cfb鍋爐設(shè)計(jì)中物料平衡的分析

cfb鍋爐設(shè)計(jì)中物料平衡的分析

材料平衡是循環(huán)流放鍋爐（cfb）的運(yùn)行基礎(chǔ)。對(duì)于cfb鍋爐的正常運(yùn)行，應(yīng)在爐內(nèi)內(nèi)外保留一定的可循環(huán)材料量。只有正常材料的周期分配量才能保證cfb鍋爐的正常燃燒、輸出和燃燒效率。已有的研究已經(jīng)對(duì)CFB鍋爐的物料平衡進(jìn)行了探索和研究,但還未形成一套較為成熟和公認(rèn)的理論詳細(xì)闡述CFB鍋爐的物料平衡。要對(duì)CFB鍋爐的物料平衡進(jìn)行詳盡研究還需要大量的基礎(chǔ)理論研究,而工程設(shè)計(jì)人員更關(guān)心的是CFB鍋爐對(duì)物料平衡的具體要求是通過什么設(shè)計(jì)參數(shù)來體現(xiàn)和保證的,如何通過設(shè)計(jì)參數(shù)的確定來保證物料平衡系統(tǒng)滿足CFB鍋爐的正常運(yùn)行。CFB鍋爐的實(shí)際運(yùn)行證明,對(duì)常規(guī)的燃料灰份在20%以上,靠燃料自身的灰分就能夠滿足CFB鍋爐運(yùn)行所需要的物料量,但對(duì)一些特殊燃料(如石油焦、生物質(zhì))灰份在5%左右,要維持CFB鍋爐的正常運(yùn)行,需要添加一定的循環(huán)物料。如何在鍋爐性能設(shè)計(jì)時(shí)就能對(duì)物料量的具體要求作出判斷并計(jì)算出需要添加的物料量,目前還未見有詳細(xì)的論文報(bào)道。1物料平衡與爐未來的運(yùn)行CFB鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行表明,在正常的運(yùn)行狀態(tài)下爐膛中上部的壓力按一定規(guī)律衰減,同時(shí)對(duì)爐膛中部的壓力值有一定要求以保證足夠的物料濃度。對(duì)于鼓泡床鍋爐,從熱量平衡出發(fā),在爐膛下部已經(jīng)布置了足夠的受熱面,不需要將大量的熱量帶到爐膛上部并吸收。對(duì)于CFB鍋爐,爐膛上部的換熱系數(shù)取值更大,換熱系數(shù)的增加很大一部分靠物料的對(duì)流換熱得到。因此,只有維持了爐膛中上部一定的物料濃度,才能使?fàn)t膛下部熱量能及時(shí)帶到爐膛上部以保證爐膛的整體溫度分布均勻。對(duì)于CFB鍋爐,煙氣將爐膛內(nèi)的熱量和物料帶到爐膛上部的同時(shí),必然在離開爐膛的同時(shí)將循環(huán)物料和熱量帶出爐膛,熱量以煙氣為熱載體通過尾部煙道的受熱面吸收,而循環(huán)物料需要分離器分離送回爐膛繼續(xù)參與循環(huán)。但是,分離器并不能全部將離開爐膛的循環(huán)物料進(jìn)行分離,總有一部分與煙氣一道進(jìn)入尾部煙道形成飛灰。所以,CFB鍋爐需要分離器滿足一定的分離效率以保證足夠的物料在爐膛內(nèi)循環(huán)。CFB鍋爐帶分離器的結(jié)構(gòu)造成物料循環(huán)上存在兩種循環(huán)方式:爐膛內(nèi)的物料內(nèi)循環(huán)和爐膛與分離器組成的物料外循環(huán)。爐膛出口結(jié)構(gòu)對(duì)CFB鍋爐的物料內(nèi)循環(huán)有一定影響,因?yàn)閹У綘t膛上部的循環(huán)物料并不全部離開爐膛,有部分會(huì)直接返回爐膛,這種物料的內(nèi)循環(huán)現(xiàn)象在試驗(yàn)臺(tái)上已經(jīng)有研究,但物料內(nèi)循環(huán)在CFB鍋爐上有多大的影響,內(nèi)循環(huán)量在實(shí)際的CFB鍋爐運(yùn)行中有多大?還未見具體的研究報(bào)道。按CFB鍋爐的設(shè)計(jì)方法,爐膛換熱系數(shù)一旦確定,在爐膛截面、溫度、循環(huán)物料粒徑等參數(shù)確定的條件下必然對(duì)應(yīng)一定的物料濃度分布要求。定性的分析,CFB鍋爐的物料平衡就是在爐膛內(nèi)形成一定量的物料動(dòng)態(tài)平衡,提供燃料的同時(shí)也是不斷維持該部分物料量的過程。隨著煤質(zhì)和各種運(yùn)行參數(shù)的變化,物料量的多少對(duì)應(yīng)著不同的穩(wěn)定過程。當(dāng)這部分物料量無法穩(wěn)定到一定量的程度時(shí),CFB鍋爐也就無法正常運(yùn)行。這種對(duì)爐內(nèi)物料濃度分布或物料量的要求可以理解為CFB鍋爐正常運(yùn)行對(duì)物料平衡的要求。如果燃料帶入的灰在一定的時(shí)間內(nèi)無法破碎到可帶入爐膛上部的可能,最終將以底渣的形式離開爐膛;同時(shí),燃料帶入的灰過細(xì),分離器無法有效的分離,很快以飛灰形式離開爐膛。已有的CFB鍋爐物料平衡分析認(rèn)為,CFB鍋爐內(nèi)的物料可分為底渣、飛灰、內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料,實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)入爐膛上部的內(nèi)循環(huán)物料的平衡是CFB鍋爐運(yùn)行的基礎(chǔ),對(duì)CFB鍋爐內(nèi)循環(huán)物料量多少的判斷對(duì)實(shí)際運(yùn)行有重要意義。因此,CFB鍋爐物料平衡的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是研究燃料帶入的灰是否滿足運(yùn)行對(duì)爐膛中上部的物料量要求。2分離效率的計(jì)算方法在運(yùn)行中實(shí)行CFB鍋爐物料平衡的控制,最直接的就是控制整體爐膛物料濃度的分布。而實(shí)際的運(yùn)行無法對(duì)物料濃度的分布進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,主要通過沿爐膛高度方向的壓力分布,大致計(jì)算或分析物料濃度的分布,運(yùn)行人員也可通過爐膛中部某點(diǎn)的壓力值進(jìn)行分析和判斷。實(shí)際運(yùn)行的CFB鍋爐爐膛壓力分布的測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)CFB鍋爐運(yùn)行在正常狀態(tài)時(shí),不同負(fù)荷條件下存在一定的壓力分布規(guī)律。在工程設(shè)計(jì)中,假定爐膛上部的內(nèi)循環(huán)量與爐膛內(nèi)的整體物料濃度成正比,則可以取爐膛出口(分離器入口)每標(biāo)米煙氣的物料攜帶率大致定量表征物料平衡對(duì)爐內(nèi)整體物料濃度的要求,而不必分析爐膛內(nèi)的物料濃度分布。由于爐膛出口的煙氣量是一定的,對(duì)應(yīng)著爐膛出口的物料流量和分離器分離下來的物料流量為:Wlt=?BjVy=?B(1-q4)Vy(1)Wcyc=Wltηcyc(2)式中:Wlt——爐膛出口的物料流量,kg/s?——煙氣的物料攜帶率,kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)Bj——計(jì)算燃料消耗量,kg/sVy——爐膛出口煙氣量,m3/kg(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)B——實(shí)際燃料消耗量,kg/sq4——機(jī)械未完全燃燒損失Wcyc——分離器分離下來的物料流量,kg/sηcyc——分離器的分離效率將分離器分離下來的物料流量與燃料流量相比,得到物料循環(huán)倍率為:Ν=WcycB=?Vyηcyc(1-q4)(3)由上式可知,在設(shè)計(jì)中對(duì)爐膛內(nèi)的物料整體濃度分布要求可以通過物料的循環(huán)倍率的多少來確定。由于煤質(zhì)的變化,循環(huán)倍率并不是較直觀的表述方式,較為直接的設(shè)計(jì)參數(shù)還是煙氣的物料攜帶率。在實(shí)際的CFB鍋爐設(shè)計(jì)中,分離器的分離效率和飛灰分額是必須確定的設(shè)計(jì)參數(shù),這2個(gè)參數(shù)與煙氣的物料攜帶率存在什么定量的關(guān)系呢?可以借助物料循環(huán)倍率的概念來分析。以分離器的進(jìn)出口物料平衡為研究對(duì)象,如果飛灰分額確定,離開分離器和進(jìn)入分離器的飛灰流量為:Wfh=αfhBAar/100(4)Wlt=Wfh(1-ηcyc)=αfhBAar100(1-ηcyc)(5)式中:Wfh——飛灰流量,kg/sαfh——飛灰分額,-Aar——收到基灰分,%由此可得到物料的循環(huán)倍率為:Ν=αfhAarηcyc100(1-ηcyc)(6)(3)式、(6)2式聯(lián)立,可得到煙氣的物料攜帶率與分離效率和飛灰分額的關(guān)系如下:?=αfhAar100(1-ηcyc)(1-q4)Vyαfh=100?(1-ηcyc)(1-q4)VyAarηcyc=1-αfhAar100?(1-q4)Vy(7)從上式可看出,物料攜帶率可作為CFB鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能參數(shù),與煤種參數(shù)、分離器性能、燃料燃燒性能、灰的成灰特性等有關(guān)。從上式還可看出,在分離器效率不發(fā)生太大變化條件下,物料攜帶率與飛灰分額存在定量關(guān)系,即飛灰分額與爐膛內(nèi)設(shè)計(jì)所要求或?qū)嶋H運(yùn)行貯存的物料濃度分布直接聯(lián)系。在實(shí)際運(yùn)行中,飛灰分額和物料攜帶率可通過直接或間接方式測(cè)量得到,這樣利用上式可以實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際運(yùn)行的CFB鍋爐分離器分離效率。以上分析過程說明,CFB鍋爐物料平衡的設(shè)計(jì)參數(shù)要求可轉(zhuǎn)化為爐膛出口煙氣物料攜帶率或飛灰分額的取值。3爐稈溫度變化時(shí)的質(zhì)量控制精度CFB鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)告訴我們,隨著燃料灰分的逐漸減少,飛灰份額逐漸增加,而物料設(shè)計(jì)濃度可以不發(fā)生太大的變化。當(dāng)燃料灰分減少到一定程度后,爐膛上部壓力會(huì)逐漸降低,爐膛換熱系數(shù)逐漸減小并遠(yuǎn)偏離于設(shè)計(jì)值。為了維持CFB鍋爐出力,整體爐膛溫度會(huì)逐漸增加,通過增大傳熱溫差和輻射換熱系數(shù)來彌補(bǔ)物料對(duì)流換熱系數(shù)的降低。對(duì)CFB鍋爐而言,爐膛換熱系數(shù)的設(shè)計(jì)值確定后,實(shí)際換熱系數(shù)可能與設(shè)計(jì)值存在偏差,但可以通過其它差數(shù)的調(diào)節(jié)(如爐膛溫度、物料濃度等)來滿足出力。因此,在CFB鍋爐的設(shè)計(jì)過程中,盡管對(duì)實(shí)際運(yùn)行后的飛灰份額和物料攜帶率把握不很準(zhǔn)確,實(shí)際運(yùn)行的CFB鍋爐換熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果也證明只要換熱系數(shù)取值在合理的范圍內(nèi)都是可行的。這樣,設(shè)計(jì)人員不必過分擔(dān)心換熱系數(shù)的取值精度,而應(yīng)重點(diǎn)考慮CFB鍋爐所要求的循環(huán)物料量的最低限度如何。在CFB鍋爐設(shè)計(jì)過程中,盡管對(duì)煙氣物料攜帶率或飛灰份額作了定量設(shè)計(jì),但實(shí)際運(yùn)行中煙氣物料攜帶率會(huì)發(fā)生一定偏差,特別是煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)。因此,需要對(duì)煙氣物料攜帶率或飛灰份額及相關(guān)的參數(shù)范圍作一個(gè)半定量的分析。3.1物料攜帶率及爐未來溫度(1)當(dāng)煤的灰分增加后,底渣份額和爐膛物料濃度逐漸增加,分離器入口的煙氣物料攜帶率也相應(yīng)增加,爐膛整體溫度降低,通過飛灰份額和分離器效率等參數(shù)的變化,爐膛內(nèi)維持的物料濃度達(dá)到另一個(gè)平衡值。但爐膛能夠維持的物料濃度并不是無限增加,爐膛的空床速度和物料的粒徑?jīng)Q定了煙氣能夠輸送的飽和物料量。實(shí)際運(yùn)行的CFB鍋爐遠(yuǎn)未達(dá)到煙氣對(duì)物料的飽和夾帶率,也沒有必要去維持過高的物料濃度。(2)當(dāng)煤的灰分降低后,爐膛內(nèi)維持的物料濃度降低,煙氣物料攜帶率降低,爐膛整體溫度增加。對(duì)CFB鍋爐而言,由于爐膛的換熱系數(shù)取值與煙氣物料攜帶率相關(guān),當(dāng)煙氣物料攜帶率降低到一定程度后,通過提高空床速度和爐膛燃燒溫度也無法彌補(bǔ)換熱系數(shù)的偏差,CFB鍋爐只能降負(fù)荷運(yùn)行。假使煤的灰分降低到一定程度,飛灰份額增加到1,則煙氣物料攜帶率為:?=Aar100(1-ηcyc)Vy(8)從上式可看出,如果分離器效率從0.99降到0.98,在其它參數(shù)不變的情況下,煙氣的物料攜帶率會(huì)降低1倍,這就說明了不采用高效分離器的CFB鍋爐以鼓泡床的方式運(yùn)行,爐膛下部熱量無法上傳,溫度分布下高上低,水冷壁吸熱量嚴(yán)重不足,難以達(dá)到設(shè)計(jì)出力的原因。3.2提高空床速度設(shè)計(jì)值(1)爐膛的空床速度值存在一個(gè)合理的設(shè)計(jì)范圍,以保證在一定的低負(fù)荷條件下仍滿足足夠的物料量能帶到爐膛上部。物料的攜帶量與煙氣速度密切相關(guān),在相同的物料條件下,空床速度的提高會(huì)增加爐膛內(nèi)的物料循環(huán)量和煙氣物料攜帶率。因此,對(duì)不同燃料從物料平衡的要求出發(fā)選取合理的空床速度設(shè)計(jì)值,低灰分燃料應(yīng)適當(dāng)提高空床設(shè)計(jì)速度。(2)爐膛內(nèi)的物料循環(huán)量存在一個(gè)范圍,低于該范圍將無法以循環(huán)床方式運(yùn)行,過高會(huì)增加風(fēng)機(jī)耗電率。爐膛內(nèi)的物料循環(huán)量范圍值可以通過煙氣物料攜帶率來表示,煙氣物料攜帶率大于1kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)后CFB鍋爐呈現(xiàn)出與鼓泡床不同的燃燒特點(diǎn),建議在1.5-5kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)范圍內(nèi)是可以接受的。(3)選取合理的爐膛換熱系數(shù)。煙氣物料攜帶率和爐膛設(shè)計(jì)溫度已經(jīng)將爐膛換熱系數(shù)的取值控制在一定的范圍內(nèi),只要在該范圍內(nèi)即使換熱系數(shù)取值有一定偏差也不會(huì)影響CFB鍋爐正常運(yùn)行。(4)分離器有足夠的分離效率。特別是對(duì)低灰分燃料,在分離器的結(jié)構(gòu)上可采取進(jìn)一步提高分離器效率的措施。3.3cfb鍋爐生長(zhǎng)特性為達(dá)到CFB鍋爐設(shè)計(jì)所需要的物料平衡要求,運(yùn)行中需要采取如下措施:(1)在低負(fù)荷條下,要滿足CFB的運(yùn)行狀態(tài),應(yīng)保證空床速度在2.8m/s以上。(2)根據(jù)CFB鍋爐的運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)物料循環(huán)量,即保證爐膛中部一定的壓力。(3)保證分離器和回料閥正常運(yùn)行。4燃料、煙氣物料攜帶率的計(jì)算方法對(duì)低灰分燃料,如高熱值燃料和石油焦,即使飛灰份額為1,分離器分離效率達(dá)到目前設(shè)計(jì)值上限,計(jì)算得到的煙氣物料攜帶率仍無法滿足煙氣物料攜帶率的下限值。對(duì)此,一般通過向爐內(nèi)添加可循環(huán)物料(即一定粒徑范圍)來實(shí)現(xiàn),但在設(shè)計(jì)中如何判斷是否添加和添加多少可循環(huán)物料量呢?已有的理論研究對(duì)物料添加的計(jì)算進(jìn)行了初步研究,提出了平衡灰分的概念,即滿足CFB鍋爐正常運(yùn)行所必須的灰分,如果燃料的灰分小于平衡灰分,需要添加循環(huán)物料達(dá)到平衡灰分的要求,其計(jì)算公式為:Adl=BsB=(1-ηcyc,s)(A0-Aar)(1-ηcyc,ash)(9)式中:Adl——添加的循環(huán)物料量折算到燃料的當(dāng)量灰分,%Bs——添加的循環(huán)物料量,kg/sA0——平衡灰分,%ηcyc,s——添加的循環(huán)物料量的分離效ηcyc,ash——燃料灰分的分離效率該公式可以大致地定性分析出分離器分離效率對(duì)添加的循環(huán)物料量影響。但在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)提供可行的計(jì)算方法。根據(jù)以上分析,CFB鍋爐設(shè)計(jì)所需要的煙氣物料攜帶率是一定的,可按(3)式計(jì)算。燃料所能提供的循環(huán)倍率為:Νfuel=αfhAarηcyc,ash100(1-ηcyc,ash)(10)當(dāng)添加石灰石脫硫后,收到基灰分用折算灰分代替。折算灰分的計(jì)算公式為:式中:Azs——折算灰分,%Sar——收到基硫分,kg/sKs——鈣硫摩爾比KCaCO3——石灰石碳酸鈣純度ηs——脫硫效率顯然,當(dāng)Nfuel小于N需要添加額外的循環(huán)物料。為了減少添加的循環(huán)物料成本,可認(rèn)為額外添加的循環(huán)物料粒徑完全滿足可循環(huán)物料的要求,即添加的循環(huán)物料都以飛灰形式離開物料循環(huán)系統(tǒng),則添加的循環(huán)物料應(yīng)提供的循環(huán)倍率為:Adlηcyc,s100(1-ηcyc,ash)=Νs≥(Ν-Νfuel)(12)(3)、(10)和(12)式聯(lián)立,可得到添加的當(dāng)量灰分為:Adl≥100(Ν-Νfuel)(1-ηcyc,s)ηcyc,sAdl≥[100μ0Vyηcyc(1-q4)-αfhAarηcyc,ash(1-ηcyc,ash)](1-ηcyc,s)ηcyc,s(13)以50MW燃燒石油焦的CFB鍋爐設(shè)計(jì)為例,燃料的元素工業(yè)分析示于表1。煙氣物料攜帶率取2kg/m3,灰的分離效率取0.995,添加的循環(huán)物料選細(xì)沙,細(xì)沙的分離效率取0.998,加細(xì)沙后的平均分離效率取0.9965,爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.25,爐膛出口煙氣量為11.75m3/kg(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下),設(shè)計(jì)機(jī)械未完全燃燒損失為0.0125,飛灰份額設(shè)計(jì)取值為0.95。根據(jù)上式,設(shè)計(jì)所需要的循環(huán)倍率為23.4?？紤]石油焦脫硫后的折算灰分為3.28(石灰石純度為0.9,鈣硫摩爾比2.2,脫硫效率80%),燃料灰分(包括脫硫用石灰石等)能夠提供的循環(huán)倍率為6.2,需要細(xì)沙提供的循環(huán)倍率為17.2,則細(xì)沙的當(dāng)量灰分為3.62,即實(shí)際運(yùn)行中需要每噸石油焦添加36.2kg可循環(huán)的細(xì)沙。5煙氣物料攜帶率對(duì)低灰分燃料,設(shè)計(jì)中所選擇的換熱系數(shù)能