煤灰成為床料的循環(huán)流化床鍋爐采用低倍率循環(huán)的必要條件

1、煤灰成為床料的循環(huán)流化床鍋爐采用低倍率循環(huán)的必要條件             前言    循環(huán)流化床（CFB）鍋爐技術(shù)是從化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域移植過來的。鍋爐所用的床料，其粒度組成與化工中常用的催化裂化劑有很多不同，本文僅對床料的幾何尺寸對循環(huán)流休床鍋爐的設(shè)計略作分析，提出以煤灰為床料的循環(huán)流化床鍋爐采用低倍率循環(huán)的條件及必要性。    一、分層流化現(xiàn)象    流化床鍋爐用的料粒徑一般是不均勻的

2、，目前設(shè)計中沿用平均粒徑的概念即用某一當(dāng)量粒徑來代表寬篩分粒子群的行為。我國工業(yè)鍋爐計算方法中采用重量平均徑歐美諸國多用比表面積平均徑（或稱調(diào)和平均徑）。對于由機(jī)械破碎而成（不是用不同粒徑的煤摻混而成）的08MM的煤粒比表面積平均約為115M床層空截面流速大于臨界流化速度UMF，（床層才可能流化，空截面流速大于粒子的終端速度）粒子就可能被氣流帶出爐膛。對煙煤子在30及85煙氣流中及計算值列于表1。  表1煙煤粒子的流化特性  粒徑dmm 010 025 050 075 100 150 200 

3、30    Unfm/s 0008 0047 0176 0342 0505 0784 1005  Utm/s 0485 1211 2423 3634 4846 7268 8615  850 Umfm/s 0003 0019 0076 0168 0294 0620 0998  Utm/s 0118 1

4、377 2755 4132 5059 7264 11018  粒徑dmm 4 6 8 10 20 30 40  30 Umfm/s 1615 2034 2391 2639 3852 4731 5470  Utm/s 12183 14950 17230 19264 27243 33365 38527&

5、#160; 850 Umfm/s 2383 3400 4182 4839 7239 8990 10442  Utm/s 22037 28790 33277 37039 52457 64247 74186    我國鼓泡流化床鍋爐已有豐富的經(jīng)驗。通常熱態(tài)空截面流速約為4MS自表1可見，恰能使8MM的粒子處于臨界流化床狀態(tài)。而此時已達(dá)到075MM粒子終端速度可見用任何一種平均粒徑都不能代表寬篩分離子群的行為通過

6、對寬篩分物料流化現(xiàn)象的實驗和理論分析，我們于1983年提出了寬篩分物料分層流化的概念，即在流化過程中，床粒粒徑沿床層高度產(chǎn)生分層，由于自下而上的氣流的淘洗細(xì)粒子趨向床層的上部，大粒了沉向布風(fēng)板形成分層流化，為改善底部大粒子的流化，我們提出風(fēng)帽布置與床料粒徑組成有關(guān)的設(shè)計方法，（2）通常可使布風(fēng)板底部風(fēng)速提高167286倍，從而使最大粒子直徑提高到12MM左右。  對于灰粒作床料的流化床鍋爐，灰粒的尺寸源于給煤粒度。即使將風(fēng)速提高到6MS熱態(tài)時也只能使粒徑1MM左右的粒子進(jìn)循環(huán)，而較大的粒子仍只能在床底部作鼓泡流化。有人認(rèn)為，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)不存在鼓泡流化狀態(tài)，只要存在鼓泡流化狀態(tài)就是

7、循環(huán)流化床鍋爐，這種看法是錯誤的。我們在金州熱電廠75TH次高壓循環(huán)流化鍋設(shè)計方案論證會上已明確指出，以灰粒作床料的循環(huán)流化床鍋爐，爐膛下部存在鼓泡流化區(qū)域。1991年美國出版的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計與運行（3）一書第二章（流體力學(xué)）中也指出，循環(huán)流化鍋爐內(nèi)床料粒子在不同的部位處于不同的流體力學(xué)區(qū)域，二次風(fēng)以上為快速流化區(qū)，二次風(fēng)以下為湍流或鼓泡流化區(qū)。可見，不論是鼓泡化床還是循環(huán)流化床鍋爐，只要是使用寬篩分的物料作床料，都存在分層流化現(xiàn)象。  二、床料的選擇：  國外發(fā)展循環(huán)流化床鍋爐，主要是為了降低燃煤鍋爐SOX及NOX的排放，即所謂清潔燃燒。在床內(nèi)添加石灰石，通過下述化學(xué)

8、反應(yīng)，使煙氣中的CO2及SO3開成固體的CASO4隨床料排出，達(dá)到床內(nèi)脫硫的目的。  CaCO3  -   CaO+CO2  CaO +SO2+1/2O2   -   CaSO4  根據(jù)美國近幾年循  環(huán)流化床鍋爐的實際運行情況（4），為使脫硫效率達(dá)到90，鈣硫摩爾比約需2至3，如石灰石中碳酸鈣純度能達(dá)到90，從上述二式可算出，對含硫S  3的煤，每燃用一噸煤，理論上需添加208至312公斤石灰石，對美國一

9、臺100TH高壓循環(huán)流化床鍋爐的實地考察發(fā)現(xiàn)，其實際耗煤量及石灰石耗量統(tǒng)計平均值分別為14TH及45TH石灰石給入率約為給煤率的30其燃煤及石灰石成分為：  煤C  H  O  N  S  W  A  QYdW  571  40  62  11  26  151  139  19220KJKg

10、60; 石灰石：碳酸鈣  碳酸美  氧化硅  水分      CACO3   MGCOO3  SIOO2   HO2O        89   17   73  20    自“循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的分折”（5）中的數(shù)據(jù)可算出，對于

11、低硫低灰分的煤，石灰石給入率為給煤率的49，對高硫高灰分的煤，此值為236。  對一個裝有2臺220TH循環(huán)流化床鍋爐的電廠，如年運行8000小時，參考上述實例，每年消費石灰石將達(dá)15萬8千噸，可見石灰石的耗量是很大的。了既達(dá)到脫硫的目的，又節(jié)約石灰石，必須在鍋爐運行中根據(jù)煙氣分折的結(jié)果，隨時調(diào)節(jié)石灰石的添加量。這樣大量的石灰石在電廠內(nèi)的破碎篩分、輸送、存儲、給料等均為一系列實際的工程問題，如電廠設(shè)計時未考慮石灰石加料系統(tǒng)，以后再加裝也非易,可見選擇石灰石或選擇灰渣作為床料，對鍋爐及電廠設(shè)計有非常大的區(qū)別，對一個實際以灰渣作為床料的鍋爐，臨時在爐前加一些石灰石以研究其脫硫效果，是沒有

12、實際意義的。  目前國內(nèi)的循環(huán)流化床鍋爐電廠，均未考慮石灰石加料系統(tǒng)，實際上鍋爐是以灰渣作床料，這一特殘的國情使我國的鍋爐設(shè)計與國外的應(yīng)有所不同。    NOX排放量與燃燒溫度有直接的關(guān)系。燃燒溫度高于8509000C以后，NOX排放量急劇增加，由于循環(huán)流化床的燃燒溫度比煤粉爐及;鏈條爐低很多，加上分級送風(fēng)，可使NOX排放量進(jìn)一步降低，從 這一方面看，只要采用流化床燃燒技術(shù)，不論采用何種床料，能級使NOX排放量大大降低，起到保護(hù)環(huán)境作用。  三、床料粒徑與循環(huán)倍率    美國電力研究所先進(jìn)動力系統(tǒng)部的一篇

13、題為“循環(huán)流化鍋爐”（6）的研究報告指出，高倍率循環(huán)流化床鍋爐的床料一般應(yīng)屬于蓋達(dá)爾特粒子分類A組。Geldart A組粒子室溫下的平均粒徑為  d225（PSPF）  式中d-半徑um  PS/PF- 粒子及氣流的密度gCM3  當(dāng)時，ps1.28-1.6g/cm時，  d=176-141um  2.原德國魯奇公司循環(huán)流化床鍋爐的主要研究者，現(xiàn)瑞士蘇黎士工業(yè)大學(xué)的羅薩瑞（ROTHAR  REH）教授在瑞士化工上發(fā)表的一篇論文（7）給出了各種氣固條件下的粒子特性相圖，從該圖可推出可用于

14、循環(huán)流化床的 物料最大的阿基米德數(shù)為10000按循環(huán)流化床的煙氣工況可折算出最大粒徑為169MM，此時的熱態(tài)操作風(fēng)速約為9MS。          3文獻(xiàn)（3）指出，對于高于倍率循環(huán)流化床鍋爐，操作風(fēng)速與粒子終端速度的比值應(yīng)為2。文獻(xiàn)8中給出了不同物料的終端速度的曲線圖，按操作風(fēng)速求得的物料粒徑列于表2。  操作速度U0 9 6 4MS  終端速度UT 45 3 2MS  平均粒徑MM 氧化鈣&#

15、160;075 055 042  石灰石 06 045 035  煤灰 05 038 028  2、  美國魯霍夫，格林電廠循環(huán)流化床鍋爐運行規(guī)程（1990）規(guī)定的石灰石粒度列于表3。  表3魯霍夫格林電廠石灰石粒徑  美國標(biāo)準(zhǔn)篩號目 12 20 30 50 100 140 200  相當(dāng)?shù)牧組M 175 841 595 29

16、7 149 106 074  篩下物 100 80 70 42 20 10 5  重量平均徑  0524MM  比表面積平均徑0217MM  5、CaoS與SO3反應(yīng)之后，在碳酸鈣的表面形成一層致密的硫酸鈣，阻礙SO3進(jìn)一步與粒子核心的鈣反應(yīng)造成石灰石耗量增高。粒徑愈大，殘留的鈣核心愈大，從降低石灰石耗量考慮，采用小粒徑的石灰石也是合理的。  綜上所述，循環(huán)流化床鍋爐所用的石灰石粒徑是很小的，最大粒徑約小于2MM。&

17、#160; 對于, 以石灰石為主要床產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐，給煤流量占循環(huán)床料流量的25以下（循環(huán)倍率大於40時，）文獻(xiàn)6指出，給煤粒度對循環(huán)流化床鍋爐的性能影響不大，國外的一些廣告性資料也經(jīng)常指出循環(huán)流化床鍋爐對給煤粒度要求不高，但對于石灰石粒徑的嚴(yán)格要求避而不談，對以煤灰粒為床粒的循環(huán)流化床鍋爐，如果也照搬國外的技術(shù)廣告，對給煤粒度放得很寬，將使鍋爐運行帶來極大的困難。  實際上，國外對循環(huán)流化床鍋爐燃煤的粒度也是有限制的。芬蘭奧斯龍公司循環(huán)流化床鍋爐燃用優(yōu)質(zhì)煤時的粒度要求列于表4。  表4  芬蘭奧斯龍公司循環(huán)流化床鍋爐燃煤粒度組成薦值。&#

18、160; 無煙煤粒徑MM 02 05 10 20 30 40 50 60  篩下物 7 21 44 75 88 96 988 100  平均粒徑MM 重量法  1490  比表面積法0589  表2  煙煤粒徑MM 05 1 3 5 7 10 15 20  篩

19、下物 10 22 58 77 885 953 99 100  平均粒徑MM 重量法  350  比表面積法122  表3  亞煙煤粒徑MM 05 1 2 5 10 15 20 30 40 50  篩下物 58 123 204 47 72 85 91 

20、97 988 100  平均粒MM 重量法  7796  比表面積法  1920  可見，循環(huán)倍率與床料粒徑有緊密的關(guān)系，要采用高循環(huán)倍率必須用細(xì)床料粒子，如采用煤灰作床料，煤粒直徑分布為08或010MM，只能采用低循環(huán)倍率。  四、床料粒徑與循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)布置  燃料在密相區(qū)中放出的熱量一部分由煙氣帶出爐膛，其余部分由慶內(nèi)布置的埋管吸收，或由循環(huán)物料將其轉(zhuǎn)送入爐膛上部，由稀相區(qū)的受熱面吸收。如放熱量和吸熱量不平衡，則將引起爐溫過高而結(jié)渣或爐溫過低而熄火。

21、60; 如爐內(nèi)不布置埋管，密相區(qū)放出的熱量主要靠循環(huán)床料帶出，如分離器直接布置在爐膛出口，則回送循環(huán)料的溫度比爐膛溫度低得不多（一般約10200C因此必需有較大的循環(huán)物料流率才足以控制密相區(qū)床溫，即必需采用較高的循環(huán)倍率。如以煤灰作床料，很難達(dá)到高循環(huán)倍率，如按高循環(huán)倍率設(shè)計，可能因鍋爐運行時密相區(qū)床溫過高而很限制給煤量的增加。造成鍋爐不易達(dá)到設(shè)計出力。  如爐內(nèi)布置埋管，則密相區(qū)放出的熱量可由埋管管吸收一部分，如分離器設(shè)在過熱器中間或后面，則分離下來的循環(huán)物料溫度比爐膛溫度低得多，一般低100至2000C單位重量循環(huán)物料的攜熱能力加大。因此，從  爐內(nèi)放熱條件看

22、，也可選用較低的循環(huán)倍率。  國外的設(shè)計者十分耽心埋管的磨損問題，實際上只要掌握了埋管磨損的規(guī)律，合理設(shè)計布風(fēng)板及埋管的結(jié)構(gòu)，磨損問題并非傳聞的那樣可怕。我們設(shè)計的低倍率循環(huán)流化床鍋爐埋管磨損均十分輕微。例如，金州熱電廠的75TH低倍率循環(huán)流化床鍋爐，運行3000小時后實測最大埋管磨損厚度不大于01MM，鍋爐出力充足，并有明顯的超負(fù)荷能力。  結(jié)論    鍋爐設(shè)計時應(yīng)根據(jù)所用的床料選取循環(huán)倍率或攜帶率。  2、  以粒徑為02MM的石灰石或沙粒作床料粒的循環(huán)流化床鍋爐，可以采用較高的循環(huán)倍率或高攜帶率。 

23、 3、  以粒徑為010MM的寬篩分灰粒作床料的循環(huán)流化床鍋爐不宜采用高循環(huán)率或高攜帶率。  參考文獻(xiàn)    楊勵丹  ，賈璐，非吳少華，“沸騰爐中寬篩分物料的分層流化”，工程熱物理學(xué)報。V0145，1984  P8590  2、  楊勵 丹  溫景榮  約塞夫，梅JENOTESTEIN，向哲愚，DESIGN  CONSIDERATION  FOR  LIGNITE  BURNING