循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)及分類

1、近年來我國推出的流化床鍋爐結(jié)構(gòu)類型已有若干種，從受熱面布置來說，有密相床帶埋管的，有不帶埋管的；流化速度有的低至34米秒，有的高至56米秒；分離器的種類更多，如高溫旋風分離器；中溫旋風分離器、臥式旋風分離器、平面流百葉窗、槽形鋼分離器等型式，都稱之為循環(huán)流化床鍋爐。但從機理看，是否屬于CFBB 還有待商椎。眾所周知，流化床鍋爐分為兩大類：鼓泡流化床鍋爐（BFBB ）和循環(huán)流化床鍋爐（CF BB ）。到目前為止，二者之間尚無明確而權(quán)威的分類法，有人主張以流化速度來分類，但從氣固兩相動力學來看，風速相對于顆粒粒徑、密度才有意義，還有人主張以密相區(qū)是鼓泡還是湍動床或快速來區(qū)分，但鍋爐使用的是寬篩力燃

2、料，以煤灰為床料的鍋爐往密相床是鼓床, 故此分法仍欠全面。還有人以是否有灰的循環(huán)為標準等等，都有些顧此失彼。以作者之見，我們不妨從燃燒的機理上來分。鼓泡床鍋爐的燃燒主要發(fā)生在爐膛下部的密相區(qū)，如我國編制的工業(yè)鍋爐技術(shù)手冊（第二冊）推薦，對于一般的矸石煙煤、貧煤和無煙煤密相區(qū)份額高達7595，燃燒需要的空氣也主要以一次風送入床層. 循環(huán)流化鍋爐的一次風份額一般為5060。密相床的燃燒份額受流化速度、燃料粒徑及性質(zhì)、床層高度、床溫等影響在上述數(shù)值的上下波動。其余的燃料則在爐膛上部的稀相區(qū)懸浮燃燒，所以在燃燒的機理上，BFBB 接近于層燃爐，而CFBB 更接近于室燃爐，二者在這一方面存在著極大的差異

3、，所以以此劃分似乎更為合理。鼓泡流化床鍋爐密相床的燃燒份額大，需布置埋管受熱面以吸收燃燒釋放。埋管的傳熱系數(shù)高達220270KW MC 比CFBB 爐膛受熱面的100-500kw/m2離得多盡管BFBB 稀相區(qū)內(nèi)的傳熱系數(shù)比要低，但因在稀相層內(nèi)的吸熱量所占份額較小，總的來說，對于容量較小的鍋爐BFBB 結(jié)構(gòu)受熱面的鋼耗量要少小些，BFBB 的燃燒主要在相床給煤的平均粒徑偏大，煤破碎設(shè)備較為簡單, 電耗也底流化速度低，細煤粒在懸浮斷停留時間長，爐膛也做的低。雖埋管有磨損，但如防磨損失處理得好，一般橫埋管可用五年，豎埋管可用. 采用尾部飛灰再循環(huán)，BFBB 的燃燒效率可達97, 如在爐膛出口安裝分

4、離器實現(xiàn)熱態(tài)飛灰再循環(huán)，則可高達9899，但此時裝設(shè)分離器的目的主要是為了提高燃燒效率而不是象CFBB 主要上為了改變爐內(nèi)的燃燒傳熱機理。CFBB 的截面熱負荷是BFBB 的23倍(從上至下加起來的熱負荷, 而不是一層, 利于大型化，爐膛內(nèi)溫度均勻，大氣污染物排放低, 燃燒效率高（可達99以上）是在BFBB 技術(shù)上的進步，具有更優(yōu)越的性能，但因分離器不能捕集到細小煤粒, 就需要較高爐膛，對煤的破碎粒度及操作控制等都要求較高，投資大且技術(shù)復雜，所以CFBB 爐型對中小容量鍋爐并無明顯優(yōu)勢，因而國外一些研究者認為，BFBB 適用于50t h 以下容量，CFBB 適用于220t h 以上容量，在50

5、220t h 容量范圍內(nèi)二者共存。我國在過去許多年中，建造了近3000臺沸騰爐(即BFBB 雖然其在燃燒劣質(zhì)煤方面發(fā)揮了極大的作用，但上于一直在低水平上運行，飛灰量大，含炭高，鍋爐效率低下，再加上除塵方面投資不足，煙塵治理沒得到很好解決，致使沸騰爐有點聲名不佳。CFBB 出現(xiàn)之后，人們便紛紛打出循環(huán)流化床鍋爐的牌子，推出了不少爐型，如清華大推出的低攜帶率循環(huán)床鍋爐，哈工大與北鍋開發(fā)的帶埋管和槽型分離器的循環(huán)床鍋爐等，實際上都是BFBB 。但它們是改進了的沸騰爐，把沸騰爐技術(shù)提高到了較高的水平，這些爐型在工業(yè)鍋爐和熱電聯(lián)供鍋爐范圍內(nèi)有著極強的生命力，所以我們應當為BFBB 的新成績歡呼，正其位，

6、恢復其名譽，并在一定的鍋爐容量范圍內(nèi)發(fā)展這種BFBB 。我國的BFBB 數(shù)量居世界之首，有著長期的運行經(jīng)驗, 故改進的BFBB 技術(shù)的成熟程度較高。而CFBB 技術(shù)尚有待完善和提高，在眾多爐型的選擇上，首先應分清其屬于BFBB 還是CFBB ，然后再考慮其它技術(shù)指標及可靠程度，本文以下的章節(jié)則主要是針對CFBB 而言，對一些二者通用的技術(shù)，則皆適用。流化速度流化速度對CFBB 最直接最主要的影響是其對循環(huán)物料揚折夾帶的作用。隨著V 的增加，夾帶量以增長的速度快速增加. 早期國外的CFBB 如Lurgi 技術(shù)等，V 高達812M S ，隨著高流速帶來磨損及能耗等問題，逐漸降至目前的6M S 左右

7、，我國CFBB 技術(shù)開發(fā)較晚，初期因擔心上述問題，有些爐子曾設(shè)計的V 較低（45M S ）運行中發(fā)現(xiàn)循環(huán)物料不足，將風速提高后，狀況大為改觀，現(xiàn)也提高到556M S, 與國外爐子比較接近。煤的粒徑與煤質(zhì)分折CFBB 的流化速度很高，床料粒徑大亦可流化起來，如文獻中可見，入爐煤粒范圍可達012，020，025MM 等，隨廠家和煤種不同而給出的允許范圍不同，比BFBB 允許燃料粒度范圍要寬，最大允許粒徑也大。但根據(jù)我們的研究和國外的一些文獻報導，實際上CFBB 使用的燃料平均粒徑比BFBB 的要小得多。BFBB 的平均燃料粒徑達12MM ，CFBB 的平均粒徑只有300400UM ，嚴格地說，CF

8、BB 要求燃料中有較大比例的終端速度小于流化速度的細顆粒，以使得這些細煤粒一旦入爐后能被吹到懸浮段空間去燃燒，并且同時起到增加循環(huán)物料量的作用。燃料粒徑的影響主要表現(xiàn)在其對密相床燃燒份額和物料平衡的影響上，燃料細粒多，密相床燃燒份額小，循環(huán)物料量大。CFBB 入爐燃料粒度分布的確定與選擇，與流化速度的選取有關(guān)，可見粒徑對二者的影響是很大的，選定的粒度分布，應能保證在已確定的流化速度條件下，有足夠細煤粒吹入懸浮段，以保證上部的燃燒份額，以及能形成足夠的床料，保持物料的平衡。影響入爐燃料粒度的主要因素還有煤的熱爆性質(zhì)和揮發(fā)份含量，熱爆強的煤就可選擇粒度較大，大煤粒入爐后受熱爆裂可形成份額增加，此時

9、入爐煤的粒度分布可放寬。一、 二次風配比把燃燒需要的空氣分成一、二次風從不同位置分別送入流化床燃燒室，在密相床內(nèi)形成還原性氣氛，實現(xiàn)分段燃燒，可大大降低熱力型NOX 的形成，這是CFBB 的主要優(yōu)點之一，但分成一、二次風的目的還不僅僅如此，一次風比（一次風量占總風量的份額）直接決定著密相床的燃燒份額，同樣的條件下，一次風比大，必然導致高的密相床燃燒份額，此時就要求有較多的溫度低的循環(huán)物料返回密相床，帶走燃燒釋放熱量，以維持密相床溫度，如循環(huán)物料量不夠，就會導致流化床溫度過高，無法多加煤，負荷上不去，這一用來冷卻床層的物料可能來自分離器搜集下來的經(jīng)過冷卻的循環(huán)灰，或來自沿爐膛周圍膜式壁落下的循環(huán)

10、灰，灰在下落過程中與膜式壁接觸受到冷卻。從密相床的燃燒和熱平衡上看，一次風比越小，對循環(huán)灰的物料平衡要求越低，但實際上一次風比的選取還受燃料粒度及性質(zhì)等因素的制約，一次風比小，要求燃料中不能被吹起進入懸浮段燃燒的大顆粒比例也要小，否則大顆粒因得不到充足的氧氣燃燒不完全，排放的床灰中含炭量極高，一次風比一般選擇在50左右，對無煙煤則可達60以上。二次風一般在密相床的上面噴入爐膛，一是補充燃燒需要的空氣，再者可起到擾動作用，加強氣固兩相的混合，CFBB 爐膛的下部多設(shè)計成漸縮型，二次風可分成幾股風從不同高度送入，以保持爐內(nèi)煙氣流速的相對均勻。二次風口的位置亦有很大影響，如設(shè)置在密相床上面過渡區(qū)灰濃

11、度較大的地方，就可將較多的碳粒和物料吹入空間，增大上部的燃料份額和物料濃度。分離器分離器對CFBB 的重要作用是任何人都不會懷疑的，沒有分離器也就沒有CFBB 。正因為如此，國內(nèi)外都把相當多的注意力放到了分離器的研究開上。分離器的型式與結(jié)構(gòu)形成了CFBB 流派之間的區(qū)別標志之一。CFBB 分離器的主要性能指標仍是分離效率，它必須具有足夠高的效率，一是提供足夠的循環(huán)物料, 二是收集細碳粒送回爐膛再燃燒，提高燃燒效率。CFBB 循環(huán)物料的主體是200300WM 的顆粒，設(shè)計的分離器不但對此粒徑有極高的分離效率（99），d50還應盡量小于提高碳的燃燼率。CFBB 飛灰含碳量分折發(fā)現(xiàn)，含碳量在某一料徑

12、時達到峰值，隨后又下降，這一峰值對應粒徑與分離器的效率是密切相關(guān)的。目前CFBB 使用的分離器主要分為兩大數(shù)，旋風分離器和慣性分離器，一般說來，旋風分離器效率較高，體積大，而慣性類分離器效率稍為遜色，但尺寸小，使鍋爐結(jié)構(gòu)較為緊湊。在使用的條件上，分離器又可分為兩大類，高溫分離和中溫分離，從對鍋爐性能的影響上看，高溫分離較為優(yōu)越，原因是CFBB 爐膛內(nèi)的固體物料濃度較高，造成爐內(nèi)混合較差，CO 濃度較高，高溫分離器內(nèi)的二次燃燒可降低CO 濃度，二次燃燒造成的升溫有利于N2O 的還原，降低N2O 排放濃度。在分離器選取上還應考慮到鍋爐的容量范圍，作技術(shù)經(jīng)濟的比較，如小型工業(yè)爐選用旋風分離器，考慮到

13、旋風筒和料腿都需要有一定的高度，與之相匹配，爐膛也必須足夠高，否則壓低旋風筒及料腿的高度，勢必影響其性能。此時應作出技術(shù)經(jīng)濟的綜合分折?；鼗已b置CFBB 灰循環(huán)系統(tǒng)中的回灰控制裝置除少數(shù)為機械閥（如Luirgl 的錐形閥）外，一般都采用排機械閥，如J 型閥、L 型閥、V 型閥等，非機械閥沒有活動部件，閥的開啟與關(guān)閉是由給風控制的，其優(yōu)越性不言而明。非機械閥分為自平衡的和可調(diào)的兩大類，J 閥、V 閥、LOOP seal seal port 等均屬于自平衡式的，即流出量根據(jù)進入量自動調(diào)節(jié)，閥本身調(diào)流量的功能較弱，L 閥是調(diào)節(jié)型的，即可根據(jù)需要調(diào)節(jié)流量大小，作者從自己的實踐中體會到，L 閥運行中的最

14、大問題是閥垂直段中料位的測量問題，因垂直段中料位太低，松動風就可能不是攜帶灰從水平段流出，而是從垂直段向上吹，既起不到閥的密封作用，還有可能導致結(jié)焦，這一問題應給與注意。在非機械閥的設(shè)計中，一是注意選擇合適的灰流截面，二是若回灰是高溫灰，還應計算閥內(nèi)的熱平衡即松動風中的氧與灰中的碳接觸而燃燒，釋放的熱量部分轉(zhuǎn)化成熱煙氣的焓，其余的熱量則加熱循環(huán)灰，變?yōu)榛业娘@熱。應控制灰的溫升，防止灰溫過高而結(jié)焦，這也是近年來國外發(fā)展水冷料腳的部分原因。受熱面磨損BFBB 密相床內(nèi)布置有埋管受熱面，受處于流化狀態(tài)的床料的沖刷，金屬表面一直在經(jīng)受著一定程度的磨損。BFBB 的磨損主要集中發(fā)生在過埋管部位，CFBB

15、 密相床內(nèi)不布置埋管愛熱面，磨損問題也并未因此而解決，設(shè)計時考慮稍有不周，在爐膛和灰系統(tǒng)的任何部位都有可能發(fā)生嚴重磨損。在機理上，金屬的磨損可分為兩類：一是金屬表面在固體顆料的沖刷下，因磨擦而導致的金屬部件的逐漸失重，另一類是在金屬表面形成一層氧化膜，膜的硬度很高，但較脆，在物料顆粒的沖刷下，氧化膜出現(xiàn)極小徽快的剝落，在剝落掉的金屬表面上再形成新的氧化膜層，磨損就在這一過程中在進行。下表給出了氧化層與其它一些物質(zhì)的硬度的比較（3）： 表1 物料硬度表 （20時）物料 石灰石硅酸鹽 鋼 鍍層 氧化膜硬度（HV ） 140160 800 130250 5001800 6001800可見氧化膜的硬度

16、極高，如能在管子表面形成氧化膜，對減少磨損是極其有利的。氧氣膜的形成速率很重要，若其小于磨損速率，金屬表面就形成不了氧化膜。實驗發(fā)現(xiàn)管壁溫度在300多攝氏度以上時，較易形成氧化膜。CFBB 的密相床一般處于還原性氣氛，對于在金屬表面形成氧化膜是不利的，可用耐磨材料覆蓋管子以避免嚴重的磨損。在還原與氧化氣氛交界處，由于這一界面會上下波動，也會導致磨損加重，應與還原區(qū)同樣處理。在爐膛下部壁面垂直段與漸縮段交界處、爐頂及爐膛出口等處，都是易發(fā)生嚴重磨損部位，在設(shè)計時應在結(jié)構(gòu)上給以考慮或加防磨措施。尾部對流受熱面的磨損亦是一個必須認真對待的問題，我國先期投運的若干臺CFBB 已出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。有些人認為CFBB 安裝有分離器，尾部煙道的飛灰濃度比BFBB 低，這種認識是不全面的，安裝了分離器，將其收集的灰送回爐膛，導致了爐膛內(nèi)灰濃度的增加，人們針對這一高的灰濃度來設(shè)計分離器，為了能維持正常運行所需的灰循