循环流化床锅炉外置式换热器

1、浅析循环流化床外置式换热器学院:*班级:*学号:*姓名:*摘要:循环流化床锅炉大型化过程中,外置式换热器是一个不可回避的问题。此论文中论述了循环流化床锅炉外置式换热器发展现状、特性及其必要性,通过对当今循环流化床锅炉大型化进程中外置式换热器的分类介绍,总结了各个种类外置式换热器的结构特点.介绍了循环流化床锅炉外置式换热器流动及传热的研究现状及成果.提出了外置式换热器流动和传热研究过程中需要注意的几个问题。关键词:循环流化床外置式换热器引言循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用,并向几十万

2、千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展;国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起,已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。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,即鲁奇型和奥斯龙型,而二者主要区别在于前者在燃烧室外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,布置在循环流化床灰循环回路上的一种热交换装置。外置换热器的功能是将部分或全部循环灰(取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数载有的一部分热量传递给一组或数组受热面,同时兼有循环灰回送功能。其通常是由一个灰分配室和一个或若干个布置有浸埋受热面管束的床室组

3、成。这些管束按灰的温度不同可以是过热器、再热器或蒸发受热面。通过调节进入外置式换热器和返料装置的循环物料流量的比例,实现对床温控制和汽温的控制。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。他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。一、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

4、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 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。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。二十世纪八十年代中后期,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Pyflow型循环流化床锅炉。它的特点是取消了外置式换热器,回料灰全部直接

5、进入炉膛,在炉膛上部布置有辐射式受热面。Pymflow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。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Ciofluid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(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

6、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,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。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6001V研机组

7、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。二、发展外置式换热器的必要性1、有利于受热面布置、磨损低随着锅炉容量的增加,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炉膛出口温度。对此,Pymflow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,Pymflow型锅炉不得不采用价格极其昂贵的异型管(即所谓“Q管”从而失去了其价格优势。并且,附加

8、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要求。如果使用外置式换热器,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300m500m,所以它不存在严重的磨损问题。2、负荷调节性能好,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低负荷时,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

9、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N0 S0 、C0、CH 等污染物的排放也是极其重要的。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l'ym.floW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

10、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。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

11、置式换热器的循环流化床锅炉在燃料变化时,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。5、传热性能好在外置式换热器内,几乎充满了900左右的高温粒子,因此热强度极大,传热效果很好。根据ABBCE的资料介绍,与炉膛上部屏式受热面相比,外置式换热器的受热面积可减少3/4以上。6、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500左右会发生HCI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

12、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。三、外置式换热器设计运行中的几个问题1、锅炉过热器喷水容量的影响对于依靠过热器外置床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,过热器受热面必须具有一定的裕度,也就是说在锅炉设计工况下过热器要有一定量的喷水。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。裕度过大,对炉膛温度、传热的调节能力越大,但喷水管路系统成本增加,锅炉大量喷水,尾部对流受热面流量减小,

13、传热效果降低和受热面成本增加,同时排烟温度高,对流受热面壁温升高。因此,在设计中要统筹兼顾,合理选择。2、外置床受热面布置的影响依靠过热器外置床对床温的调节,其调节范围是有限的,对于现代大型的循环流化床锅炉,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、预热受热面(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床进行灵活的调节。从理论上分析,只要这三种受热面在外置床中合理地分配,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， 如果外置床中布置有一定份额的蒸发

14、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汽机要求，增强锅炉低负荷定压运 行的能力。特别是循环流化床锅炉在燃用无烟煤、贫煤等着火性能差的燃料时， 可大大提高锅炉低负荷稳燃的能力。 3、外置式换热器热量分配的影响 关于每个外置床中布置多少份额吸热量的问题，国际上不同流派根据炉型 的不同而有所不同。 经过计算分析认为，每个外置床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。当锅炉只在外置床中布置过热器和再热器受热面时， 那么锅炉只

15、有通过调节外置床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 和减温喷水系统余量的限制。 在这种情况下，即使外置床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，外置床中受热面的热量分配还要充分考虑以下因素：分离器的数 量和被分离的循环物料流量； 回料器安全可靠运行的范围；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 EHE 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的循环物料流量， 回料器结构尺寸、 回料

16、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 EHE，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 EHE 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。 根据上海锅炉厂的经 验，进入每个 EHE 的物料在设计工况下为进入该 EHE 的分离器物料流量的 2040是比较合理的， 太大和太小均会影响灰控制阀的调节性能。上海锅炉 厂有限公司 200MW 循环流化床锅炉，在 BMCR 工况下，EHE 再热器吸

17、热量占 再热热的 50左右，EHE 过热器吸热量占过热热的 30左右，进入再热器和过 热器，EHE 灰量份额均为 27左右。 四、外置式换热器发展趋势分析 外置式换热器的一个总体的发展趋势：物料循环方面由传统的机械阀控制 向气动控制发展， 材质组成方面由传统的厚耐火材料向膜式壁加薄耐火材料发展， 安装方式方面由传统的支承方式到悬吊方式再进一步发展到现在的燃烧室、 外置 床一体的结构。 对于国内的情况，由于存在很多小机组改造成 CFBB 的问题和 CFBB 在工 业锅炉领域的应用问题， 使我们不光要研究外置式换热器在大型 CFBB 上的应用， 还要关注外置式换热器在小型工业锅炉及老旧锅炉改造领域

18、的应用。 1、外置式换热器的主要结构形式：机械阀控制冷、热灰比例的机械式外置 式换热器(LurgiCE 型外置式换热器；气动控制冷、热灰比例的非机械式的外 置式换热器。 2、当前对于外置式换熟器的研究存在的几点问题：外置式换热器内颗粒的 定向流动问题：传热管束换热的均匀性问题；不同受热面的传热控制问题；不同 负荷下，过热汽温、再热汽温及床温的协调控制问题 3、外置式换热器灰量控制方式分为机械阀控制和气动控制。而现今的发展 趋势是向着气动方向发展 外置床中的灰量流动方式有溢流式与底流式，不同公 司根据自己不同的理念，同一公司根据用途的不同有不同的设计要求。另外，外 置式换热器发展创新的过程中存在几点问题，这些问题有基础性的研究问题，有 运行中的应用问题，并且这些问题都有待我们去进一步探讨和验证 4、未来的外置式换热器将是：轻型、气动、与炉膛一体式连接 五、结束语 外置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、漏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，在国内有美舶研究和开 发也起步。 面扶已投运的外露式换热器来看， 也出现过结焦、 密损、 受热新超温、 结构破坏等问题，以至影响