循环流化床锅炉理论与运行培训教程--方朝军编制

循环流化床培训教程1循环流化床培训教程2前言锅炉作为电厂三大主力设备之一，也是电厂整个热力系统中的主要部件，锅炉运行的好坏直接影响到整个电厂的效益，因此电厂将锅炉视为“龙头”，如何将锅炉机组能够安全、连续、经济的运行显得尤为重要。循环流化床锅炉（以下或文章中简称“CFB炉”），CFB炉有其燃料适应性广、燃烧效率高、环保效益好、负荷调节范围大等优点近十年来得到广泛认同，与此同时火力燃煤发电、城市垃圾焚烧、固体废弃物协同处理等领域被大力推广。加强和提高运行员工的业务水平及操作技能是很有必要的，在使机组安全、经济、连续的运行的同时也达到了设备利用率。鉴于此，编写这本教程，教程分两大部分，一是用较大篇幅介绍了通用的流化床专业知识，二是流化床垃圾焚烧炉部分。本教程是借鉴相关资料及编者数年来的运行经验而编写的，由于编者水平有限，难免有纰漏与不当之处，望相关专业人士及各企业同仁指正！以便对其进一步修订。编写：方朝军联系方式：[e-mail]循环流化床培训教程3目录第一章：CFB锅炉的工作原理及其特点第二章：CFB锅炉流体动力特性第三章：CFB锅炉的燃烧与传热第四章：CFB锅炉主体结构及部件第五章：CFB锅炉的辅机系统第六章：CFB锅炉的启动与运行第七章：CFB锅炉的磨损及预防第八章：主要污染物的排放与控制注意要点第九章：城市生活垃圾相关知识第十章：CFB垃圾焚烧炉运行控制调节循环流化床培训教程4第一章循环流化床锅炉的工作原理及其特点1、流态化现象当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流态化现象。2、流态化的定义当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗粒产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层会出现类似于液体状态的现象或者当固体颗粒群与气体或液体接触时固体颗粒转变成类似流体状态，这种操作状态称为流态化。3、流态化过程及临界流化速度当流体向上流过颗粒层时，固体颗粒的运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来说，它不再依靠与其他邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反的，在失去了以前的机械支撑后，每个颗粒可在床层中自由运动，就整个床层而言，固体颗粒具有许多类似流体的性质（流态化）。使颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低的流体流速，称为临界流化速度。由于燃煤粒度范围较宽，一些大颗粒不容易流化，因而为了防止大颗粒沉积发生结渣，实际运行风速应当更大一些。4、循环流化床的特点循环流化床在不同的气流速度下固体颗粒床层会出现不同的流动状态，随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、紊流流化床、快速流化床和气力输送状态（密相气力输送与稀相气力输送）。CFB炉的上升段通常运行在快速流化床状态下，快速流态化流体动力特性的形成对CFB炉是至关重要的。快速流化床的现象是：固体颗粒被速度大于单颗物料终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混；颗粒团向各个方向运动，而且循环流化床培训教程5不断的形成与解体。在这种流体状态下，气流还可以携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度大于截面平均流速，，这种气固运动方式中，存在较大的气固两相速度差，即相对速度。CFB炉由快速流化床（上升段）、气固物料分离装置和固体物料回送装置所组成。CFB炉的特点归纳如下：（1）不再有鼓泡床那样有清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间。（2）有强烈的物料返混，颗粒团不断的形成与解体，并且向各个方向运动。（3）颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关。（4）运行流化速度为鼓泡流化床的2-3倍。（5）床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化。（6）颗粒横向混合良好。（7）强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升段内温度分布均匀。（8）通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到数小时范围内调节。（9）流化气体的整体形状呈塞状流。（10）流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。5、CFB炉的工作过程流化床燃烧是床料在流化状态下进行的一种燃烧，其燃料可以是化石燃料、工农业废弃物和各种生物质燃料。一般粗重的粒子在燃烧室下部燃烧，细颗粒在是燃烧室上部燃烧。被吹出燃烧室的细颗粒采用各种分离器收集下来之后，送回床内循环燃烧。燃烧系统：在燃煤CFB炉中，燃料煤首先被加工成一定粒度范围的宽筛分煤，然后由给煤机送入循环流化床密相区进行燃烧，其中许多细颗粒物料将进入稀相区继续燃烧，并有部分随烟气飞出炉膛。飞出炉膛的大部分细颗粒由固体物料分离器分离后经返料器送回炉膛，再参与燃烧。燃烧过程中产生的大量高温烟气，流经过热器、再热器、省煤器、空气预热器等受热面，进入除尘器进行除尘，最后由引风机排至烟囱进入大气。汽水系统：锅炉给水首先进入省煤器，然后进入汽包，后经下降管进入水冷壁。燃料燃烧所产生的热量在炉膛内通过辐射和对流等传热形式由水冷壁吸收，用以加热给水生成汽水混合物，生成的汽水混合物进入汽包，在汽包内进行汽水分离，分离出的水进入下降管继续参与水循环；分离出的饱和蒸汽进入过热器系循环流化床培训教程6统继续加热变成过热蒸汽。过热蒸汽引入汽轮机做功，将热能转化为汽轮机的机械能。一般125MW及以上机组锅炉将布置有再热器，这些机组中的汽轮机高压缸排汽将进入锅炉再热器进行加热，再热后的蒸汽进入汽轮机中、低压缸继续做功。6、CFB锅炉的基本构成CFB炉可分为两个部分。第一部分由炉膛（燃烧室）、气固分离设备（分离器）、固体物料再循环设备（返料装置、返料器）和外置式换热器（部分锅炉有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为尾部对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器，与常规炉类似。A、炉膛燃烧室以二次风入口为界分两个区，二次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区；二次风入口以上为小粒子氧化气氛燃烧区。燃烧室既是一个燃烧设备，也是一个热交换器、脱硫、脱氮装置，集流化过程、燃烧、传热、传质、脱硫、脱硝于一体。B、分离器分离器是CFB炉燃烧系统中的关键部件之一，它的形式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的紧凑性，其性能对燃烧室的空气动力特性、传热特性、物料循环、燃烧效率、锅炉出力、蒸汽参数、石灰石的脱硫效率和利用率、对锅炉的调节负荷范围、锅炉启动所需时间、散热损失以及维修费用等均有重要的影响。目前国内外普遍采用的分离器有高温耐火材料内砌的绝热旋风分离器、水冷或汽冷旋风分离器、各种形式的惯性分离器和方形分离器等。C、返料装置它的正常运行对燃烧过程的可控性、对锅炉的负荷调节性能起决定性作用。常用的返料装置是非机械式的。主要有两种：一种是自动调整型返料器，如流化密封型返料器；另一种是阀形返料器，如“L”阀等。7、CFB锅炉的优点与缺点（1）优点：A、燃料适应性广；B、燃烧效率高；C、高效脱硫；D、氮氧化物（Nox）排放低；E、燃烧强度高，炉膛截面积小；F、燃料预处理及给煤系统简单；G、负荷调节范围大，调节速度快；H、易于实现灰渣综合利用。（2）缺点：A、N2O排放较高；B、厂用电率较高；C、炉膛、分离器以及回送装置及其之间的膨胀和密封问题；D、由于设计和施工工艺不当导致的磨损问题；E、炉膛温度偏高以及石灰石选择不合理导致的脱硫效率降低问题；F、飞灰含碳量高的问题；G、灰渣综合利用率低的问题。循环流化床培训教程7第二章循环流化床锅炉的流体动力学特性1、流化床的流体力学性质流化床流态化后，具有与流体一样的性能，主要表现在以下几个方面：A、浮力定律：密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。B、液面特性：床表面保持水平，形状保持容器的形状。C、小孔射流：在流化床侧面开孔，固体物料像流体一样射流，离床层上表面越近，射流距离越小，越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出去。D、连通效应：几个流化床底部连通后，床层高度自动保持同一水平高度。2、固定床的空隙率固定床的空隙率是指床层静止时，颗粒物料中的空隙体积和床层总体积的比值。3、宽筛分颗粒分类与特性进入锅炉的燃料颗粒直径一般是不同的，如果颗粒直径粗细范围较大，称为宽筛分；颗粒粗细范围较小，称为窄筛分。国外学者对常温常压空气流化条件下的典型固体颗粒的气固流态化特性进行分析，依据颗粒平均粒径和颗粒与气体的密度差将颗粒分为四类，即A、B、C、D类。A类颗粒：较细，一般为20-90微米，如化工流化床反应器常用的裂化催化剂属于此类。极易流化，并且在开始流化至形成气泡之间一段很宽的气速范围内，床层能均匀散式膨胀。B类颗粒：具有中等粒度，范围在90-650微米，具有良好的流化性能。流化床常用的石英砂属于典型的B类颗粒，此类颗粒在流化风速达到临界流化速度后即发生鼓泡现象。C类颗粒：很细，均小于20微米，颗粒间相互作用力大，属于很难流态化的颗粒。由于其相互粘着力大，当气流通这种颗粒组成的床层时，往往会出现沟流现象。D类颗粒：具有较大的密度和粒度，在流化状态时颗粒混合性能较差，大多数燃煤锅炉内的床料及燃料颗粒均属于D类颗粒。由于化工领域研究的大多为A、循环流化床培训教程8B、C类颗粒，D类颗粒的流化性能研究甚少，近年来一些研究表明，D类颗粒的流化性能与A、B类颗粒有较大差别，如气泡速度低于乳化相间隙气流速度，即为慢速气泡流型。4、临界流化速度临界流化风速的定义前面已经叙述过。测定临界流化风速一般是通过冷态试验来确定的，从低气流速度上升到高气流速度的压降—流速特性试验称为“上行”试验法；由于床料初始为人为的堆积，内部状态差别较大，“上行”试验法测定的数据有很大的差异，实际临界流化风速往往采用从高气流速度向低气流速度进行的，称为“下行”试验法。临界流化风速在实际运行中是一个十分重要的参数，否则容易出现结焦事故。为使床层达到充分流化，运行流化风速通常为临界流化风速的2-3倍左右。在锅炉设计与运行中，应保证在最低负荷下的运行风速大于一个最低允许流化风速，保证布风板上全部风帽小孔之上的料层均处于流化状态。5、床层阻力特性床层阻力特性是指流化气体通过料层的阻力压降与按床截面计算冷态流化速度（或称为表观速度）之间的关系。在料层流化之间，压降随着流化风速的增加而急剧增大，流化后，随着风速增加而基本上维持不变；对于颗粒堆积密度一定、厚度一定的料层，其床层阻力是一定的；当料层厚度固定后，料层温度对料层阻力影响不大，因此根据这些特性来判断料层的厚度和所要配备的风机压头的大小：送风机压头≥风道阻力+布风板阻力+料层阻力。在理想状态下，流化后的床层阻力应等于单位面积布风板上的料层重量。对石煤流化床锅炉有帽头侧水平孔的大风帽布风板，可取布风板阻力系数为2.0；对无帽头的小孔下倾150的小风帽布风板，一般布风板阻力系数为1.84。6、固体颗粒的夹带与扬析及饱和携带A、夹带：气流携带固体物料并能带离炉膛的量。B、扬析：对某一粒径颗粒的选择性夹带。夹带量与离开床层高度成反比。C、饱和携带：但当达到一定高度后，夹带量不再随高度增加而变化，即常数。这一高度，就是分离高度（TDH），对应的夹带量叫饱和携带。以上三个定义对锅炉运行很有用；通常把床层表面至在输送分离高度（TDH）之间的空间称为自由空间。对燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉，其炉膛出口高度通循环流化床培训教程9常低于输送分离高度（TDH），因此同时存在着扬析和夹带的现象。7、CFB炉中的流态化特征在气固流态化中，定义气固相对速度（或称为滑移速度）为气体和固体颗粒绝对速度的差，即气固相对速度=表观气流速度、固体质量流量、颗粒密度和床层平均空隙率。快速流化床是介于湍流流化床与气力输送状态之间的一个流型。其区别于鼓泡床和气力输送的主要特征是气固之间存在非常高的相对速度。快速床与鼓泡床区别之二是：鼓泡流态化（密相区）中的气相为离散相（气泡），乳化相为连续相；而快速流态化中的气相为连续相，乳化相为离散相。快速流化床中，颗粒与气流之间存在一个很大的速度差，由于此速度差使得气