循环流化床锅炉物料分布特性的分析

1、循环流化床锅炉物料分布特征分析王智微1，吴晓玲2，冷洪川2(1.国电热工研究院，陕西 西安710032；2.东方锅炉(集团)股份有限公司，四川自贡643000)摘 要 对循环流化床(CFB)锅炉的物料分布特征进行了分析，CFB锅炉的物料分布可分为四种形式：飞灰、底渣、内循环物料和外循环物料。其中，内循环物料和外循环物料平衡的实现是CFB锅炉运行的关键，对不同的燃料，内循环物料和外循环物料平衡的实现方式不同，高的分离器分离效率是物料平衡实现的基础。 关键词 循环流化床锅炉物料平衡物料循环1前言 循环物料平衡、热量平衡和高的燃烧效率是循环流化床(CFB)锅炉正常运行的基础1。其中，物料平衡是CFB

2、锅炉正常运行的基本条件，而CFB锅炉的物料平衡又与不同区域的物料分布形式和分布特征有关。因此，有必要对CFB锅炉的物料分布特征进行研究。 在CFB锅炉的模型研究中，利用模型结构可以计算出炉膛任意高度处的物料浓度和物料粒径分布2，3，4，但物料的成灰特性是模型的一个研究难点5。工程设计上一般注重对循环倍率、灰渣份额、炉膛出口物料浓度等设计参数的选取，还无法深入地表征物料在炉内的运行状态和特征。在CFB锅炉的实际运行中，由于CFB运行所需要的物料浓度不足，CFB锅炉往往以鼓泡床方式运行，一般表现为炉膛下部温度通常在950以上，炉膛上部温度明显低于设计值，风室压力偏低，炉膛热量释放主要集中在炉膛下部

3、。 试图将CFB锅炉内的物料分为四种形式，以便对四种形式的物料分别研究，从新的角度对CFB锅炉物料平衡和燃料成灰特性进行研究。2CFB锅炉内的物料构成 在通常条件下，炉内物料主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、CaSO4、焦碳等构成。 物料中SiO2、Al2O3和Fe2O3为主要成分，SiO2含量一般在4060%，Al2O3含量一般在2030%，Fe2O3含量一般在310%。随着脱硫用石灰石的增加，CaO和CaSO4含量增加。 焦碳在炉内的平均含量与燃料的燃烧特性有关。对褐煤，底渣可燃物含量一般低于0.5%；对烟煤，底渣可燃物含量一般在1.5%左右；对贫煤，底渣可燃物含量一般在23

4、%左右；对无烟煤，底渣可燃物含量一般在3%以上。此外，底渣可燃物的含量明显与底渣份额和燃煤粒径有关。 总体上，炉内的平均含碳量与燃料密切相关6。难燃煤种与易燃煤种相比，由于不同燃料的燃烧特性不同，要维持相同的热量释放，难燃煤种在炉内的焦碳浓度或焦碳总量应大于易燃煤种。3CFB锅炉内的物料分布状态与分布特征 对CFB锅炉，按炉内的物料浓度通常将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三个区域，如图1。CFB运行状态下，在物料循环回路的不同部位，物料粒径的分布和可燃物含量存在很大区别，物料在炉内的分布大致分为以下四种类型：内循环物料、底渣、外循环物料(循环灰)和飞灰。 内循环物料的稳定是CFB锅炉热量平衡的

5、基础，也是CFB锅炉正常运行的关键。在密相区、过渡区和稀相区存在不同的循环方式，同时三个区域的物料特性有很大区别。沿炉膛高度，物料粒径和焦碳含量逐渐减小，密相区物料与底渣相似，稀相区物料与外循环物料相似。 底渣由密相区内排出的物料组成，主要为煤中所含的矸石、未破碎的大煤颗粒、回料管回送的循环灰等。底渣中的可燃物含量一般比炉内的平均可燃物含量大。 外循环物料指通过炉膛出口进入分离器并回到炉内的物料。外循环物料的粒径一般在0.3mm以内，可燃物含量一般在1%左右。 采用旋风分离器结构的飞灰粒径一般小于0.1mm，由进入分离器未分离下来的内循环物料构成。飞灰可燃物含量是以上四种物料类型中最高的。对同

6、一种煤种在相当的运行条件下，随着脱硫用石灰石的增加，飞灰总流量相应增加，但飞灰可燃物总量基本不变，飞灰可燃物含量会相应减小。4CFB锅炉内的物料流动状态 炉内物料流动过程如图2。物料在炉内的宏观运动表现为： a.物料在密相区有强烈的内循环； b.物料在一次风的带动下经过过渡区进入稀相区，在密相区的上界面有大量的物料扬析和回落； c.随着炉膛高度的增加，物料向上扬稀夹带的量逐渐减少，在炉膛壁面可见物料向下流动。 在炉膛下部，内循环物料的运动表现为物料的湍动运动，宏观上可分为三种运动趋势：物料向排渣口运动、燃料在炉膛截面上的扩散和净物料进入过渡区。在排渣口的设计上，排渣口的位置应远离燃料给料口和循

7、环灰回料口。 过渡区的物料流动表现为湍流运动，大量的物料颗粒离开密相区，大部分大颗粒会回落到密相区，而大部分细颗粒继续向上部运动。在总的宏观流动上，通过过渡区的扬稀和夹带进入稀相区的物料净流量等于稀相区内的燃烧量、飞灰量和外循环物料流量的总和。 稀相区的物料流动形式一般认为表现出核环结构7，炉膛边壁大量的物料向下流动，截面内部物料向上流动，向上流动的物料量大于边壁向下的流动量。进一步的试验研究发现紧靠近壁面附近还存在一个物料低浓度区域或气体边界层，物料在稀相区的截面分布认为是双环结构。在炉膛出口明显存在一个物料高浓度区域8，9，扬稀到炉膛上部的物料只有一部分通过炉膛出口进入旋风分离器，经旋风分

8、离器分离后形成外循环物料。实验证明上部区域的物料回流对内循环物料的稳定有重要意义。5CFB锅炉物料分布的实现 CFB锅炉的稳定运行过程就是实现满足CFB运行所需的内循环物料、外循环物料、底渣和飞灰平衡过程。 在低负荷运行条件下，CFB锅炉处于鼓泡床运行状态，内循环物料主要积聚在密相区位置，外循环物料量很少，物料主要通过底渣离开炉膛。通常的认识是在低负荷条件下，由于炉膛空床速度降低，可扬稀和夹带到炉膛上部物料量减小，CFB锅炉以鼓泡床方式运行，实际的CFB锅炉运行证明，炉膛空床速度只是CFB方式运行的表观参数。即使CFB锅炉的空床速度在满负荷设计条件下，如果炉膛中上部所需的物料浓度不够，CFB锅

9、炉仍将以鼓泡床方式运行，并表现出鼓泡床的典型运行特征。 在CFB运行状态下，内循环物料和外循环物料需要维持到一定的浓度才能够得以实现，具体表现为一定量的内循环物料和外循环物料平衡的实现。CFB锅炉的升负荷过程可以看作是内循环物料和外循环物料的积累过程。 在不排放循环灰条件下，物料进入炉膛后通过两个途径离开炉膛，底渣和飞灰；对应特定的运行状态，存在一个特定的底渣份额或飞灰份额。由于密相区与稀相区的物料浓度差异，煤的成灰特性就可以通过四种物料在炉内分布或平衡的实现可以充分体现出来，以下通过一些特殊煤种的物料分布或平衡的实现方法和现象进行阐述： a.高灰份易破碎煤种，底渣平均粒径ddr明显低于给煤平

10、均粒径dfuel，底渣份额adr小于飞灰份额afa，外循环物料量大。 b.高灰份难破碎煤种，ddr与dfuel相当或大于dfuel，adr远大于afa。尽管燃料的灰份含量高，如果给煤粒径过粗或破碎 性能很差(如煤矸石)，在较短的运行时间内，即使锅炉风室压力已经很高，炉内料层压降增大，但只是密相区大粒径循环物料量在增加，而可参与炉膛上部循环和外循环的物料量却难以积累，锅炉将以鼓泡床方式运行。锅炉从刚启动时的鼓泡床运行方式过渡到CFB运行方式需要很长的时间，添加可循环的细物料10是一个很好的方法。 c.低灰份煤种，一般需要添加可循环的细物料。对低灰份褐煤，燃料的投入甚至不足以弥补飞灰的物料损失，需

11、要定期添加一定的可循环细物料。该类型CFB锅炉选用选择性排渣冷渣器可以弥补排渣带来的一部分物料损失。6分离器对物料分布的作用 分离器的分离效率对物料分布和燃烧效率起着关键作用。 正常运行条件下，通过底渣的排放和立管内物料料位的自平衡调节，进入炉内可生成的可循环物料量与飞灰量相当，外循环物料的粒径保持在0.3mm以内，炉内维持相当的物料量且平均粒径小于一定值。满足此运行条件，大量的焦碳可在炉膛中上部燃烧，密相区释放的热量带到炉膛上部，炉膛设计中所取的换热系数与运行值相当，热量沿炉膛高度较为均匀地释放。 如果分离器分离效率降低，可循环物料量减小。分离效率的降低一般同时意味着分离器捕捉细颗粒的能力降

12、低，这会造成内循环物料和外循环物料的平均粒径增大，炉膛设计中所取的换热系数大于运行值。随着分离器分离效率的进一步降低，即使在满负荷条件下，CFB锅炉仍将以鼓泡床方式运行。 在实际运行中，由于分离器分离效率、运行控制、煤质特点等原因，常常无法满足CFB运行方式所需要的内循环物料量和外循环物料量及颗粒粒径要求，常常以鼓泡床方式运行。为达到锅炉满负荷出力，通常加大给煤量运行，炉膛下部温度一般在950以上，为减小密相区温度，通常采用较大的过量空气系数和一次风份额，而炉膛上部温度一般 在850以下，同时还出现水平烟道积灰、飞灰粒径偏大、省煤器频繁爆管等现象。7添加物料对物料分布的作用对低灰份煤种，添加一

13、定的内循环物料是必要的。脱硫用石灰石的添加是改变炉内物料分布特性的有效手段。但石灰石的粒径过细并易磨耗，添加一定粒径范围、不易磨耗的惰性细河沙是维持内循环物料量的有效方法。 燃料单位热值的灰量是评估决定是否添加循环物料的一个有效指标11，实际的运行证明，当燃料折算灰份大于21g/MJ可以满足CFB运行方式所需要的物料平衡，小于8.25g/MJ时需要添加循环物料。不同的煤种由于具有不同的成灰特性，形成可循环物料的量不尽相同，同时由于采用分离器的形式不同，对外加物料的添加和添加的粒径范围还需要进一步的理论和工程应用研究。8结论 物料在CFB锅炉内的分布可分为四种形式：底渣、飞灰、外循环物料和内循环

14、物料。CFB锅炉的物料平衡可以进一步认为是内循环物料和外循环物料的平衡。CFB运行方式需要满足一定的内循环物料量，对特殊煤种需要采取特殊的方法实现物料的平衡。分离器的高效分离效率是满足和维持可循环物料积累的必要条件。参考文献1.冯俊凯.循环流化床燃烧锅炉正常运行的规律J.能源信息与研究,2000,16(1)：1-62.杨晨,何祖威,辛明道.大型循环流化床锅炉固体颗粒流动及分布的数值模拟J.燃烧科学与技术,2000,6(3)：238-2433.房德山,冷伟,徐治皋.循环流化床锅炉炉内压降分布及物料粒径分布的计算J.锅炉技术,2002,33(2)：14-18,274.王勤辉,骆仲泱,倪明江,等.循

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