循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計

1、循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計顧亞平 , 光 昕 , 牛長山(西安交通大學 能動學院 , 陜西 西安 710049 摘 要 :并提出循環(huán)倍 率關(guān)系式設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)的方法 , 。 圖 1參 4 關(guān)鍵詞 :循環(huán)流化床鍋爐 ; 循環(huán)系統(tǒng) ; 設(shè)計 中圖分類號 :T K229. 6+6and Design of the CirculationSystem of Circulating Fluidized Bed BoilersGU Ya 2ping , GUAN G Xin , N IU Chang 2shan(College of Power and Energy Resources , Xi

2、 an Jiaotong University , Xi an , Shanxi 710049Abstract :The paper explicates the intent and the design usage of the fomula which expresses the circulation rate of circulating fluidized bed boilers circulation system , suggests a way of using it in the system s design and dis 2cusses the problem of

3、harmonizing the design for furnace combustion with that for heat trans fer. Fig 1, table 1and refs 4K ey w ords :fluidezed bed boiler ; circulating system ; design收稿日期 :1999209208作者簡介 :顧亞平 (1945- , 男 , 西安交通大學能動學院副教授 , 主要從事氣、 固兩相流與循環(huán)流化床鍋爐的研究工作。0 前言循環(huán)流化床 (CFB 鍋爐是一種可實現(xiàn)低污染 排放 、 高效率燃燒的具有多方面優(yōu)點的新型熱能設(shè)備 。 CF

4、B 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)是由多個部件串聯(lián)組 成的 , 涉及到流動 、 燃燒和傳熱等多方面的問題 , 其設(shè)計的可靠性比普通燃燒設(shè)備更為復雜和重 要 。 本文著重闡述 CFB 循環(huán)系統(tǒng)倍率關(guān)系式的 意義及在循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計中的應用 , 提出用循環(huán)倍 率關(guān)系式設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)的方法 , 分析爐膛特別是 密相區(qū)的燃燒和傳熱設(shè)計的協(xié)調(diào)配合問題 。 1 對 CFB 循環(huán)系統(tǒng)的要求CFB 鍋爐是具有爐膛 、 分離器 、 立管 、 回料器 等部件構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng) (如圖 1所示 , 此系統(tǒng)將飛出爐膛的較粗的 、 可燃的固體顆粒通過分離器 捕集下來 , 經(jīng)立管 、 回料器回送入爐膛 , 實施循環(huán)燃燒 , 從而可以獲得高的燃燒效率

5、 。 CBF 鍋爐循 環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的運行必須滿足燃燒 、 流動和 傳熱等多方面的要求 1。(1 必須滿足循環(huán)系統(tǒng)對動力的要求 。 通常 根據(jù)系統(tǒng)的總阻力選擇合適的送 、 引風機來達到 。(2 CFB 循環(huán)系統(tǒng)是一種固體顆粒的質(zhì)量循 環(huán) , 必須滿足固體質(zhì)量連續(xù)定律 。循環(huán)系統(tǒng)在運 行中應確保具有穩(wěn)定的循環(huán)物料量 , 這是 CFB 循 環(huán)系統(tǒng)設(shè)計 、 爐膛傳熱和燃燒設(shè)計的基礎(chǔ) 2。(3 必須滿足燃燒要求 。 應充分利用和發(fā)揮 循環(huán)燃燒的優(yōu)點 , 保證系統(tǒng)有滿意的燃燒效率 。(4 必須滿足傳熱要求 。 與具有普通燃燒設(shè) 備的鍋爐一樣 ,CFB 鍋爐爐膛中應布置恰當?shù)氖?熱面 , 傳遞與鍋爐蒸發(fā)

6、量相應的熱量 。(5 CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)爐膛存在密相區(qū)與虛 相區(qū) , 爐膛中應具有合適的溫度和溫度分布 , 系統(tǒng) 在可能的各種運行工況下燃燒溫度必須限制在允8 發(fā)電設(shè)備 (2000No. 4 循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計 圖 1 CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)簡圖1-爐膛 ;2-分離器 ;3-立管 ;4-回料器 ;5-水冷壁許的范圍內(nèi) , 不至于發(fā)生系統(tǒng)超溫 , 甚至引起結(jié)渣或溫度過低而影響燃燒 。2 CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)倍率分析CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)物料量可以用循環(huán)倍率表示 , 其定義為回送入爐膛的循環(huán)物料量與 給煤量之比 。在改爐實踐與理論分析的基礎(chǔ)上 , 我們推導得系統(tǒng)循環(huán)倍率關(guān)

7、系式 3,R =( 1-(1 式中 , R 為系統(tǒng)的循環(huán)倍率 , a fm 為燃煤進入爐膛 一次上升進入分離器的相對于給煤的質(zhì)量份額 , r xh 為循環(huán)物料相對于給煤的循環(huán)燃燒份額 , 為 分離器的分離效率 。a fm 、 r xh 為作者在改爐實踐和調(diào)試中 , 經(jīng)過分 析總結(jié)而設(shè)計出來的經(jīng)驗性系數(shù) 。 a fm 主要與流 化速度 (爐膛結(jié)構(gòu) 和煤種 、 燃煤特性及煤的顆粒 度有關(guān) , r xh 反映循環(huán)燃燒特征 。 在系統(tǒng) 、 煤種 、 顆 粒度和運行工況確定并保持穩(wěn)定的情況下 , 這兩 個系數(shù)是十分穩(wěn)定的 。循環(huán)倍率關(guān)系式集中反映了循環(huán)倍率 R 在 循環(huán)系統(tǒng)出口受分離器性能的影響 , 在

8、循環(huán)系統(tǒng) 進口受給煤 (包括脫硫劑 特性的影響 , 在系統(tǒng)的 爐膛中受流化速度 u g 的影響 。式 (1 將與循環(huán) 倍率有關(guān)的諸因素通過建立物理模型歸結(jié)為a fm 、 r xh 、這三個因素的影響 。 由式 (1 可知 , 系統(tǒng)循環(huán)倍率 R 與 a fm 、 r xh 、有關(guān) , CFB 系統(tǒng)循環(huán)物料的建立和得于維持依賴于 a fm 、。 r xh 是系統(tǒng)實施循環(huán)燃燒的結(jié)果 , 反映 了系統(tǒng)的循環(huán)燃燒性能 。如果 CFB 循環(huán)系統(tǒng)一 經(jīng)確定 , 即爐膛 、 分離器 定 , , 關(guān)系式 (1 是從物理模型出發(fā)導 , 其中一部分在密相區(qū)燃 燒 , 另一部分隨氣流上升并進入分離器 , 經(jīng)分離器 分

9、離下來的物料通過回料器回送入爐膛實施循環(huán) 燃燒 。 從概念上說 , 在爐膛中的燃燒沿爐膛高度 可分為密相區(qū)的燃燒和虛相區(qū)的燃燒 , 就有 、 無循 環(huán)而言 , 可分為煤的一次燃燒和循環(huán)物料的循環(huán) 燃燒 。 公式推導的前提是 : 循環(huán)系統(tǒng)確定 , 即組 成系統(tǒng)的各部件 、 爐膛 、 分離器 、 立管 、 回料器等確 定 ; 運行工況確定 , 即循環(huán)系統(tǒng)處于某一實際存 在的工況下 , 爐膛的流化速度 u g , 燃煤 、 燃煤顆粒 度及分布 , 鍋爐運行參數(shù)等確定 ; 系統(tǒng)及運行工 況保持穩(wěn)定 。因此 , 實際上系統(tǒng)滿足質(zhì)量平衡條 件 、 熱量平衡條件 , 也滿足當時的燃燒條件 、 動力 條件 。

10、 對于循環(huán)系統(tǒng)來說 , 穩(wěn)定狀態(tài)下 , 始終有循 環(huán)物料量 G 在系統(tǒng)內(nèi)流動 , 從分離器逸出的飛灰 量將由進入系統(tǒng)的相當于 (a fm -r xh 份額的質(zhì)量 得到補充 , 系統(tǒng)處于周而復始的循環(huán)運行狀態(tài) 。在循環(huán)系統(tǒng)中 , 分離器對于維持物料循環(huán)并 確保循環(huán)倍率 R 起著關(guān)鍵的作用 , a fm 起著循環(huán) 物料的 “ 源” 的作用 。 分離器的選配首先應按燃燒 要求來考慮 , 并應充分考慮到實際運行中的不利 情況 (如分離器性能因磨損而變差 、 燃煤特性的波 動 、 煤種變化等 , 盡量選用高性能的分離器 。對 于無埋管受熱面的 CFB 循環(huán)系統(tǒng) , 必須配以分離 效率足夠高的高性能分離器

11、 , 由循環(huán)倍率關(guān)系式 分析 , 在這種情況下單純用慣性分離器是不可行 的 , 慣性分離器的極限粒徑粗 、 且 值低 , 系統(tǒng)所 具有的循環(huán)倍率很低 , 是不能滿足燃燒要求的 ; 對 于有埋管的鼓泡床采用飛灰回燃的循環(huán)系統(tǒng) , 也 需要配以相對高性能的分離器 , 否則 , 回燃部分的 收益或者燃燒效率也不會理想 。還需指出 , 某一系統(tǒng)實際存在的 R 值已經(jīng)完 整地表達了 CFB 系統(tǒng)在一定的動力條件 、 燃燒和9 循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計 發(fā)電設(shè)備 (2000No. 4傳熱條件下的綜合結(jié)果 , 其中 a fm 、 r xh 、 均表示 系統(tǒng)在該情況下的實際數(shù)值 , 循環(huán)倍率關(guān)系

12、式對 于具有循環(huán)燃燒的 CFB 系統(tǒng)是普遍適用的 。4 關(guān)于循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)應滿足燃燒和傳熱的要 求 , 在爐膛布置適當?shù)氖軣崦?, 吸收一定的熱量 , 同時使爐膛出口有合適的煙溫 。4. 1 循環(huán)系統(tǒng)對燃燒性能的要求CFB燃燒效率 。 為此 ,性能的要求 。 ,a fm -ra A 100-C fh =(a fm -r xh +R (1- (2 式中 , a fh 為從分離器飛出的飛灰份額 , A y 為煤的 應用基灰分百分數(shù) , C fh 為飛灰含碳量 。可見 , r xh 與 C fh 是等效的 , 均是反映燃燒性能的 , 對于某一 特定的系統(tǒng) , r xh 是反映循環(huán)

13、燃燒效率的參數(shù) , 而 C fh 直接反映飛灰中機械不完全燃燒損失的程度 , 是影響循環(huán)系統(tǒng)燃燒效率的主要損失項 。 r xh 可 以用 C fh 來等效地衡量 , r xh 主要與 R 有關(guān) 。循環(huán) 倍率愈高 , 則相應的燃燒效率也愈高 。 因此 , CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)倍率應根據(jù)對于燃燒性能的 要求來設(shè)計 , 如果 C fh 偏高 , 則意味著燃燒效率偏 低 , 其主要原因是循環(huán)倍率偏低 , 應設(shè)法從提高循 環(huán)倍率著手 。4. 2 CFB 循環(huán)系統(tǒng)受熱面布置的影響CFB 鍋爐爐膛中的燃燒通?？煞譃槊芟鄥^(qū) 和虛相區(qū)兩部分 , 密相區(qū)較虛相區(qū)有較大的顆粒 濃度 , 不同的系統(tǒng) , 其密相

14、區(qū)燃燒量也有很大的差 別 , 因而分別在密相區(qū)和虛相區(qū)布置恰當?shù)氖軣?面 。 由于 CFB 爐膛的流化速度可以在很寬的范 圍內(nèi)變化 , 其流態(tài)的變化造成爐膛中密相區(qū) 、 虛相 區(qū)的物料濃度有很大的不同 , 對傳熱的影響也有 很大的差別 。如虛相區(qū)受熱面布置不當 , 則可造 成爐膛出口溫度偏離設(shè)計值或者影響爐膛中煙氣 溫度的分布 , 將影響過熱汽溫 。如密相區(qū)受熱面 布置不當 , 則將影響密相區(qū)的溫度和燃燒工況 , 嚴 重時將影響系統(tǒng)的正常運行 。4. 3 密相區(qū)可靠運行的限制性條件從循環(huán)系統(tǒng)角度看 , 影響受熱面布置的最顯 著因素則是爐膛中固體顆粒濃度 。 要能恰當布置 受熱面 , 首先依賴于

15、準確估計爐內(nèi)的固體顆粒的 濃度及燃煤進入密相區(qū)和虛相區(qū)燃燒的比例 , 依 賴于對系統(tǒng)循環(huán)量即循環(huán)倍率的確定 。CFB 循環(huán)系統(tǒng)密相區(qū)的運行工況尤為復雜 , 。如給煤 、 脫硫 、 二次風等多從密 ,。 CFB 循環(huán)系統(tǒng)的爐結(jié)渣和鍋爐負荷受限 。4. 4 爐膛密相區(qū)的熱平衡給煤進入爐膛密相區(qū)以后 , 有一部分進入密 相區(qū)燃燒 ; 另外 , 分離器分離下來的循環(huán)物料經(jīng)回 料器也進入爐膛密相區(qū)燃燒 , 這兩部分進入爐膛 密相區(qū)燃燒的總量可以用密相區(qū)燃燒份額 表 示 4。 每公斤煤送入爐膛的可用熱量 Q lQ l =Q r 1-q +q100-q 4+Q k (3 每公斤燃煤在密相區(qū)的有效放熱量 Q

16、lmxQ lmx =Q r 1-100-q 4+Q k (4 布置在密相區(qū)受熱面吸收的熱量 Q mxQ mx =Q lmx -(100-q 4 -I mx (5 式中 , Q r 為每公斤燃煤帶入爐膛的熱量 , Q k 為隨 1kg 燃煤空氣帶入爐膛的熱量 , C ; 、 C ; 分別為 循環(huán)物料在密相區(qū)出口和進口的焓 , I mx 為密相區(qū) 出口煙氣的焓 , 為保熱系數(shù) 。式 (5 為 CFB 循 環(huán)系統(tǒng)密相區(qū)的熱平衡方程 。4 . 5 爐膛密相區(qū)燃燒和傳熱設(shè)計的協(xié)調(diào)配合 按照熱平衡方程 (5 來設(shè)計 CFB 循環(huán)系統(tǒng)是 保證燃燒和傳熱協(xié)調(diào)的基礎(chǔ) 。 所謂密相區(qū)燃燒和 傳熱的協(xié)調(diào)就是用熱平衡

17、方程 (5 對密相區(qū)的煙 溫進行校核 , 在系統(tǒng)實際的循環(huán)倍率可能的變動 范圍內(nèi) , 在密相區(qū)燃燒份額 可能的變動范圍 內(nèi) , 密相區(qū)始終保持正常的燃燒溫度 , 不出現(xiàn)煙溫 過高甚至危及運行 。有些 CFB 鍋爐投運后出現(xiàn) 密相區(qū)煙溫偏高 , 爐膛上部煙溫偏低 , 上下偏差達 100°C 或以上 , 且有的出力還偏低 。究其原因有 的就是由于密相區(qū)燃燒和傳熱設(shè)計不協(xié)調(diào)所致 。 1發(fā)電設(shè)備 (2000No. 4 循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計由于密相區(qū)燃燒份額偏大 , 循環(huán)倍率 R 偏低 , 密 相區(qū)未布置受熱面或布置不足等原因引起密相區(qū) 煙溫升高 , 當煙溫升高到發(fā)生結(jié)渣的危

18、險溫度時 , 鍋爐的運行操作將受到限制 , 這時鍋爐如未達額 定負荷時的給煤量 , 則鍋爐的出力也將受到限制 , 欲改變這種不協(xié)調(diào)的情況 , 可以從熱平衡方程查 清原因 , 采取相應的措施 。 CFB 爐膛密相區(qū)根據(jù) 循環(huán)倍率關(guān)系式和熱平衡方程來布置受熱面 , 則 能保證其有合適的溫度 。影響 CFB主要因素是循環(huán)倍率 R不變時 , R , , R 基 本為常量 ; 當 R , 但變動幅度 不太大 。 與燃煤特性 、 顆粒度及其分布 、 流化速 度等有關(guān) , 已通過 (1 式的 a fm 、 r xh 反映在其中了 , 可看作一個運行因素 , 有一定的變化幅度 , 它對密 相區(qū)的煙溫有相當大的

19、影響 。循環(huán)倍率 R 對密 相區(qū)的煙溫影響反映在它的蓄熱能力上 , R 大 , 系統(tǒng)熱容量大 , 在某些因素波動時 , 可使密相區(qū)煙 溫波動減小 , 有利于溫度的穩(wěn)定 。在設(shè)計中應對 R 、 以及它們在運行中可能的變動幅度作恰當?shù)墓烙?, 如變化幅度過大 , 則影響系統(tǒng)的可靠運行 。這里以某一 CFB 循環(huán)系統(tǒng)為例分析 對密 相區(qū)出口煙溫 ; mx 的影響 。系統(tǒng)設(shè)計煤種為混 煤 , 應用基低位發(fā)熱量 Q yDW=22483kJ /kg , 干燥 基 含 碳 量 C g =63. 55%, 干 燥 基 灰 分 A g = 21. 51%, 可燃基揮發(fā)份 V r =30. 00%。 爐膛密相 區(qū)

20、下部有一定高度未布置受熱面 , 二次風全部從 未布置受熱面的區(qū)域送入 。為簡便計 , 本例中將 開始布置受熱面的截面作為校核密相區(qū)溫度的分 界面 , 這樣 , 上述密相區(qū)溫度校核區(qū)域的熱平衡方 程可寫成 :I mx +100-q4=Q r 1-100-q 4+Q k(6 假定爐膛出口溫度 ; l =850°C , 回料溫度 ; 回 =850°C , 根據(jù) (6 式計算得不同密相區(qū)出口煙溫 ; mx 和不同循環(huán)倍率 R 下相應的密相區(qū)溫度校核 區(qū)域燃燒份額 如表 1所示 , 所供入的風量按爐 膛出口過量空氣系數(shù) l =1. 20考慮 。表 1 不同出口煙溫下密相區(qū)溫度校核區(qū)域

21、的 值mxt/(變動 00. 35370. 38120. 40910. 0. 46640. 4958176 10. 0. 47920. 5120158 50. 3964. 0. 0. 53030. 5770120 00. 47110. 53190. 59430. 658284 0. 35370. 44220. 53300. 62630. 72220. 820654 300. 35370. 47270. 59500. 72080. 85010. 983040 計算結(jié)果表明 , 密相區(qū)出口煙溫 ; mx 隨密相 區(qū)燃燒份額 增加而增加 , 在 R 較小時增加幅度 較大 , 在 R 較大時增加幅度較

22、小 。表中 , 當 平 均增加 0. 1時 , R =1, 煙溫升高 158°C , R =30, 煙 溫升高 40°C 。因此 , 在系統(tǒng)循環(huán)倍率較大時 , 允 許燃煤在密相區(qū)的燃燒份額有較大的變化而不發(fā) 生超溫結(jié)渣 。對于回料溫度低于爐膛出口溫度的所謂中溫 回料循環(huán)系統(tǒng) , 在某一循環(huán)倍率下 , 與高溫回料時 相仿 , 密相區(qū)出口煙溫 ; mx 隨密相區(qū)燃燒份額 增加而增加 , 所不同的是回料溫度較低 , 在密相區(qū) 要吸收較多的熱量才能加熱到密相區(qū)出口的煙 溫 。 因此 , 在同樣情況下密相區(qū)需要較大的 值 。 在循環(huán)倍率較高時 , 可能出現(xiàn)密相區(qū)溫度偏 低 , 甚至造

23、成爐膛密相區(qū)燃燒不穩(wěn)或者熄火 , 這是 同樣需要注意的 。4. 6 對燃煤預處理系統(tǒng)的設(shè)計要求由于密相區(qū)燃燒份額 對密相區(qū)出口煙溫 的顯著影響 , 對燃煤處理系統(tǒng)應有較高的要求 , 即 要求它要有較寬的處理范圍 , 使燃煤的顆粒特性 具有一定的應變能力 , 以適應系統(tǒng)調(diào)整的需要 。 在運行中如出現(xiàn)密相區(qū)燃燒和傳熱不協(xié)調(diào) , ; mx 過高或過低 , 在一定的限度內(nèi)可以把改變?nèi)济侯w 粒度及其分布作為一種調(diào)整措施 , 通過改變顆粒 度來改變?nèi)紵蓊~ , 從而改變密相區(qū)煙溫 。 5 結(jié)論(1 由物理模型導得的 CFB 鍋爐固體物料 (下轉(zhuǎn)第 42頁 11分層燃燒裝置在鏈條爐上的應用 發(fā)電設(shè)備 (20

24、00No. 4表 2 1號爐風壓、 排煙溫度對比表時間電負荷(MW 送風機出口風壓 (kPa 甲乙預熱器出口風壓 (kPa 甲乙排煙溫度 (甲乙1998. 1. 72203. 02. 50. 51. 01711661998. 2. 202402. 42. 00. 71. 01671641998. 6. 23002. 52. 31. 21. 21771998. 8. 122602. 32. 001671998. 12. 82502. 52. 2891681601999. 1. 212402. 12. 1. 1. 21541551999. 8. 172901. 01. 01811821999. 1

25、0. 52502. 2. 00. 70. 7174171 。鍋爐原效率 y =T 1由于 排 煙 溫 度 下 降 后 , 鍋 爐 效 率 y =( T 1=T 1+T 1=1600=0. 6%5. 3 回報率每天消耗 :兩臺預熱器吹灰用乙炔 1. 7瓶 ; 按 每年 290天計 ,每年消耗 :75元 /瓶 ×1. 7×290=3. 7萬元 ;吹灰器設(shè)備費用 30萬元 ; 投資效率 :(75-3. 7 ÷30=2. 38投運一年內(nèi)即可收回全部投資 。6 結(jié)論由于該種吹灰器效果明顯 , 回報率高 , 其消耗運行費用是蒸汽吹灰器的二分之一 (比蒸汽吹灰 器低 230元 , 因此全國已經(jīng)有 7個省 16個電廠 40臺鍋爐采用 。(上接第 11頁 循環(huán)倍率關(guān)系式從理論上揭示了循環(huán)系統(tǒng)的基本 規(guī)律和工作原理 。在 CFB 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計 和運