循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器

1、淺析循環(huán)流化床外置式換熱器學(xué)院:*班級:*學(xué)號:*姓名:*摘要:循環(huán)流化床鍋爐大型化過程中,外置式換熱器是一個不可回避的問題。此論文中論述了循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器發(fā)展現(xiàn)狀、特性及其必要性,通過對當(dāng)今循環(huán)流化床鍋爐大型化進程中外置式換熱器的分類介紹,總結(jié)了各個種類外置式換熱器的結(jié)構(gòu)特點.介紹了循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器流動及傳熱的研究現(xiàn)狀及成果.提出了外置式換熱器流動和傳熱研究過程中需要注意的幾個問題。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床外置式換熱器引言循環(huán)流行化床鍋爐技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展的一項高效低污染清潔燃燒枝術(shù)。國際上這項技術(shù)在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物處理利用等領(lǐng)域已得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用,并向幾十萬

2、千瓦級規(guī)模的大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展;國內(nèi)在這方面的研究、開發(fā)和應(yīng)用也逐漸興起,已有上百臺循環(huán)流化床鍋爐投入運行或正在制造之中。未來的幾年將是循環(huán)流化床飛速發(fā)展的一個重要時期。在循環(huán)流化床鍋爐問世之初,世界上主要有兩大循環(huán)流化床技術(shù)流派,即魯奇型和奧斯龍型,而二者主要區(qū)別在于前者在燃燒室外設(shè)置了外置式換熱器。所謂外置式換熱器就是將爐內(nèi)的一部分受熱面移至爐外,布置在循環(huán)流化床灰循環(huán)回路上的一種熱交換裝置。外置換熱器的功能是將部分或全部循環(huán)灰(取決于鍋爐的運行工況和蒸汽參數(shù)載有的一部分熱量傳遞給一組或數(shù)組受熱面,同時兼有循環(huán)灰回送功能。其通常是由一個灰分配室和一個或若干個布置有浸埋受熱面管束的床室組

3、成。這些管束按灰的溫度不同可以是過熱器、再熱器或蒸發(fā)受熱面。通過調(diào)節(jié)進入外置式換熱器和返料裝置的循環(huán)物料流量的比例,實現(xiàn)對床溫控制和汽溫的控制。與不帶外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐相比,外置式換熱器使燃燒和傳熱分開,大大提高了床溫、汽溫調(diào)節(jié)和鍋爐負荷調(diào)節(jié)的靈活性。他尤其有利于鍋爐受熱面的布置,特別是再熱器的布置,易于循環(huán)流化床鍋爐的大型化。但外置式換熱器使循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和運行控制系統(tǒng)復(fù)雜化,投資增加,因此它在中小容量循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用并不占優(yōu)勢。一、外置式換熱器的發(fā)展及現(xiàn)狀在循環(huán)流化床鍋爐研制初期,一些有遠見的研究者就提出了在分離器與爐膛之間裝置熱交換器的設(shè)想,其目的是為了更好地控制床

4、溫。世界上最早的商用循環(huán)流化床鍋爐,1982年投運的德國魯奇公司的50t/h 循環(huán)流化床鍋爐就裝備了外置式換熱器,并且它后來成為魯奇型循環(huán)流化床鍋爐最具特色和個性的部分。但是,初期的魯奇型循環(huán)流化床鍋爐因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高而缺乏市場競爭力。就外置式換熱器而言,它要求回料閥具有灰量調(diào)節(jié)能力。高難度的回料系統(tǒng)設(shè)計增加了用戶對其可靠性的擔(dān)憂。并且,由于外置式換熱器置于爐外,它對鍋爐膨脹和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計都提出了新的要求。二十世紀(jì)八十年代中后期,芬蘭奧斯龍公司在循環(huán)流化床領(lǐng)域異軍突起,它針對初期魯奇型循環(huán)流化床鍋爐存在的問題,推出了Pyflow型循環(huán)流化床鍋爐。它的特點是取消了外置式換熱器,回料灰全部直接

5、進入爐膛,在爐膛上部布置有輻射式受熱面。Pymflow型循環(huán)流化床鍋爐以其結(jié)構(gòu)簡單、造價低、性能可靠而迅速打開了市場,并成為20世紀(jì)80年代中期至90年代初循環(huán)流化床鍋爐市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。同時,德國拔伯葛(Babcock公司推出了以中溫分離和低倍率循環(huán)為主要特征的Ciofluid型循環(huán)流化床鍋爐,它同樣也取消了外置式換熱器。以Pyroflow型為代表的低成本循環(huán)流化床鍋爐(無外置式換熱器,在中小型燃煤鍋爐的市場中已具有一定的優(yōu)勢。但是,在大型化過程中,這種循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)面臨難以克服的困難,這些困難主要是:蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面平衡布置的困難;床溫難以控制;再熱汽溫缺乏調(diào)節(jié)手段;燃料適應(yīng)性范圍不

6、廣等。這些困難有一些是可以克服的,但是在克服其中一些困難的同時,另一些問題變得更加難以解決。與此同時,采用魯奇公司技術(shù)的法國ALSTOM公司、原美國ABB-CE公司為了適應(yīng)循環(huán)流化床鍋爐大型化的需要,對外置式換熱器的技術(shù)完善化作了不懈的努力。美國福斯特惠勒公司在其大型鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)上,獨立發(fā)展了循環(huán)流化床鍋爐,在大型化過程中,參照了各方經(jīng)驗,并收購了奧斯龍公司后,也對外置式換熱器作了很多研究和改進。1995年11月,由法國ALSTOM公司制造的250MW機組循環(huán)流化床鍋爐在普羅旺斯Gardanne電廠正式投入商業(yè)運行,在該機組中裝備了4個外置式換熱器。ALSTOM公司還計劃在6001V研機組

7、中使用6個外置式換熱器,并將外置式換熱器大型化。所有這些無疑預(yù)示著外置式換熱器在大型循環(huán)流化床鍋爐中的美好前景。二、發(fā)展外置式換熱器的必要性1、有利于受熱面布置、磨損低隨著鍋爐容量的增加,爐膛水冷壁受熱面面積與爐膛容積之比將減小,當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐的容量超過220t/h時,單靠在爐膛內(nèi)布置水冷壁就很難保證合理的爐膛出口溫度。對此,Pymflow型鍋爐的做法是在爐膛上部(即煤粉爐屏式受熱面的位置布置附加受熱面。但是,布置于爐膛上部的受煙氣和粒子流沖刷的附加受熱面成為鍋爐內(nèi)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域。為減少磨損,Pymflow型鍋爐不得不采用價格極其昂貴的異型管(即所謂“Q管”從而失去了其價格優(yōu)勢。并且,附加

8、受熱面管處于熱強度很高的區(qū)域,而吸熱量又是不可控的,這不僅不利于變工況運行,而且對其傳熱量計算的精確性提出了更高要求。如果使用外置式換熱器,受熱面布置就容易得多了。通過外置式換熱器對分離灰的冷卻,可有效控制床溫和爐膛出口溫度。外置式換熱器其實是一個弱流化床,它的流化速度很低(0.5m/s以下,粒子較細(平均粒徑300m500m,所以它不存在嚴(yán)重的磨損問題。2、負荷調(diào)節(jié)性能好,利于污染物排放控制沒有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐在降低負荷時,只能通過減少燃料量和進風(fēng)量進行。但是,此時爐膛水冷壁的吸熱量不可能按比例減下來。相對較多的吸熱量會使床溫下降,導(dǎo)致燃燒反應(yīng)和脫硫反應(yīng)不完全,效率下降。另外,過

9、熱蒸汽溫度也不易保持。而帶有外置式換熱器的系統(tǒng),在降低負荷時,在減少燃料量和進風(fēng)量的同時,可適當(dāng)減少通過外置式換熱器的循環(huán)灰量,使回灰溫度上升,從而補償了此時爐膛水冷壁相對較多的吸熱量,使床溫相對穩(wěn)定。因此,它在低負荷時仍然有良好的運行工況。穩(wěn)定的床溫和燃燒工況對穩(wěn)定控制N0 S0 、C0、CH 等污染物的排放也是極其重要的。3、良好的汽溫調(diào)節(jié)性能大型鍋爐的蒸汽溫度,尤其是再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)性能是衡量鍋爐性能指標(biāo)的重要方面。以l'ym.floW為代表的沒有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐,在爐膛出口處附加受熱面的吸熱是不可控的,因此,汽溫調(diào)節(jié)只能在煙氣溫度相對較低的尾部煙道完成,調(diào)節(jié)的靈敏

10、度較低。而在帶有外置式換熱器的系統(tǒng)中,可分別在外置式換熱器內(nèi)布置過熱器和再熱器,通過控制流過其中的循環(huán)灰量調(diào)節(jié)過熱汽溫和再熱汽溫。它的調(diào)節(jié)方式簡單靈敏度高、操作性能好?？梢哉J為,帶有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐具有良好的汽溫調(diào)節(jié)性能。4、燃料適應(yīng)性好對于任何燃料,包括常規(guī)燃燒方式難以燃燒的燃料,都可以進行循環(huán)流化床鍋爐的特殊設(shè)計,使之有效燃燒,并滿足鍋爐的各項性能參數(shù)。而一旦一臺循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計完成,因受受熱面布置方式的限制,它的燃料是有限的,它只能燃燒與設(shè)計燃料相同或相近的燃料,否則,鍋爐的出力和汽溫難以保證。因此,如何在一臺循環(huán)流化床鍋爐上提高其燃料適應(yīng)性仍是一個要不斷探索的課題。帶有外

11、置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐在燃料變化時,可以通過改變外置式換熱器的吸熱量來調(diào)整鍋爐輻射吸熱和對流吸熱的比例,從而在維持最佳床溫的條件下達到鍋爐出力和汽溫等參數(shù)的要求。因此,可以說,帶有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐具有良好的燃料適應(yīng)性。5、傳熱性能好在外置式換熱器內(nèi),幾乎充滿了900左右的高溫粒子,因此熱強度極大,傳熱效果很好。根據(jù)ABBCE的資料介紹,與爐膛上部屏式受熱面相比,外置式換熱器的受熱面積可減少3/4以上。6、耐腐蝕性好在燃燒腐蝕性燃料,特別是城市垃圾和工業(yè)垃圾時,在某一溫度區(qū)段(金屬管壁溫度在500左右會發(fā)生HCI氣體腐蝕。因此,這類鍋爐面臨的最大難題是無法提高蒸汽參數(shù)。而采用外置

12、式換熱器就可以很好地解決這個問題,因為外置式換熱器內(nèi)的受熱面不與腐蝕性煙氣接觸,可將金屬壁溫在腐蝕性區(qū)段的受熱面安置在其內(nèi),從而避免腐蝕性氣體對受熱面的侵害。三、外置式換熱器設(shè)計運行中的幾個問題1、鍋爐過熱器噴水容量的影響對于依靠過熱器外置床來調(diào)節(jié)床溫的循環(huán)流化床鍋爐,為了滿足鍋爐過熱和再熱蒸汽參數(shù)的要求,在系統(tǒng)設(shè)計中,過熱器受熱面必須具有一定的裕度,也就是說在鍋爐設(shè)計工況下過熱器要有一定量的噴水。這個裕度的選取要根據(jù)燃用的設(shè)計燃料、校核燃料和設(shè)計單位對爐膛傳熱計算的風(fēng)險情況來進行合理選取。裕度過大,對爐膛溫度、傳熱的調(diào)節(jié)能力越大,但噴水管路系統(tǒng)成本增加,鍋爐大量噴水,尾部對流受熱面流量減小,

13、傳熱效果降低和受熱面成本增加,同時排煙溫度高,對流受熱面壁溫升高。因此,在設(shè)計中要統(tǒng)籌兼顧,合理選擇。2、外置床受熱面布置的影響依靠過熱器外置床對床溫的調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)范圍是有限的,對于現(xiàn)代大型的循環(huán)流化床鍋爐,要求鍋爐對煤種的變化有較好的適應(yīng)性,同時要求鍋爐具有良好的調(diào)峰。因此,在外置式換熱器中同時布置過熱器受熱面,再熱器受熱面和蒸發(fā)、預(yù)熱受熱面(省煤器受熱面,可以使鍋爐各部分受熱面的吸熱量通過外置床進行靈活的調(diào)節(jié)。從理論上分析,只要這三種受熱面在外置床中合理地分配,鍋爐可以在靈活調(diào)節(jié)床溫的同時,過熱器和再熱器都無須噴水就能夠滿足汽溫參數(shù)要求。 更具有意義的是， 如果外置床中布置有一定份額的蒸發(fā)

14、受熱面或省煤器受 熱面， 則鍋爐在低負荷運行時，可通過減少蒸發(fā)受熱面的吸熱來提高低負荷運行 時的床溫， 并使再熱蒸汽和過熱蒸汽參數(shù)滿足汽機要求，增強鍋爐低負荷定壓運 行的能力。特別是循環(huán)流化床鍋爐在燃用無煙煤、貧煤等著火性能差的燃料時， 可大大提高鍋爐低負荷穩(wěn)燃的能力。 3、外置式換熱器熱量分配的影響 關(guān)于每個外置床中布置多少份額吸熱量的問題，國際上不同流派根據(jù)爐型 的不同而有所不同。 經(jīng)過計算分析認為，每個外置床合理的熱量分配要根據(jù)設(shè)計 者所預(yù)想的床溫調(diào)節(jié)范圍、 分離器的數(shù)量和每個分離器的循環(huán)灰流量以及回料器 的設(shè)計等因素來綜合考慮。當(dāng)鍋爐只在外置床中布置過熱器和再熱器受熱面時， 那么鍋爐只

15、有通過調(diào)節(jié)外置床中過熱器的吸熱量才能調(diào)節(jié)床溫， 在調(diào)節(jié)過程中還 要兼顧過熱蒸汽溫度的要求， 此時調(diào)節(jié)床溫的范圍主要受到過熱器受熱面的裕度 和減溫噴水系統(tǒng)余量的限制。 在這種情況下，即使外置床換熱器中過熱器的熱量 分配再大， 床溫的調(diào)節(jié)能力受制于過熱器受熱面的裕度，對床溫的調(diào)節(jié)幅度也是 有限的。另外，外置床中受熱面的熱量分配還要充分考慮以下因素：分離器的數(shù) 量和被分離的循環(huán)物料流量； 回料器安全可靠運行的范圍；灰控制閥的調(diào)節(jié)范圍 和調(diào)節(jié)能力。 由于灰控制在調(diào)節(jié)循環(huán)物料進入 EHE 的過程中，對灰的調(diào)節(jié)作用除受到自 身開度的影響外， 還要受到能夠被分離器分離的循環(huán)物料流量， 回料器結(jié)構(gòu)尺寸、 回料

16、器立管料位和爐膛運行壓力等諸多因素的影響， 因此在設(shè)計中應(yīng)充分考慮占 多少份額的循環(huán)灰能夠順暢地通過灰控制閥進入 EHE，并且在調(diào)節(jié)床溫的變化 過程中，灰控制閥始終都能起到好的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)進入 EHE 灰量在最大時，分 離器也能有足夠的循環(huán)物料量來滿足回料器正常工作， 使?fàn)t膛煙氣不返竄。 此外， 在設(shè)計中還需要認真考慮旋風(fēng)分離器偏離設(shè)計效率的情況。 根據(jù)上海鍋爐廠的經(jīng) 驗，進入每個 EHE 的物料在設(shè)計工況下為進入該 EHE 的分離器物料流量的 2040是比較合理的， 太大和太小均會影響灰控制閥的調(diào)節(jié)性能。上海鍋爐 廠有限公司 200MW 循環(huán)流化床鍋爐，在 BMCR 工況下，EHE 再熱器吸

17、熱量占 再熱熱的 50左右，EHE 過熱器吸熱量占過熱熱的 30左右，進入再熱器和過 熱器，EHE 灰量份額均為 27左右。 四、外置式換熱器發(fā)展趨勢分析 外置式換熱器的一個總體的發(fā)展趨勢：物料循環(huán)方面由傳統(tǒng)的機械閥控制 向氣動控制發(fā)展， 材質(zhì)組成方面由傳統(tǒng)的厚耐火材料向膜式壁加薄耐火材料發(fā)展， 安裝方式方面由傳統(tǒng)的支承方式到懸吊方式再進一步發(fā)展到現(xiàn)在的燃燒室、 外置 床一體的結(jié)構(gòu)。 對于國內(nèi)的情況，由于存在很多小機組改造成 CFBB 的問題和 CFBB 在工 業(yè)鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用問題， 使我們不光要研究外置式換熱器在大型 CFBB 上的應(yīng)用， 還要關(guān)注外置式換熱器在小型工業(yè)鍋爐及老舊鍋爐改造領(lǐng)域

18、的應(yīng)用。 1、外置式換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式：機械閥控制冷、熱灰比例的機械式外置 式換熱器(LurgiCE 型外置式換熱器；氣動控制冷、熱灰比例的非機械式的外 置式換熱器。 2、當(dāng)前對于外置式換熟器的研究存在的幾點問題：外置式換熱器內(nèi)顆粒的 定向流動問題：傳熱管束換熱的均勻性問題；不同受熱面的傳熱控制問題；不同 負荷下，過熱汽溫、再熱汽溫及床溫的協(xié)調(diào)控制問題 3、外置式換熱器灰量控制方式分為機械閥控制和氣動控制。而現(xiàn)今的發(fā)展 趨勢是向著氣動方向發(fā)展 外置床中的灰量流動方式有溢流式與底流式，不同公 司根據(jù)自己不同的理念，同一公司根據(jù)用途的不同有不同的設(shè)計要求。另外，外 置式換熱器發(fā)展創(chuàng)新的過程中存在幾點問題，這些問題有基礎(chǔ)性的研究問題，有 運行中的應(yīng)用問題，并且這些問題都有待我們?nèi)ミM一步探討和驗證 4、未來的外置式換熱器將是：輕型、氣動、與爐膛一體式連接 五、結(jié)束語 外置式換熱器雖然已在循環(huán)流化床鍋爐上得到廣泛的應(yīng)用但對其運行規(guī) 律、漏節(jié)與控制機理還不完全了解，設(shè)計仍然依靠經(jīng)驗和試驗。由于涉及到技術(shù) 機密， 國外很少有公開發(fā)表的外置式換熱器的研究成果，在國內(nèi)有美舶研究和開 發(fā)也起步。 面扶已投運的外露式換熱器來看， 也出現(xiàn)過結(jié)焦、 密損、 受熱新超溫、 結(jié)構(gòu)破壞等問題，以至影響