循環(huán)流化床鍋爐燃燒與傳熱耦合特性分析開題報告

1、河北理工大學(xué)本科畢業(yè)論文開題報告題目： 循環(huán)流化床鍋爐 燃燒與傳熱耦合特性分析 學(xué) 院： 冶金與能源學(xué)院 專 業(yè)： 熱能與動力工程 班 級： 06熱3 姓 名： 甄曉偉 學(xué) 號： 200606030311 指導(dǎo)教師： 趙斌 教授 2010年3月31日1 課題研究的背景和意義能源與環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。化石能源（主要是煤和石油）的大規(guī)模生產(chǎn)和利用在推進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也對環(huán)境造成巨大的影響：大氣煙塵、酸雨、全球變暖和臭氧層破壞正在威脅著人類的生存環(huán)境。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，大約有80%以上通過直接燃燒而被利用。由于煤粉燃燒技術(shù)的發(fā)展還不能很好的解決燃煤造成的環(huán)境問題。

2、據(jù)統(tǒng)計，我國so2排放已超過2200萬t/a，其中大部分是燃煤產(chǎn)生的，而燃煤電廠產(chǎn)生的so2又幾乎占到1/2。so2的排放和由其形成的酸沉降是全球范圍內(nèi)的一個重大環(huán)境問題。據(jù)監(jiān)測和研究表明，在中國的華南和西南地區(qū)已形成大面積的酸雨區(qū)，華東地區(qū)的降水酸度上升較快，酸雨頻率也在增加。顯然，控制酸雨污染是我國必須解決的一個重要環(huán)境問題。目前，國產(chǎn)大型燃煤機組的標準供電煤耗率一般在370390g/(kwh)。對鍋爐機組而言，進口機組的經(jīng)濟性一般要比國產(chǎn)機組的經(jīng)濟性高出46%，煤耗率大約低1525g/(kwh)。另外，火電裝機中絕大部分是燃煤機組，由此帶來了嚴重的環(huán)境問題，主要有： 不能充分利用劣質(zhì)燃料

3、（如煤矸石、焦碳、垃圾等）造成矸石山等污染；不易控制污染物（so2、nox）排放，造成酸雨、光化學(xué)煙霧等問題；灰渣綜合利用受限制，如灰場污染等。針對以上問題從20世紀60年代開始， 循環(huán)流化床(cfb)燃燒技術(shù)以其優(yōu)越的燃燒穩(wěn)定性、燃料適應(yīng)性、調(diào)峰能力以及燃燒溫度可控制得相對較低，nox的排放少的特點和優(yōu)勢，近年取得快速發(fā)展。隨著科技進步，尾部煙氣脫硫技術(shù)不斷成熟，投資和運行成本不斷降低，使得cfb在爐內(nèi)簡單脫硫方面的相對優(yōu)勢正在消失。提高燃燒效率和經(jīng)濟性，是cfb燃燒技術(shù)必須認真對待的問題,而其中涉及鍋爐工作的兩個基本過程也就是燃燒與傳熱。在鍋爐中，通過燃燒將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔獾臒崮埽瑹?/p>

4、氣的熱量傳遞給受熱面內(nèi)的工質(zhì)，產(chǎn)生符合要求的蒸汽。由于循環(huán)流化床鍋爐中固體煤顆粒在流化狀態(tài)下燃燒，氣體與固體顆粒、固體顆粒之間以及床層與換熱表面之間發(fā)生熱量傳遞過程，且存在高濃度的物料循環(huán)，其燃燒過程與傳熱機理與常規(guī)煤粉爐有很大的區(qū)別。2 cfb鍋爐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1 國外研究現(xiàn)狀流化床鍋爐的發(fā)展分為兩個階段：鼓泡床鍋爐和cfb鍋爐。流化床1921年最早出現(xiàn)于德國，應(yīng)用于粉煤氣化，二戰(zhàn)期間應(yīng)用于石油催化裂化，后廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶煉、糧食、醫(yī)藥等部門。二十世紀60年代初，“能源危機”的出現(xiàn)使流化床開始應(yīng)用于煤的燃燒，出現(xiàn)了“流化床鍋爐”。國外第一臺商業(yè)cfb鍋爐由芬蘭的奧斯龍（

5、ahlstrom）公司開發(fā)，于1979年在芬蘭pihlava投運；緊接著于1982年，由魯奇（lurgi）公司開發(fā)的、用于燃燒洗煤廠尾料的1臺84mw cfb鍋爐在德國的leunen投運。1985年9月，世界上第一臺96mw再熱式cfb鍋爐在德國杜伊斯堡城市電廠投運并獲得了成功。近20、30年來，cfb鍋爐技術(shù)在國外得到了快速發(fā)展，經(jīng)過多年來的發(fā)展和整合，目前國外cfb鍋爐的生產(chǎn)主要集中在福斯特惠勒奧斯龍（foster wheeler&ahlstrom）公司和阿爾斯通（alstom）公司旗下的幾個子公司中。目前，法國阿爾斯通公司為法國電力公司（edf）推出了600mwe級的超臨界參數(shù)循環(huán)流化床

6、電站鍋爐設(shè)計，由西班牙的endesa generacion電力公司、福斯特惠勒（fw）公司及芬蘭、德國、希臘和西班牙的共六家公司，合作研究發(fā)電功率為800mwe的循環(huán)流化床電站鍋爐（為期三年）。2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國是世界上開發(fā)流化床技術(shù)較早的國家，早在二十世紀六十年代，我國就開始發(fā)展鼓泡流化床技術(shù)。八十年代初，全國各主要大學(xué)和科研院所全面開展了cfb技術(shù)的研究工作。1988年第一臺cfb鍋爐投產(chǎn)，容量為35t/h，1994年，哈爾濱鍋爐廠引進技術(shù)生產(chǎn)的兩臺220t/h cfb鍋爐，在大化電廠投運，開始了我國cfb鍋爐向大型化發(fā)展的進程，1992年起，東方鍋爐廠引進ahlstom技術(shù)，在四川

7、內(nèi)江電廠建設(shè)410t/h的cfb鍋爐，1996年投產(chǎn)發(fā)電，2002年，我國第一臺具有全部知識產(chǎn)權(quán)的410t/h的cfb鍋爐在分宜電廠投運。2003年ahlstom公司為四川白馬電廠提供了一臺300mw的機組，這是我國最早開工建設(shè)的最大單機容量的cfb鍋爐，2005年12月15日投產(chǎn)發(fā)電，標志著我國大型流化床鍋爐已進入運行階段，在國家發(fā)改委等單位的推動下，該廠正在積極籌備建設(shè)600mw等級的cfb鍋爐示范工程，預(yù)計2009年6月1日開工，2011年6月30日前完成168小時運行，這說明我國在cfb鍋爐技術(shù)方面，已經(jīng)由消化、吸收、掌握階段轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新階段。2006年，開遠、秦皇島等電廠的300mw

8、cfb機組已相繼投入運行。另外，國內(nèi)600800mw超臨界cfb鍋爐已設(shè)計完成，這標志著國內(nèi)cfb電站又向大容量、高參數(shù)邁進了一大步。此時，國產(chǎn)75t/h及其以下等級的cfb鍋爐在技術(shù)上已經(jīng)過關(guān)，并已完全取代了這個等級的進口鍋爐，已在國內(nèi)運行的75t/h cfb鍋爐達500多臺，每年燃用低熱值劣質(zhì)煤（煤矸石、泥煤等）400萬噸，既大大節(jié)省了能源，又改善了環(huán)境，取得了顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。此外，在國家相關(guān)部門的引導(dǎo)下，130t/h及其以上等級的cfb鍋爐已研制成功并相繼投運。截至2008年，我國已建成投產(chǎn)8臺300mw的大型cfb機組，居于世界一流水平。目前，國內(nèi)cfb鍋爐已進入快速發(fā)展和

9、普及階段，410-440t/h cfb鍋爐已趨于成熟。我國已成為世界上cfb鍋爐總蒸發(fā)量最大和臺數(shù)最多的國家。2.3 cfb鍋爐發(fā)展趨勢目前，世界各主要工業(yè)國家電網(wǎng)中的主力機組是300600mw級的煤粉鍋爐機組和核電機組。為提高熱效率，各國正積極采用超臨界甚至超超臨界參數(shù)的大容量機組。譬如，早在1985年，美國勃魯斯電站就有兩臺1120mw超臨界機組投運，可用率達94%；20世紀80年代初期，美國超臨界機組投運了170臺，占當時總裝機容量的25%，單機最大容量為1300mw。截至1999年底，我國300mw級煤粉鍋爐機組有215臺，500mw級有7臺，600mw級有16臺，800mw級有2臺，

10、其中超臨界機組有12臺；上海石洞口二廠的兩臺600mw超臨界機組1992年投運，利用率達到91.47%（1994年）?？梢灶A(yù)計，發(fā)展600mw及以上的超臨界、超超臨界大容量發(fā)電機組，將是21世紀我國火電機組發(fā)展的首選方向。顯然，循環(huán)流化床鍋爐要有與煤粉鍋爐機組競爭的能力就必須大型化，積極發(fā)展300、600及1000mw級的循環(huán)流化床鍋爐。3 課題研究內(nèi)容及方法3.1 cfb鍋爐燃燒機理在正常工作狀態(tài)下，cfb鍋爐內(nèi)有大量的惰性物料，燃料僅占物料量的25。一次風通過布風板由鍋爐爐膛底部進人爐內(nèi)，使物料流化。燃料和脫硫劑由給料口進人爐膛密相區(qū)下部，被高溫物料包圍，迅速熱解與著火燃燒；二次風在密相中

11、、上部加入，補充懸浮區(qū)燃燒需用空氣量。cfb內(nèi)的惰性物料補給來源為燃料和脫硫劑，進人爐膛的燃料為08 mm的寬篩分分布，這樣，爐膛內(nèi)的顆粒在一定的運行煙氣速度作用下，存在分層現(xiàn)象，細小顆粒在氣流夾帶作用下隨煙氣一次通過爐膛，屬于氣力輸送范疇；大部分顆粒在氣流夾帶作用下隨煙氣流上升，并不斷聚團和分離，一部分與主氣流分離，在壁面附近形成向下的粒子流，構(gòu)成爐膛內(nèi)循環(huán)，另一部分離開爐膛后被分離器分離后回送爐膛底部；不能被煙氣攜帶的大顆粒則停留在床內(nèi)。與此相應(yīng)，燃料在cfb內(nèi)的燃燒方式主要呈現(xiàn)以下3種形式，第1種為懸浮式燃燒方式：細顆粒燃料被上升氣流攜帶并燃燒，且不能被分離器分離，從而一次通過爐膛，隨煙

12、氣進入除塵器；第2種為循環(huán)燃燒方式：中等顆粒燃料被上升氣流攜帶并燃燒，離開爐膛的物料及大部分未燃燼煤粒經(jīng)分離器分離，由回料器返送爐膛底部，循環(huán)燃燒；第3種為流化燃燒方式：大于攜帶粒徑的較大顆粒燃料在被上升氣流攜帶過程中與氣流分離，并返回床內(nèi)，在爐膛內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)并燃燒，并最終由排渣口從爐膛底部排出。由于cfb內(nèi)的粒子聚團作用，以及燃料顆粒的燃燒爆裂和磨耗作用，3種燃燒方式之間會有一定的轉(zhuǎn)化。大部分cfb鍋爐以煤為主要燃料，通常認為煤在cfb鍋爐中的燃燒過程大致經(jīng)歷以下四個連續(xù)變化的階段：顆粒被加熱和干燥、揮發(fā)分的析出和燃燒、煤顆粒膨脹和破裂（一級破碎）、焦炭燃燒和再次破裂（二次破碎）。實際上，煤

13、顆粒在cfb中的燃燒過程不能簡單地被劃分成上述幾個孤立階段，并認為是“串連”進行的，因為有時往往幾個過程會同時“并聯(lián)”發(fā)生。譬如大量的試驗研究表明，揮發(fā)分的析出、燃燒過程與焦炭的燃燒過程存在明顯的重疊現(xiàn)象。在鍋爐啟動達到滿負荷后，應(yīng)該及時調(diào)整流化風量，以減少磨損，降低能耗，一般床溫控制在860左右，一次流化風量在150000 m3/h以下根據(jù)煤質(zhì)不同，負荷不同，保證滿足床內(nèi)物料流化的前提下盡量保持低風量運行。3.2 cfb鍋爐傳熱機理循環(huán)流化床鍋爐的傳熱概念涉及范圍很廣，包括爐內(nèi)和爐外。具體有氣體與固體顆粒以及顆粒之間的傳熱；床層與水冷壁之間的傳熱；床層與爐內(nèi)埋管間的傳熱；循環(huán)灰分離器或氣體一

14、次分離器內(nèi)的傳熱等。而研究的重點是爐內(nèi)傳熱，尤其是床層與受熱面之間的傳熱。運行穩(wěn)定的cfb鍋爐內(nèi)是一個均勻而穩(wěn)定的大蓄熱體，并伴隨著高濃度的物料循環(huán)，爐內(nèi)的傳熱和燃燒過程同時發(fā)生。cfb的傳熱基本方式有顆粒對流換熱、氣體對流換熱、輻射換熱，床層與受熱面之間的傳熱分為密相區(qū)與受熱面之間的傳熱和稀相區(qū)與受熱面之間的傳熱。影響爐內(nèi)傳熱的因素有：顆粒濃度、顆粒尺寸及分布、流化速度、床溫、物料循環(huán)倍率、受熱面結(jié)構(gòu)與布置等。對傳熱的影響通過傳熱系數(shù)表觀，即以上因素都直接影響傳熱系數(shù)。但一般認為：cfb中的傳熱系數(shù)主要取決于爐膛中的固體顆粒濃度和運行溫度，爐膛下部固體顆粒濃度相對高些，在爐膛溫度分布比較均勻

15、的條件下，固體顆粒濃度大，傳熱系數(shù)相對較大。而由于爐膛四角區(qū)域相鄰水冷壁面間的固體顆粒游離性較小，輻射傳熱較少，因此爐膛四角的傳熱系數(shù)與壁面平均傳熱系數(shù)相比要稍小一些。cfb鍋爐內(nèi)傳熱情況非常復(fù)雜，目前較為普遍接受的一種理論以顆粒團更新傳熱模型為基礎(chǔ)，表明在較高氣速的作用下，cfb鍋爐內(nèi)(尤其是稀相區(qū))物料在運行中聚合成許多絮狀顆粒團，它們時而變形，時而分解，時而重新組合。同時，還有許多分散于氣相中的固體顆粒存在。顆粒團更新傳熱理論認為，cfb床內(nèi)受熱面由一層氣膜覆蓋，受熱面與氣膜直接進行熱交換。同時，顆粒團通過與氣膜接觸，其熱量以傳導(dǎo)輻射兩種方式傳給受熱面，氣相與氣膜接觸時，其熱量通過氣膜以

16、對流的方式傳入受熱面。與此同時，被氣膜隔開的顆粒團也與受熱面進行著輻射換熱(如圖所示)。3.3 主要研究內(nèi)容 循環(huán)流化床鍋爐燃燒機理及方式分析通過學(xué)習相關(guān)文獻和東方電廠循環(huán)流化床鍋爐相關(guān)資料，分析循環(huán)流化床鍋爐的燃燒機理。進而在燃燒劣質(zhì)燃料基礎(chǔ)上從改變爐膛結(jié)構(gòu)的角度下手，提高燃燒效率。 循環(huán)流化床鍋爐傳熱特性及影響傳熱的因素分析進一步查閱循環(huán)流化床燃燒與傳熱的相關(guān)文獻，并通過到東方電廠現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析東方電廠cfb鍋爐的傳熱影響因素。 循環(huán)流化床鍋爐燃燒與傳熱特性的耦合特性分析鍋爐中的燃燒和傳熱兩個過程同時進行，互相影響。cfb鍋爐由于爐內(nèi)灰濃度高(是常規(guī)煤粉爐的幾十倍)，極易發(fā)生爐內(nèi)水冷壁

17、磨損，導(dǎo)致水冷壁爆管停爐。燃用高灰分劣質(zhì)煤時，磨損問題更加突出，直接影響傳熱特性。為此必須考慮cfb鍋爐中的防磨問題，同時務(wù)必考慮不能對傳熱削弱太明顯。理論分析以及計算表明，加裝防磨裝置可以使爐膛過渡區(qū)位置的磨損速率降低為原來的1/16左右，對爐內(nèi)傳熱的影響僅為5%左右，負荷和工況不變時可能引起的床溫升高約為2030?；谏鲜鰡栴}燃燒與傳熱這兩個特性需要耦合考慮，從改變爐膛結(jié)構(gòu)方面兼顧兩方面特性進行分析。3.4 研究方法課題采用“理論實踐再理論”的研究方法。通過查閱學(xué)習相關(guān)資料，結(jié)合所學(xué)的循環(huán)流化床鍋爐相關(guān)理論，了解cfb鍋爐概況；通過到東方電廠進行實踐學(xué)習，分析cfb鍋爐結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)特點，并現(xiàn)

18、場采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為畢業(yè)論文的撰寫打下基礎(chǔ)；通過對鍋爐數(shù)據(jù)的整理，并參照國內(nèi)外相關(guān)的改進措施，分析燃燒與傳熱耦合特性。4 課題研究工作計劃及時間安排第 35 周 畢業(yè)實習第 6 周 查閱文獻、撰寫開題報告并開題第 78 周 對文獻進行更深的學(xué)習分析第 911 周 去現(xiàn)場進行采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù) 第 12 周 撰寫中期報告并進行中期檢查第 1315 周 進一步分析燃燒與傳熱耦合特性第 16 周 整理畢業(yè)論文、撰寫期刊論文第 17 周 提交畢業(yè)論文、老師審閱、預(yù)答辯第 18 周 ppt正式答辯5 課題預(yù)期目標通過此課題的論文研究，初步掌握現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集方法和處理方法，同時，通過大量科技文獻的閱讀和對專

19、業(yè)知識的深入思考，鞏固所學(xué)專業(yè)課基本理論；通過對英文文獻的翻譯，提高專業(yè)英語水平，為我繼續(xù)深造讀研打下堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1 李長年440t/h循環(huán)流化床鍋爐優(yōu)化燃燒淺談j科技資訊，2007，3：220-2212 肖 平，蔣敏華，徐正泉等cfbb多階防磨裝置及其對爐內(nèi)傳熱的影響研究j.熱力發(fā)電，2009，38(5)：51-553 程樂鳴，王勤輝，施正倫等大型循環(huán)流化床鍋爐中的傳熱j動力工程，2006,26(3):305-3104 任強強，趙長遂，李英杰等稻殼循環(huán)流化床燃燒特性研究j鍋爐技術(shù)，2007，38(4)：38-425 黨黎軍，蔣敏華，孫獻武等給煤中的細顆粒在循環(huán)流化床中的燃燒組織j鍋爐技術(shù)，2007，38(2)：24-276