循环流化床锅炉原理与运行技术

循环流化床锅炉原理与运行技术内容摘要：

床中不存在定型气泡，一部分颗粒均匀分散于气体中而形成稀疏的连续相，其余的颗粒则呈絮团状形式悬浮于稀相中，这样可以采用很大的高径比来增加颗粒停留时间，而不会发生腾涌。 快速流态 化 明显不同于湍流床的一个特征是它的床层密度为固体加料率的函数，固体颗粒的负荷是可以变动的（但总低于鼓泡硫化床）。 另外， 快速 流 化床也不同于气力输送，快速床内，固体颗粒在床层中剧烈运动，反混量很大，且有很高的气固滑移速度，而气力输送的两相滑移速度几乎为零。 一般认为，粗颗粒不存在稳定的快速流化。 快速流态化为气固流化床实现高效、而又易于放大开辟了新的途径。 循环流化床燃烧技术就是基于快速流化的原理。 循环流化床燃烧过程 循环流化床燃煤锅炉的燃烧过程，以携带燃料的大量高温固体颗粒物料的循环燃烧为重要特征。 燃烧室内的颗粒物料处于携带速度和气力输送状态之间的流化区间，流化气速大大高于鼓泡流化床，没有鼓泡流化床那样清晰的床层 上表面，气泡不再存在，同时具有湍流流化和快速流化的特征，固体颗粒充满整个炉膛，处于悬浮并强烈8 掺混燃烧方式。 但与常规煤粉炉中发生的单纯悬浮燃烧过程比较，颗粒在循环流化床燃烧室内的浓度大于煤粉炉，但小于鼓泡流化床，并且存在显著的颗粒成团和床料的颗粒回混，颗粒与气体间的相对速度大，这一点显然与基于气力输送方式的煤粉悬浮燃烧过程完全不同。 循环流化床燃煤锅炉的燃烧与烟风流程 ： 经过预热的一次风（流化风）经过风室由炉膛底部穿过布风板送入炉膛，炉膛内的固体处于快速流化状态，燃料在充满整个炉膛的惰性床料中燃烧；炉膛下部为颗粒 浓度较大的密相区，上 部 为颗粒浓度较小的稀相区；较细小的颗粒被气流夹带飞出炉膛，并由飞灰分离收集装置分离收集，通过分离器下的回料管与飞灰回送器（返料器）送回炉膛循环燃烧；燃料在燃烧系统内完成燃烧和高温烟气向工质的部分热量传递过程。 烟气和未被分离器捕集的细颗粒排入尾部烟道，继续与受热面进行对流换热，最后排出锅炉。 循环流化床燃煤锅炉炉内高速流动的烟气与其携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，燃料的燃烧过程发生在整个固体循环通道内。 在这种燃烧方式下，燃烧室内，尤其是密相区的温度水平受到燃煤过程的高温结渣、低温结焦和 最佳脱硫温度的限制，料层温度过高将形成灰渣熔化的高温结渣，温度过低，则易发生煤的低温烧结结焦，也不利于燃料的燃烧，一旦结渣或结焦发生，将迅速增长。 因此，燃烧室密相区 的温度 必须维持在 900℃ 左右，这一温度范围也恰与最佳脱硫温度吻合。 尽管燃烧室内的温度较低，但由于炉内颗粒的浓度大的多，所以，炉内受热面的传热条件优于常规的煤粉锅炉。 循环流化床锅炉炉膛不仅有辐射传热，而且还有对流及热传导等传热方式，这大大提高了炉膛的传热系数，确保锅炉达到额定出力。 由于采用高温固体颗粒物料的循环流化燃烧方式，炉内的温度分布十分均匀， 炉内的热容量很大，因此， 循环流化床锅炉对燃料的适应性优于常规煤粉炉，燃烧效率也基本相当。 循环流化床锅炉的点火 循环流化床锅炉 一般采用热烟气床下点火方式，在密相区和二次风口可设置助燃用的启动燃烧器和床枪。 锅炉启动采用床料循环加热，即冷床料在流化并循环的条件下加热升温启动时，最先投运风道燃烧器，以热烟气和空气混合物加热床料，之后投运启动燃烧器，使温度按照升温升压曲线上升。 当床温达到 500℃ 时，可根据需要投运床枪，使床温进一步升高至 600℃ ，这时便可逐步投煤。 燃烧所需要的一次风和二次风分别由炉膛的 底部和侧墙送入。 原煤块经过粗碎机和细碎机破碎后，通过刮板式给煤机将煤送入煤斗。 煤斗下方有螺旋式给煤机，经播煤风机将煤吹入炉内。 炉膛出口水平烟道内装有多级烟灰分离器，分离出的高温灰落入灰斗，经锁灰装置和 J 阀回送至炉膛 ；飞灰通过分离器，经尾部烟道受热面进入除尘器，经灰沟冲到沉灰池； 床9 体下部已燃尽的灰渣定期排放。 煤进入炉膛后，首先在主床燃烧。 经过预热器的一次风，从炉床床下风室向上进入炉膛，使床上煤颗粒沸腾燃烧，当烟气达到一定速度，大量的颗粒就会离开床层，由烟气携带到炉膛上部燃烧，并随烟气直至炉膛出口。 在炉膛出口处 一般装有多级烟灰分离器，对颗粒和烟气进行分离，而后进入烟道。 为了使颗粒上升、分离，穿过并离开炉膛，要求烟气必须达到某一最小速度。 分离后的烟气流入烟道，通过省煤器、空气预热器得到进一步的冷却；而分离后的颗粒，下落回到炉膛继续燃烧，再次进行燃烧上升、分离，形成颗粒循环。 由于颗粒反复循环延长了在炉内的停留时间，因此，各煤种均可在 850～ 950℃ 的低温下得到充分的燃烧，提高了燃尽度。 由于炉膛内燃烧温度较低，使得 NOx 的生成能得到有效控制。 这个炉温范围，也有利于使为脱硫而加入炉膛的石灰石颗粒在循环燃烧中与燃料中的硫化物发生反应，达到最佳的脱硫效果。 循环流化床锅炉的 燃烧 特点 循环流化床锅炉具有低温、强化燃烧的特点，流化床中一般温度为 850℃ ～1050℃ 之间， 比起 煤的灰渣变形温度 低了 100℃ ～ 200℃ ，不易结渣。 且在流化床中最忌讳结渣，因为结渣后的流化床难以维持正常的流化状态，更无法保证燃煤在炉膛中有效燃烧，最终被迫停炉。 循环流化床锅炉燃烧效率高，常规的工业锅炉和流化床锅炉燃烧效率为 85%～ 90%，循环流化床锅炉由于采用了飞灰再循环，燃烧效率可达到 95%以上。 由于飞灰再循环燃烧，克服了常规流化床内释放热量大 和悬浮所释放热量少的缺点，提高了锅炉的炉膛截面热强度和容积热负荷。 资料显示，普通流化床的炉膛截面热强度为 1～ 3MW／ ㎡ ，炉膛容积热强度为 ～ ／㎡ ；而循环流化床的炉膛截面热强度为 3～ 8MW／㎡ ，炉膛容积热强度为 ～ ／㎡。 床料中未发生脱硫反应的石灰石能再回到床内与 SO2 反应，提高了石灰石的利用率，资料表明，当钙硫比为 ～ 时，脱硫效率可达 85%～ 90%； 而常规流化床，当钙硫比为 3～ 4 时，脱硫效率才达到 85%～ 90%。 NOx 排放量低，流化床采取分级燃烧是降低 NOx 排放量最好 的手段，在组织二级燃烧时，应充分注意二次空气送入位置和保护 NO 的分解反应完成。 从控制 NO 浓度效果和保证脱硫所需的氧化性气氛出发，床内的过量空气系数应保证在 最佳，另要求炉内温度控制在 830℃ ～ 850℃ 之间 ，NOx 生成量显著减少，排放浓度为 100～ 200μL／ L。 同时，循环流化床锅炉还具有负荷变化范围大，调节特性好的特点。 当锅炉负荷变化时，只要调节给煤量和流化速度就可满足负荷的变化。 在低负荷时，不再像常规流化床锅炉那样，采取分床压火，也不像煤粉炉用油助燃，更适合调峰机组。 10 循环流化床锅炉的优点 燃料方面的优点 循环流化床锅炉燃料适应性广，燃烧强度大，燃烧效率高，燃料预处理系统简单，低 NOx 排放，高效脱硫，负荷调节范围大，负荷调节快，投资和运行费用适中。 燃料适应性广是循环流化床锅炉的主要优点，循环流化床锅炉可以不需辅助燃料而燃用任何燃料。 循环流化床锅炉可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如煤矸石、煤泥、泥煤、石油焦、油页岩、高灰份煤、垃圾等。 循环流化床锅炉的截面热负荷范围为～ ／㎡ ，接近或高于煤粉炉，理论上 100MW 的循环流化床锅炉只需一个给煤点 [2]，循环流化床锅炉燃料 常给入返料管内，进入炉膛前有预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于 10 ㎜ ，燃料的制备破碎系统较煤粉锅炉大为简化。 此外，循环流化床锅炉可直接燃用高水分煤（水分30%以上），而不需要专门的处理系统。 循环流化床锅炉的燃烧效率通常是 %～%，与煤粉锅炉相近，并能在较宽的运行变化范围内保持高的燃烧效率。 环保方面的优点 NOx 排放 低 、高效脱硫的优点使循环流化床锅炉最具市场竞争力。 由于低温燃烧和分段燃烧，使空气中的氮一般不会生成 NOx，并抑制燃料中的氮转化 为 NOx，还使部分已生成的 NOx 得到还原。 调控方面的优点 循环流化床锅炉负荷调节范围大， 调节比可达 3:1；负荷调节快， 调节速率可达每分钟 4%。 调控操作简单，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。 投运费用方面的优点 循环流化床锅炉投资和运行费用适中，略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫装置的煤粉炉低 15%～ 20%。 国内外循环流化床技术发展 现状 国外循环流化床技术发展概况 国外具有工业应用价值的循环流化床锅炉是从 20 世 纪 60 年代末期发展起来的。 到了 80 年代 ，国外循环流化床锅炉的研究应用进入了高峰期。 其中较著名的公司有芬兰奥斯龙（ Ahlstrom）公司，美国巴特利（ Battelle）研究中心，德国巴布科克（ Bamp。 W）公司，美国福斯特 惠勒（ Famp。 W）公司等。 奥斯龙公司的 Pyroflow 型循环流化床锅 炉主要包含炉膛（一次风室、布风板、密相区、稀相区）、高温旋风分离器、 U 型阀反11 料装置、尾部烟道等。 其最显著的特点是无外置式热交换器。 美国巴特利研究中心的多粒子循环流化床（ MSFB）锅炉，该锅炉的炉膛是由下部的大粒子浓相床和上部的小粒 子夹带床组成。 大粒子床的作用是使细小粒子的运动速度减缓，延长了细小粒子在炉膛内的停留时间，从而使燃烧充分。 德国巴布科克（ Bamp。 W）公司循环流化床锅炉，该锅炉炉膛下密相区采用湍流床，炉膛上部悬浮段设置了屏式过热器和管式过热器等蒸发受热面，从而使得炉膛出口烟气 温 度下降至 400℃ ~500℃ 后进入旋风分离器。 这样可使 旋 风分离器体积缩小，寿命延长，启动时间缩短。 自从流化床燃烧技术问世以来，经过不断完成与发展，使得流化床锅炉向清洁高效和低成本迈进了一大步。 目前世界上各种容量、类型的循环流化床锅炉投入运行的已达 600 台以 上，而投入运行容量最大的循环流化床机组为法国普罗旺斯 250MW 机组循环流化床锅炉。 另有400t／ h 级及 200MW～ 300MW 机组的循环流化床锅炉达几十台正在安装或制造。 国内循环流化床锅炉技术发展概况 我国对循环流化床的研究是从 20 世纪 50 年代末在中科院开始的，此后特别是20 世纪 80 年代以来，国内各主要高等院校和一些研究所也相继开始了循环流化床的研究开发工作，并在部分地区试点引进典型循环流化床机组。 例如： 1996 年国内首台引进芬兰奥斯龙公司 410t／ h , 循环流化床（ CFB）锅炉在四 川内江高坝电厂建成投运，效果良好。 国内相关锅炉厂开发的国产 220t／ h 级循环流化床机组也陆续投运成功。 原国家电力部早在 1996 年 5 月就在北京召开了 “国产 410t／ h 循环流化床锅炉研制工作碰头会 ”。 1999 年 4 月国家经贸委、 国家电力公司等单位在四川内江高坝电厂召开了 410t／ h 级循环流化床锅炉技术交流会，会议要求在全面消化吸收的基础上将循环流化床这一洁净燃烧技术在全国推广。 2020 年 7 月，国家计委发出通知，决定对洁净煤燃烧技术 发电示范工程项目实行优惠政策，并列入《当年国家重点鼓励发展产业、 产品和技术目 录》。 近年随着国内多家锅炉厂对循环流化床技术的引进及研制工作不断深入。 国产 400t／ h 级循环流化床锅炉技术目趋成熟，目前已有 20 余台 400t／ h 级各类循环流化床锅炉在多个电厂建设 并 陆续投运，江西省分宜电厂的410t／ h 循环流化床示范工程将在 2020 年投产。 循环流化床锅炉的大型化和高参数化一直是循环流化床锅炉发展的显著标志，目前我国已经从小容量的热电联产锅炉，逐步发展到主要以发电为主的中大容量循环流化床锅炉。 国内采用 135MW 循环流化床锅炉已经在许多 发电厂投运，一般而言，锅炉负荷 、运行 参数都能够达到 设计要求 ，但是也存在不同程度的问题，相信经过不太长时间的完善和改进，可靠性和经济性是可以得到保证的。 12 大型循环流化床锅炉 的 发展方向 世界上大型循环流化床锅炉发展趋势 近几年来，大型电站循环流化床锅炉在美国、法国，特别在中国得到了迅速的发展，随着 300MW 级 CFB 锅炉在法国、美国的投入运行和中国的引进、开发，可以预料 300MW 循环流化床锅炉由于它的高性能（对燃料适应性广，燃烧效率高，环境污染小，负荷调节范围大，灰渣综合利用），低成本（与带烟气脱硫、脱硝煤粉锅炉机组相比），必将与煤粉锅炉展开激烈 竞争，逐渐取代煤粉锅炉或改造现有煤粉锅炉成为循环流化床锅炉。 发展成熟和完善的循环流化床锅炉并在新电厂中应用是大型循环流化床锅炉发展方向之一。 用大型循环流化床燃烧技术改造超龄的或对环境污染严重的煤粉锅炉、运行成本高的燃油或燃气锅炉，是循环流化床发展方向之二。 法国艾米路希 125MWCFB 锅炉就是旧电厂的改造工程，用一台新的燃烧洗粉泥浆的 CFB 锅炉取代一台原来燃烧洗煤泥粉的煤粉锅炉。 法国 Gardenner 250MW CFB 锅炉也是一个燃油锅炉的翻新改造工程。 美国 JEA 300MW Intrex 型 CFB 锅炉就是 燃油气锅炉的改造工程。 伴随着这些改造工程的完成，新的 125MW、 250MW、 300MW CFB 锅炉也就问世了。 可以说：循环流化床锅炉的发展历史就是一个将旧锅炉改造成 CFB 锅炉的历史。 这是发展CFB 锅炉周期短、见效快、成本低的好模式。 这种模式很值得我国借鉴。 发展 CFB 燃烧技术，燃烧固体废弃物：垃圾、 各种生物质燃料（废木头、树皮、木屑 ） 、农业废弃物 （如谷壳、麦杆等）、 各种工业过程生产的废弃物 （甘蔗渣、石油焦、煤矸石、炉渣、污泥、 纸厂废弃物和。