第一章循环荒化床燃娆锅炉榔述 由于循环流化床内气固两相混合物的热容量比单相烟气的热容量大几十倍甚至几倍 閃此,循环沇化味锅炉中燃料的着火、燃烧非常稳定。另外,固体床料通过分离器形成的多 次外循环和比外循环高·个量级的内循环,大大延长了燃料和脱巯剂的停留和反应时间,在 床内沿圹獐高度所进行的燃烧和传热过程,基本上是在十分均匀的妒樘温度下(-般为850 ∞℃)进行的,从而可使循环流化床锅妒达到8%-9%的燃烧效率。在钙与燃料中的 毓岸尔比CaS为1.5-2.5的情況下可以达到9%以上的脱硫效率。出于循环流化木锅炉恳 低温燃烧而燃烧过程是在整个炉膛高度上进行的,可以方使地织分级燃烧.因而可以 有效地抑制NO入的生城,降低YO3的排放。由于炉内气固两相流对受热商的传热是在格个 膛内行的,不需在内布置埋管受热面,因而完全避免∫埋管的磨损问题而布背在炉 膛岀门外的高效分离器可将大部分固体颗粒从烟气中分离出来,因此.和泡床相比.也人 大减少∫尾部烟道中娴气的粉忄浓度,减少了尾部受热面的磨损 由此可见,循环流化休锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的,科却克服∫鼓泡床的 毕缺点,将煤的流化床燃烧技术发展到了-个新的阶段。 第-节循环流化床燃烧技术的发展历史及现状 70年代,德国鲁奇(ug)公司第一个申请了循环流化床的专利杈,并很快获得了应 用。第一台较大容量的循环流化床锅炉于1985年9月1日在德国 Drusberg第·热电厂投运 其容量为958MWe。经过一年多的调整、完善改造和试运行,显示了该技术的良好特性,既 符合环境保护要求又具有很高的经济性,被称为“清洁燃烧”的高新技术。美国 ABB-CE公 吲引进I吧技术制造的两台160JMWe循环流化床锅炉机组安装于美国德克萨斯大林州Weco 电,分别于190年9月和191年10月正式投入运行。芬兰奥斯龙公司是世界上循环流化 床锅炉最大供应商,市场份额达40%左右。 主循坏回路是循环流化床锅炉的关键,其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分 离出柬,送回燃烧室,以维持燃烧室稳定的流态化状态,保证燃料和脱硫剂的较长的反应时 间,以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设 计、系统布置,而且与其运行性能有直接关系。分离器是主循环回路的主要部件,因而人们 通常把分离器的形式、T作状态作为循环流化床锅炉的标志 气固分离器是循环流化床系统的核心部件之一。其之所以关键,从运行机理上来说,只 有当分离器完成了含尘气流的气固分离并连续地把收集下来的物料回送至炉瞳、实现灰平衡 及热平衡.才能保证炉内燃烧的稳定与高效;就系统结构而言,分离器设计、布置得是否合 理直接关系着锅炉系统制造、安装、运行、维修等各方面的经济性与可靠性。虽然分离器是 循环流化床锅炉必不可少的关键环节,但它又具有相对的独立性和灵活性,在结构与布置上 回旋余地很大。从某种意义上讲,循环流化床锅炉的性能取决于分离器的性能,循环流化床 燃烧技术的发展也取决于气固分离技术的发展,分离器设计上的差异标志了循环流化床技术流 派的区分
第二节循环流化床燃烧技术的发展欣史及琥洑 、经典的绝热旋风分离循环流化床燃烧技术 旋风分离器在化」、冶金等领域具有悠久的使用历史,是比较成熟的气固分离装置.因 此在循环流化床燃烧技术领域应用最多 德国Iκ公吲较早地开发岀∫采用保温、耐火及防材料砌筑成筒的高温绝热式旋 风分离器的吓流化床锅炉:分离器入∏烟温在850℃左右。Ahrm公司、 Lurgi公可以及 由其技术转移的sein、 ABB-CE等设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式、这种分离 器具有相当好的分离性能,使用这种分离器的循环流化 绝热层 床锅炉具有较高的性能。据统计,H前除我国大陆外有钢壳 78%的循环流化床锅炉采用了高温绝热旋风分离器。但 这种分离器也存在些问题.主要是质凤筒体积庞大, 因而钢牦较高,锅炉造价高,占地较大,放风简内衬厚、 绝执耐火 酎火材料及砌筑要求高、用量大、费用扃、如图 -!0陈小:动时间长、运行中易出现故障;密封和膨 胀系统复杂;尤其是在燃用挥发分较低或活性较差的强 后燃竹煤种时,靛风筒内的燃烧导致分离下的物料温度 ∵升,但这种技术的成熟程度比较高,积累∫大量的经 rroiluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温 旋风筒的问题,炉膛上部布置较多数量的受热面,降低 了旋风筒人口1烟气温度和体积,旋风筒的体积和重量有图10高温绝热旋风分离器 所减小,因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷, 的筒体结构 使其还行可靠性提高。该技术炉膛出口的烟气温度较低,炉朦上部需要布置大量的受热面以 降低炉膛出口烟气温度,需要采用塔式布置,炉膛比较高,钢耗量大,锅炉造价提高 改进的冷却型旋风分离循环流化床燃烧技术 为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点,同时有效地克服该炉型的缺陷,Fosr Whee公司设计出了堪称典范的水(汽)冷旋风分离器,其结构如图1-1所示。该分离器 外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装成膜式壁,取消绝热旋风筒的高温绝热层,代之以受热面制 成的曲面,其内侧布满销钉,涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料,见图1-12。壳外侧覆以 定厚度的保温层。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量,分离器内物料温度不会上升、甚至 略有下降,较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料 系统结焦的问题,也未发生旋风筒内磨损间题,充分显示了其优越性。这样,高温绝热型旋 风分离循环流化床锅炉的优点得以继续发挥,缺点则基本被克服。 当然,任何一种设计都难以尽善尽美,水(汽)冷旋风分离器的缺点是生产上艺复杂 制造成本较高。 三、快速发展的紧凑型循坏流化床燃烧技术 为克服水(汽)冷靛风筒制造成本高的问题,芬兰 ahlstrom公司创造性地提出了yme ompact设计构想
16 第一章循环流化床炵烧锅炉述 锅炉角钉 钢铺 固体 图1-1水(汽)冷旋风分离器筒体结构 图1-12水(汽)冷旋风筒耐火材料 Dyronlow Compact循环流化床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器。方形分离器的分离 机理与圆形旋风筒4质上无差别,壳体仍采用FW式水(汽)冷管壁式,但因筒体为平面结 构而别县·格。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固分离装置,分离器 的擘面作为炉脞壁面水循环系统的一部分,因此与炉膛之间避免使用膨胀节。同时方形分离 尜吲紧贴炉膛布置,从而使整个循环流化床锅炉的体积大为减少,布置显得十分紧凑。为防 1止磨损、方形分离器膜式壁表面敷设了层薄的耐火层,如图112,这使得分离器起到传热 表面的作用,并使锅炉启动和冷却速率加快。图1-13是 Pyrofow紧凑型分离器示意图。 从国内许多已投人运行的流化床锅炉来看,普遍 9了都存在有床内的燃烧工况组织不 风分离器内CO和残炭后燃造成数十度甚至上百度温 升的现象,加上流化床中的结焦温度比较低,因此结 焦的可能在运行中始终是一个很大的隐患。如果采用 有冷却的旋风筒,分离器内的温度就可以得到控制, 从而消除了结焦的危险。 图13Pyrw紧凑型分离器示意图水冷或汽冷的方形旋风分离器与不冷却的钢板卷 成的旋风筒制造成本基本相当,考虑到前者所节省的 大鞦的保温和耐火材料,最终的实际成本有所下降。此外它还减少了散热损失,提高了锅炉 效率。再则由于保温厚度的减少,可以提高启停速度,启停过程中床料的温升速率不再取决 于耐火材料,而主要取决于水循环的安全性,使得启停时间大大缩短。以一台高温绝热旋风 筒的0.83k/s子为例,采用两根油枪床下点火,一般设计每小时耗油量为60kg左右,根 据耐火材料的膨胀要求,启动时间约8h左右,如果将分离器做成汽冷或水冷,只要2-3h 就足够了,这样每次启动都可以节省2~3t的启动用油
第四节循环流化床燃烧披木术的友展前景 4hNTm公叫的方形分离器紧凑型设计推出之后,立即引起了广泛的重视7年多的运 行表明,该技术以有明的优势和发隈前景。采川方形分离器技术的紧凑型循环流化休锅炉 已有18.89-130.56kg/s多台运行,均比较成功,在我国江苏投运∫两台Nwe该型式的循 环流化枺锅炉。釆用方形分离器的紧凑型布置循环流化床锅知的市场份额逐增加 方形分离器在大型化方面具有很大的优势。1993年清华大学在实验 宰对国外方形分离器专利进行∫验证实验,初步实验发现其分离效率并 非如宣传的那么好,特别是在200-400m的粒径范围在一个低效区 经分析表明这个低效区是由干分离器进口颗粒加速不良造成的.为此改 进了入山段设计、对比实验表明这个改进是完全正确的,这个改进最终 取得了我围专利,见图114。为进一步优化分离器的效果和验证改进可 寮性,在实验室冷态实验、热态实验的基础应用于20.8kg/s完善化循 坏流化床锅炉,并取得成功。该分离器是四周用膜式水冷壁组成的方形 分离器、但娴气入∏的水冷壁管弯制成圆弧形段。清华大学等单位已对 儿种不同当量尺寸的方形分离器进行了一些卓有成效的试验和较为深入 的研究,取得了许多有价值的结果。对这些成果进行较全面的分析、整 理和比较,可以更多地了解方形分离器的放大性能,有助于促进大型化图14带加 分离器的开发研制和循环流化床锅炉大型化所面临难题的解决。这些研速段的方型 究结果表明,方型分离器的放大性能要优于圆形旋风分离器,特征尺寸分离器小总图 在10m以内的方型分离器大型化的前景相当乐观 事实上260MWe的方形分离循环流化床锅炉已经安装。FW公司把方形分离器作为循环 流化床锅炉大型化的主要方向,正在研制基于方形分离器的超临界循环流化床锅炉。 四、其他形式的循环流化床燃烧技术 多年来,人们除了采用经典的旋风分离器开发循环流化床燃烧技术,不断完善这类分离 技术在循环流化床燃烧技术方面应用之外,在开发接近传统煤粉锅炉形式的循环流化床锅炉 方面进行了不懈的努力,出现了一大批各种形式的技术,如迷官式分离、撞击式分离等具 紧凑特点的简易分离或多级组合分离循环流化床技术。由于分离效果的限制、不足以满足循 环流化床锅炉的最低需要,出现了一些问题。这些技术有的退化为改进型鼓泡床锅炉,有的 已经不再生产。 第四节循环流化床燃烧技术的发展前景 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟,各循环流化床锅炉制造厂家和研究机构都十分重 视循环流化床锅炉的大型化。目前300MWe等级循环流化床锅炉已经有几个示范工程。蒸汽 参数为l8Ma的300Mwe循环流化床自然循环锅炉于200年初投人运行,600MWe循环流化 床锅炉的设计现已不成问题。大谷量业临界循环流化床自然循环锅炉的进…一步完善是…个发 展方向常压循环流化床燃烧技术是已经为国际上公认的商业化程度最好的洁净煤技术.然 而其髙效供电方面还没有在根本上提高,其燃烧效率和锅炉热效率仅仅与煤粉燃烧相近,在
18 第一章循环流化床燃烧锅炉概述 达到较高的供电效率方面并未具有明显的优越性,在高效方面没有进步,因此提高蒸汽参数 以提高供电效率是大型化的主要方向。 20纪80年代末期,蒸汽循环的要求使最大的带有过热和一次再热的自然循坏锅炉的 运行力提高到∫18.6Ma从∞0年代的初期至今,这运行参数已被证明是可靠的资料 表明:981M.535℃的高压参数电站供电效率为30.04%;12.7ⅦPa、535℃冉热电站供电 效率为32.16%;16.3MP、535/537业临界参数电站供电效半为37.12%;24.3MPa、540 560℃超而界参数电站供电效率为40.95%,主蒸汽压力对供电效率有明喦影响。大型电普 遍采用的煤粉燃烧锅炉即是沿着低压→高压→超高压→亚临界→趙临界这一条路发展起来: 于循环流化床锅炉的低温燃娆.炉膛中的热流比传统炉膛低很多,这就使超临界直流循环 流化锅炉可以住相对低的质量流速和相对高的1质温度条件下1仵 循环流化床锅炉比煤粉炉更适于采用超临舁的儿大优势使得循环流化床锅炉比煤粉炉吏 适台采用超临界参数。在循环流化床锅炉屮,炉膛是唯一的蕊发器,没有水平管簇。炉朦的 有特点决定了它在超临界滑压运行中的显著优势 循环流化床锅炉燃烧室的传热系数和温压较低,亦即低热流。对于同样的负荷,循环流 化床锅炉的炉肿截面积接近于煤粉炉,但单位受热亩积上的传热量较小。平均炉膛设计面积 l2较低热量输入(NH/PA)异致了低的热流。循环流化床锅炉和煤粉炉的平均NHLP分 別为1.605x10w/m2和5.664×lrw/m2。总的来说,循环流化床锅炉炉膛中的热流率要比 煤粉炉中的低得多 由于流化床中气固两相流动付受热面的冲刷,使得水冷壁的粘污系数较小,沉积物非常 少并且比较均匀,炉墙清洁,水冷壁发生传热恶化的情况大幅度减少。 循环流化床锅炉燃烧窒中热流横向分布比较均匀,纵向分布呈现上部比下部低的趋势 下部较高部位被耐火材料覆盖。最高热流出现在底部并随着炉高增加而逐渐减小,而工质温 度恰恰相反。因此,最冷的工质恰好在最高热流处。这种特性使水冷壁面不至于超温,在循 环流化床锅炉中发生传热恶化的几率比煤粉炉小得多。 循环流化床锅炉的负荷调节范围广。目前我国电网的峰谷差已达36%以上,今后还会 进一步增加,再考虑到今后建设的核能电站适合带基本负荷,因此要求新建的火电机组的负 荷变化池围相对较大,从而要求火电机组必须具有高的经济性和可靠性以及优良的负荷适应 性和燃料适应性 循环流化床锅炉投资和运行费用适中。循环流化沫锅炉的投资和运行费用略高于常规煤 粉炉,但比配烟气脱硫装置的煤粉炉低。循环流化床锅炉加石灰石在炉内脱硫即可达到S, 国家排放标准,而煤粉炉要想达到国家SO2排放标准还需加装脱硫设备,使供电成本增加 在煤粉炉中,火焰温度比较高,导致NOx的排放相对较高。即使采用性能比较好的低 NOx燃烧器,NOx的排放要低于003%是比较困难的。由于循环流化床锅炉采用低温燃烧和 分级送风,其NOx的排放较小,一般为002%以下。 超临界蒸汽循环可以提髙热效率,减少排放和泵的电耗。循环流化床技术具有燃料的灵 活性,低的排放,高的可靠性和成熟的设计特性等优点。超临界循环流化床锅炉便是结合二 者的优势。它们的结合从理论上说技术难度不大。因此超临界循环流化床锅炉成为国际上的