第一章循环蕹化床燃烧锅妇概述 很多科研机构和制造厂商致力于循环流化床锅炉的开发研究、共同的努力使此项技术日臻成 熟和完善迄今,美国的FW、芬兰的 Ahlstrom(已并入W)、德国的umi、瑞典的AHB和 法国的 Stein等公闬都能提供商品化的功率为wwe以上的全套大型循环流化床锅炉发电 设备。法国 Provenκ扌1995年建成投运∫世界上蒸发量最人的250MWe循环流化床锅炉,许 多公司还完成∫容量等级更高的循环流化床锅炉的设计 图12小意了一个典型的循环流化床锅炉系统 IIIR 图1-2循环流化床锅炉系统示意图 1一汽包:2一旋风分离器;3燃烧室水冷壁;4-重力式给煤系统;S外置沸腾床热交换器;6燃烧室底 部耐火忖;7—尾部烟道;8—过热器;9一省煤器;10—管式空气预热器;11—布袋除尘室;12·-引风机 我国于加0世纪80年代中期开始投人力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发,虽 然起步较晩,但进步很快。清华大学、中科院热物理所等科研院所与国内锅炉生产厂家合 作,在燃烧、传热、流态化、气固分离、脱硫、灰渣处理等方面完成了大量卓有成效的理论 和实验研究工作。日前,国产蒸发量20.83kg/s及以下容量等级的小型循环流化床锅炉已在 国内大面积工业推广,实现了商品化;36.1kg/s等级的循环流化床锅炉已有数台运行 61.k/s的循环流化床锅炉正在陆续投运;16.67kg/s再热循环流化床锅炉已完成设计并通 过了技术鉴定;国产135MW再热循环流化床锅炉已有多台投人运行;更大容量的循环流化 床锅炉设计正在积极酝酿和筹划中。引进技术或设备的61,kg/s以上容量的循环流化床锅 炉已有50余台,在进行300MWe循环流化床锅炉技术和设备引进工作 三、流化床燃烧技术的发展历程 在煤燃烧技术发隈的历史上,流化床燃烧是近4)多年来发展起来的最新的燃烧技术 臼τ业革命以来,随着工业的发展,各种不同的煤燃烧技术的开发和发展均有其当时的时代 背景。在19世纪80年代,随着蒸汽机的发明,开发出了固定床层燃技术,至今,我国上收
第一节循环流化床炊埽圬术 锅炉的绝大多数仍然是层燃锅炉:至20世纪30年代,层燃技术已不能满足电力业对史大 容量、更髙效率的燃煤锅炉的需求、从而开发出了煤粉燃烧技术。60多年来,煤粉燃烧技 术已得到了长足的发展,现在仍然是统治着仝世界燃煤发电∫的燃烧方式煤粉炉不但可以 燃烧各种不同的煤种,并能达到90%以上的锅炉效率,煤粉炉的单杋最大容量巳达 l3oMwe。煤粉炉可设计成超临界汽参数的机绀,并实现∫运行操作的全部自动化 至20世纪中期、1业的迅速发展,包括大燃煤锅炉在内的业过程产生了重的污 染冋題、迫切要求发展洁浄煤技术,包括煤的清洁燃烧技术、在这-历史背景下,除∫对煤 粉炉廾发了许多在炉內和烟气中降低污染物排放的技术外,在60牛代木至π0伻代初期,流 化床煤燃烧技术应运丽生。在流化床煤燃烧技术开发的初期、上酉是发展了嶔泡沇化床技 术,在鼓泡流化床技术的萁础上,在70年代末期,开发出了循环流化床燃烧技术:由于披 泡流化床锅炉和循环流化床锅炉都是以流悆化原理进行∫作的,所以它们都属于流化床 我国是网际上最早开展流化床燃烧技术研究开发的家之一:自从1965年建成第台 燃烧油页岩的工业鼓泡流化床锅炉以来,流化床媒燃烧技术很快在仝国得到推疒¨。现在全冋 已有3500余台鼓泡流化床锅炉在运行,数量居世界之首。80年代以后,我国开始循环流 化床燃烧技术研制以后、发展迅速。据不完全统讦.截至2000年底,已有830余台循环流 化床锅炉投入运行,但大多数为容量在20.83~61.1kg/以下的中小型锅炉。 世界上作为一种先进的清洁煤燃烧技术,流化床锅炉技术20多年来得到了很大的发展。 现在、容量为350Mwe的世界上最大的鼓泡流化床锅炉已在日本建成投产。在循环流化昧锅 炉的冈际市场上,已售出的循环流化床锅炉(不包括中国生产的循环流化床锅炉)已超过 450台,其中容量超过200MWe的循环流化床锅炉为12台以上,有6台已投入运行。两台当 前最大的300MWe容量的循环流化床锅炉于20年在美国佛罗里达州的JEA电厂投入运行。 容量为600MWe的循环流化床锅炉的设计也已完成。这些说明∫循环流化床锅炉已开始进人大 容量燃煤电站锅炉的领域。 四、循环流化床燃烧技术的特点 流化床煤燃烧技术在较短的时间内能得到迅速的发展和应用,是因为它具有一些层燃和 煤粉燃烧等常规燃煤技杙所不具备的特点。表1-5为层燃、煤粉燃烧和流化床燃烧等燃烧方 式燃烧特性的比较,从中可以看出,流化床燃娆有别于其他两种燃烧方式的最突出的特点 是:燃烧温度低,停留时间长,以及湍流混合强烈,这些特点给流化床燃烧带来一系列优 点 表15 不同煤燃烧方式的燃烧特性比较 燃烧特性 层燃 粉燃烧。鼓愬流化锅炉环流化床锅炉 燃尽时间ts 00~50 5 燃烧过程控制因京 扩散控制 扩散控制为主 王十可三二
6 第一章循环流化床燃焐锅炉概述 (一)低温燃烧 流化床燃烧和层燃炇煤粉燃烧很不相同,任何时候其炉内都需有人量的温惰性物料 (如灰、有灰石或沙f等)的储备,这些惰性物料占全部炉内固体物料的97%~98%,即 何时候妒内圊体可燃物的份额不超过全部床料的2%-3%,因此,即使在燃烧温度仅为85 ~900℃:的情况.在有足够的氧的条件下,任何固体燃料都能被燃尽,再加上燃料在妒内很 长的伈留时及床內强烈的湍流混合,这些足以保证在850-900℃的低温条件下流化床锅炉 能稳定和效地燃烧任何燃料 (二)极好的燃料适应性 山于流化床锅妒冇上述低温燃烧的特点,只有极好的燃料适应性,几乎对于任何燃 料,都刂以设计出燃娆这种燃料的流化床锅炉,并保证燃烧过程的稳定和很高的燃烧效卡; 刈于已经!在的流化味锅炉,燃料性质在相当大的范围内变化,锅炉仍能保证稳定燃烧。至 今已成功地仼沇化床锅炉Ⅰ燃烧过的燃料包括一切种类的煤,其中有高灰分高水分的褐 煤,低挥发分的无烟煤,各种煤的煤矸石、洗矸、洗煤泥浆,石煤,各种石油焦,油页岩 泥煤,城市垃圾,油污泥,废轮胎,农林业生物质废料(如树皮、木屑、稻壳、甘蔗渣) 等ε它也用于燃烧各种液体和气体燃料,各种燃料既叮以单独燃烧也可以混烧,这是任何 其他燃烧方式不能与之相比的。 (三)低的污染物排放 流化床锅炉低温燃烧的特点,有效地抑制了热力型NOx的生成,而通过采用分级燃烧 又可控制燃料型NOx的排放,因而,流化床锅炉NOx的生成量仅为煤粉炉的1/4-1/3,可 以将鼓泡沇化床锅炉的NOx排放值控制在小于0.03%~0.04%,将循环流化床锅炉的NO3排 放值控制在0.01%-00%。此外,如果在燃烧过程中直接向炉内加入石灰石或白云石,出 850~900℃的燃烧温度正是石灰(CO)和二氧化硫(S)反应的最佳脱硫温度,因此 根据煤中的含硫量,向流化沫锅炉炉膛内投入适量的石灰石,就可以达到9%左右的脱硫 效率。所以,流化床是一种经济有效的低污染煤燃烧技术,这也是它在全世界受到重视并发 展很快的最根本原因 四)然烧强度大 由于流化床燃烧过程中强烈的湍流混合,并且循环流化床锅炉的燃烧是在整个炉膛空间 内完成,这大大地提高了其燃烧强度,提高了单位炉膛体积的出力,减小了炉膛的截面积和 体积。循环流化床锅炉的体积可以做得比常规锅炉的小。 (五)床内传热能力强 流化床内高強度的传热特性可节省炉内受热面的金属消耗量。对鼓泡流化床锅炉,床内 相混合物对床内埋管的传热系数可达23-326W/(m2·K),循环流化床锅炉炉膛内气 固两相混合物对水冷壁的传热系数在250~100W/(m2K)的范围内。 (六)负荷调节性能好 由于炉内大量热床料的储备,使流化床锅炉具有良好的负荷调节性能,负荷调节幅度 大,在低达25%额定负衙下也能保持稳定燃烧。 (七)易于操作和维护
第一节循环流化床燃垅找术 由F燃烧温度低,灰濆不会软化和黏结,因而不仃在炉内結渣的问题、妒膛內不布置 吹灰器。较低的炉膛温度使炉内受热面热流率较低,减少了发生∶传热危机而爆管的忛会燃 烧的腐蚀作用也较层燃炉和煤粉焖小.这些都使得流化床锅炉易于操作和维修,至亍流化枺 锅炉易产生的磨损问题,可在易磨损部位采取诸如敷设防蘑耐火材料涂层等一系列防磨挡 施.已经得到解决 (八)灰渣便于综合利用 5%,可以用作制造水泥的掺合料或其他建筑材料的原料.有利于灰渣的综合利×4 低温燃烧所产生的灰渣具有较好的活性,咖月其飞灰和底灰的含碳量低,通常低 但是,鼓泡流化床锅炉还存在以下的主要问题: 1)当燃用宽筛分的燃料(一般燃料的颗粒尺寸分布0~12πm)时,木燃尽绀颗粒飞灰 的飞出大,尤萁在燃烧低挥发分低反应活性的燃料时,会造成固体未完全损失增加,降低 了燃烧效率、同时,飞灰排出量大还会造成尾部受热面的磨损,并要釆用高效率的静电除尘 器或袋式除尘器,否则锅炉飞灰排放浓度将难以达到环境保护标准的要求 (2)在问泡流化床锅炉内直接加入石灰石脱硫时,由于在床内的停留时间短,有从弁 的钙利用率低,要使脱硫效率达到∞%以上:,则脱硫所需的钙硫摩尔比Ca/S一般需在3左: 右,要消耗大量的石灰石 (3)鼓泡流化床锅炉的床内埋管及炉墙和尾部受热面的磨损问题还有待彻底解决 (4)按照鼓泡流化床锅炉的截面热负荷,每平方米的床面积可生产约0.5-1kg/s蒸汽 因此,随着锅炉容量的增加,床的截面积势必增加。例如,一台11.11k/s的鼓泡流化锅 炉,其床面积将会达到100m2以上,这在布置上会带来很大的困难,从而会限制鼓泡床锅炉 向大型化发展。 正是为了解决鼓泡流化床锅炉存在的上述问题,促使了循环流化床锅炉的发展、循环流 化床锅炉不但具有鼓泡流化床锅炉的全部优点,而且基本上克服了鼓泡流化床锅炉的上述缺 点,因而循环流化床技术成为当前流化床技术发展的主要方向。但是,循环流化床燃烧技术 本身还存在以下的缺点: (1)循环流化床锅炉的气固分离和床料循环系统比较复杂,如旋风分离器尺寸庞大,造 价较高,布风板及系统的阻力增加,锅炉自身电耗量大,约为机组发电量的7%左右,导致 运行维修费用增加。 (2〉循环流化床的燃烧效率受燃烧温度的限制,一般要略低于煤粉炉,特别是对难燃煤 种,飞灰含碳量偏高,影响了飞灰的综合利用。 (3)由于床内流速相对较高,固体颗粒浓度大,为控制NOx排放面采用分级燃烧以及循 环流化床燃烧的内在规律,炉膛内存在还原性气氛区域,受热面的磨损与腐蚀问题仍要十分 重视 (4)采用添加石灰石在炉内燃烧中脱硫,其脱硫效率低于湿法烟气脱硫,这对于达到发 达国家更严格的SO2排放标准仍存在问题
8 如一最请环杂化床场祸炉哪 第二节循环流化床燃烧技术的基本工作原理 环流化床锅炉是在鼓泡流化床钢炉的暴础上发展起来的,因此,讨论循环流化床锅炉 的木工作原理,就必卿从流化味的气固两相流动特性和鼓泡流化床锅炉的工作原理开始 图13为一台小型工业鼓泡流化床铜炉结构的示 意图。破碎成细题粒的燃料从前墙通过螺旋的煤机 流口 送入床内,体内布置有埋管受热面。空气由风室经 过床底部的布风板送入床层,将在布风板上的由燃 序风 料及情性鞠粒组成的固体颗粒吹起来,在重方的作 用下,被吹起升到一定高度的固体颗粒又会落F 在一定的空气流述下,在风板上的一部分或全部固 体颗粒就合产生双向运动,即在一次风的作用下装 粒上升和浮起,又在重力的能响下下落,类似于液 体在沸腾时的状态,固体粒床层也影胀起来。此 时称固体颗粒(料)进人了流化状态 在炉腔中,从床的底部至膨胀起来的床层上界 图13数泡流化保锅炉结构示意图面称为密相区,上界面以上的炉空间称为悬浮段 悬浮段应有足够的高度和温度,以保证从床层表面 飞出的细燃料颗粒能在悬浮段燃尽。密相区的床料和灰渣则从与床层上界面高度相同处开设 的溢流口,或从床底部的冷渣排放口排出。 图14流化床中料层随气流速度变化的情况 (4)a<u(b)=u!(<<;:()面 图14所示为床料中固体颗粒直径相同时料层随气流速度变化的情况若用△p代表料层 的阻力,则图1.5为料层高度h与△p随气流速度u变化的关系由图15可见,在气流速度 小十时,床料在布风板上静止不动,随着气流速度的增加,床层高度b,不变,如图14