35th低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐布置方案分析及初步設計

1、重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文）35t/h低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐布置方案分析及初步設計學 生：李建波學 號：指導老師：盧嘯風 教 授專業(yè)：熱能與動力工程重慶大學動力工程學院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Analysis of Arrangement Scheme and Preliminary Design of 35t/h Low-Calorie Coal-fired Industrial CFB BoilerUndergraduate： Jianbo LiSupervisor: Prof. Xiao

2、feng LuMajor: Thermal Energy andPower EngineeringCollege of Thermal Energy and Power Engineering Chongqing UniversityJune 2011 摘 要隨著我國煤炭形勢逐漸緊張和國家排放法規(guī)的日益嚴格，像煤矸石這樣的劣質(zhì)燃料的燃燒技術越來越受到限制，燃料范圍廣泛且高效環(huán)保的循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐成為工業(yè)鍋爐的主要發(fā)展方向。目前國內(nèi)循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐的燃料大都在12MJ/kg 以上，對低于12MJ/kg的劣質(zhì)燃料研究涉及較少。煤質(zhì)下降帶來發(fā)熱量減少、灰分增多，引起燃燒效率降低、埋管磨損嚴重、鍋

3、爐燃燒不穩(wěn)定等一系列問題。針對這些問題，重慶大學燃燒環(huán)保研究室提出了帶有爐膛隔墻的循環(huán)流化床燃燒專利技術。作者在導師的指導下，完成了鍋爐的物料平衡計算、熱平衡計算；在此基礎上提出了35t/h低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐的原則性設計方案；對原則性設計方案的不同量化參數(shù)進行分析對比，提出其優(yōu)選方案；利用所在研究室的計算程序，再對優(yōu)選方案進行熱力計算；最后根據(jù)計算結(jié)果，擬出了其具體結(jié)構(gòu)設計方案，并用CAD繪出鍋爐總圖和汽水管路圖等鍋爐布置圖。主要研究計算表明：1） 隨著灰分的增多，爐膛密相區(qū)溫度降低。 當灰分增大到68%時，循環(huán)流化床密相區(qū)溫度低于850，不足以維持煤的正常穩(wěn)定燃燒。2） 在爐膛密相區(qū)加

4、入隔墻，密相區(qū)一側(cè)給煤，另一側(cè)循環(huán)灰返回爐膛，成功的解決了劣質(zhì)煤的燃燒問題，可以燃燒發(fā)熱量在12MJ/kg 4MJ/kg的劣質(zhì)煤。3） 經(jīng)過初步方案設計和具體的熱力計算，我們確定了35t/h的循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐設計方案。在該方案中，發(fā)熱量為5MJ/kg的煤矸石可以得到很好燃燒。證明了帶有爐膛隔墻的循環(huán)流化床燃燒技術在低熱值燃料利用方面有很好的工業(yè)應用前景。關鍵詞： 工業(yè)鍋爐,循環(huán)流化床,劣質(zhì)燃料,鍋爐設計ABSTRACTWith the increasingly intensity of coal utilization and the increasingly strictness of e

5、mission regulations in China, The utilization of Low-calorie fossil fuels such as coal gangue is more and more confined .With extensive fuel range、high efficiency and low gas emission ,CFB boiler will inevitably become the main development direction of industrial boiler. Due to the current domestic

6、industrial CFB boilers fuel mostly above 12MJ / kg, The research of poor quality fuels less than 12MJkg involves less. With coal quality declines, less heat and more ash it generates, which lead to low combustion efficiency,serious pipe wear and combustion instability.Against these problems, our lab

7、oratory puts forward a new technology which is used to combust poor-quality coal，the main difference is the Circulating Fluidized Bed boiler has a partition in the lower furnace. The author completes the computation of material balance and thermal balance with the supervision of his tutor. Based on

8、this a design of 35t/h Low-Calorie Coal-fired Industrial CFB Boiler is put forward .Through the design principle of the analysis and comparison of different quantitative parameters, we propose the optimal scheme. Then the author goes on Thermodynamic calculation with the software in the laboratory.

9、According to the results, the author designs the specific structural design and draw up the boiler with the CAD software. The main calculations show that:1) With increases in ashes, the temperature of lower furnace declines. When ash content exceeds 68%,the temperature of lower furnace is below 850,

10、thus is unable to sustain stable combustion in the lower part.2) In dense phase area joins furnace partition, one side to give coal and another side to give circulation ash, thus successfully solves the problem of poor-quality coal combustion. it is available to burn such poor-quality coals those th

11、eir heat value range from 12MJ to 4MJ per kilogram.3) After thermodynamic calculation and design scheme， the scheme of 35t/h Industrial Circulating Fluidized Bed Boiler is put forward. In the scheme the coal gangue of 5MJ/kg calorific value has a good combustion state.Key words： Industrial Boiler, C

12、irculating Fluidized Bed, Poor-quality Coal，Boiler Design目 錄摘 要IABSTRACTII1 引 言11.1我國能源環(huán)境現(xiàn)狀11.2我國劣質(zhì)煤利用現(xiàn)狀11.3循環(huán)流化床燃燒技術22 國內(nèi)外劣質(zhì)煤燃燒技術12.1國內(nèi)循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀12.1.1傳統(tǒng)方式布置的循環(huán)流化床鍋爐12.1.2兩級分離式循環(huán)流化床鍋爐12.1.3臥式旋風筒循環(huán)流化床鍋爐52.1.4前置分離器循環(huán)流化床鍋爐52.1.6下排氣旋風分離器循環(huán)流化床鍋爐62.1.7返料換熱型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐72.2國外循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀82.3循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐存在的主要問

13、題82.4 新型低熱值循環(huán)流化床燃燒技術及作者所做的研究工作93低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設計論證103.1低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐原則性方案103.2鍋爐熱平衡103.2.1鍋爐熱平衡與熱損失103.2.2 鍋爐熱效率與熱平衡113.2.3鍋爐熱平衡計算113.2.4計算結(jié)果與分析143.3鍋爐物料平衡153.3.1循環(huán)流化床物料平衡153.3.2循環(huán)倍率與循環(huán)灰量163.3.3密相區(qū)物料平衡163.4爐膛密相區(qū)溫度的影響因素163.4.1密相區(qū)溫度的確定173.4.2不同灰分對爐膛密相區(qū)溫度的影響193.4.3不同外置床面積對爐膛密相區(qū)溫度的影響203.4.4不同循環(huán)倍率對爐膛密相區(qū)溫度

14、的影響223.4.5不同燃燒份額對爐膛密相區(qū)溫度的影響233.4.6不同燃燒份額和循環(huán)倍率對爐膛密相區(qū)溫度的影響233.4.7不同外置床面積和循環(huán)倍率對爐膛密相區(qū)溫度的影響253.5結(jié)果與分析264 優(yōu)化方案設計計算284.1量化參數(shù)選擇284.2鍋爐系統(tǒng)設計284.3熱力計算304.3.1鍋爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)304.3.2熱力計算過程314.4鍋爐總圖及其它布置圖445 結(jié)論及展望45致 謝46參考文獻47附 錄481 引 言1.1我國能源環(huán)境現(xiàn)狀能源作為人類社會生活和發(fā)展的物質(zhì)基礎，在世界各個國家都得到了極大的重視。在過去的 20 世紀中, 人類使用的能源主要有四種：原油、天然氣、煤炭和電力。

15、我國的能源結(jié)構(gòu)體系中，煤炭消耗所占的比例在總的能源消費中占70%左右，并且有增大的趨勢12。日前日本地震導致的福島核電站泄漏，再一次凸顯了核能電站安全運行問題。國務院總理溫家寶指出，叫停正在審批的核電站項目，全力對核電進行安全檢查，重新設置防震等級；歐盟一些國家也重新考慮核電運行的危險性，減緩核電發(fā)展的進程；德國更是發(fā)表聲明說，在2022年之前關閉國內(nèi)所有核電項目。最近長江中下游的干旱問題嚴重，三峽大壩日均下泄流量加大到兩千立方米每秒，以緩解中下游抗旱用水、城鄉(xiāng)供水等壓力3，水電受天氣的變化穩(wěn)定性太差。因此，盡管我國能源結(jié)構(gòu)有一定的不合理性，但在很長一段時期內(nèi)，其它能源如核能、水能、可再生能源

16、并不能擔當重任，成為我國電力供應的主體，以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化。 煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的主題，在發(fā)電、動力、化工等工業(yè)和生活中起著重大的作用，同時沒得燃燒也引起了一系列環(huán)境問題。無論是煤炭的開采過程，還是輸運、燃燒過程，都會造成很大的環(huán)境污染。煤炭開采運輸，產(chǎn)生的煤矸石，煤泥等固體廢物堆積堵塞河道、造成水土流失；燃煤過程中產(chǎn)生的、和更是溫室效應和酸雨的罪魁禍首。隨著人類對環(huán)境的重視，各種排放物和污染物的排放要求也越來越嚴格。一方面我國對電量的需求逐漸增大；另一方面我國煤炭的不斷開采，煤炭質(zhì)量降低，劣質(zhì)煤所占的比重必然上升。隨著我國節(jié)能減排的實施和社會可持續(xù)發(fā)展的進程，國家更嚴格的要求

17、降低能耗、提高效率，對我國工業(yè)鍋爐燃燒技術提出了新的挑戰(zhàn)。1.2我國劣質(zhì)煤利用現(xiàn)狀煤矸石是煤炭開采及利用過程中產(chǎn)生的固體廢棄物之一，是我國劣質(zhì)煤的主體。在煤炭生產(chǎn)和洗選過程中會產(chǎn)生10%15%的煤矸石等固體廢棄物。我國煤矸石和巖石的年排放量大約在113億t 以上 , 截至2008年底 , 全國矸石累計堆存量35億t , 占地約114萬h4。由此帶來一系列環(huán)境問題： 煤矸石山溢流水使地下水呈現(xiàn)高礦化度、高硬度，導致土壤鹽堿化，使農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收；煤矸石隨意堆放還造成河道堵塞、土地沙化和大面積水土流失；煤矸石自燃產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體，已經(jīng)成為大氣污染的主要元兇5。如果能使煤矸石

18、“變廢為寶”加以利用，則它具有的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益非?？捎^。劣質(zhì)煤水分高、灰分大、發(fā)熱量低、揮發(fā)分低，整體來說利用起來比較困難。燃用劣質(zhì)煤造成爐膛燃燒溫度低、燃燒不穩(wěn)定、受熱面磨損泄露嚴重、飛灰含碳量高及鍋爐熱效率低等一系列問題，嚴重影響著工業(yè)鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。隨著我國對煤炭長期開采，劣質(zhì)煤越來越多，無論從環(huán)境保護還是節(jié)能減排的角度講，像煤矸石這樣的劣質(zhì)煤的應該得到合理的綜合的利用。煤矸石發(fā)電技術即是一種綜合利用煤矸石中很好的方法之一。發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰制成磚，取代加固井下煤礦巷道的石料，避免了開山鑿石對環(huán)境的破壞。從地下挖出來的煤矸石利用后又回到了地下，做到了物盡其用。據(jù)不完全統(tǒng)計 , 2

19、004年，全國煤矸石綜合利用電廠年盈利在4億元以上 , 絕大部分 (90 %以上) 的煤矸石綜合利用電廠經(jīng)濟效益較好6。在煤矸石發(fā)電技術中，目前主要利用的是發(fā)熱量在5MJ/kg以上的煤矸石，但還有大量發(fā)熱量在4MJ/kg以下的煤矸石還未得到有效的綜合利用。目前煤粉爐和鏈條爐在工業(yè)鍋爐中占很大比重，但隨著國家排放法規(guī)的嚴格，這些鍋爐已經(jīng)不能滿足國家對節(jié)能環(huán)保的要求。循環(huán)流化床以其高效環(huán)保的優(yōu)勢可以很好的滿足這些要求，使之成為煤矸石發(fā)電技術中的越來越有前途的燃燒技術。1.3循環(huán)流化床燃燒技術 循環(huán)流化床燃燒技術是一種新型高效低污染的清潔燃燒技術,具有燃燒效率高、低溫燃燒穩(wěn)定、煤種適應性強、濃度低等

20、優(yōu)點。在劣質(zhì)煤利用方面具有較大優(yōu)勢。若直接向爐膛內(nèi)加入石灰石，可實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫,脫硫率可達90 %以上，對不同煤種燃燒效率可達97%99%，鍋爐熱效率高于煤粉爐，比鼓泡型流化床高5 %15 %7。與煤粉鍋爐、鏈條爐相比循環(huán)流化床鍋爐有以下的優(yōu)點：1. 燃料適應性廣。循環(huán)流化床爐內(nèi)存在大量灰粒的穩(wěn)定循環(huán)，熱容量大，加入鍋爐的燃料占床料分量很少；同時燃料在循環(huán)流化床中呈流態(tài)化燃燒，爐內(nèi)質(zhì)量和熱量交換十分充分，為新加入燃料的預熱、著火創(chuàng)造了非常有利的條件。未燃盡的顆粒經(jīng)過分離器分離下來，在爐內(nèi)多次循環(huán)燃燒增加了顆粒在爐內(nèi)的停留時間，進行多次劇烈的質(zhì)量和熱量交換。因此，除了燃用較好的煤種，它還可以燃燒煤

21、矸石、煤泥、生活垃圾等發(fā)熱量比較低的劣質(zhì)燃料，對于我國能源的綜合利用和城市垃圾處理具有顯著地社會效益和經(jīng)濟效益。2. 燃燒效率高。顆粒經(jīng)過在爐膛多次循環(huán)燃燒，其灰渣含碳量和飛灰含碳量可降到1%10%以下，同時利用冷渣器充分回收利用灰渣中的熱量，使循環(huán)流化床燃燒損失少，具有很高的燃燒效率。3. 污染低。循環(huán)流化床的溫度通?？刂圃?50900之間。在這個溫度范圍內(nèi)，空氣中的氮氣一般不會轉(zhuǎn)化為氮氧化物；另外爐內(nèi)分段燃燒，抑制了燃料中的氮轉(zhuǎn)化為氮氧化物，爐內(nèi)還原性氣氛還可以還原爐內(nèi)的氮氧化物。向爐內(nèi)添加石灰石，石灰石在爐內(nèi)反復循環(huán)，能夠方便高效地實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫脫硝，減少了有害氣體的排放。4. 負荷調(diào)節(jié)范

22、圍廣，可用于調(diào)峰運行。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)存在大量的高溫循環(huán)灰，爐內(nèi)熱容量大，即使在30%的負荷下也可以穩(wěn)定燃燒，不會造成低負荷熄火的情況；爐內(nèi)顆粒的環(huán)核結(jié)構(gòu)使爐內(nèi)呈現(xiàn)一個均勻的溫度分布，當負荷變化時，溫度保持相對穩(wěn)定，變化不大。因此，它具有良好的負荷調(diào)節(jié)能力，可以調(diào)節(jié)30%120%負荷的變化。5. 經(jīng)濟性好。循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度較低，爐內(nèi)顆粒燃燒時間長，灰渣含碳量較低?；以軌蚓C合利用，可以作為水泥添加劑和輕質(zhì)建筑材料，也能夠很好的對稀有金屬進行提取。無論是建造新電站還是改造舊電站，循環(huán)流化床鍋爐在環(huán)境方面和能源利用效率方面都有著很大的優(yōu)勢，因此循環(huán)流化床鍋爐的利用得到了很大的發(fā)展。在工業(yè)鍋爐

23、方面，循環(huán)流化床鍋爐以其燃料范圍廣的優(yōu)勢可以很好的、高效的將煤矸石燃燒。因此，在能源緊張和排放法規(guī)嚴格的今天，循環(huán)流化床得到了越來越廣泛的利用和空前的發(fā)展。2 國內(nèi)外劣質(zhì)煤燃燒技術2.1國內(nèi)循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀雖然循環(huán)流化床鍋爐具有很多優(yōu)越于煤粉鍋爐的特點，但在我國，循環(huán)流化床的發(fā)展更傾向于大型化而忽略了工業(yè)鍋爐的發(fā)展，因此目前我國循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐在工業(yè)鍋爐中所占的比重并不是很大。我國燃煤工業(yè)鍋爐設計效率一般在72%80%，但實際運行熱效率大多在60%65%8。隨著國家排放法規(guī)的提高，煤粉鍋已經(jīng)不能完成減排任務，循環(huán)流化床鍋爐所具有的優(yōu)點則能夠很好的滿足國家排放標準，符合了我國工業(yè)鍋爐的發(fā)

24、展需求。因此循環(huán)流化床鍋爐得到了良好的發(fā)展，國內(nèi)研究機構(gòu)和設計院也開發(fā)出了一些好的爐型。在國內(nèi)使用數(shù)量較多的爐型主要有以下幾種911。圖2.1 35t/h循環(huán)流化床鍋爐2.1.1傳統(tǒng)方式布置的循環(huán)流化床鍋爐圖2.1為35t/h的中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐額定蒸汽壓力為3.82MPa，額定蒸汽溫度450。該循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐采用傳統(tǒng)的布置方式：單汽包、爐內(nèi)布置膜式水冷壁。為了穩(wěn)定爐膛密相區(qū)床溫，密相區(qū)布置有埋管受熱面。爐膛后墻為高溫絕熱旋風分離器，尾部煙道依次布置過熱器、再熱器、省煤器等受熱面。高溫旋風分離器分離效率較高，但體積較大，占地面積較大。該類型鍋爐埋管受熱面布置在爐膛密相區(qū)，因此埋

25、管會產(chǎn)生嚴重磨損。圖2.2 兩級分離式循環(huán)流化床鍋爐2.1.2兩級分離式循環(huán)流化床鍋爐圖2.1為兩級分離式循環(huán)流化床。該爐型采用兩級分離器結(jié)構(gòu)，第一級高溫分離器為槽型分離器，分離下來的粗灰經(jīng)流化密封送灰器返回床內(nèi)循環(huán)燃燒。第二級分離器為低溫上排氣旋風子分離器，分離下來的細灰經(jīng)流化密封送灰器返回床內(nèi)循環(huán)燃燒。鍋爐主要特點有：落灰腔槽型分離器與低溫旋風分離器串聯(lián)布置，在一定程度上提高了分離效率，降低了飛灰含碳量；兩級分離式循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡單，投資少，占地面積小。第一級分離器為慣性分離，分離效率低、飛灰量大，過熱器磨損嚴重；第二級分離器為中溫分離，返料溫度低，如果燃用灰分高的劣質(zhì)煤，循環(huán)灰量大，

26、造成爐膛溫度偏低、燃燒不穩(wěn)定，熄火等問題；同時飛灰含碳量相對較高，鍋爐效率相對偏低。2.1.3臥式旋風筒循環(huán)流化床鍋爐下圖2.3為臥式旋風筒循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐的主要特點有：臥式水冷旋風分離器與鍋爐本體整裝，密相區(qū)內(nèi)設有埋管。該鍋爐主要優(yōu)點是鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊、投資少、利于小型化，適合蒸發(fā)量小于20t/h的工業(yè)鍋爐。在煤質(zhì)變差、入爐煤粒較大時，臥式分離器回料部位易造成堵塞，影響鍋爐的正常運行。同樣該鍋爐也存在著埋管磨損的問題。2.1.4前置分離器循環(huán)流化床鍋爐1-風箱2-燃燒室3-旋風分離器4-送灰器 5-對流管束6-省煤器圖2.410t/h循環(huán)流化床鍋爐圖2.4為低參數(shù)10t/h的前置分離器循環(huán)流

27、化床鍋爐。該爐型采用全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，爐膛密相區(qū)不布置埋管受熱面，鍋爐布風板焊接在膜式水冷壁上。該種爐型最主要的特點是高溫旋風分離器布置在燃燒室前面，汽水系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，鍋爐投資成本較低。1-主旋風燃燒室2-燃燒室出口 3-燃燒室圖2.3臥式旋風筒循環(huán)流化床鍋爐2.1.5循環(huán)雙流化床鍋爐圖2.5 循環(huán)雙流化床鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5為型號DG20-1.25的雙循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖，其典型特點是在主床后部加裝了副床用來燒灰。該循環(huán)流化床主床內(nèi)沒有布置埋管。螺旋給煤機正壓給煤，配播煤風。主床面積小，鍋爐容易點火啟動，燃料品種不受限制，在同一臺鍋爐中可以燒發(fā)熱量為8MJ/kg26MJ/Kg的煤種

28、。爐內(nèi)流化速度高、負荷調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)比例可達到1：0.3。1-風箱2-濃相床 3-埋管受熱面 4-稀相床 5-高溫過熱器 6-低溫過熱器7-下排氣旋風分離器 8-省煤器9-空氣預熱器 10-送灰器圖2.6下排氣旋風分離器循環(huán)流化床鍋爐副床布置于懸浮室之后、燃盡室的下面用來燒灰。副床流化速度很低，床內(nèi)設有埋管。這種設計減輕了埋管磨損，但主床無埋管受熱面，床料不能得到有效補充。主床溫度和床壓控制比較困難，主床出口煙溫控制主要通過采用較大的過?？諝庀禂?shù)；副床上部空間較大，鍋爐制造成本增大；副床流化風直接經(jīng)分離器進入尾部煙道，排煙損失增大；返料灰只進入副床，無法調(diào)節(jié)主床溫度。2.1.6下排氣旋風分離

29、器循環(huán)流化床鍋爐圖2.6為中參數(shù)下排氣旋風分離器循環(huán)流化床鍋爐。它是一種兩級分離器式循環(huán)流化床鍋爐，一級布置在爐膛出口，采用槽型分離器，另一級布置在省煤器前，采用下排氣式旋風分離器。鍋爐的主要特點有：采用下排氣中溫旋風分離器；密相區(qū)布置埋管受熱面；爐膛采用光管水冷壁等。鍋爐的主要優(yōu)點是采用兩級分離，分離效率高；鍋爐 “”型布置、結(jié)構(gòu)緊湊；下排氣旋風分離器對細顆粒夾帶嚴重，對細顆粒分離效率稍低，使得鍋爐效率降低；爐膛密相區(qū)布置埋管受熱面，同樣存在著受熱面磨損的問題。2.1.7返料換熱型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐圖2.7返料換熱型循環(huán)流化床鍋爐返料換熱型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐是重慶大學鍋爐燃燒環(huán)保研究室獨自設

30、計的一種帶外置式返料換熱器的新型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐。其設計思路為12：在爐膛內(nèi)維持快速流化床狀態(tài)，應用高效旋風分離器將未燃盡高溫細煤粒收集下來，送入一個低速流化的顆粒換熱器中；通過在顆粒換熱器中布置埋管受熱面，保證了低壓鍋爐對蒸發(fā)吸熱的要求。高溫顆粒在換熱器中燃燒換熱后，流回爐膛，維持爐膛出口煙溫。該思路來源就是利用大型循環(huán)流化床鍋爐的外置式換熱器技術，將換熱器布置在中小型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐上，解決了受熱面布置不均、受熱面磨損嚴重的文問題，降低了鍋爐高度，較少了鍋爐投資成本。其結(jié)構(gòu)圖2.71213如下：運行時，煤由煤斗經(jīng)螺旋給煤機送入流化著的熾熱料層中，由于床料粒子間的混合和熱交換非常強烈，因

31、而新鮮燃料一進入就被迅速烘干、預熱、著火燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)上、下爐膛、爐膛出口進入高溫旋風分離器。大部分煙氣被分離器排入對流煙道，經(jīng)對流管束、省煤器、除塵器、引風機、煙囪排入大氣。煤?；以拔⒘繜煔饨?jīng)分離器進入回料管由外置床再回送到爐膛形成循環(huán)燃燒。鍋爐用水經(jīng)水處理設備凈化后進入水池、水泵、鑄鐵省煤器、鋼管省煤器、上汽包、下汽包、下降管、埋管、上升管、導汽管、上汽包、產(chǎn)生的汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離后、蒸汽送至生產(chǎn)車間。每一種鍋爐都有其一定的優(yōu)點和缺點，總的來講，循環(huán)流化床鍋爐以熱容量大、易點火等優(yōu)點在工業(yè)鍋爐中得到了很好的應用。從燃燒的燃料上來講，以上各種爐型適用于發(fā)熱量大于10MJ

32、/kg的煤種，對于高灰分、低熱值的燃料，以上爐型將它很好的燃燒還有一定的困難和不足。2.2國外循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀國外的工業(yè)鍋爐以燃油燃氣鍋爐為主，少量的燃煤工業(yè)鍋爐使用的煤種質(zhì)量較好，中小型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐相對于燃煤工業(yè)鍋爐沒有突出的優(yōu)勢，循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐發(fā)展較少。由于循環(huán)流化床燃煤技術對煤在爐內(nèi)的停留時間有一定要求，一般要求停留時間至少達到4.5秒，因此要求循環(huán)流化床鍋爐爐膛有一定的高度。但是高度越高，鍋爐成本越大，因此，國外很少有蒸發(fā)量小于35t/h的燃煤鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒技術。也有一些循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐取得公眾認可，具有代表性的就是美國華盛頓電力工程1997 年投運的4

33、萬千瓦燒煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐。2.3循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐存在的主要問題在循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐的發(fā)展過程中，國內(nèi)研究人員都在努力改進不同爐型存在的缺陷，同時也不斷地開發(fā)和研究新的爐型。我國循環(huán)流化床燃燒技術起步較晚、發(fā)展時間太短，人們還沒有熟悉的了解它的特性，在設計、制造等方面還有很多不完善之處。綜合現(xiàn)在國內(nèi)外循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐在運行中出現(xiàn)的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面1415：劣質(zhì)煤燃燒不穩(wěn)定。當循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐燃用劣質(zhì)煤時，灰分含量大、密相區(qū)溫度往往偏低。當密相區(qū)溫度低于850時，爐膛不足以維持煤的燃燒而很容易造成熄火。爐內(nèi)燃燒時間不足。工業(yè)鍋爐的體積較小，爐膛高度不夠，顆粒在爐內(nèi)停留時間短

34、未完全燃燒損失大。 飛灰含碳量高。在運行的循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐中，由于分離器分離效率不高、煤的制備系統(tǒng)不完善等因素，煙氣的飛灰含碳量偏高。熱面磨損嚴重。煙氣中飛灰濃度很高，很容易造成爐膛蒸發(fā)受熱面的磨損。 如果分離器分離效率不高，還會對對流受熱面、省煤器、空預器等尾部受熱面造成嚴重磨損。爐膛出口過?？諝庀禂?shù)過大。在運行過程中，循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐因蒸發(fā)吸熱面經(jīng)常磨損，水冷壁吸熱量減少，導致爐膛溫度偏高，爐膛結(jié)焦。一般爐內(nèi)的溫度通過增大風量來控制，這就使得爐膛出口的過量空氣系數(shù)偏大，燃燒產(chǎn)生的排煙損失增加。相對于組裝鏈條爐,循環(huán)流化床鍋爐建投資較大。循環(huán)流化床鍋爐廠房需要雙層布置, 而組裝鏈條爐一般

35、只需單層布置。 除塵設備投資較高。循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口煙氣飛灰濃度遠高于鏈條爐,所配除塵設備要求比鏈條爐更高。因此，對于致力于循環(huán)流化床燃燒技術研究的人員來說，需要解決的問題還很多。2.4 新型低熱值循環(huán)流化床燃燒技術及作者所做的研究工作從燃燒的燃料來看，無論國內(nèi)還是國外的循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐，都能夠很好的燃燒發(fā)熱量大于12MJ/kg的煤種。因此，各廠家和研究機構(gòu)對12MJ/kg以上的燃料研究較多，而對12MJ/kg以下的劣質(zhì)燃料研究較少。隨著我國用煤緊張，越來越多的劣質(zhì)煤需要得到利用，因此對發(fā)熱量在12MJ/kg以下的劣質(zhì)煤研究越來越緊迫。循環(huán)流化床爐內(nèi)鍋爐的熱容量大，循環(huán)灰分量相當大，給煤

36、只占其中很少分量。當循環(huán)灰返回爐膛時，不但能夠再次燃燒，更重要的還是可以調(diào)節(jié)密相區(qū)的溫度。隨著燃料發(fā)熱量的降低，燃料在密相區(qū)產(chǎn)生的熱量減少，煤燃燒產(chǎn)生的熱量有可能僅僅維持自己的燃燒而不能將循環(huán)灰加熱到850以上。如果爐膛密相區(qū)溫度低于850，就會造成爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定、甚至熄火的問題。針對還沒有充分解決的低熱值燃料燃燒穩(wěn)定性問題，重慶大學燃燒環(huán)保研究室提出了一種帶有爐膛隔墻的新型循環(huán)流化床燃燒技術。該燃燒技術通過在爐膛密相區(qū)加入隔墻成功的解決了煤矸石不能燃燒或者燃燒不穩(wěn)定的問題。無論從創(chuàng)新性還是從工業(yè)應用上來講，作者所做的工作是非常必要的。作者完成了本課題所做的工作主要包括：1）鍋爐熱平衡計算，分

37、析循環(huán)流化床鍋爐燃燒低熱值燃料時，需要解決主要問題，并提出原則性設計方案；2）對原則性設計方案的不同量化參數(shù)，進行分析對比，探討論證循環(huán)流化床鍋爐燃燒5MJ/kg12MJ/kg的燃料是否可行并提出優(yōu)選方案；3) 提出35t/h低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐布置方案并利用所在研究室開發(fā)出的計算程序?qū)ζ溥M行熱力計算，根據(jù)計算結(jié)果，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設計方案。4) 根據(jù)優(yōu)化后的設計方案，采用AUTOCAD軟件完成主要圖紙的繪制工作。主要圖紙包括：鍋爐總圖、汽水管路圖、布風板、外置床等圖紙。3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設計論證3.1低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐原則性方案圖3.1帶隔墻循環(huán)流化床示意圖循環(huán)流化床工業(yè)鍋

38、爐燃燒低熱值燃料時，由于燃料發(fā)熱量較低，燃料在密相區(qū)產(chǎn)生的熱量會很少，甚至還有可能發(fā)生產(chǎn)生的熱量僅僅能夠維持自己的燃燒而不能加熱循環(huán)灰的問題。當大量的循環(huán)灰返入爐膛時，煤燃燒產(chǎn)生的熱量有可能不能將循環(huán)灰加熱到850以上。如果爐膛密相區(qū)溫度低于850，就會造成爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定、甚至熄火的問題。低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐面臨的第一個問題就是如何保證爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒的問題。低熱值煤矸石循環(huán)流化床鍋爐面臨的第二個問題，就是燃煤灰分高，排渣量大，從而帶來極大的灰渣物理熱損失問題。針對低熱值燃料燃燒穩(wěn)定性問題，在返料換熱型循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐上，重慶大學燃燒環(huán)保研究室提出了一種帶有爐膛隔墻的新型循環(huán)流化床燃燒技術。

39、該燃燒技術其核心思路為：在爐膛密相區(qū)加入隔墻，隔墻一側(cè)給煤，使煤在該側(cè)進行燃燒；換熱后的循環(huán)灰從隔墻另一側(cè)進入密相區(qū)。這樣煤燃燒后再混合進入稀相區(qū)，成功的解決了密相區(qū)溫度過低、不能維持穩(wěn)定燃燒的問題。原理示意圖見圖3.1。低熱值循環(huán)流化床鍋爐設計時，首先要考慮爐膛的熱量平衡問題，以確保爐內(nèi)達到著火溫度；其次要考慮物料平衡問題，通過組織爐內(nèi)床料的有效流動，確保鍋爐爐膛的熱量平衡與物料平衡。在熱量平衡和物料平衡的基礎上，我們才能進一步研究爐膛溫度的影響因素。通過熱量平衡和物料平衡，我們不但可以解決低熱值燃料燃燒效率低的問題，更可以解決其燃燒不穩(wěn)定、磨損等的問題。3.2鍋爐熱平衡3.2.1鍋爐熱平衡

40、與熱損失 在對循環(huán)流化床鍋爐進行設計時，首先需要熟悉的就是鍋爐熱平衡。鍋爐熱平衡是指在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，鍋爐輸入熱量與輸出熱量及各項損失。由它可以確定鍋爐有效利用熱量、各項熱損失、鍋爐熱效率及燃料消耗量，以檢查鍋爐的設計質(zhì)量和運行水平，并由此分析造成熱損失的主要原因，做到及時改進，提高鍋爐效率。鍋爐的熱平衡方程式16為：. .(3.1) 式中 鍋爐輸入熱量； 鍋爐有效利用的熱量； 排煙熱損失； 可燃氣體不完全燃燒熱損失； 固體不完全燃燒熱損失； 鍋爐散熱損失； 其它熱損失。式（1）兩邊同時除以，即得到鍋爐熱平衡方程的百分比表達式： .(3.2)3.2.2 鍋爐熱效率與熱平衡鍋爐熱效率為鍋爐有效利

41、用熱與鍋爐輸入熱量之比。測定鍋爐效率的方法有兩種：正平衡法與反平衡法。正平衡法就是直接測量鍋爐輸入熱量和輸出熱量，按下式就算鍋爐熱效率： (3.3)反平衡法就是先確定各項熱損失和鍋爐輸入熱量，再按下式計算鍋爐熱效率：(3.4)在設計鍋爐或熱效率試驗時，常用反平衡法，即求得各項損失之后，再求得鍋爐熱效率。3.2.3鍋爐熱平衡計算作者以5MJ/kg煤矸石為研究對象，按照工業(yè)鍋爐設計計算方法17對其進行熱平衡計算，燃料特性見3.1，鍋爐規(guī)范見表3.2，主要數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表3.3。表3.1 煤的成分名稱CHONSA含量13.330.560.540.230.100.8984.357.9850005018

42、.273表3.2鍋爐規(guī)范項 目數(shù) 值蒸汽流量/th-135飽和蒸汽壓力/MPa2.45蒸汽溫度/225蒸汽焓/ 2801.00排煙溫度/155鍋筒飽和水壓力/Mpa2.45鍋筒壓力下的飽和水溫225鍋爐飽和水焓/966.85鍋爐飽和水壓力的汽化潛熱/1834.15鍋爐飽和壓力下的蒸汽焓/2801.00給水溫度/105給水焓/426表3.3 鍋爐熱效率及燃料消耗量計算序號名稱符號單位來源或計算公式數(shù)值1煤的比熱容kJ/(kg)0.952熱空氣溫度盡量提高空氣溫度，以提高爐溫372.193按全部空氣通過空預器的熱空氣焓kJ/kg查空氣焓溫表649.874熱空氣帶入爐內(nèi)熱量（一次風）kJ/kg通過煙

43、氣焓溫表計算372.035煤的輸入熱量kJ/kg5018.986排煙溫度等于空預器出口煙氣溫度+低溫省煤器溫降XXx146.007低溫省煤器設計煙溫降低155.508排煙焓kJ/kg查煙氣焓溫表420.129冷空氣溫度室溫經(jīng)高壓風機后，取值3030.0010理論冷空氣焓kJ/kg52.3811固體不完全燃燒熱損失%參見煙氣特性計算表6.4512排煙熱損失%6.5113氣體不完全燃燒熱損失%按工業(yè)鍋爐設計計算方法表B5-2選取0.5014散熱損失%按工業(yè)鍋爐設計計算方法表4-1選取1.5015冷渣器回風溫度（二次風溫）設計320.0016冷渣器回風焓kJ/kg冷渣器回風量占總風量35%257.9

44、017灰渣物理熱損失(取150，帶冷渣器）%1.4718總熱損失q%16.4319鍋爐效率100-q83.5720保熱系數(shù)0.9821鍋筒壓力下飽和水溫查表B13，由2.55Mpa(絕對壓力）下的飽和溫度224.9922鍋爐出口蒸汽焓kJ/kg查表B13，由2.55Mpa（絕對壓力）下的蒸汽焓2801.0023給水溫度給定105.0024省煤器入口壓力Mpa給定2.6025給水焓kJ/kg低壓清水泵打入鑄鐵省煤器，查表B14426.0026鍋筒工作壓力Mpa給定2.4527鍋筒工作壓力下飽和水焓kJ/kg查表B13，由鍋筒工作壓力查966.8528鍋爐蒸發(fā)量Dt/h給定35.0029排污率%給

45、定5.0030鍋爐的輸出熱量kJ/h.5031耗煤量Bkg/h20045.0032計算耗煤量kg/h18751.693.2.4計算結(jié)果與分析通過鍋爐熱平衡計算我們發(fā)現(xiàn)，鍋爐熱效率決定于各項損失的多少，化學不完全燃燒損失和散熱損失相對較少，因此鍋爐熱效率主要取決于、的大?。?）當灰分增加時，灰渣物理熱損失占據(jù)相當大的比例。因此，必須使用冷渣器來冷卻灰渣中的熱量，并將熱量回收入爐膛中，以減少其物理熱損失，提高鍋爐燃燒效率，并滿足GB24500-2009技術標準要求。在本文中，作者利用實驗室的發(fā)明專利復合式冷渣器技術，用于回收鍋爐排渣的物理熱，并將回收的熱量全部送回鍋爐，以降低灰渣物理熱損失。復合式

46、流化床冷渣器是用于大型CFB鍋爐的冷渣裝置，但本設計鍋爐的底渣排放量，已相當于一臺130-220t/hCFB鍋爐的底渣排放量，因此采用這一技術非常合適。復合式流化床冷渣裝置集中體現(xiàn)了多種冷渣裝置的技術優(yōu)點，實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的良好配合，從而滿足了實際運行的需要，取得了爐渣冷卻與排放的良好效果；該裝置采用多倉式流化床結(jié)構(gòu)，對于爐內(nèi)的粗渣、細渣、飛灰分別控制，極大地提高了流化床冷渣器對底渣粒度的適應性，適合國內(nèi)給煤粒度的要求，小粒徑的灰渣在后面的冷卻倉內(nèi)有盡量多的停留時間，增強了冷卻效果，提高了冷渣器的穩(wěn)定性，同時也提高了鍋爐燃燒效率。復合式冷渣器裝置的具體結(jié)構(gòu)見下圖3.2：圖3.2 復合式冷渣器結(jié)構(gòu)2

47、）與煤粉爐不同的是，循環(huán)流化床鍋爐所需要控制的量比較多，特別是爐膛溫度的控制。當爐膛密相區(qū)溫度高于950時，爐膛容易發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，嚴重影響鍋爐的運行；當爐膛密相區(qū)溫度低于850時，煤的機械不完全燃燒損失比較大，甚至不能燃燒，造成鍋爐燃燒的穩(wěn)定性變差。因此正常的鍋爐密相區(qū)溫度應控制在850950之間。爐膛稀相區(qū)的溫度控制也很重要，它決定著分離器和返料裝置是否有燃燒、爐膛受熱面的如何布置等方面。當爐膛出口溫度在800以下時，分離器和返料裝置中的灰渣不能燃燒，造成飛灰含碳量增大、燃燒不充分的問題，降低了鍋爐效率。因此，爐膛出口的溫度也應控制在800以上。稀相區(qū)的受熱面布置也應有相應的變化，以確保爐膛

48、出口的溫度。3.3鍋爐物料平衡鍋爐物料平衡是鍋爐機組熱力計算的關鍵數(shù)據(jù)之一，循環(huán)流化床鍋爐也不例外。鍋爐物料平衡決定著燃燒的多少、傳熱量的分配等問題。3.3.1循環(huán)流化床物料平衡循環(huán)流化床“一進二出”的物料系統(tǒng)是循環(huán)流化床的核心概念，也是理解循環(huán)流化床物料平衡的關鍵。以下即是循環(huán)流化床“一進二出”物料系統(tǒng)圖3.3。 從灰平衡上來看，煤燃燒成灰，一部分從爐膛底部排除，稱為底灰。另一部分飛出爐膛，進入分離器，其中小于切割粒徑的灰飛出分離器進入尾部煙道，成為飛灰；大于切割粒徑的灰被分離器分離下來，經(jīng)返料裝置返回爐膛再燃燒，稱為循環(huán)灰。鍋爐灰平衡原理見下圖3.4。圖3.4灰平衡原理圖圖3.3 循環(huán)流化

49、床“一進二出”物料系統(tǒng)當煤質(zhì)變差時，飛灰份額逐漸減少而灰渣份額逐步增加，排渣量逐漸增加，由此造成灰渣物理熱損失較大。從這里也說明，必須使用冷渣器冷卻灰渣、回收熱量，才能提高鍋爐的熱效率。3.3.2循環(huán)倍率與循環(huán)灰量循環(huán)灰量是設計、運行循環(huán)流化床鍋爐的一個基本參數(shù)。它不僅影響著爐膛燃燒，也影響著傳熱。循環(huán)倍率是指循環(huán)灰量與爐膛入爐煤量得比值18：.(3.7)循環(huán)灰的熱容量很小，但循環(huán)倍率增大后，灰量很大，因此循環(huán)灰所帶的熱量相當大。返料裝置中的換熱也取決于循環(huán)灰量和循環(huán)灰溫的變化，因此返料裝置的受熱面布置與之密切相關。在蒸汽參數(shù)和蒸發(fā)量不變的情況下，煤質(zhì)越差，發(fā)熱量越低，耗煤量越高，灰分含量也越

50、大。當循環(huán)灰量很大時，爐膛、分離器和返料裝置中的高溫灰量很大，因此會產(chǎn)生很嚴重的磨損問題。一方面我們通過在爐膛少布置受熱面，在返料裝置中多布置受熱面外，另一方面通過降低循環(huán)倍率來降低循環(huán)灰對受熱面的磨損。循環(huán)倍率還與爐膛傳熱系數(shù)密切相關，循環(huán)倍率越大則傳熱系數(shù)越大，因此循環(huán)倍率也不能太小。3.3.3密相區(qū)物料平衡在爐膛密相區(qū)，我們要保證密相區(qū)溫度在850900之間。特別是煤質(zhì)下降時，溫度的控制變得尤為重要。低熱值燃料的發(fā)熱量少，在密相區(qū)煤矸石燃燒產(chǎn)生的熱量相對較少，很多情況下，煤矸石產(chǎn)生的熱量緊緊能夠維持自己燃燒而不能加熱循環(huán)灰到所需溫度。因此我們就需要解決密相區(qū)的煤矸石燃燒與循環(huán)灰加熱的問題

51、。煤質(zhì)變差時，密相區(qū)溫度會降低，因此通過加入隔墻來控制密相區(qū)的溫度。當給煤產(chǎn)生的熱量多，煤自身燃燒的溫度比較高時，循環(huán)灰從隔墻右側(cè)進入隔墻左側(cè)來冷卻煤燃燒，以防止密相區(qū)發(fā)生結(jié)焦問題；當煤燃燒產(chǎn)生的熱量比較少時，煤燃燒產(chǎn)生的灰從隔墻左側(cè)進入隔墻右側(cè)，來加熱循環(huán)灰；當煤燃燒產(chǎn)生的熱量在某一個值時，循環(huán)灰不從隔墻右側(cè)進到左側(cè)，煤燃燒產(chǎn)生的灰也不從左側(cè)進入右側(cè)，這就是我們需要找的平衡點，也是我們設計的平衡點工況。通過加入隔墻，很好的解決了低熱值燃料不能燃燒或燃燒不穩(wěn)定的問題，該燃燒技術為重慶大學燃燒環(huán)保實驗室所研究，目前已經(jīng)申請了發(fā)明專利。申報的重慶市科委攻關項目，已經(jīng)得到市科委正式批準為2011年科

52、技攻關項目。3.4爐膛密相區(qū)溫度的影響因素循環(huán)流化床以其環(huán)核結(jié)構(gòu)的氣固流動狀態(tài)增大了煤顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，提高了燃燒效率。密相區(qū)的溫度很大程度上決定著燃燒是否充分，當密相區(qū)溫度高于950時，容易造成密相區(qū)超溫、結(jié)渣，不利于燃燒、脫硫率低等情況；當密相區(qū)溫度低于850的情況下，煤顆粒著火困難甚至不能燃燒，燃燒不穩(wěn)定。因此，密相區(qū)的溫度控制在設計中是一個主要的考慮因素。3.4.1密相區(qū)溫度的確定在循環(huán)流化床爐膛密相區(qū)，很多因素影響其溫度的高低。密相區(qū)溫度可由密相區(qū)煙氣焓溫表查得，而密相區(qū)煙氣焓則由下面公式計算得到19：(3.8)其中， 密相區(qū)輸入熱量；燃料入爐熱量； 返料灰焓；密相區(qū)燃燒份額；

53、 返料煙焓。一次風所占的比率； n循環(huán)倍率 冷空氣焓值 、分別為化學不完全燃燒損失、物理不完全燃燒損失、灰渣物理損失通過（3.8）式我們可以看出，影響密相區(qū)溫度的主要因素為：燃料發(fā)熱量、密相區(qū)燃燒份額、返料灰溫度、循環(huán)倍率等因素。燃料發(fā)熱量和燃料各組分含量密切相關，其中灰分含量影響比較大，它影響著爐膛的燃燒、灰渣的多少、以及循環(huán)倍率的大小等等。返料灰溫度則由外置床傳熱量的多少決定。在鍋爐熱平衡基礎上，我們再對循環(huán)流化床外置床進行熱平衡計算，得到返料灰及返料煙焓的溫度，從而可以由（3.8）式計算出爐膛密相區(qū)的溫度。密相區(qū)的溫度按下表3.4和表3.5步驟計算。表3.4外置床熱平衡計算序號名稱符號單位計算公式或來源數(shù)值1返料溫度假設785.002返料焓kJ/kg750.803返料量Mkg/h40090.014高溫循環(huán)灰溫度取等于稀相區(qū)出口煙氣溫度-松動風冷卻50808.625高溫循環(huán)灰焓值kJ/kg查表B8776.016外置床平均灰溫796.817外置床流化風量（返料風）N34361.808