循环流化床锅炉设备及运行--设备构成及工作原理

流化床锅炉与煤粉炉和链条炉的主要区别是其处于流化状态下的燃烧过程。流化床技术最早应用于化学工业的气固两相反应，流化床的基本理论和实践大部分来自化学工业的成就，20世纪60年代后开始将流化床技术应用于煤的燃烧。流化床燃烧技术是洁净、高效的新一代燃煤技术。流化床技术经历了从鼓泡流化床到循环流化床的发展过程，鼓泡流化床是实现流化燃烧的鼻祖，但是，在进一步大型化等方面受到限制，因此，不适合于发电锅炉所要求的规模。循环流化床燃烧技术是以处于快速流化状态下的气－固流化床为基础的，具有易于大型化的特点，容量几乎可以像煤粉炉那样不受限制。世界上近千台流化床锅炉的成功运行表明，该技术已经日益成熟。目前，国外的一些著名公司已完成了300MW和600MW的循环流化床锅炉的设计。流化床锅炉基本概念•1．床料•燃煤、灰渣、石灰石、砂子或铁矿石•2．物料•循环系统内燃烧或载热固体颗粒•3．堆积密度与颗粒密度•无约束，真实密度•4.空隙率•堆积与流化并不相同。确定流化状态•5．燃料筛分•宽筛分与窄筛分•6．燃料颗粒特性•燃煤的粒比度•7．流化速度•空塔速度，控制流化状态•8．临界流化风速与临界流化风量•开始流化时的一次风速度与风量•9．物料循环倍率•物料返送量与燃料给进量之比流态化原理1.流态化现象流体连续向上流过固体颗粒堆积的床层，在流体速度较低的情况下，固体颗粒静止不动，此时流体从颗粒之间的间隙流过，床层高度维持不变，成为固体床。在固体床内，固体物料的质量由炉排所承载。随着流体速度的增加，颗粒与颗粒之间克服了内摩擦而互相脱离接触，固体物料悬浮于流体之中。颗粒扣除浮力以后的质量完全由流体对它的曳力所支持，于是床层显示出相当不规则的运动。床层的空隙率增加了，床层出现膨胀，床层高度也随之升高，并且床层还呈现出类似于流体的一些性质。例如较轻的大物体可以悬浮在床层表面；床层的上界面保持基本水平；床层容器的底部侧壁开孔时，能形成孔口出流现象；不同床层高度的流化床连通时，床面会自动调整至同一水平面，这种现象就是固体流态化，这样的床层称为流化床。一、循环流化床的基本原理和工作特点（一）循环流化床锅炉的炉内工作原理循环流化床燃煤锅炉基于循环流态化的原理组织煤的燃烧过程，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。炉膛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，烟气速度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，处于悬浮并强烈掺混的燃烧方式。但与常规煤粉炉中发生的单纯悬浮燃烧过程比较，颗粒在循环流化床炉膛内的浓度远大于煤粉炉，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示意见图6－1。我国第一台超高压再热循环流化床锅炉—新乡火电厂440t/hCFB锅炉经过预热的一次风（流化风）通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，并由飞灰分离装置收集，经回料管和反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管内工质的热量传递过程。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中的高温结渣和最佳脱硫温度的限制，必须维持在850℃左右。尽管温度较低，但由于炉内颗粒的浓度较大，炉内受热面的传热条件优于常规的煤粉锅炉。由于采用高温固体颗粒物料的循环燃烧方式，炉内温度分布十分均匀，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锅炉，燃烧效率也基本相当。（二）循环流化床锅炉的特点循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备有许多独特的优点。1、蓄热量极大，燃烧稳定，对燃料的适应性好这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1％～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂子。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气一固和固一固混合非常良好，因此燃料进人炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石以及油页岩、泥煤、石油焦、炉渣、树皮、垃圾等。2、燃烧效率高循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在97%～99%范围内，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气一固混合良好；燃烧速率高，特别是对粗粒燃料；绝大部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛。与鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉能在较宽的运行变化范围内保持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的燃料时也是如此。3、低温燃烧，污染较轻这是由煤的灰渣变形温度所决定的，循环流化床锅炉的燃烧温度处于850－950℃的范围内，属于与传统煤燃烧方式完全不同的低温燃烧。流化床锅炉的低温燃烧特性，直接使得气体污染物NO和NO2的排放量大大减少（比煤粉炉减少50％以上），还可以在炉内采取分级燃烧等进一步降低NOx排放的技术措施，因此，一般无需烟气脱除氮氧化物的设备。由于燃烧温度较低，可以在床内直接添加石灰石脱硫剂，在燃烧过程中完成有效的脱硫。与煤粉炉炉内脱硫过程相比较，流化床内脱硫剂与烟气中的SO2间的反应环境十分有利于脱硫反应的进行，因此，可以在相对较低的钙硫摩尔比下，得到较高的脱硫效率（90％）。4、炉内传热强烈炉膛内受热面的传热系数高于常规煤粉炉，且不存在管外积灰污染问题。5、锅炉占地面积小；6、负荷变化范围大，调节特性好；负荷调节范围为25％－100％。7、灰渣可以综合利用：用作制造水泥的掺合料和其他建筑材料的原料。（三）循环流化床锅炉尚存在的问题1、飞灰含碳量仍略高于煤粉炉；2、对分离器的效率、耐高温和耐磨性能要求高；3、烟风阻力较大，风机电耗高，噪声大；4、锅炉受热面磨损严重；5、燃烧控制系统比较复杂；6、N2O生成物高于煤粉炉。二、循环流化床锅炉的构成和主要类型（一）循环流化床锅炉的构成1、炉膛截面为矩形，其宽度一般为深度的2倍以上，下部为一倒锥型结构，底部为布风板。下部区域为密相区，颗粒浓度较大，是燃料发生着火和燃烧的主要区域，此区域的壁面上敷设耐热耐磨材料，并设置循环飞灰返料口、给煤口、排渣口等。上部为稀相区，颗粒浓度较小，壁面上主要布置水冷壁受热面，通常在炉膛上部空间布置屏式过热器，炉膛内维持微正压。炉膛屏式过热器汽包旋风分离器空气预热器返料器省煤器高温再热器高温过热器低温再热器外置换热器一次风经床底的布风板送入床层内，二次风口布置在密相区和稀相区之间。炉膛出口布置飞灰分离器，烟气中90％以上的飞灰被分离下来，然后烟气进入尾部对流受热面。给煤经过机械或气力输送的方式送入炉膛，脱硫用的石灰石颗粒经单独的给料管采用气力输送的方式，或与给煤一起送入炉内，燃烧形成的灰渣经过布风板上的排渣口排出炉外。2、布风板位于炉膛燃烧室的底部，实际上是一个开有一定数量小孔的燃烧室底板，它将其下部的风室与炉膛隔开。一方面将固体颗粒限制在炉膛布风板上，并对固体颗粒（床料）起到支撑作用；另一方面保证一次风穿过布风板进入炉膛，达到对颗粒均匀流化。为满足均匀良好流化，布风板必须具有足够的阻力压降，一般占烟风系统总压降的30％左右。风帽布置在布风板上，是空气进入炉膛的通道。BB3、飞灰分离器飞灰分离器是保证循环流化床锅炉物料可靠循环的关键部件之一，布置在炉膛出口的烟气通道上。它将炉膛出口烟气携带的固体颗粒（灰粒、未燃尽的焦炭颗粒和未完全反应的脱硫吸收剂颗粒等）中的90％以上分离下来，再经过返料器送回炉膛进行循环燃烧，分离器性能的好坏直接影响燃烧与脱硫效率。分离器主要包括：旋风分离器、U型槽（槽型钢）分离器、百叶窗分离器、方形分离器等。其中旋风分离器应用最广、性能也最可靠。蒸汽冷却的旋风分离器方形分离器炉膛炉膛4、飞灰回送装置通常称返料器，主要作用是将分离下来的灰由压力较低的分离器出口输送到压力较高的炉膛，并防止炉膛的烟气反窜进入分离器。目前均采用基于气－固两相输送原理的返料装置，相当于一个小型鼓泡流化床。固体颗粒由分离器料腿进入返料器，返料风将固体颗粒流化并经返料管溢流进入炉膛。比较成熟的返料阀有H型阀、V型阀和J型阀。5、外部流化床热交换器并非循环流化床锅炉的必备部件，主要作用是为了控制床温。它将返料器中的一部分循环颗粒分流进入一个内置受热面的低速流化床中，冷却后的循环颗粒再经过返料器送入炉膛。6、底渣排放系统经冷渣器冷却的灰渣温度为150℃，回收了余热，节约能量。共同构成了循环流化床锅炉的——物料循环系统燃烧室分离器回料阀(二)、循环流化床锅炉的主要类型（1）按分离器型式分类①、旋风分离型循环流化床锅炉②、惯性分离型循环流化床锅炉③、炉内卧式分离型循环流化床锅炉④、组合分离型循环流化床锅炉（2）按分离器工作温度①、高温分离型循环流化床锅炉②、中温分离型循环流化床锅炉③、低温分离型循环流化床锅炉（3）按有无外置式流化床换热器分类（4）按循环倍率分类循环物料量循环倍率（R）=————————给煤量①、高倍率循环流化床锅炉R20②、中倍率循环流化床锅炉R=6-20③、低倍率循环流化床锅炉R=1-5（5）按锅炉燃烧室压力可分为常压和增压流化床锅炉。