循环流化床锅炉外置式换热器研究

循环流化床锅炉外置式换热器研究周一工（上海电气电站集团技术部，上海201108）摘要：循环流化床锅炉大型化过程中，外置式换热器将是一个不可回避的问题。本报告对外置式换热器的发展及现状、采用外置式换热器的必要性、国外几家主要公司外置式换热器的设计特点、外置式换热器设计运行中的问题进行了详细阐述。文章最后提出了发展外置式换热器需引起重视的几点结论。关键词：循环流化床锅炉外置式换热器（FBHE）灰调节阀1引言在循环流化床锅炉问世之初，世界上主要有两大循环流化床技术流派，即鲁奇（Lurgi）型和奥斯龙（Ahlstrom）型，而二者的主要区别在于前者在燃烧室外设置了“外置式换热器”。所谓外置式换热器就是将炉内的一部分受热面移至炉外，通过高温循环灰加热的一种热交换装置。后来，采用美国Battelle研究中心技术的日本三井MSFB炉型也使用外置式换热器。外置式换热器实际上是由一个或多个仓室构成的非燃烧细粒子鼓泡流化床，布置在高温灰循环回路中，位于分离器下部。高温循环物料经分离器分离后，在分流装置的作用下，一部分经返料装置以高温灰形式返回炉膛，另一部分流经外置式换热器，与布置在外置式换热器内的受热面完成热交换后，以低温灰形式返回炉膛。外置式换热器内布置的受热面通常为蒸发器、过热器或再热器。通过调节进入外置式换热器和返料装置的循环物料流量的比例，实现床温控制和汽温控制。与不带外置式换热器的循环流化床锅炉相比，外置式换热器使燃烧和传热分开，大大提高了床温、汽温调节和锅炉负荷调节的灵活性。它尤其有利于锅炉受热面的布置，特别是再热器的布置，易于循环流化床锅炉的大型化。但外置式换热器使循环流化床锅炉的结构和运行控制系统复杂化，投资增加，因此它在中小容量循环流化床锅炉中的应用并不占优势。2外置式换热器的发展及现状在循环流化床锅炉研制初期，一些有远见的研究者就提出了在分离器与炉膛之间装置热交换器的设想，其目的是为了更好地控制床温。世界上最早的商用循环流化床锅炉，1982年投运的德国鲁奇公司的50t/h循环流化床锅炉就装备了外置式换热器，并且它后来成为鲁奇型循环流化床锅炉最具特色和个性的部分。图1是鲁奇型循环流化床锅炉的典型结构。图1鲁奇型循环流化床锅炉结构布置图但是，初期的鲁奇型循环流化床锅炉因结构复杂、造价高而缺乏市场竞争力。就外置式换热器而言，它要求回料阀具有灰量调节能力。高难度的回料系统设计增加了用户对其可靠性的担忧。并且，由于外置式换热器置于炉外，它对锅炉膨胀和密封结构的设计都提出了新的要求。20实际80年代中后期，芬兰奥斯龙公司在循环流化床领域异军突起，它针对初期鲁奇型循环流化床锅炉存在的问题，推出了Pyroflow型循环流化床锅炉（其基本结构如图2所示）。它的特点是取消了外置式换热器，回料灰全部直接进入炉膛，在炉膛上部布置有辐射式受热面。Pyroflow型循环流化床锅炉以其结构简单、造价低、性能可靠而迅速打开了市场，并成为20世纪80年代中期至90年代初循环流化床锅炉市场的主导产品。图2芬兰奥斯龙公司Pyroflow型循环流化床锅炉的结构布置图同时，德国拔伯葛（Babcock）公司推出了以中温分离和低倍率循环为主要特征的Circofluid型循环流化床锅炉，它同样也取消了外置式换热器。以Pyroflow型为代表的低成本循环流化床锅炉（无外置式换热器），在中小型燃煤锅炉的市场中已具有一定的优势。但是，在大型化过程中，这种循环流化床的结构面临难以克服的困难，这些困难主要是：蒸发受热面和过热受热面平衡布置的困难；床温难以控制；再热汽温缺乏调节手段；燃料适应性范围不广等。这些困难有一些是可以克服的，但是在克服其中一些困难的同时，另一些问题变得更加难以解决。与此同时，采用鲁奇公司技术的法国ALSTOM公司、原美国ABB-CE公司为了适应循环流化床锅炉大型化的需要，对外置式换热器的技术完善化作了不懈的努力。美国福斯特惠勒公司在其大型鼓泡床锅炉的基础上，独立发展了循环流化床锅炉，在大型化过程中，参照了各方经验，并收购了奥斯龙公司后，也对外置式换热器作了很多研究和改进。1995年11月，由法国ALSTOM公司制造的250MW机组循环流化床锅炉在普罗旺斯Gardanne电厂正式投入商业运行，在该机组中装备了4个外置式换热器。ALSTOM公司还计划在600MW机组中使用6个外置式换热器，并将外置式换热器大型化。所有这些无疑预示着外置式换热器在大型循环流化床锅炉中的美好前景。3发展外置式换热器的必要性3.1有利于受热面布置、磨损低随着锅炉容量的增加，炉膛水冷壁受热面面积与炉膛容积之比将减小，当循环流化床锅炉的容量超过220t/h时，单靠在炉膛内布置水冷壁就很难保证合理的床温和炉膛出口温度。对此，Pyroflow型锅炉的做法是在炉膛上部（即煤粉炉屏式受热面的位置）布置附加受热面。但是，布置于炉膛上部的受烟气和粒子流冲刷的附加受热面成为锅炉内磨损最严重的区域。为减少磨损，Pyroflow型锅炉不得不采用价格昂贵的异型管（即所谓“Ω管”），从而失去了其价格优势。并且，附加受热面管处于热强度很高的区域，而吸热量又是不可控的，这不仅不利于变工况运行，而且对其传热量计算的精确性提出了更高的要求。如果使用外置式换热器，受热面布置就容易得多了。通过外置式换热器对分离灰的冷却，可有效控制床温和炉膛出口温度。外置式换热器其实是一个弱流化床，它的流化速度很低（0.5m/s以下），粒子较细（平均粒径300~500μm），所以它不存在严重的磨损问题。3.2负荷调节性能好，有利于污染物排放控制没有外置式换热器的循环流化床锅炉在降负荷时，只能通过减少燃料量和进风量进行，但是，此时炉膛水冷壁的吸热量不可能按比例减下来。相对较多的吸热量会使床温下降，导致燃烧反应和脱硫反应不完全，效率下降。另外，过热蒸汽温度也不易保持。而带有外置式换热器的系统，在降低负荷时，在减少燃料量和进风量的同时，可适当减少通过外置式换热器的循环灰量，使回灰温度上升，从而补偿了此时炉膛水冷壁相对较多的吸热量，使床温相对稳定。因此，它在低负荷时仍然有良好的运行工况。稳定的床温和燃烧工况对稳定控制NOx、SO2、CO、CxHy等污染物的排放也是极其重要的。3.3良好的汽温调节性能大型锅炉的蒸汽温度，尤其是再热蒸汽温度的调节性能是衡量锅炉性能指标的重要方面。以Pyroflow为代表的没有外置式换热器的循环流化床锅炉，在炉膛出口处附加受热面的吸热是不可控的，因此，汽温调节只能在烟气温度相对较低的尾部烟道完成，调节的灵敏度较低。而在带有外置式换热器的系统中，可分别在外置式换热器内布置过热器和再热器，通过控制流过其中的循环灰量调节过热汽温和再热汽温。它的调节方式简单、灵敏度高、操作性能好。可以认为，带有外置式换热器的循环流化床锅炉具有良好的汽温调节性能。3.4燃料适应性好对于任何燃料，包括常规燃烧方式难以燃烧的燃料，都可以进行循环流化床锅炉的特殊设计，使之有效燃烧，并满足锅炉的各项性能参数。而一旦一台循环流化床锅炉设计完成，因受受热面布置方式的限制，它的燃料适应性是有限的，它只能燃烧与设计燃料相同或相近的燃料，否则，锅炉的出力和汽温难以保证。因此，如何在一台循环流化床锅炉上提高其燃料适应性仍是一个要不断探索的课题。带有外置式换热器的循环流化床锅炉在燃料变化时，可以通过改变外置式换热器的吸热量来调整锅炉辐射吸热和对流吸热的比例，从而在维持最佳床温的条件下达到锅炉出力和汽温等参数的要求。因此，可以说，带有外置式换热器的循环流化床锅炉具有良好的燃料适应性。3.5耐腐蚀性好在燃烧腐蚀性燃料，特别是城市垃圾和工业垃圾时，在某一温度区段（金属管壁温度在500℃左右）会发生HCL气体腐蚀。因此，这类锅炉面临的最大难题是无法提高蒸汽参数。而采用外置式换热器就可以很好地解决这个问题，因为外置式换热器内的受热面不与腐蚀性烟气接触，可将金属壁温在腐蚀性区段的受热面安置在其内，从而避免腐蚀性气体对受热面的侵害。4国外几家主要公司外置式换热器的设计特点4.1法国ALSTOM公司ALSTOM公司设计、制造的普罗旺斯Gardanne电厂250MW循环流化床锅炉是目前已投运的最大容量大型循环流化床锅炉。下面就以普罗旺斯Gardanne电厂250MW循环流化床锅炉为例，介绍其外置式换热器的设计特点。普罗旺斯Gardanne电厂250MW循环流化床锅炉热力系统见图3，它共有4只高温旋风分离器，每只旋风分离器与一只外置式换热器相连，其中两只外置式换热器中布置中温过热器，用以控制炉膛温度；另外两只内布置低温过热器和末级再热器，用以控制再热蒸汽温度。过热汽温用喷水调节。图3普罗旺斯电站250MW循环流化床锅炉热力系统图4.2美国原ABB-CE公司原ABB-CE公司和ALSTOM公司的循环流化床技术都是来自鲁奇公司，所以它们外置式换热器的结构也是相似的。图4是ABB-CE公司一台大型循环流化床锅炉回料器、灰排放阀和外置式换热器的结构简图。它在其中不仅布置了末级过热器（也可布置再热器），而且还布置了蒸发受热面。这是因为，对于大型锅炉来说，炉膛四周的水冷壁不能满足蒸发吸热量的份额，所以将外置式换热器的一部分作为蒸发受热面。图4原ABB-CE公司大型循环流化床锅炉外置式换热器结构简图4.3美国福斯特惠勒公司福斯特惠勒公司的外置式换热器称为整体化换热床，其结构如图5所示。它的独特设计在于，内部受热面为过热器，其吸热约占过热器总热量的25％，外壳由膜式水冷壁构成，并且与炉膛连为一体，因此它与炉膛之间没有膨胀差，可省去高温膨胀节，密封系统设计也更有保证。它没有独立的热灰回送系统，而是在换热器中设置热灰旁路通道。一方面，在启动时保护内部的过热器受热面，另一方面，运行时调节受热面的灰流量，以控制床温；另外，它对灰流量采用气动控制，而不是采用机械式排灰控制阀。福斯特惠勒的再热汽温调节采用尾部烟道的烟气挡板，蒸发受热面的扩展采用炉膛内纵向冲刷的隔墙式附加蒸发受热面。图5福斯特惠勒公司整体化换热床结构图5外置式换热器设计运行中的几个问题5.1锅炉过热器喷水容量的影响对于依靠布置过热器的外置式换热器来调节床温的循环流化床锅炉，为了满足锅炉过热和再热蒸汽参数的要求，在系统设计中，过热器受热面必须有较大的裕度，也就是说，在锅炉设计工况下过热器要有较大的喷水量。这个裕度的选取要根据燃用的设计燃料、校核燃料和设计单位对炉膛传热计算的风险情况来进行合理选取。裕度越大，对炉膛温度、传热的调节能力越大，但锅炉大量喷水，喷水管路系统成本增加，且尾部对流受热面流量减小，传热效果降低和受热面成本增加，同时排烟温度高，对流受热面壁温升高。因此，在设计中要统筹兼顾，合理选择。5.2外置式换热器受热面布置的影响依靠布置过热器的外置式换热器对床温的调节，其调节范围是有限的。对于大型循环流化床锅炉，要求锅炉对煤种的变化有较好的适应性，同时要求锅炉具有良好的调峰，因此，在外置式换热器中同时布置过热器受热面、再热器受热面和蒸发受热面（或省煤器受热面），可以使锅炉各部分受热面的吸热量通过外置式换热器进行灵活的调节。从理论上分析，只要这3种受热面在外置式换热器中合理地分配，锅炉可以在灵活调节床温的同时，过热器和再热器都无须喷水就能够满足汽温参数要求。更具有意义的是，如果外置式换热器中布置有一定份额的蒸发受热面或省煤器受热面，则锅炉在低负荷运行时，可通过减少蒸发受热面的吸热来提高低负荷运行时的床温，并使再热蒸汽和过热蒸汽参数满足设计要求，增强锅炉低负荷运行的能力。特别是循环流化床锅炉在燃用无烟煤、贫煤等着火性差的燃料时，可大大提高锅炉低负荷稳燃的能力。5.3外置式换热器对热量分配的影响关于每个外置式换热器中布置多少份额吸热量的问题，不同流派根据炉型的不同而有所不同。经过计算分析认为，每个外置式换热器合理的热量分配要根据设计者所预想的床温调节范围、分离器的数量和每个分离器的循环灰流量以及回料器的设计等因素来综合考虑。当锅炉只在外置式换热器中布置过热器和再热器受热面时，那么锅炉只有通过调节外置式换热器中过热器的吸热量才能调节床温，在