影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的因素分析及改善措施

1、第22卷第6期20542002年12月動力工程V o l . 22N o. 6D ec 2002文章編號:100026761(2002 0622054205影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的因素分析及改善措施申莉1, 劉德昌1, 張世紅1, 郭強(qiáng)2(1. 華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430074; 2. 武漢大學(xué)動力系, 武漢430072摘要:循環(huán)流化床鍋爐具有高效、低污染、, 為普遍的問題:飛灰含碳量高, 鍋爐燃燒效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值。煤的粒徑、燃燒室特點(diǎn)、, 降低飛灰含碳量, 提高燃燒效率的一些措施, 35關(guān)鍵詞:燃燒效率T K :A收稿日期:2001203227修訂日期:2001206

2、212作者簡介:申莉(1977- , 女, 碩士研究生。目前主要從事循環(huán)流化床燃燒與技術(shù)方面的研究。0前言我國是一個(gè)以煤為主要能源的國家, 一次能源結(jié)構(gòu)中煤約占75%, 煤產(chǎn)量的70%用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐以及窯爐。并且, 煤炭資源中高灰份、低熱值的劣質(zhì)煤和高硫煤占有相當(dāng)?shù)谋壤? 且分布廣。約80%的煙塵、90%的SO x 、70%的NO x 、70%的CO 2都來源于燃煤。針對這些情況, 大力發(fā)展高效、低污染的潔凈煤燃燒技術(shù)具有重大意義。流化床燃燒具有燃燒強(qiáng)度大、燃燒穩(wěn)定性好, 燃料適應(yīng)性廣的突出優(yōu)點(diǎn), 可以燃用高灰份、高水份、低熱值的煤。并且, 流化床燃燒溫度一般在850°C 9

3、50°C 范圍內(nèi), 能有效抑制NO x 的生成。爐膛中加入石灰石、石灰等脫硫劑, 可在燃燒過程中脫硫。低溫燃燒的爐渣活性好, 便于綜合利用。所以, 自流化床技術(shù)問世以來, 便在國內(nèi)外得到迅速推廣和發(fā)展。據(jù)報(bào)導(dǎo), 目前全世界已有500多臺CFB 鍋爐投入運(yùn)行或者正在建設(shè)中, 單臺最大容量已達(dá)330MW e , 將在印度的Gu jarat 投入運(yùn)行。我國從60年代開始發(fā)展循環(huán)流化床技術(shù), 不論是用流化床燃燒技術(shù)改造舊鍋爐還是新建循環(huán)流化床鍋爐, 以及流化床煤氣發(fā)生爐, 均有較大發(fā)展, 并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。但是, 目前流化床鍋爐普遍存在鍋爐燃燒效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值的問題, 具體表

4、現(xiàn)為飛灰含碳量較高。如貴州某廠25t h 循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量為23. 85%, 宜昌1臺循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量為21. 41%。鄭州某煤氣公司流化床煤氣發(fā)生爐飛灰含碳量為24.71%, 等等。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的, 在本文中主要分析了煤的熱值及煤的粒徑、燃燒室特性、循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行狀況對飛灰含碳量及燃燒效率的影響, 并以大冶某電廠1臺40t h 循環(huán)流化床鍋爐為例, 探討了降低飛灰含碳量的一些措施。1煤的熱值及粒徑分布對飛灰含碳量的影響煤的熱值與燃燒室運(yùn)行工況(床溫、出口溫度、過量空氣系數(shù)等 相結(jié)合, 決定了循環(huán)燃燒系統(tǒng)和后部對流受熱面之間的熱負(fù)荷分配。從圖1中可以看出:對劣質(zhì)燃料

5、, 如石煤、褐煤、煤矸石、廢木頭等, 煙氣攜帶了大約60%的熱量到后部的對流受熱面; 對優(yōu)質(zhì)燃料, 如煙煤、無煙煤等, 只有40%左右的熱量被煙氣帶到后部對流受熱面。當(dāng)1臺鍋爐燃用比設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量低得多的煤種時(shí), 可能會使流化床密相區(qū)溫度偏低而對燃燒帶來影響。因?yàn)? 當(dāng)煤的發(fā)熱量降低時(shí), 其折算氫份和折算水份必然增加, 單位質(zhì)量燃料帶出密 圖1燃燒系統(tǒng)與尾部受熱面吸熱量的分配1-燃燒系統(tǒng)吸熱量2-尾部對流受熱面吸熱量相區(qū)的熱焓增加, 在主循環(huán)回路中的有效放熱量減少。放出的熱量小, 而吸收的熱量大, 那么就有可能導(dǎo)致燃燒室吸熱和放熱失去平衡, 使床溫偏低, 燃燒不穩(wěn)定。增加, 容易造成過熱器超溫

6、。, 勻, 此外, 化速度和飛出速度。為使粗顆粒不致沉積, 保證流化良好, 一般選用的運(yùn)行速度為平均粒徑d p 的煤粒的臨界流化速度的1. 52倍。如果床層平均溫度為900°C , 不同顆粒相對應(yīng)的臨界流化速度、運(yùn)行速度和飛出速度與粒徑的關(guān)系如圖2所示。圖2臨界流化速度、運(yùn)行速度和飛出速度與顆粒粒徑的關(guān)系1-臨界流化速度2-運(yùn)行速度3-飛出速度從圖2可見:當(dāng)顆粒直徑d p . 6mm 時(shí), 它8的顆粒飛出速度, , 從而使飛灰含碳量。但在開采、破碎以及、燃燒過程中產(chǎn)生的細(xì)顆粒不僅是不可避免的, 而且是流化床鍋爐傳熱的主要載體, 對其正常運(yùn)行有著非常重大的意義。因此, 保持燃煤合適的粒

7、徑分布, 并使飛灰循環(huán)燃燒, 延長細(xì)粒子在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間對流化床鍋爐能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)極為重要。大冶某電廠燃煤為本地貧煤, 其中煤矸石含量較大。改造煤粉破碎系統(tǒng)前的燃煤粒徑分布如表1所示。表1大冶某電廠40t h 循環(huán)流化床鍋爐改造前燃煤粒徑分布篩網(wǎng)孔徑(mm >1210863. 21. 61. 250. 80. 450. 30. 20. 1050. 05<0. 05所占百分比(% 00. 95. 24114. 113. 64. 18. 29. 08. 00. 816. 65. 00. 8平均粒徑(mm 4. 66由表1可以看出:燃煤顆粒粒徑分布不均, 兩極分化嚴(yán)重, 粗顆粒和細(xì)顆粒

8、均較多, 呈兩頭多, 中間少的粒徑分布特點(diǎn)。細(xì)顆粒和循環(huán)燃燒的飛灰被一次風(fēng)吹到爐膛上部燃燒, 并帶走下部熱量, 使流化床下部溫度降低, 上部溫度升高, 過熱器超溫。后對破碎系統(tǒng)進(jìn)行改造, 在燃煤進(jìn)入破碎機(jī)前加一道滾動篩, 篩分出粒徑較大的煤進(jìn)破碎機(jī)破碎。經(jīng)改造后的顆粒粒徑分布如表2所示。表2改造后的燃煤粒徑分布篩網(wǎng)孔徑(mm >1210863. 21. 61. 250. 80. 450. 30. 20. 1050. 05<0. 05所占百分比(% 745814411 14714821平均粒徑(mm 2. 6由表1、表2可看出:煤的平均粒徑由原來的4. 66mm 下降到2. 6mm

9、, 已符合循環(huán)流化床鍋爐的燃煤要求。另外, 煤的發(fā)熱量也提高到17978kJ kg 。經(jīng)上述改造之后, 鍋爐燃燒工況有了顯著改善, 二級返料由原來的全部不能回送到床內(nèi)循環(huán)燃燒變?yōu)榭苫厮鸵话?。飛灰含碳量有所降低, 從50%左右降低到35%左右, 燃燒比較穩(wěn)定, 可以帶滿負(fù)荷。所以, 煤的粒徑分布及熱值對燃燒工況, 以及對飛灰含碳量和鍋爐燃燒效率均有明顯影響。2燃燒室水冷度對飛灰含碳量的影響鍋爐的燃燒系統(tǒng)由爐膛、分離器和返料裝置組成。每一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題, 均會導(dǎo)致鍋爐飛灰循環(huán)燃燒工況差, 飛灰含碳量高, 燃燒效率低。大冶某5502第6期動力工程電廠40t h 循環(huán)流化床鍋爐采用了兩級分離器串聯(lián)布置。

10、第一級為高溫百葉窗式分離器, 布置在燃燒室出口, 用于分離較粗的粒子, 并經(jīng)第一級返料器送入床內(nèi)循環(huán)燃燒。第二級為旋風(fēng)子分離器, 布置在上級省煤器和下級省煤器之間, 將煙氣中的細(xì)粒子分離下來, 經(jīng)低溫返料器送回床內(nèi)循環(huán)燃燒。該鍋爐的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示:這臺鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:額定蒸發(fā)量:40t h 額定蒸汽壓力:3. 82M Pa額定蒸汽溫度:450°C 給水溫度:150°C 排煙溫度:140°C 熱風(fēng)溫度:150°C燃料消耗量:9. 69t h:, :在全部投入第二級返料的情況下流化床下部溫度降低, 上部溫度上升, 爐膛出口溫度升高, 過熱蒸汽超溫。

11、不能維持安全運(yùn)行。如果不投返料或只投一半返料時(shí), 溫度可以穩(wěn)定, 但是飛灰含碳量高達(dá)40%以上, 煤耗高, 經(jīng)濟(jì)性太差 。圖340t h 循環(huán)流化床鍋爐本體結(jié)構(gòu)1爐膛2百葉窗分離器3高溫過熱器4低溫過熱器5省煤器6空氣預(yù)熱器7旋風(fēng)分離器8二級返料器9一級返料器經(jīng)分析認(rèn)為, 該鍋爐產(chǎn)生上述問題的主要原因是:燃燒室下部容積小, 床料蓄熱量小。當(dāng)燃煤, 一、二次風(fēng)送入燃燒室下部, 以及大量溫度為300°C 左右的二級返料回送至料層中時(shí), 爐膛承受不了如此大的冷沖擊。故當(dāng)投一邊返料器中的灰時(shí), 燃燒室上下溫度能基本穩(wěn)定; 而當(dāng)兩個(gè)返料器中的灰全部回送時(shí), 流化床下部溫度馬上下降, 上部溫度及

12、燃燒室出口溫度升高, 鍋爐不能穩(wěn)定燃燒, 甚至熄滅。如不全投二次返料, 飛灰含碳量高, 燃燒效果不好, 經(jīng)濟(jì)性差, 發(fā)電成本高。針對該鍋爐燃燒室下部水冷度偏大的問題, 對一、二級返料系統(tǒng), 二次風(fēng)送入點(diǎn), 給煤點(diǎn)等進(jìn)行了改進(jìn)。, 使之能承受較大冷沖擊。, , , 。這一, 增加了返料量, 500°C 提高到750°C , 提高了燃燒室下部的溫度。然后, 對鍋爐進(jìn)行改造, 將二級返料點(diǎn)提高800mm , 減少二級返料對燃燒室下部的冷沖擊。在兩側(cè)墻增加二次風(fēng)口并將送入點(diǎn)提高。另外, 將給煤點(diǎn)的位置適當(dāng)提高。這些措施都減少煤和低溫二次風(fēng)對燃燒室下部的冷沖擊。最后, 將水冷布風(fēng)板上

13、的隔熱層加厚, 降低了燃燒室下部的水冷度。經(jīng)上述改造之后, 效果是明顯的。二級返料由只能回送一半變?yōu)榭扇炕厮? 飛灰含碳量由原來的40%以上降至28%以下。但二級返料在全部投入之后, 過熱器超溫嚴(yán)重。最后, 將低溫過熱器受熱面割掉一部分, 蒸汽溫度也達(dá)到了設(shè)計(jì)值, 過熱器超溫問題得到了解決。3循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行情況對飛灰含碳量的影響CFB 鍋爐區(qū)別于常規(guī)鼓泡流化床(B FB 鍋爐的主要特征即為大量物料參與循環(huán)燃燒。CFB 鍋爐一般運(yùn)行于快速床階段, 大量物料通過內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)返回爐內(nèi), 在高速氣流的作用下作加速運(yùn)動, 并伴有強(qiáng)烈的粒子混合成團(tuán)現(xiàn)象, 沿爐膛高度氣固混合物的密度分布更趨均勻。這使得C

14、FB 鍋爐內(nèi)溫度場非常均勻, 燃燒過程、脫硫過程沿爐膛高度基本上可在恒溫下進(jìn)行, 因而延長了燃燒和脫硫時(shí)間; 此外, 全爐膛高度高濃度的粒子流動也使得在CFB 鍋爐爐膛內(nèi)任何地方布置的受熱面可以獲得高強(qiáng)度的傳熱效果, 同時(shí)也易于對負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)。良好的物料循環(huán)有3個(gè)缺一不可的環(huán)節(jié):足夠多的物料被帶出密相區(qū)在爐膛里向上作加速運(yùn)動, 最終離開爐膛進(jìn)入分離器; 隨6502動力工程第22 卷煙氣進(jìn)入分離器的物料絕大部分被捕集分離; 由分離器捕集的物料被順利送回爐膛內(nèi)參與循環(huán)燃燒。所以, 實(shí)現(xiàn)CFB 鍋爐大量物料循環(huán)燃燒也就是使以上3個(gè)環(huán)節(jié)順利實(shí)現(xiàn)。大冶某電廠的返料系統(tǒng)不能正常投運(yùn)即為環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題, 造

15、成鍋爐燃燒不穩(wěn)定, 飛灰含碳量高。環(huán)節(jié)一主要由爐內(nèi)氣固流動狀態(tài)決定。選擇與煤種適合的爐膛高度和結(jié)構(gòu), 恰當(dāng)?shù)囊?、二次風(fēng)配比, 均會有利于環(huán)節(jié)一的實(shí)現(xiàn); 環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)取決于氣固分離器的工作性能, 最主要的是其分離效率。分離器的分離效率可表示為:=R (R +A y a f h (1 其中, R 為循環(huán)倍率(CFB :R =B , , 對分在CFB 鍋爐中, 物料的回送是通過立管和回料閥實(shí)現(xiàn)的。其中立管的作用是使物料在其內(nèi)形成足夠的壓頭以克服分離器和爐膛底部的負(fù)壓差, 保證物料的順利回送。它的設(shè)計(jì)對環(huán)節(jié)起決定作用。根據(jù)循環(huán)回路壓力平衡關(guān)系, 按立管中氣固相對速度等于臨界流化速度的條件Know L t

16、on 和H irsan 給出了立管最小高度的計(jì)算式:L m in =2P P L m f (2 在實(shí)際運(yùn)行中, 不允許立管中氣固相對速度達(dá)到臨界流化速度, 故一般取立管的實(shí)際高度為2L m in 。立管的直徑可根據(jù)所需的回料量用下式計(jì)算:D =G (0. 785d U s (34降低飛灰含碳量的其它措施降低飛灰含碳量還可考慮采用除塵灰再循環(huán)燃燒。四川內(nèi)江410t h 循環(huán)床鍋爐采用了從爐膛側(cè)面送入返料的面飼技術(shù), 電除塵灰含碳量由30%降至18%。還可采用飛灰底飼回燃技術(shù)。東南大學(xué)對福建一公司燃用無煙煤的流化床鍋爐進(jìn)行的改造中采用了飛灰底飼回燃技術(shù), 較好地降低了飛灰含碳量, 對流管束中飛灰含

17、碳量由31. 39%降至3. 89%, 多管除塵器中的飛灰含碳量由35. 3%降至18. 07%。鍋爐熱效率也由67. 2%增加到82. 39%。飛灰底飼技術(shù)與面飼技術(shù)相比, 增加了飛灰在爐膛中的燃燒時(shí)間, 有助于飛灰在爐膛內(nèi)均勻分布, 使其能充分燃盡, 從而降低飛灰含碳量。但是對已建好的鍋爐, 施工比較復(fù)雜, 改造費(fèi)用較多。除上述電除塵灰面飼技術(shù)和飛灰底飼技術(shù)外, 還可采用飛灰成型方案。該方案是針對飛灰含碳量高且粒徑小而采用的。利用一定的粘合劑將飛灰加工成型, 送入爐膛內(nèi)燃燒, 充分利于飛灰中的未燃盡碳, 從而降低煤耗。該方案已在實(shí)驗(yàn)室得以實(shí)施證明, 效果很明顯。5結(jié)論:。煤, 燃燒室容積,

18、 均會嚴(yán)重影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行, 導(dǎo)致飛灰含碳量高, 鍋爐燃燒效率低。(2 循環(huán)流化床鍋爐飛灰循環(huán)燃燒系統(tǒng)的正常投入運(yùn)行和合理布置過熱器受熱面是確保鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。(3 降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量, 可以考慮改善鍋爐燃燒工況, 提高燃燒效率; 還可以根據(jù)實(shí)際情況采用飛灰底飼回燃技術(shù)或電除塵灰再循環(huán)技術(shù), 或者采用飛灰成型方案。符號說明:A y 燃料的應(yīng)用基灰份a hf 飛灰份額B 鍋爐的燃料消耗量, kg s D 立管直徑, m d p 顆粒直徑, m G 物料循環(huán)量, kg s L m in 立管的最小高度, m2P 循環(huán)回路的壓降, Pa(P L m f 最小流態(tài)化時(shí)立管單位管長的壓

19、降, PaR 循環(huán)倍率U s 立管中顆粒下行速度, m sd 立管中物料的堆積密度, kg m 3參考文獻(xiàn):1Basu P . Com busti on of coal in circulating fluidized 2bed bo il 2ers :a review J . Chem ical Engineering Science 54, 1999. 2劉德昌主編. 流化床技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用M . 北京:中國電力出版社, 1999.3劉德昌, 閻維平主編. 流化床燃燒技術(shù)M . 北京:中國電力出版社, 1995.4李軍, 李蔭堂. CFB 鍋爐物料循環(huán)實(shí)現(xiàn)的條件J . 動力工程, 2000,

20、 20(1 .7502第6期動力工程5趙長遂, 段鈺峰, 等. 采用飛灰底飼回燃技術(shù)改造燃用福建無煙煤流化床鍋爐J . 潔凈煤燃燒與發(fā)電技術(shù), 1999, 6(2 .Effect on Com bustion Eff ic iency i n CFB Bo ilersand M ea sures to I m prove Eff ic iencyS H EN L i 1, L IU D e 2chang 1, ZH A N G S h i 2hong 1, GUO Q iang2(1. N ati onal L abo rato ry of Coal Com bu sti on , H uaz

21、hong U n iv . of Science and T echno logy ,W uhan 430074, Ch ina ;2. D ep t . of T herm al D ynm aics , W uhan U n iv . , W uhan 430072, Ch ina Abstract :C ircu lating F lu idized B ed (CFB techno logy has m any , efficiency , low po llu tan t em issi on and excellen t fuel flex ib ility . So ever t

22、here are som e comm on p rob lem s in CFB bo ilers , fo p , t fly ash is very h igh and the com bu sti on efficiency is low p ap er analyses the effect on com 2bu sti on efficiency t of CFB bo ilers , including the distribu ti on of p arti 2cle size coal , the fracti onal co ld of com bu sti on cham

23、 ber , and the op er 2ati on circu lating com bu sti on system . A cco rding to the reason s m en ti oned above , au tho rs p u t fo ard som e m easu res how to m ain tain the stab le com bu sti on , to reduce the carbon con 2ten t of fly ash as w ell as to increase the com bu sti on efficiency . T

24、hese m easu res have been p roved ef 2fective in the p ractical exp erience in a CFB bo iler . F igs 3, tab les 2and refs 5.Key words :circu lating flu idized bed bo iler ; carbon con ten t of fly ash ; stab le com bu sti on ; com bu sti on efficiency (上接第2087頁The New Secondary A ir Theory for Layer Com bustion Bo ilersW A N G Q ing , S UN J ian , S UN D ong 2hong ,CU I Y u 2p ing , S UN B a i 2z hong(N o rtheast Ch ina In stitu te of E lectric Pow er Engineering , J ilin 132012, Ch ina Abstract :B ased on th