循环流化床锅炉循环系统的工作原理与设计

1、循环流化床锅炉循环系统的工作原理与设计顾亚平 , 光 昕 , 牛长山(西安交通大学 能动学院 , 陕西 西安 710049 摘 要 :并提出循环倍 率关系式设计循环系统的方法 , 。 图 1参 4 关键词 :循环流化床锅炉 ; 循环系统 ; 设计 中图分类号 :T K229. 6+6and Design of the CirculationSystem of Circulating Fluidized Bed BoilersGU Ya 2ping , GUAN G Xin , N IU Chang 2shan(College of Power and Energy Resources , Xi

2、 an Jiaotong University , Xi an , Shanxi 710049Abstract :The paper explicates the intent and the design usage of the fomula which expresses the circulation rate of circulating fluidized bed boilers circulation system , suggests a way of using it in the system s design and dis 2cusses the problem of

3、harmonizing the design for furnace combustion with that for heat trans fer. Fig 1, table 1and refs 4K ey w ords :fluidezed bed boiler ; circulating system ; design收稿日期 :1999209208作者简介 :顾亚平 (1945- , 男 , 西安交通大学能动学院副教授 , 主要从事气、 固两相流与循环流化床锅炉的研究工作。0 前言循环流化床 (CFB 锅炉是一种可实现低污染 排放 、 高效率燃烧的具有多方面优点的新型热能设备 。 CF

4、B 锅炉循环系统是由多个部件串联组 成的 , 涉及到流动 、 燃烧和传热等多方面的问题 , 其设计的可靠性比普通燃烧设备更为复杂和重 要 。 本文着重阐述 CFB 循环系统倍率关系式的 意义及在循环系统设计中的应用 , 提出用循环倍 率关系式设计循环系统的方法 , 分析炉膛特别是 密相区的燃烧和传热设计的协调配合问题 。 1 对 CFB 循环系统的要求CFB 锅炉是具有炉膛 、 分离器 、 立管 、 回料器 等部件构成的循环系统 (如图 1所示 , 此系统将飞出炉膛的较粗的 、 可燃的固体颗粒通过分离器 捕集下来 , 经立管 、 回料器回送入炉膛 , 实施循环燃烧 , 从而可以获得高的燃烧效率

5、 。 CBF 锅炉循 环系统稳定而可靠的运行必须满足燃烧 、 流动和 传热等多方面的要求 1。(1 必须满足循环系统对动力的要求 。 通常 根据系统的总阻力选择合适的送 、 引风机来达到 。(2 CFB 循环系统是一种固体颗粒的质量循 环 , 必须满足固体质量连续定律 。循环系统在运 行中应确保具有稳定的循环物料量 , 这是 CFB 循 环系统设计 、 炉膛传热和燃烧设计的基础 2。(3 必须满足燃烧要求 。 应充分利用和发挥 循环燃烧的优点 , 保证系统有满意的燃烧效率 。(4 必须满足传热要求 。 与具有普通燃烧设 备的锅炉一样 ,CFB 锅炉炉膛中应布置恰当的受 热面 , 传递与锅炉蒸发

6、量相应的热量 。(5 CFB 锅炉循环系统炉膛存在密相区与虚 相区 , 炉膛中应具有合适的温度和温度分布 , 系统 在可能的各种运行工况下燃烧温度必须限制在允8 发电设备 (2000No. 4 循环流化床锅炉循环系统的工作原理与设计 图 1 CFB 锅炉循环系统简图1-炉膛 ;2-分离器 ;3-立管 ;4-回料器 ;5-水冷壁许的范围内 , 不至于发生系统超温 , 甚至引起结渣或温度过低而影响燃烧 。2 CFB 锅炉循环系统循环倍率分析CFB 锅炉循环系统循环物料量可以用循环倍率表示 , 其定义为回送入炉膛的循环物料量与 给煤量之比 。在改炉实践与理论分析的基础上 , 我们推导得系统循环倍率关

7、系式 3,R =( 1-(1 式中 , R 为系统的循环倍率 , a fm 为燃煤进入炉膛 一次上升进入分离器的相对于给煤的质量份额 , r xh 为循环物料相对于给煤的循环燃烧份额 , 为 分离器的分离效率 。a fm 、 r xh 为作者在改炉实践和调试中 , 经过分 析总结而设计出来的经验性系数 。 a fm 主要与流 化速度 (炉膛结构 和煤种 、 燃煤特性及煤的颗粒 度有关 , r xh 反映循环燃烧特征 。 在系统 、 煤种 、 颗 粒度和运行工况确定并保持稳定的情况下 , 这两 个系数是十分稳定的 。循环倍率关系式集中反映了循环倍率 R 在 循环系统出口受分离器性能的影响 , 在

8、循环系统 进口受给煤 (包括脱硫剂 特性的影响 , 在系统的 炉膛中受流化速度 u g 的影响 。式 (1 将与循环 倍率有关的诸因素通过建立物理模型归结为a fm 、 r xh 、这三个因素的影响 。 由式 (1 可知 , 系统循环倍率 R 与 a fm 、 r xh 、有关 , CFB 系统循环物料的建立和得于维持依赖于 a fm 、。 r xh 是系统实施循环燃烧的结果 , 反映 了系统的循环燃烧性能 。如果 CFB 循环系统一 经确定 , 即炉膛 、 分离器 定 , , 关系式 (1 是从物理模型出发导 , 其中一部分在密相区燃 烧 , 另一部分随气流上升并进入分离器 , 经分离器 分

9、离下来的物料通过回料器回送入炉膛实施循环 燃烧 。 从概念上说 , 在炉膛中的燃烧沿炉膛高度 可分为密相区的燃烧和虚相区的燃烧 , 就有 、 无循 环而言 , 可分为煤的一次燃烧和循环物料的循环 燃烧 。 公式推导的前提是 : 循环系统确定 , 即组 成系统的各部件 、 炉膛 、 分离器 、 立管 、 回料器等确 定 ; 运行工况确定 , 即循环系统处于某一实际存 在的工况下 , 炉膛的流化速度 u g , 燃煤 、 燃煤颗粒 度及分布 , 锅炉运行参数等确定 ; 系统及运行工 况保持稳定 。因此 , 实际上系统满足质量平衡条 件 、 热量平衡条件 , 也满足当时的燃烧条件 、 动力 条件 。

10、 对于循环系统来说 , 稳定状态下 , 始终有循 环物料量 G 在系统内流动 , 从分离器逸出的飞灰 量将由进入系统的相当于 (a fm -r xh 份额的质量 得到补充 , 系统处于周而复始的循环运行状态 。在循环系统中 , 分离器对于维持物料循环并 确保循环倍率 R 起着关键的作用 , a fm 起着循环 物料的 “ 源” 的作用 。 分离器的选配首先应按燃烧 要求来考虑 , 并应充分考虑到实际运行中的不利 情况 (如分离器性能因磨损而变差 、 燃煤特性的波 动 、 煤种变化等 , 尽量选用高性能的分离器 。对 于无埋管受热面的 CFB 循环系统 , 必须配以分离 效率足够高的高性能分离器

11、 , 由循环倍率关系式 分析 , 在这种情况下单纯用惯性分离器是不可行 的 , 惯性分离器的极限粒径粗 、 且 值低 , 系统所 具有的循环倍率很低 , 是不能满足燃烧要求的 ; 对 于有埋管的鼓泡床采用飞灰回燃的循环系统 , 也 需要配以相对高性能的分离器 , 否则 , 回燃部分的 收益或者燃烧效率也不会理想 。还需指出 , 某一系统实际存在的 R 值已经完 整地表达了 CFB 系统在一定的动力条件 、 燃烧和9 循环流化床锅炉循环系统的工作原理与设计 发电设备 (2000No. 4传热条件下的综合结果 , 其中 a fm 、 r xh 、 均表示 系统在该情况下的实际数值 , 循环倍率关系

12、式对 于具有循环燃烧的 CFB 系统是普遍适用的 。4 关于循环系统的设计CFB 锅炉循环系统应满足燃烧和传热的要 求 , 在炉膛布置适当的受热面 , 吸收一定的热量 , 同时使炉膛出口有合适的烟温 。4. 1 循环系统对燃烧性能的要求CFB燃烧效率 。 为此 ,性能的要求 。 ,a fm -ra A 100-C fh =(a fm -r xh +R (1- (2 式中 , a fh 为从分离器飞出的飞灰份额 , A y 为煤的 应用基灰分百分数 , C fh 为飞灰含碳量 。可见 , r xh 与 C fh 是等效的 , 均是反映燃烧性能的 , 对于某一 特定的系统 , r xh 是反映循环

13、燃烧效率的参数 , 而 C fh 直接反映飞灰中机械不完全燃烧损失的程度 , 是影响循环系统燃烧效率的主要损失项 。 r xh 可 以用 C fh 来等效地衡量 , r xh 主要与 R 有关 。循环 倍率愈高 , 则相应的燃烧效率也愈高 。 因此 , CFB 锅炉循环系统的循环倍率应根据对于燃烧性能的 要求来设计 , 如果 C fh 偏高 , 则意味着燃烧效率偏 低 , 其主要原因是循环倍率偏低 , 应设法从提高循 环倍率着手 。4. 2 CFB 循环系统受热面布置的影响CFB 锅炉炉膛中的燃烧通常可分为密相区 和虚相区两部分 , 密相区较虚相区有较大的颗粒 浓度 , 不同的系统 , 其密相

14、区燃烧量也有很大的差 别 , 因而分别在密相区和虚相区布置恰当的受热 面 。 由于 CFB 炉膛的流化速度可以在很宽的范 围内变化 , 其流态的变化造成炉膛中密相区 、 虚相 区的物料浓度有很大的不同 , 对传热的影响也有 很大的差别 。如虚相区受热面布置不当 , 则可造 成炉膛出口温度偏离设计值或者影响炉膛中烟气 温度的分布 , 将影响过热汽温 。如密相区受热面 布置不当 , 则将影响密相区的温度和燃烧工况 , 严 重时将影响系统的正常运行 。4. 3 密相区可靠运行的限制性条件从循环系统角度看 , 影响受热面布置的最显 著因素则是炉膛中固体颗粒浓度 。 要能恰当布置 受热面 , 首先依赖于

15、准确估计炉内的固体颗粒的 浓度及燃煤进入密相区和虚相区燃烧的比例 , 依 赖于对系统循环量即循环倍率的确定 。CFB 循环系统密相区的运行工况尤为复杂 , 。如给煤 、 脱硫 、 二次风等多从密 ,。 CFB 循环系统的炉结渣和锅炉负荷受限 。4. 4 炉膛密相区的热平衡给煤进入炉膛密相区以后 , 有一部分进入密 相区燃烧 ; 另外 , 分离器分离下来的循环物料经回 料器也进入炉膛密相区燃烧 , 这两部分进入炉膛 密相区燃烧的总量可以用密相区燃烧份额 表 示 4。 每公斤煤送入炉膛的可用热量 Q lQ l =Q r 1-q +q100-q 4+Q k (3 每公斤燃煤在密相区的有效放热量 Q

16、lmxQ lmx =Q r 1-100-q 4+Q k (4 布置在密相区受热面吸收的热量 Q mxQ mx =Q lmx -(100-q 4 -I mx (5 式中 , Q r 为每公斤燃煤带入炉膛的热量 , Q k 为随 1kg 燃煤空气带入炉膛的热量 , C ; 、 C ; 分别为 循环物料在密相区出口和进口的焓 , I mx 为密相区 出口烟气的焓 , 为保热系数 。式 (5 为 CFB 循 环系统密相区的热平衡方程 。4 . 5 炉膛密相区燃烧和传热设计的协调配合 按照热平衡方程 (5 来设计 CFB 循环系统是 保证燃烧和传热协调的基础 。 所谓密相区燃烧和 传热的协调就是用热平衡

17、方程 (5 对密相区的烟 温进行校核 , 在系统实际的循环倍率可能的变动 范围内 , 在密相区燃烧份额 可能的变动范围 内 , 密相区始终保持正常的燃烧温度 , 不出现烟温 过高甚至危及运行 。有些 CFB 锅炉投运后出现 密相区烟温偏高 , 炉膛上部烟温偏低 , 上下偏差达 100°C 或以上 , 且有的出力还偏低 。究其原因有 的就是由于密相区燃烧和传热设计不协调所致 。 1发电设备 (2000No. 4 循环流化床锅炉循环系统的工作原理与设计由于密相区燃烧份额偏大 , 循环倍率 R 偏低 , 密 相区未布置受热面或布置不足等原因引起密相区 烟温升高 , 当烟温升高到发生结渣的危

18、险温度时 , 锅炉的运行操作将受到限制 , 这时锅炉如未达额 定负荷时的给煤量 , 则锅炉的出力也将受到限制 , 欲改变这种不协调的情况 , 可以从热平衡方程查 清原因 , 采取相应的措施 。 CFB 炉膛密相区根据 循环倍率关系式和热平衡方程来布置受热面 , 则 能保证其有合适的温度 。影响 CFB主要因素是循环倍率 R不变时 , R , , R 基 本为常量 ; 当 R , 但变动幅度 不太大 。 与燃煤特性 、 颗粒度及其分布 、 流化速 度等有关 , 已通过 (1 式的 a fm 、 r xh 反映在其中了 , 可看作一个运行因素 , 有一定的变化幅度 , 它对密 相区的烟温有相当大的

19、影响 。循环倍率 R 对密 相区的烟温影响反映在它的蓄热能力上 , R 大 , 系统热容量大 , 在某些因素波动时 , 可使密相区烟 温波动减小 , 有利于温度的稳定 。在设计中应对 R 、 以及它们在运行中可能的变动幅度作恰当的估计 , 如变化幅度过大 , 则影响系统的可靠运行 。这里以某一 CFB 循环系统为例分析 对密 相区出口烟温 ; mx 的影响 。系统设计煤种为混 煤 , 应用基低位发热量 Q yDW=22483kJ /kg , 干燥 基 含 碳 量 C g =63. 55%, 干 燥 基 灰 分 A g = 21. 51%, 可燃基挥发份 V r =30. 00%。 炉膛密相 区

20、下部有一定高度未布置受热面 , 二次风全部从 未布置受热面的区域送入 。为简便计 , 本例中将 开始布置受热面的截面作为校核密相区温度的分 界面 , 这样 , 上述密相区温度校核区域的热平衡方 程可写成 :I mx +100-q4=Q r 1-100-q 4+Q k(6 假定炉膛出口温度 ; l =850°C , 回料温度 ; 回 =850°C , 根据 (6 式计算得不同密相区出口烟温 ; mx 和不同循环倍率 R 下相应的密相区温度校核 区域燃烧份额 如表 1所示 , 所供入的风量按炉 膛出口过量空气系数 l =1. 20考虑 。表 1 不同出口烟温下密相区温度校核区域

21、的 值mxt/(变动 00. 35370. 38120. 40910. 0. 46640. 4958176 10. 0. 47920. 5120158 50. 3964. 0. 0. 53030. 5770120 00. 47110. 53190. 59430. 658284 0. 35370. 44220. 53300. 62630. 72220. 820654 300. 35370. 47270. 59500. 72080. 85010. 983040 计算结果表明 , 密相区出口烟温 ; mx 随密相 区燃烧份额 增加而增加 , 在 R 较小时增加幅度 较大 , 在 R 较大时增加幅度较

22、小 。表中 , 当 平 均增加 0. 1时 , R =1, 烟温升高 158°C , R =30, 烟 温升高 40°C 。因此 , 在系统循环倍率较大时 , 允 许燃煤在密相区的燃烧份额有较大的变化而不发 生超温结渣 。对于回料温度低于炉膛出口温度的所谓中温 回料循环系统 , 在某一循环倍率下 , 与高温回料时 相仿 , 密相区出口烟温 ; mx 随密相区燃烧份额 增加而增加 , 所不同的是回料温度较低 , 在密相区 要吸收较多的热量才能加热到密相区出口的烟 温 。 因此 , 在同样情况下密相区需要较大的 值 。 在循环倍率较高时 , 可能出现密相区温度偏 低 , 甚至造

23、成炉膛密相区燃烧不稳或者熄火 , 这是 同样需要注意的 。4. 6 对燃煤预处理系统的设计要求由于密相区燃烧份额 对密相区出口烟温 的显著影响 , 对燃煤处理系统应有较高的要求 , 即 要求它要有较宽的处理范围 , 使燃煤的颗粒特性 具有一定的应变能力 , 以适应系统调整的需要 。 在运行中如出现密相区燃烧和传热不协调 , ; mx 过高或过低 , 在一定的限度内可以把改变燃煤颗 粒度及其分布作为一种调整措施 , 通过改变颗粒 度来改变燃烧份额 , 从而改变密相区烟温 。 5 结论(1 由物理模型导得的 CFB 锅炉固体物料 (下转第 42页 11分层燃烧装置在链条炉上的应用 发电设备 (20

24、00No. 4表 2 1号炉风压、 排烟温度对比表时间电负荷(MW 送风机出口风压 (kPa 甲乙预热器出口风压 (kPa 甲乙排烟温度 (甲乙1998. 1. 72203. 02. 50. 51. 01711661998. 2. 202402. 42. 00. 71. 01671641998. 6. 23002. 52. 31. 21. 21771998. 8. 122602. 32. 001671998. 12. 82502. 52. 2891681601999. 1. 212402. 12. 1. 1. 21541551999. 8. 172901. 01. 01811821999. 1

25、0. 52502. 2. 00. 70. 7174171 。锅炉原效率 y =T 1由于 排 烟 温 度 下 降 后 , 锅 炉 效 率 y =( T 1=T 1+T 1=1600=0. 6%5. 3 回报率每天消耗 :两台预热器吹灰用乙炔 1. 7瓶 ; 按 每年 290天计 ,每年消耗 :75元 /瓶 ×1. 7×290=3. 7万元 ;吹灰器设备费用 30万元 ; 投资效率 :(75-3. 7 ÷30=2. 38投运一年内即可收回全部投资 。6 结论由于该种吹灰器效果明显 , 回报率高 , 其消耗运行费用是蒸汽吹灰器的二分之一 (比蒸汽吹灰 器低 230元 , 因此全国已经有 7个省 16个电厂 40台锅炉采用 。(上接第 11页 循环倍率关系式从理论上揭示了循环系统的基本 规律和工作原理 。在 CFB 锅炉循环系统的设计 和运