尺寸、回料器立管料位和炉膛运行压力等诸多因素的影响，因此在设计中应充 分考虑占多少份额的循环灰能够顺畅地通过灰控制阀进入外置式换热器，并且在 调节床温的变化过程中，灰控制阀始终都能起到好的调节作用。当进入外置式换 热器灰量在最大时，分离器也能有足够的循环物料量来满足回料器正常工作，使 炉膛烟气不返窜。此外，在设计中还需要认真考虑旋风分离器偏离设计效率的情 况。通常进入每个外置式换热器的物料在设计工况下为进入该外置式换热器的分 离器物料流量的 20%40%是比较合理的，太大和太小均会影响灰控制阀的调节 性能。 6 几点思考 6.1 应加强对外置式换热器的研究力度 外置

21、式换热器虽然已在循环流化床锅炉上得到广泛的应用 , 但对其运行规 律、调节与控制机理还不完全了解 , 设计仍然依靠经验和试验。由于涉及到技术 机密 , 国外很少有公开发表的外置式换热器的研究成果 , 在国内有关的研究和开发 也很少。而从已投运的外置式换热器来看，也出现过结焦、磨损、受热面超温、 结构破坏等问题，以至影响整个循环流化床锅炉的运行。因此，加强外置式换热 器的理论研究，自主研发设计运行和调节控制均简单可靠的外置式换热器，对促 进我国大型循环流化床锅炉的开发研制是十分必要的。 6.2 灰调节阀问题 灰调节阀是外置式换热器的关键部件，形式有机械式和气动式两种， Lurgi 型 和 Fle

22、xtech 型循环流化床锅炉采用机械式灰调节阀。 MSFB 型也是采用的机械式 灰调节阀， 但结构有所不同。 Foster Wheeler 型的 INTREXTM采用的是气动式灰调 节系统。灰调节阀处于高温高灰区，工作条件非常恶劣，因此，灰调节阀运行的 可靠性是外置式换热器的重要问题。从原理上讲，气动式灰调节系统更可靠些。 但是，目前机械式灰调节阀的使用也有很好的运行业绩。这里不得不提及的是， 机械式灰调节阀的造价非常昂贵，因此，研制价格低廉、运行可靠的灰调节阀将 是很有意义的工作。 6.3 随着容量的进一步增大，内置式换热器将会受到重视 外置式换热器在 160MW250MW 容量的大型循环流

23、化床锅炉上的应用已取 得成功，并已将其应用到 300MW350MW 容量等级的设计中。但是，在考虑到 今后容量的进一步增大，如增加到 600MW 容量等级的情况下，外置式换热器的 体积将过于庞大，给锅炉的整体布置带来困难，因此，福斯特惠勒公司和阿尔斯 通公司都在研究开发内置式热交换器，即将其成为炉内空间的一部分。 福斯特惠勒采用的是与燃烧室整装的 C-HEX 炉内热交换器，如图 6 所示。其 热交换器为两级布置，第一级 C-HEX 装在燃烧室下部，作为第一级过热器，第 二级 C-HEX 装在燃烧室的中部，与分离器料腿相连，作为第二级过热器。这种 C-HEX 炉内热交换器的研究工作在欧洲的一台商

24、用循环流化床锅炉上进行，放大 到电站锅炉的研究工作将在以后的工程项目中进行。 阿尔斯通公司也在进行一种内置式换热器的研究，并在其商业运行的艾米路 希电站125MW 机组和普罗旺斯电站 250MW 机组的循环流化床锅炉上进行了工 业性试验研究。另外，在普罗旺斯电站 250MW 锅炉上，还进行了在膜式水冷壁 上装设附加扩展管屏式受热面的试验研究。 其内置式热交换器示意图见图 7。图 8 是在普罗旺斯电站的实验装置图，从 图中可以看出，它布置在炉膛的变截面处。这种内置式交换器具有以下优点： a. 热交换器内的固体粒子不仅来自旋风分离器的分离灰，而且来自炉膛内贴 壁下落的粒子流（即所谓的炉内循环），因

25、此热交换器内粒子量的大量增加，提 高了热交换器的传热效果； b. 热交换器内粒子量的增加，使锅炉的负荷调节更加灵活，低负荷性能更 好，燃料适应性更广； c. 炉内热交换器与燃烧室底部之间的床料循环，可改善燃烧室底部的流化质 量。 d. 炉内热交换器与燃烧室底部之间的回料管道为增加锅炉给煤点提供了条 件。 内置式热交换器的主要研究内容为：热交换器的磨损、腐蚀问题；热交换器 的传热性能；炉内粒子循环量的测量。 下霉 C-HEX i 斗一陕變迴分寓辭芯th 型并离稻 图 6 FW C-HEX 大型循环床锅炉内置式换热器的布置 由此可见，在循环流化床锅炉大型化过程中，外置式换热器将是一个很好的 选择，但是，随着循环流化床锅炉容量进一步向大容量高参数发展时，内置式换 热器亦将受到广泛青睐。 1次凤；次凤i 1 探化风1 炉由施化床抽交换器；3去分N赛 图 7 阿尔斯通循环床锅炉炉内热交换器的布置 3 W f一炉内丈鲨滝化床L 2TB規篷上部忻屣受轴ifik 3-炉内就化嫌热交廣器风室F 炉内淹化球热交題歩曽束 炉內誰化竦炉内灌化床第査换黔黨软转置 图 8 普罗旺斯循环床锅炉炉内流化床热交换器实验装置 参考文献 1 岑可法，倪明江，骆仲泱，严建华，池涌，李绚天，程乐鸣等，循环流化床锅 炉的理论设计和运行，1995; 2 倪晓辉，东方-福斯特惠勒大型循环流化床锅炉