循环流化床锅炉燃烧效率分析

循环流化床锅炉燃烧效率分析近年来我国推出的流化床锅炉结构类型已有若干种，从受热面布置来说，有密相床带埋管的，有不带埋管的；流化速度有的低至34米秒，有的高至56米秒；分离器的种类更多，如高温旋风分离器；中温旋风分离器、卧式旋风分离器、平面流百叶窗、槽形钢分离器等型式，都称之为循环流化床锅炉。但从机理看，是否属于CFBB还有待商椎。众所周知，流化床锅炉分为两大类：鼓泡流化床锅炉（BFBB）和循环流化床锅炉（CF-BB）。到目前为止，二者之间尚无明确而权威的分类法，有人主张以流化速度来分类，但从气固两相动力学来看，风速相对于颗粒粒径、密度才有意义，还有人主张以密相区是鼓泡还是湍动床或快速来区分，但锅炉使用的是宽筛力燃料，以煤灰为床料的锅炉往密相床是鼓床,故此分法仍欠全面。还有人以是否有灰的循环为标准等等，都有些顾此失彼。以作者之见，我们不妨从燃烧的机理上来分。鼓泡床锅炉的燃烧主要发生在炉膛下部的密相区，如我国编制的工业锅炉技术手册（第二册）推荐，对于一般的矸石烟煤、贫煤和无烟煤密相区份额高达75-95，燃烧需要的空气也主要以一次风送入床层.循环流化锅炉的一次风份额一般为50-60。密相床的燃烧份额受流化速度、燃料粒径及性质、床层高度、床温等影响在上述数值的上下波动。其余的燃料则在炉膛上部的稀相区悬浮燃烧，所以在燃烧的机理上，BFBB接近于层燃炉，而CFBB更接近于室燃炉，二者在这一方面存在着极大的差异，所以以此划分似乎更为合理。鼓泡流化床锅炉密相床的燃烧份额大，需布置埋管受热面以吸收燃烧释放。埋管的传热系数高达220270KW/MC比CFBB炉膛受热面的100-500kw/m2C离得多尽管BFBB稀相区内的传热系数比要低，但因在稀相层内的吸热量所占份额较小，总的来说，对于容量较小的锅炉BFBB结构受热面的钢耗量要少小些，BFBB的燃烧主要在相床给煤的平均粒径偏大，煤破碎设备较为简单,电耗也底流化速度低，细煤粒在悬浮断停留时间长，炉膛也做的低。虽埋管有磨损，但如防磨损失处理得好，一般横埋管可用五年，竖埋管可用采用尾部飞灰再循环，BFBB的燃烧效率可达97%,如在炉膛出口安装分离器实现热态飞灰再循环，则可高达9899%，但此时装设分离器的目的主要是为了提高燃烧效率而不是象CFBB主要上为了改变炉内的燃烧传热机理。CFBB的截面热负荷是BFBB的23倍（从上至下加起来的热负荷，而不是一层），利于大型化，炉膛内温度均匀，大气污染物排放低，燃烧效率高（可达99%以上）是在BFBB技术上的进步，具有更优越的性能，但因分离器不能捕集到细小煤粒,就需要较高炉膛，对煤的破碎粒度及操作控制等都要求较高，投资大且技术复杂，所以CFBB炉型对中小容量锅炉并无明显优势，因而国外一些研究者认为，BFBB适用于50t/h以下容量，CFBB适用于220t/h以上容量，在50220t/h容量范围内二者共存。我国在过去许多年中，建造了近3000台沸腾炉(即BFBB)虽然其在燃烧劣质煤方面发挥了极大的作用，但上于一直在低水平上运行，飞灰量大，含炭高，锅炉效率低下，再加上除尘方面投资不足，烟尘治理没得到很好解决，致使沸腾炉有点声名不佳。CFBB出现之后，人们便纷纷打出循环流化床锅炉的牌子，推出了不少炉型，如清华大推出的低携带率循环床锅炉，哈工大与北锅开发的带埋管和槽型分离器的循环床锅炉等，实际上都是BFBB。但它们是改进了的沸腾炉，把沸腾炉技术提高到了较高的水平，这些炉型在工业锅炉和热电联供锅炉范围内有着极强的生命力，所以我们应当为BFBB的新成绩欢呼，正其位，恢复其名誉,并在一定的锅炉容量范围内发展这种BFBB。我国的BFBB数量居世界之首,有着长期的运行经验，故改进的BFBB技术的成熟程度较高。而CFBB技术尚有待完善和提高，在众多炉型的选择上，首先应分清其属于BFBB还是CFBB，然后再考虑其它技术指标及可靠程度，本文以下的章节则主要是针对CFBB而言，对一些二者通用的技术，则皆适用。流化速度流化速度对CFBB最直接最主要的影响是其对循环物料扬折夹带的作用。随着V的增加，夹带量以增长的速度快速增加早期国外的CFBB如Lurgi技术等，V高达812M/S,随着高流速带来磨损及能耗等问题，逐渐降至目前的6M/S左右，我国CFBB技术开发较晚,初期因担心上述问题，有些炉子曾设计的V较低(45M/S)运行中发现循环物料不足，将风速提高后，状况大为改观，现也提高到5.56M/S,与国外炉子比较接近。煤的粒径与煤质分折CFBB的流化速度很高，床料粒径大亦可流化起来，如文献中可见，入炉煤粒范围可达012,020,025MM等，随厂家和煤种不同而给出的允许范围不同，比BFBB允许燃料粒度范围要宽，最大允许粒径也大。但根据我们的研究和国外的一些文献报导,实际上CFBB使用的燃料平均粒径比BFBB的要小得多。BFBB的平均燃料粒径达12MM,CFBB的平均粒径只有300400UM,严格地说，CFBB要求燃料中有较大比例的终端速度小于流化速度的细颗粒，以使得这些细煤粒一旦入炉后能被吹到悬浮段空间去燃烧，并且同时起到增加循环物料量的作用。燃料粒径的影响主要表现在其对密相床燃烧份额和物料平衡的影响上，燃料细粒多，密相床燃烧份额小，循环物料量大。CFBB入炉燃料粒度分布的确定与选择，与流化速度的选取有关，可见粒径对二者的影响是很大的，选定的粒度分布，应能保证在已确定的流化速度条件下，有足够细煤粒吹入悬浮段，以保证上部的燃烧份额，以及能形成足够的床料，保持物料的平衡。影响入炉燃料粒度的主要因素还有煤的热爆性质和挥发份含量，热爆强的煤就可选择粒度较大，大煤粒入炉后受热爆裂可形成份额增加，此时入炉煤的粒度分布可放宽。、二次风配比把燃烧需要的空气分成一、二次风从不同位置分别送入流化床燃烧室，在密相床内形成还原性气氛，实现分段燃烧，可大大降低热力型NOX的形成，这是CFBB的主要优点之一，但分成一、二次风的目的还不仅仅如此，一次风比（一次风量占总风量的份额）直接决定着密相床的燃烧份额，同样的条件下，一次风比大，必然导致高的密相床燃烧份额，此时就要求有较多的温度低的循环物料返回密相床，带走燃烧释放热量，以维持密相床温度，如循环物料量不够，就会导致流化床温度过高，无法多加煤，负荷上不去，这一用来冷却床层的物料可能来自分离器搜集下来的经过冷却的循环灰，或来自沿炉膛周围膜式壁落下的循环灰，灰在下落过程中与膜式壁接触受到冷却。从密相床的燃烧和热平衡上看，一次风比越小，对循环灰的物料平衡要求越低，但实际上一次风比的选取还受燃料粒度及性质等因素的制约，一次风比小，要求燃料中不能被吹起进入悬浮段燃烧的大颗粒比例也要小，否则大颗粒因得不到充足的氧气燃烧不完全，排放的床灰中含炭量极高，一次风比一般选择在50左右，对无烟煤则可达60以上。二次风一般在密相床的上面喷入炉膛，一是补充燃烧需要的空气，再者可起到扰动作用，加强气固两相的混合，CFBB炉膛的下部多设计成渐缩型，二次风可分成几股风从不同高度送入，以保持炉内烟气流速的相对均匀。二次风口的位置亦有很大影响，如设置在密相床上面过渡区灰浓度较大的地方，就可将较多的碳粒和物料吹入空间，增大上部的燃料份额和物料浓度。分离器分离器对CFBB的重要作用是任何人都不会怀疑的，没有分离器也就没有CFBB。正因为如此，国内外都把相当多的注意力放到了分离器的研究开上。分离器的型式与结构形成了CFBB流派之间的区别标志之一。CFBB分离器的主要性能指标仍是分离效率，它必须具有足够高的效率，一是提供足够的循环物料，二是收集细碳粒送回炉膛再燃烧，提高燃烧效率。CFBB循环物料的主体是200300WM的颗粒，设计的分离器不但对此粒径有极高的分离效率（99%）,d50还应尽量小于提高碳的燃烬率。CFBB飞灰含碳量分折发现，含碳量在某一料径时达到峰值，随后又下降，这一峰值对应粒径与分离器的效率是密切相关的。目前CFBB使用的分离器主要分为两大数，旋风分离器和惯性分离器，一般说来，旋风分离器效率较高，体积大，而惯性类分离器效率稍为逊色，但尺寸小，使锅炉结构较为紧凑。在使用的条件上，分离器又可分为两大类，高温分离和中温分离，从对锅炉性能的影响上看，高温分离较为优越，原因是CFBB炉膛内的固体物料浓度较高，造成炉内混合较差，CO浓度较高，高温分离器内的二次燃烧可降低CO浓度，二次燃烧造成的升温有利于N2O的还原，降低N2O排放浓度。在分离器选取上还应考虑到锅炉的容量范围，作技术经济的比较，如小型工业炉选用旋风分离器，考虑到旋风筒和料腿都需要有一定的高度，与之相匹配，炉膛也必须足够高，否则压低旋风筒及料腿的高度，势必影响其性能。此时应作出技术经济的综合分折。回灰装置CFBB灰循环系统中的回灰控制装置除少数为机械阀（如Luirgl的锥形阀）夕卜，一般都采用排机械阀，如J型阀、L型阀、V型阀等，非机械阀没有活动部件，阀的开启与关闭是由给风控制的，其优越性不言而明。非机械阀分为自平衡的和可调的两大类，J阀、V阀、LOOPsealsealport等均属于自平衡式的，即流出量根据进入量自动调节，阀本身调流量的功能较弱，L阀是调节型的，即可根据需要调节流量大小，作者从自己的实践中体会到，L阀运行中的最大问题是阀垂直段中料位的测量问题，因垂直段中料位太低，松动风就可能不是携带灰从水平段流出，而是从垂直段向上吹，既起不到阀的密封作用，还有可能导致结焦，这一问题应给与注意。在非机械阀的设计中，一是注意选择合适的灰流截面，二是若回灰是高温灰，还应计算阀内的热平衡即松动风中的氧与灰中的碳接触而燃烧，释放的热量部分转化成热烟气的焓，其余的热量则加热循环灰，变为灰的显热。应控制灰的温升，防止灰温过高而结焦，这也是近年来国夕发展水冷料脚的部分原因。受热面磨损BFBB密相床内布置有埋管受热面，受处于流化状态的床料的冲刷，金属表面一直在经受着一定程度的磨损。BFBB的磨损主要集中发生在过埋管部位，CFBB密相床内不布置埋管爱热面，磨损问题也并未因此而解决，设计时考虑稍有不周，在炉膛和灰系统的任何部位都有可能发生严重磨损。在机理上，金属的磨损可分为两类：一是金属表面在固体颗料的冲刷下，因磨擦而导致的金属部件的逐渐失重，另一类是在金属表面形成一层氧化膜，膜的硬度很高，但较脆，在物料颗粒的冲刷下，氧化膜出现极小徽快的剥落，在剥落掉的金属表面上再形成新的氧化膜层，磨损就在这一过程中在进行。下表给出了氧化层与其它一些物质的硬度的比较（3）：表1物料硬度表（20C时）物料石灰石硅酸盐钢镀层氧化膜硬度（HV）14016080013025050018006001800可见氧化膜的硬度极高，如能在管子表面形成氧化膜，对减少磨损是极其有利的。氧气膜的形成速率很重要，若其小于磨损速率，金属表面就形成不了氧化膜。实验发现管壁温度在300多摄氏度以上时，较易形成氧化膜。CFBB的密相床一般处于还原性气氛，对于在金属表面形成氧化膜是不利的，可用耐磨材料覆盖管子以避免严重的磨损。在还原与氧化气氛交界处，由于这一界面会上下波动，也会导致磨损加重，应与还原区同样处理。在炉膛下部壁面垂直段与渐缩段交界处、炉顶及炉膛出口等处，都是易发生严重磨损部位，在设计时应在结构上给以考虑或加防磨措施。尾部对流受热面的磨损亦是一个必须认真对待的问题，我国先期投运的若干台CFBB已出现磨损现象。有些人认为CFBB安装有分离器，尾部烟道的飞灰浓度比BFBB低，这种认识是不全面的，安装了分离器，将其收集的灰送回炉膛，导致了炉膛内灰浓度的增加，人们针对这一高的灰浓度来设计分离器，为了能维持正常运行所需的灰循环，分离效率往高达99以上，尽管如此之高，但由于炉内的高浓度分离器未能收集而排出灰量的绝对值可能仍很高，尾部如此之高，但由于炉内的高浓度仍很大。在尾部烟道烟气是向下流，颗粒一边随烟气流动，一边受重力作用，颗粒的绝对速度是烟气速度加上颗粒粒度又大，导致省煤器等尾部的受热面磨损严重。在省煤器等尾部受热面管束的弯头与壁面之间如间隙较大，形成烟气走廊，磨损将加速。金属壁面的磨损速率与速度呈335次方的关系，与灰颗粒直径为平方的关系。在尾部烟道设计时应充分考虑上述因素，选择合适风速，设计合理结构，避免受热面的严重磨损。