非机械阀在循环流化床锅炉上的应用

非机械阀在循环流化床锅炉上的应用

中国是世界上最大的煤炭生产国家，其污染日益严重。开发高效、清洁和低污染的洁净煤燃烧技术已成为国家能源发展规划的重要内容之一。循环流化床锅炉(CFBB)由于具有燃烧效率高、煤种适应性广、负荷调节性能好以及低SO2和NOx排放等优点,得到了广泛的重视。CFBB最基本的特点是被烟气携带出燃烧室的大量固体颗粒通过分离器收集后再经返料装置送入炉膛,实现循环燃烧。这一方面延长了固体颗粒在炉内的停留时间,降低了未燃尽碳损失;另一方面有利于流化床温度的调节、增加传热以及提高脱硫效率。所以在CFBB设计中,既要正确设计燃烧室,选择合理的设计与运行参数,还要合理地设计布置分离装置,达到较高的物料分离效率。同时固体颗粒返料系统的正确设计也不容忽视,以保证维持CFBB固体颗粒稳定和连续的循环。1cpbb连接系统1.1返料系统的原理图1为CFBB循环回路示意图,主要由燃烧室、分离器和返料系统组成。从燃烧室出来被烟气携带的大量固体颗粒进入分离器,在分离器内实现气固两相分离,分离下来的固体颗粒进入返料系统。CFBB返料系统一般由立管和阀(返料器)组成。由于分离装置中固体颗粒出口处的压力低于炉膛内固体颗粒入口处的压力,固体颗粒需从分离器出口低压区被输送到流化床内高压区,属于负压差流动状态。立管的作用是形成足够的压降来克服分离器和燃烧室之间的负压差,保持和控制固体颗粒在循环系统中的稳定流动,并保证合理的物料下降速度。而阀则起到固体颗粒的输送和回料量的调节以及开闭固体颗粒流动的作用。所以保证固体颗粒稳定地回输到高温燃烧室,防止高温烟气反窜进入分离器,提供良好的物料调节和控制特性,是设计CFBB返料系统的最基本要求。1.2降压力降当整个循环回路正常运行时,通过L阀、炉膛和旋风分离器的压力降应等于通过立管和料斗(如果布置料斗)的压力降。即:P立管+△P料斗=△PL阀+△P炉膛+△P旋风分离器=∑△P(1)料斗压力降通常可以忽略,这样由(1)式可得:P立管=△PL阀+△P炉膛+△P旋风分离器=∑△P(2)立管是循环回路中的一个重要部分,它的压力降主要用来平衡循环系统的其它部分压降变化,以满足循环回路中固体颗粒的正常循环。2非机械阀的作用在诸如气力输送、流化床和循环流化床处理固体物料等工业过程中,固体流动控制装置是必要的,并且是重要的部件之一。立管底部的固体流动控制装置可被分成两大类,即机械阀和非机械阀,见图2。机械阀依赖于机械驱动,并且通常包含移动部件。由于存在密封、卡塞、变形、磨损和烧蚀等机械问题,它们一般不在高温条件下使用。循环流化床循环物料温度较高,阀需要在高温下连续工作,所以机械阀不适宜在CFBB上应用。循环流化床固体流动控制装置通常使用非机械阀,因为非机械阀允许固体颗粒在立管和燃烧室之间流动而无需外界机械力的作用。这种阀无任何移动部件,固体颗粒通过阀的流动是靠充气和阀的几何结构所控制的。非机械阀具有价廉、耐用、结构简单和操作方便等特点,已广泛应用于CFBB。非机械阀按原理可分两类:第一类为可控阀,这种阀可以将固体颗粒输送到流化床内,通过充气量的大小控制和调节固体颗粒的流量;第二类为自动或通流阀,这种阀对固体颗粒的流量调节作用很小,主要是通过一个压力屏障使固体颗粒送入流化床内。阀和立管依据自身的压力平衡关系自动地平衡固体颗粒的流量。3cfbc安装情况我国从80年代开始研制CFBB以来,至今已有100多台35～75t/hCFBB投入运行,尚有100多台正在安装或试运。就国内CFBB分析来看,所采用的返料器形式主要有L阀、J阀、H阀、U型阀和流化床返料器。3.1立管及料位高度L阀由于结构简单、易于制造和安装,具有耐高温、高压、耐磨损、价格合理及运行中维护量小等特点被广泛地应用于CFBB上(见图3)。L阀垂直料腿内固体颗粒流动为粘附滑移流动。在略高于L阀水平管轴线的垂直料腿上送入少量空气,空气推动垂直料腿内密相颗粒进入密度相对较稀的床层内。循环物料量可通过充气流量大小调节。通过少量充气,即可获得相对较高的循环物料量,但所需的充气压力较高。充气点的位置、充气量的大小、固体物料的特性以及立管的高度对L阀的运行影响很大。从我国已投运的CFBB采用L阀作为返料装置的情况看,由于无法掌握立管内的料位高度和充气量,造成立管经常被吹空,致使炉内高温气体反窜至分离器。这既降低了分离器分离效率,也无法满足物料输送和L阀密封作用。3.2结构和卸料方向外系统与L阀相比,J阀(图3)除了有不同的结构和卸料方向外,其运行原理和L阀基本相同。固体颗粒流量的控制同样通过垂直料腿中的充气来实现,运行中发现过与L阀类似的问题。3.3物料流量控制图4所示为H阀结构图。H阀是一种用于自低压区向高压区输送粒状物料的非机械式气力控制物料返送器,它主要包括物料进给段、根部控制风喷嘴、流量控制段、物料返送段和排料口。物料进给段内的物料呈移动床流动,物料返送段为流化床。通过调整控制风量调节物料流量,运行中物料进给段的压力大于物料返送段的风压,以保证物料顺利通过。由于该阀将物料返送与流量控制风分开,可有效地防止结焦和堵塞。实际运行表明,H阀可有效地控制物料流量,具有一定的调节能力,没有发生过结渣和堵塞问题。但因循环灰系统的料斗经常出现堵灰而造成结渣使整个循环系统运行失灵。3.4引导流化风力,控制回料量流化床返料器属于通流阀,此阀原理见图5。它是由一个带有溢流管的流化床和立管所组成。经过分离器分离下来的固体物料进入流化床中,再经过溢流管送入燃烧室。循环物料量可通过调节流化风量实现,实际上这种返料器的运行受锅炉整个循环回路的压力变化影响很大,也就是说当流化床完全流化后,增加流化风量对返料量影响不大。随着返料量的变化,立管中固体颗粒的高度会自动调节,从而使其压力与流化床压降及驱动固体颗粒流化所需的压力相平衡。流化床返料器的压力高于炉膛压力,以防止炉膛内的烟气反窜到立管中。这种流化床返料器在我国75t/hCFBB上运行,已取得良好效果。由于返料装置单独配置了一台高压头、小流量罗茨风机,循环物料量具有一定的调节范围,锅炉负荷调节方便迅速、调节比例大;又由于循环灰温度为450℃左右,返料器中未发现结渣和堵塞问题。另外,在分离器下的立管中布置了一个溢流管,这样可避免发生因立管内物料过多而堵塞分离器的问题。3.5固体颗粒表面回收器u型U型返料器亦称回路密封器,国内CFBB采用的U型返料器主要有四种型式,参见图6。这种返料器是流化床返料器的一种变化形式。主要由立管(底部流化或不流化)和带有分隔墙的流化床组成。与流化床返料器相比体积小,所需要的充气量少。其运行原理除了固体颗粒水平地流过一个分隔墙外,其它与流化床返料器相似。U型返料器内压力要高于炉膛,保持良好的密封性。立管中的物料高度会自动调节以平衡整个循环系统的压力。对于U型返料器a,流化空气由底部两个风室送入,通过调节两个风室风量来调节固体颗粒流量;而对于返料器b、c和d,流化空气由底部一个风室(风管)送入流化床内,且在与立管相联结的流化床布置侧吹风,以驱动物料返回炉膛。这一点类似L阀的充气,通过调节流化空气和侧吹风可有效地调节循环物料量。实践表明,这几种型式的U型返料器具有较大负荷变化时的返料能力和自平衡能力。但运行中发生过返料器内循环物料超温、结渣和停滞返料的故障,被迫停炉检修。其原因主要是由于一方面返料器漏风,大量空气漏入返料器中使循环物料产生再燃;另一方面是设计及运行中因返料风与返料量配置不合理造成的。4系统的设计原则由于固体颗粒的循环直接影响CFBB的负荷、汽温、床温、传热、脱硫以及燃烧效率,所以循环系统应精心设计,以保证循环系统具有稳定的返料特性、密封性和可控性。4.1最小流化速度的确定无论是采用可控阀还是采用通流阀作为CFBB固体颗粒返料装置,都涉及到立管的设计问题。实际工业过程中,立管内固体颗粒的向下流动一般分为流态化流动和非流态化流动两类。在CFBB中所采用的立管一般为非流态化立管,即移动床流动。这是因为CFBB中分离装置大都采用旋风分离器,而对于旋风分离器来说即使有少量气体从立管中窜入也会对分离器内的流场造成不良的影响,降低了分离效率,有时还会引起分离器内二次燃烧、结渣而堵塞分离器。立管内的压力降是由立管中气固间相对速度产生的,随着相对速度的增加,通过立管的压力降随之增加,当相对速度增加到固体颗粒的最小流化速度时,立管内固体颗粒的流动将由移动床过渡到流化床。为了确定最小立管长度,下列等式将成立,由(2)式:Lmin=∑Ρ(△Ρ/L)mf(3)Lmin=∑P(△P/L)mf(3)式中(△P/L)mf——立管处于最小流化风速时的单位固体颗粒高度的压降实际设计中立管高度的选取应考虑立管内固体颗粒流量增加的需要以及提高立管运行的安全保障,立管长度应大于Lmin。即:L=(1.5～2)Lmin(4)立管直径的选取应考虑立管内固体颗粒速度与流量成线性关系。固体颗粒速度可根据文献推荐的原则选取。当已知固体颗粒特性和固体循环量时,选取固体颗粒在立管中流动速度即可应用下式求出立管的直径:W=ρbusA(5)式中W——固体颗粒循环量,kg/sρb——颗粒密度,m3/kgus——固体颗粒速度,m/sA——立管截面积,m24.2带内合理的气力点可控阀(L阀或J阀)的设计应该正确布置充气点的位置及充气点的数量。充气点位置一般应设在L阀水平段中心线以上大约2倍管径的位置上,以保证良好的运行。充气点的数量可根据阀的管径、充气量与固体颗粒循环量决定。一般布置一个充气点即可满足基本的返料要求。L阀的水平段长度不应太短,以防止停止充气时固体颗粒自流;但也不应太长,较长的水平段会增加L阀阻力,同时亦会增加风机阻力,造成较大的能耗。为保证L阀能有效关闭,其最小长度可按下式计算:(Llv)min=2Dctgθr(6)式中D——管径,mθr——颗粒的堆积角,度Llv——水平段长度,m4.3风压和立管的压降通流阀的设计应选取合适的风量和风压。风量的大小既要保证通流阀能正常运行,又要避免阀内的循环灰再燃而结焦。最好能通过试验确定合适的风量。风压的大小一要保证通流阀所需要的风量,二要保证立管的压降,避免因风压过高造成立管内循环物料流化。阀的出口压力应大于或等于固体颗粒循环入炉处的压力,防止烟气反窜。返料风最好单独配置专用风机。如果使用锅炉一次风作为返料风,设计中应考虑通流阀布风装置的阻力小于锅炉布风板阻力。通流阀结构尺寸可根据循环物料量大小和立管直径进行估算,其原则是在保证物料循环量的前提下使其具有良好可控制性和稳定性。5回路压力的影响返料装置是循环流化床锅炉的重要组成部分之一。它的工作可靠性直接影响到循环流化床锅炉的正常稳定运行。可控阀虽然具有结构简单、调节性能好等优点,但实际运行中,当锅炉床温或负荷变化时,返料量必须通过改变充气量来调节,而充气量和充气压力一定时,循环回路的压力变化对返料量影响很小。另外,由于目前我国自动控制水平较低,负荷变化时,不能随时准确地调整充气量和返料量之间的配比,立管内的料位