影响循环流化床锅炉燃烧效率的因素分析及改善措施

1、第22卷第6期20542002年12月动力工程V o l . 22N o. 6D ec 2002文章编号:100026761(2002 0622054205影响循环流化床锅炉燃烧效率的因素分析及改善措施申莉1, 刘德昌1, 张世红1, 郭强2(1. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室, 武汉430074; 2. 武汉大学动力系, 武汉430072摘要:循环流化床锅炉具有高效、低污染、, 为普遍的问题:飞灰含碳量高, 锅炉燃烧效率达不到设计值。煤的粒径、燃烧室特点、, 降低飞灰含碳量, 提高燃烧效率的一些措施, 35关键词:燃烧效率T K :A收稿日期:2001203227修订日期:2001206

2、212作者简介:申莉(1977- , 女, 硕士研究生。目前主要从事循环流化床燃烧与技术方面的研究。0前言我国是一个以煤为主要能源的国家, 一次能源结构中煤约占75%, 煤产量的70%用于电站锅炉、工业锅炉以及窑炉。并且, 煤炭资源中高灰份、低热值的劣质煤和高硫煤占有相当的比例, 且分布广。约80%的烟尘、90%的SO x 、70%的NO x 、70%的CO 2都来源于燃煤。针对这些情况, 大力发展高效、低污染的洁净煤燃烧技术具有重大意义。流化床燃烧具有燃烧强度大、燃烧稳定性好, 燃料适应性广的突出优点, 可以燃用高灰份、高水份、低热值的煤。并且, 流化床燃烧温度一般在850°C 9

3、50°C 范围内, 能有效抑制NO x 的生成。炉膛中加入石灰石、石灰等脱硫剂, 可在燃烧过程中脱硫。低温燃烧的炉渣活性好, 便于综合利用。所以, 自流化床技术问世以来, 便在国内外得到迅速推广和发展。据报导, 目前全世界已有500多台CFB 锅炉投入运行或者正在建设中, 单台最大容量已达330MW e , 将在印度的Gu jarat 投入运行。我国从60年代开始发展循环流化床技术, 不论是用流化床燃烧技术改造旧锅炉还是新建循环流化床锅炉, 以及流化床煤气发生炉, 均有较大发展, 并取得了良好的经济效益和环境效益。但是, 目前流化床锅炉普遍存在锅炉燃烧效率达不到设计值的问题, 具体表

4、现为飞灰含碳量较高。如贵州某厂25t h 循环流化床锅炉飞灰含碳量为23. 85%, 宜昌1台循环流化床锅炉飞灰含碳量为21. 41%。郑州某煤气公司流化床煤气发生炉飞灰含碳量为24.71%, 等等。造成这一现象的原因是多方面的, 在本文中主要分析了煤的热值及煤的粒径、燃烧室特性、循环系统运行状况对飞灰含碳量及燃烧效率的影响, 并以大冶某电厂1台40t h 循环流化床锅炉为例, 探讨了降低飞灰含碳量的一些措施。1煤的热值及粒径分布对飞灰含碳量的影响煤的热值与燃烧室运行工况(床温、出口温度、过量空气系数等 相结合, 决定了循环燃烧系统和后部对流受热面之间的热负荷分配。从图1中可以看出:对劣质燃料

5、, 如石煤、褐煤、煤矸石、废木头等, 烟气携带了大约60%的热量到后部的对流受热面; 对优质燃料, 如烟煤、无烟煤等, 只有40%左右的热量被烟气带到后部对流受热面。当1台锅炉燃用比设计煤种发热量低得多的煤种时, 可能会使流化床密相区温度偏低而对燃烧带来影响。因为, 当煤的发热量降低时, 其折算氢份和折算水份必然增加, 单位质量燃料带出密 图1燃烧系统与尾部受热面吸热量的分配1-燃烧系统吸热量2-尾部对流受热面吸热量相区的热焓增加, 在主循环回路中的有效放热量减少。放出的热量小, 而吸收的热量大, 那么就有可能导致燃烧室吸热和放热失去平衡, 使床温偏低, 燃烧不稳定。增加, 容易造成过热器超温

6、。, 匀, 此外, 化速度和飞出速度。为使粗颗粒不致沉积, 保证流化良好, 一般选用的运行速度为平均粒径d p 的煤粒的临界流化速度的1. 52倍。如果床层平均温度为900°C , 不同颗粒相对应的临界流化速度、运行速度和飞出速度与粒径的关系如图2所示。图2临界流化速度、运行速度和飞出速度与颗粒粒径的关系1-临界流化速度2-运行速度3-飞出速度从图2可见:当颗粒直径d p . 6mm 时, 它8的颗粒飞出速度, , 从而使飞灰含碳量。但在开采、破碎以及、燃烧过程中产生的细颗粒不仅是不可避免的, 而且是流化床锅炉传热的主要载体, 对其正常运行有着非常重大的意义。因此, 保持燃煤合适的粒

7、径分布, 并使飞灰循环燃烧, 延长细粒子在炉膛内的停留时间对流化床锅炉能达到设计参数极为重要。大冶某电厂燃煤为本地贫煤, 其中煤矸石含量较大。改造煤粉破碎系统前的燃煤粒径分布如表1所示。表1大冶某电厂40t h 循环流化床锅炉改造前燃煤粒径分布筛网孔径(mm >1210863. 21. 61. 250. 80. 450. 30. 20. 1050. 05<0. 05所占百分比(% 00. 95. 24114. 113. 64. 18. 29. 08. 00. 816. 65. 00. 8平均粒径(mm 4. 66由表1可以看出:燃煤颗粒粒径分布不均, 两极分化严重, 粗颗粒和细颗粒

8、均较多, 呈两头多, 中间少的粒径分布特点。细颗粒和循环燃烧的飞灰被一次风吹到炉膛上部燃烧, 并带走下部热量, 使流化床下部温度降低, 上部温度升高, 过热器超温。后对破碎系统进行改造, 在燃煤进入破碎机前加一道滚动筛, 筛分出粒径较大的煤进破碎机破碎。经改造后的颗粒粒径分布如表2所示。表2改造后的燃煤粒径分布筛网孔径(mm >1210863. 21. 61. 250. 80. 450. 30. 20. 1050. 05<0. 05所占百分比(% 745814411 14714821平均粒径(mm 2. 6由表1、表2可看出:煤的平均粒径由原来的4. 66mm 下降到2. 6mm

9、, 已符合循环流化床锅炉的燃煤要求。另外, 煤的发热量也提高到17978kJ kg 。经上述改造之后, 锅炉燃烧工况有了显著改善, 二级返料由原来的全部不能回送到床内循环燃烧变为可回送一半。飞灰含碳量有所降低, 从50%左右降低到35%左右, 燃烧比较稳定, 可以带满负荷。所以, 煤的粒径分布及热值对燃烧工况, 以及对飞灰含碳量和锅炉燃烧效率均有明显影响。2燃烧室水冷度对飞灰含碳量的影响锅炉的燃烧系统由炉膛、分离器和返料装置组成。每一环节出现问题, 均会导致锅炉飞灰循环燃烧工况差, 飞灰含碳量高, 燃烧效率低。大冶某5502第6期动力工程电厂40t h 循环流化床锅炉采用了两级分离器串联布置。

10、第一级为高温百叶窗式分离器, 布置在燃烧室出口, 用于分离较粗的粒子, 并经第一级返料器送入床内循环燃烧。第二级为旋风子分离器, 布置在上级省煤器和下级省煤器之间, 将烟气中的细粒子分离下来, 经低温返料器送回床内循环燃烧。该锅炉的整体结构如图3所示:这台锅炉的主要设计参数为:额定蒸发量:40t h 额定蒸汽压力:3. 82M Pa额定蒸汽温度:450°C 给水温度:150°C 排烟温度:140°C 热风温度:150°C燃料消耗量:9. 69t h:, :在全部投入第二级返料的情况下流化床下部温度降低, 上部温度上升, 炉膛出口温度升高, 过热蒸汽超温。

11、不能维持安全运行。如果不投返料或只投一半返料时, 温度可以稳定, 但是飞灰含碳量高达40%以上, 煤耗高, 经济性太差 。图340t h 循环流化床锅炉本体结构1炉膛2百叶窗分离器3高温过热器4低温过热器5省煤器6空气预热器7旋风分离器8二级返料器9一级返料器经分析认为, 该锅炉产生上述问题的主要原因是:燃烧室下部容积小, 床料蓄热量小。当燃煤, 一、二次风送入燃烧室下部, 以及大量温度为300°C 左右的二级返料回送至料层中时, 炉膛承受不了如此大的冷冲击。故当投一边返料器中的灰时, 燃烧室上下温度能基本稳定; 而当两个返料器中的灰全部回送时, 流化床下部温度马上下降, 上部温度及

12、燃烧室出口温度升高, 锅炉不能稳定燃烧, 甚至熄灭。如不全投二次返料, 飞灰含碳量高, 燃烧效果不好, 经济性差, 发电成本高。针对该锅炉燃烧室下部水冷度偏大的问题, 对一、二级返料系统, 二次风送入点, 给煤点等进行了改进。, 使之能承受较大冷冲击。, , , 。这一, 增加了返料量, 500°C 提高到750°C , 提高了燃烧室下部的温度。然后, 对锅炉进行改造, 将二级返料点提高800mm , 减少二级返料对燃烧室下部的冷冲击。在两侧墙增加二次风口并将送入点提高。另外, 将给煤点的位置适当提高。这些措施都减少煤和低温二次风对燃烧室下部的冷冲击。最后, 将水冷布风板上

13、的隔热层加厚, 降低了燃烧室下部的水冷度。经上述改造之后, 效果是明显的。二级返料由只能回送一半变为可全部回送, 飞灰含碳量由原来的40%以上降至28%以下。但二级返料在全部投入之后, 过热器超温严重。最后, 将低温过热器受热面割掉一部分, 蒸汽温度也达到了设计值, 过热器超温问题得到了解决。3循环系统运行情况对飞灰含碳量的影响CFB 锅炉区别于常规鼓泡流化床(B FB 锅炉的主要特征即为大量物料参与循环燃烧。CFB 锅炉一般运行于快速床阶段, 大量物料通过内循环和外循环返回炉内, 在高速气流的作用下作加速运动, 并伴有强烈的粒子混合成团现象, 沿炉膛高度气固混合物的密度分布更趋均匀。这使得C

14、FB 锅炉内温度场非常均匀, 燃烧过程、脱硫过程沿炉膛高度基本上可在恒温下进行, 因而延长了燃烧和脱硫时间; 此外, 全炉膛高度高浓度的粒子流动也使得在CFB 锅炉炉膛内任何地方布置的受热面可以获得高强度的传热效果, 同时也易于对负荷的灵活调节。良好的物料循环有3个缺一不可的环节:足够多的物料被带出密相区在炉膛里向上作加速运动, 最终离开炉膛进入分离器; 随6502动力工程第22 卷烟气进入分离器的物料绝大部分被捕集分离; 由分离器捕集的物料被顺利送回炉膛内参与循环燃烧。所以, 实现CFB 锅炉大量物料循环燃烧也就是使以上3个环节顺利实现。大冶某电厂的返料系统不能正常投运即为环节出现问题, 造

15、成锅炉燃烧不稳定, 飞灰含碳量高。环节一主要由炉内气固流动状态决定。选择与煤种适合的炉膛高度和结构, 恰当的一、二次风配比, 均会有利于环节一的实现; 环节的实现取决于气固分离器的工作性能, 最主要的是其分离效率。分离器的分离效率可表示为:=R (R +A y a f h (1 其中, R 为循环倍率(CFB :R =B , , 对分在CFB 锅炉中, 物料的回送是通过立管和回料阀实现的。其中立管的作用是使物料在其内形成足够的压头以克服分离器和炉膛底部的负压差, 保证物料的顺利回送。它的设计对环节起决定作用。根据循环回路压力平衡关系, 按立管中气固相对速度等于临界流化速度的条件Know L t

16、on 和H irsan 给出了立管最小高度的计算式:L m in =2P P L m f (2 在实际运行中, 不允许立管中气固相对速度达到临界流化速度, 故一般取立管的实际高度为2L m in 。立管的直径可根据所需的回料量用下式计算:D =G (0. 785d U s (34降低飞灰含碳量的其它措施降低飞灰含碳量还可考虑采用除尘灰再循环燃烧。四川内江410t h 循环床锅炉采用了从炉膛侧面送入返料的面饲技术, 电除尘灰含碳量由30%降至18%。还可采用飞灰底饲回燃技术。东南大学对福建一公司燃用无烟煤的流化床锅炉进行的改造中采用了飞灰底饲回燃技术, 较好地降低了飞灰含碳量, 对流管束中飞灰含

17、碳量由31. 39%降至3. 89%, 多管除尘器中的飞灰含碳量由35. 3%降至18. 07%。锅炉热效率也由67. 2%增加到82. 39%。飞灰底饲技术与面饲技术相比, 增加了飞灰在炉膛中的燃烧时间, 有助于飞灰在炉膛内均匀分布, 使其能充分燃尽, 从而降低飞灰含碳量。但是对已建好的锅炉, 施工比较复杂, 改造费用较多。除上述电除尘灰面饲技术和飞灰底饲技术外, 还可采用飞灰成型方案。该方案是针对飞灰含碳量高且粒径小而采用的。利用一定的粘合剂将飞灰加工成型, 送入炉膛内燃烧, 充分利于飞灰中的未燃尽碳, 从而降低煤耗。该方案已在实验室得以实施证明, 效果很明显。5结论:。煤, 燃烧室容积,

18、 均会严重影响锅炉稳定运行, 导致飞灰含碳量高, 锅炉燃烧效率低。(2 循环流化床锅炉飞灰循环燃烧系统的正常投入运行和合理布置过热器受热面是确保锅炉安全经济运行的关键。(3 降低循环流化床锅炉飞灰含碳量, 可以考虑改善锅炉燃烧工况, 提高燃烧效率; 还可以根据实际情况采用飞灰底饲回燃技术或电除尘灰再循环技术, 或者采用飞灰成型方案。符号说明:A y 燃料的应用基灰份a hf 飞灰份额B 锅炉的燃料消耗量, kg s D 立管直径, m d p 颗粒直径, m G 物料循环量, kg s L m in 立管的最小高度, m2P 循环回路的压降, Pa(P L m f 最小流态化时立管单位管长的压

19、降, PaR 循环倍率U s 立管中颗粒下行速度, m sd 立管中物料的堆积密度, kg m 3参考文献:1Basu P . Com busti on of coal in circulating fluidized 2bed bo il 2ers :a review J . Chem ical Engineering Science 54, 1999. 2刘德昌主编. 流化床技术的工业应用M . 北京:中国电力出版社, 1999.3刘德昌, 阎维平主编. 流化床燃烧技术M . 北京:中国电力出版社, 1995.4李军, 李荫堂. CFB 锅炉物料循环实现的条件J . 动力工程, 2000,

20、 20(1 .7502第6期动力工程5赵长遂, 段钰峰, 等. 采用飞灰底饲回燃技术改造燃用福建无烟煤流化床锅炉J . 洁净煤燃烧与发电技术, 1999, 6(2 .Effect on Com bustion Eff ic iency i n CFB Bo ilersand M ea sures to I m prove Eff ic iencyS H EN L i 1, L IU D e 2chang 1, ZH A N G S h i 2hong 1, GUO Q iang2(1. N ati onal L abo rato ry of Coal Com bu sti on , H uaz

21、hong U n iv . of Science and T echno logy ,W uhan 430074, Ch ina ;2. D ep t . of T herm al D ynm aics , W uhan U n iv . , W uhan 430072, Ch ina Abstract :C ircu lating F lu idized B ed (CFB techno logy has m any , efficiency , low po llu tan t em issi on and excellen t fuel flex ib ility . So ever t

22、here are som e comm on p rob lem s in CFB bo ilers , fo p , t fly ash is very h igh and the com bu sti on efficiency is low p ap er analyses the effect on com 2bu sti on efficiency t of CFB bo ilers , including the distribu ti on of p arti 2cle size coal , the fracti onal co ld of com bu sti on cham

23、 ber , and the op er 2ati on circu lating com bu sti on system . A cco rding to the reason s m en ti oned above , au tho rs p u t fo ard som e m easu res how to m ain tain the stab le com bu sti on , to reduce the carbon con 2ten t of fly ash as w ell as to increase the com bu sti on efficiency . T

24、hese m easu res have been p roved ef 2fective in the p ractical exp erience in a CFB bo iler . F igs 3, tab les 2and refs 5.Key words :circu lating flu idized bed bo iler ; carbon con ten t of fly ash ; stab le com bu sti on ; com bu sti on efficiency (上接第2087页The New Secondary A ir Theory for Layer Com bustion Bo ilersW A N G Q ing , S UN J ian , S UN D ong 2hong ,CU I Y u 2p ing , S UN B a i 2z hong(N o rtheast Ch ina In stitu te of E lectric Pow er Engineering , J ilin 132012, Ch ina Abstract :B ased on th