循環(huán)流化床鍋爐靜態(tài)特性

1、第36卷第2期2005年3月鍋爐技術BOIL ER TECHNOLO GYVol.36,No.2Mar.,2005 收稿日期:20040422作者簡介:劉鴻(1970,男,東南大學動力系博士生,主要從事電站鍋爐仿真、循環(huán)流化床鍋爐仿真、潔凈煤燃燒等方向的研究。文章編號:CN311508(200502002405循環(huán)流化床鍋爐靜態(tài)特性分析劉鴻,周克毅(東南大學動力系,江蘇南京210096關鍵詞:循環(huán)流化床;靜態(tài)特性摘要:根據循環(huán)流化床鍋爐的工作特點,結合已有研究,分析了循環(huán)流化床鍋爐的靜態(tài)特性,為循環(huán)流化床控制系統(tǒng)的設計、調試以及穩(wěn)定運行提供必要的理論基礎。中圖分類號:T K 229.6+6文獻

2、標識碼:A1前言循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler 簡稱CFBB 具有燃料適應性廣、燃燒效率高、負荷調節(jié)性能好、SO x 和NO x 排放量低等優(yōu)點,正日益顯示出旺盛的生命力。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程十分復雜,燃燒受到多種因素的影響。循環(huán)流化床鍋爐是一個多參數、非線性、時變及多變量緊密耦合的復雜系統(tǒng),使得其自動控制比一般鍋爐更加復雜和困難。對循環(huán)流化床鍋爐運行特性的分析與研究,弄清楚這些變量間的相互關系,深入了解燃燒系統(tǒng)的特性,對循環(huán)流化床鍋爐自動控制系統(tǒng)的設計、調試以及可靠運行都至關重要。目前大型循環(huán)流化床鍋爐在國內的應用不是很多,對循環(huán)流化床鍋

3、爐特性的研究也比較缺乏。考慮到大型循環(huán)流化床鍋爐一般不在密相區(qū)設置受熱面,所以本文重點分析密相區(qū)無受熱面循環(huán)流化床鍋爐的靜態(tài)特性。2燃料量變動對鍋爐運行的影響2.1爐內輻射傳熱特性當送入爐膛的燃料量變動時,爐膛內的溫度和爐膛出口燃燒產物的溫度亦將改變。當燃料量變化不大時,爐膛出口煙溫T c 的變化可由以下兩式作定性分析:T c =1000B h (T b -T w +F (T 4b -T 4w T 2b12(1B j =A V Ch (T b -T w +F (T 4b -T 4w T b -1000B h (T b -T w +F (T 4b -T 4w T 2b(2式中:A 傳熱面積;B

4、燃料量;T b 稀相區(qū)進口折算煙溫;T w 水冷壁壁溫;B j 計算燃料消耗量;V C 爐膛燃燒產物的平均熱容,有V C=(Q l -I l /(T b -T c ;保熱系數;Stefan 2Boltzman 常數(5.6710-8W/(m 2K 4。為簡化起見,令:1eff +1w-1=F ,C =,1a d +m =B 考慮到流化床中95%以上為灼熱惰性灰渣,可燃物含量在5%以下。即使是燃用高灰分的燃料,每秒新加入的煤粒也還遠遠小于灼熱床料的1%。因而當給煤量出現較小變化而其它輸入量不變時,可認為固體顆粒循環(huán)量不變。事實上在固體顆粒循環(huán)量不變時循環(huán)流化床中表觀流化速度的提高會增大氣體對流傳

5、熱,但同時會使顆粒對流傳熱減少,而后者的減小一般略微大于前者,因而當外部條件變化不大時可以近似認為對流傳熱是不變的。所以以上方程組中在給煤量出現較小變化時,除了Tb 、Tc 、B 、B j 外,其它參數是物性參數,故而可認為近似等于常數。分別就式(1和(2對T b 求導,有第2期劉鴻,等:循環(huán)流化床鍋爐靜態(tài)特性分析Tc=1000B12h(2T w-T b+2F(T4b+T4w2h(T b-T w+F(T4b-T4w121T2b(3Bj=AV Ch +4F T3bT b-1000Bh(T b-T w+F(T4b-T4wT2b+h(T b-T w+F(T4b-T4w1-Tc(4在上式中T b總是大

6、于T w,同時h(2T w-T b又總0的。另外T b總是1000Bh(T b-T w+F(T4b-T4wT2b=T c,而T c總是0。這樣可以得到d T c/ d B j0。也就是當燃料量增加時,爐膛出口溫度T c會增加。單位燃料量在爐內的放熱量為1Q d=Q l-Il(5式中:Il爐膛出口煙氣焓。當燃料量增加時,出口煙溫增加,因而出口煙焓Il也增大,因隨單位燃料進入爐內的熱量基本不變,由上式可知單位燃料量在爐內的放熱Q d減少了。對循環(huán)流化床鍋爐來說,由于稀相區(qū)出口煙氣的含灰量比煤粉爐高得多,相應的燃燒產物的比熱也要大得多,因此再增加燃料量時,燃燒產物的進口折算溫度的增加不大。因而吸熱量

7、的增加不可能大于燃料量增加所帶入的熱量。這表明循環(huán)流化床鍋爐爐內傳熱特性是輻射特性。相對煤粉爐而言,由于循環(huán)流化床鍋爐爐內傳熱中對流傳熱占了很大份額,受對流特性的影響,所以其爐內輻射傳熱特性沒有煤粉爐那么強,再加上燃燒產物的進口折算溫度的增加不大,因此單位燃燒料量在爐內的放熱減少份額與煤粉爐相比很小。2.2煤種變化對鍋爐運行的影響煤種的變化主要是指發(fā)熱量和灰分、揮發(fā)分的變化,循環(huán)流化床燃燒技術就整體而言具有廣泛的煤種適應性,但對給定的鍋爐來說,并不能燃用所有的煤種。當燃料發(fā)熱量改變時,密相區(qū)燃燒份額和床溫會受影響。這又會影響到燃燒、傳熱、熱負荷以及排放量。總的來說,與煤粉爐相同,在鍋爐的適應能

8、力范圍內高揮發(fā)分的煤比低揮發(fā)分的煤燃燒效率更高1,2,5。2.3給料粒度變化對鍋爐運行的影響顆粒與水冷壁之間的傳熱系數可用下式表示:h w=k gd p(6式中:顆粒與水冷壁間氣體層的厚度;k g爐內氣體傳熱系數;d p平均顆粒直徑。在給料粒度偏離設計值時會出現以下2種情況。當給料粒度比較大時,由于顆粒傳熱是循環(huán)流化床中很大的一項,從(6式可以看出隨著顆粒直徑的增大顆粒與水冷壁之間的傳熱系數會減小;而在給料粒度較大時,飛出床層的顆粒量會減少,從而使得鍋爐無法維持正常返料量,造成鍋爐偏離正常工作狀態(tài)。同時,大顆粒往往難以正常流化,從而沉積在密相區(qū)下部,這通常是造成結焦的主要原因。在給料粒度比較小

9、時,由于在給煤口附近是煤的揮發(fā)分首先析出和燃燒,消耗了大量的氧氣,在給煤口附近形成缺氧區(qū),使得細顆粒因缺氧而無法燃燒。在穿過床層進入稀相區(qū)后又會被氣流高速帶出,其結果是固體不完全燃燒損失增大,燃料中的細顆粒組分越多,該項損失也越大8。2.4燃料水分變化對鍋爐運行的影響當燃料中水分過大時會出現燃料粘結的現象,這會導致給煤不暢,嚴重時甚至會使給料機堵塞。由于水的汽化潛熱是鍋爐無法利用的,在水分增大時,鍋爐的排煙損失會增加。水的汽化潛熱很大,所以在燃用高水分燃料時,密相區(qū)溫度將出現很大下降34。但適量的水分對燃燒有利,這是因為水分有利于揮發(fā)分的析出和焦炭的燃燒。所以,燃料水分的多少應綜合考慮。3過量

10、空氣系數變化對鍋爐運行的影響現有的研究表明,在一定范圍內,提高過量變空氣系數可改善燃燒效率,因為燃燒區(qū)域氧濃度的提高增加了燃燒速率。但當過量變空氣系數超過1.15后繼續(xù)增加時,燃燒效率幾乎不變。當過量空氣系數很大時,將導致床溫降低,CO濃度上升,燃燒效率下降。3.1一次風變化對鍋爐運行的影響一次風從密相區(qū)布風板進入爐內,一次風的下限應保證充分流化,并滿足密相區(qū)燃料燃燒的需要,以產生足夠的熱量來維持床層溫度。流化床的密相區(qū)內顆粒濃度大、相互頻繁碰撞,使得碳粒外層包覆的灰不斷被剝落,這使得碳和氧更易于接觸并發(fā)生反應。由于鍋爐是連52鍋爐技術第36卷續(xù)補充燃料的,固而燃燒反應可認為是均相反應。根據質

11、量作用定律,在這種情況下反應速度主要取決于反應物的濃度。由于碳濃度基本不變,所以主要由氧濃度決定反應速度。因此,隨著一次風率的增加,氧濃度增加,燃燒效率也相應增大。但一次風率過大這會造成燃燒產物中NO x含量增加,所以一次風率不宜過大。3.2二次風變化對鍋爐運行的影響二次風從密相區(qū)和稀相區(qū)交界處送入爐內,以保證密相區(qū)未燃燒的燃料完全燃燒。對循環(huán)流化床來說,分段燃燒的主要意義在于降低氣體污染物的排放,隨著二次風率的增加,循環(huán)流化床的燃燒效率通常會下降。這是因為稀相區(qū)不像密相區(qū)那樣充滿惰性、灼熱的顆粒在加熱碳粒的同時并不與碳爭奪氧,在稀相區(qū)也不會發(fā)生像密相區(qū)那樣顆粒相互頻繁碰撞,使得碳粒外層包覆的

12、灰不斷被剝落的現象,反而會出現小顆粒團聚成大顆粒的現象,這使得氧必須穿透碳粒外層的灰才能與碳發(fā)生反應。因而,提高氧的濃度并不會使反應速度加快,反而由于二次風溫度較低(相對爐膛而使爐膛溫度降低。由燃燒學知道,化學反應速度與反應物濃度及反應溫度成正比(在流化床中可以不考慮吸熱的可逆反應,由于反應溫度降低而反應物濃度基本不變,所以反應速度降低。同時二次風率高,則一次風率低,燃料的反應時間變短,從而影響燃燒效率。但燃料的揮發(fā)分越高,則二次風所帶來的影響也越小。雖然提高二次風率會導致飛灰含碳量上升,但同時也會減少燃燒產物中NO x的產生,所以考慮到環(huán)保方面的問題還是必須保證有一定的二次風率。4循環(huán)倍率變

13、化對鍋爐運行的影響循環(huán)流化床可以讓未燃盡細顆粒循環(huán)進入爐內燃燒從而極大地提高了燃燒效率。一般說來,循環(huán)流化床的燃燒效率隨循環(huán)倍率的增加而增加,在進行爐內脫硫時,在鈣硫比不變時,脫硫效率也是隨循環(huán)倍率的增加而增加,這通常在循環(huán)倍率較低時表現得很明顯。對循環(huán)流化床鍋爐來說,不是循環(huán)倍率越大鍋爐的整體效率越高,隨著循環(huán)倍率的增加鍋爐受熱面的磨損和風機電耗也相應增大,而且基本與循環(huán)倍率成正比關系。在循環(huán)流化床中,爐膛與傳熱面之間的傳熱一般認為由3部分組成,分別為:顆粒對流傳熱,氣體對流傳熱,輻射傳熱。隨著循環(huán)倍率的提高,鍋爐稀相區(qū)的顆粒濃度也越大,顆粒對流傳熱和輻射傳熱也就越強,整體的傳熱系數就越大。

14、這樣鍋爐所需的傳熱面積就會少很多,可以減少鍋爐的金屬耗量。目前國內循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率一般取在10左右,國外循環(huán)流化床鍋爐在發(fā)展的初期循環(huán)倍率一般選取得很高,可達90以上,現在的趨勢是向循環(huán)倍率較低的方向發(fā)展24。從以上可知,循環(huán)倍率的提高對鍋爐正反兩方面都有影響,應綜合考慮各種因素來確定循環(huán)倍率。5控制燃燒污染物排放對鍋爐運行的影響5.1硫化物排放控制對鍋爐運行的影響從1995年起我國的產煤量就一直是世界第1位。在我國煤炭儲量中含硫在2%以上的高硫煤占20%左右,而且越往深部開采,高硫煤會更多。我國大氣污染為煙煤型污染,而且主要由煤燃燒產生的SO2造成的。目前我國電力供應主要依靠火電,在

15、2003年再次出現電力供應不足的情況下,由于火電建設周期較別的發(fā)電設施要短,所以在短時間內,我國電力供應仍將主要依靠火電。隨著國民經濟的發(fā)展,對電力的需求也會越來越大,這意味著SO2的排放量將會更多,對環(huán)境的污染會更嚴重。酸雨主要是大氣層中的SO2在高空中為雨雪沖刷、溶解,雨就變成了酸雨。我國長江以南,包括江蘇、上海、浙江、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、貴州、四川、重慶、云南等省市大部分地區(qū)為穩(wěn)定的酸雨區(qū),我國的經濟發(fā)達地區(qū)幾乎都在酸雨區(qū)內。酸雨會使森林退化,湖泊酸化,魚類死亡,水生生物種群減少,農田土壤酸化、貧瘠,有毒重金屬污染增強,糧食、蔬菜、瓜果大面積減產,使建筑物和橋梁損壞

16、,文物面目皆非,給我國的經濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施帶來巨大的危害,因而控制SO2的排放是當前迫切需要解決的問題。目前火電廠廣泛應用煤粉爐,難以在燃燒過程中有效控制SO2的生成量,但循環(huán)流化床可以直接通過在燃燒過程中添加石灰石(CaCO3或白云石(CaCO3MgCO3,使燃燒反應和固硫反應同時進行,這樣就可以經濟、有效地固定燃料中的硫,使其不會生成危害環(huán)境的SO2。循環(huán)流化床燃燒過程脫硫通常用石灰石作為脫硫劑,一般說來Ca/S比越大,脫硫效果越好。但石灰石對NO x的生成有催化作用,所以Ca/S比62第2期劉鴻,等:循環(huán)流化床鍋爐靜態(tài)特性分析不宜選得過高,現在一般取在1.52.5之間。石灰石與SO

17、2的反應關系式一般用下式表示:ln(C0/C-1=ln6K s M/(p d p Q-K d t(7式中:C0表示SO2的進口濃度;C表示SO2的出口濃度;K s反應常數;M表示石灰石顆粒的爐內質量;p表示石灰石顆粒的密度;d p表示石灰石顆粒的平均直徑;Q氣體的體積流率;K d石灰石顆粒鈍化系數;t反應時間。式(7中的反應常數K s與氣體的表觀流化速度、反應面積、反應溫度、鈣硫比等有關,一般說來表觀流化速度、反應面積、鈣硫比越大則K s越大。石灰石顆粒鈍化系數K d是隨顆粒直徑、表觀流化速度的增大而增大的7。由于石灰石和SO2的反應產物CaSO4的體積要比石灰石的體積大很多,所以隨著反應的進

18、行CaSO4會逐漸把石灰石的表面和石灰石分解放出CO2后形成的孔隙堵塞。在減小送入爐內石灰石顆粒時可以加大其反應的比表面積,從而提高脫硫劑的利用率。但當顆粒過小時帶出量增大使得脫硫劑的利用率降低。增加床層高度在一定程度上可使反應的停留時間增加,但過高的床層會增加床層的阻力使得運行電耗增加。所以具體的顆粒大小可以綜合流化速度及床層高度來確定。5.2氮氧化物排放控制對鍋爐運行的影響鍋爐燃燒生成的NO x通常分為燃料型NO x 和溫度型NO x。溫度型NO x是指在高溫下空氣中的氮氧化產生的氮氧化物,循環(huán)流化床由于燃燒溫度低,所以基本無溫度型NO x產生。燃料型NO x是指燃料中的氮,在燃燒過程中氧

19、化生成的氮氧化物。燃料型NO x具有中溫生成特性,受溫度的影響很小,其生成量主要受限于燃料中的氮含量和是否有充足的氧量。循環(huán)流化床的最佳床溫一般是850。降低床溫會減少NO的生成量,但N2O和SO2的排放量會增加。如果床溫過低會導致固體、氣體不完全燃燒損失急劇增大。減少過量空氣系數可降低NO和N2O的生成量,但同時降低燃燒效率和脫硫效率。在床溫固定和過量空氣系數不變的情況下,改變二次風量對于控制NO x生成量并無顯著效果,這種現象與循環(huán)流化床的稀相區(qū)依然有很大的燃燒份額有關。一般情況下,當減少某種污染物生成量時會導致增加其它的污染物的生成量。但通過適當提高床溫(由850提高到870和二次風從稀

20、相區(qū)上部送入爐膛可有效減少NO x的生成量,但會使鍋爐的效率降低6。6結論從以上可以看到,循環(huán)流化床鍋爐的靜態(tài)特性與電廠中廣泛應用的煤粉爐有著明顯地差異。(1送入爐膛的燃料量變動時,循環(huán)流化床鍋爐是微輻射特性,而煤粉爐是輻射特性。(2給料粒度變化時對循環(huán)流化床的燃燒有很大影響,在給料粒度偏大時,通常會造成鍋爐偏離正常工作狀態(tài),造成結焦,在給料粒度比較小時,使得細顆粒被快速帶出爐膛而無法充分燃燒,使得固體不完全燃燒損失增大。而對煤粉爐來說,由于對破碎的要求很高,給料粒度基本是不變化的。(3二次風率的提高會使循環(huán)流化床鍋爐的效率降低,而煤粉爐則不會出現這種情況。(4循環(huán)流化床鍋爐可以通過添加石灰石

21、和分級燃燒等在燃燒過程中實現對燃燒產物中SO2、NO x排放的控制,而煤粉爐只能通過附加設備來脫硫。參考文獻:1范從振.鍋爐原理M.武漢:水利電力出版社,1986.2劉德昌.流化床燃燒技術的工業(yè)應用M.北京:中國電力出版社,1998.3金涌.祝京旭.流態(tài)化工程原理M.北京:清華大學出版社,2001.4岑可法,倪明江,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行M.北京:中國電力出版社,1998.5J us K ocijant,John OReilly.An example of multivariablecombustion,control design wit hin individual ch

22、annel design frameworkA.Proceedings of t he Third IEEE Conference onC,1994:24-26.6Bo Leckner,Anders Lyngfelt.Optimization of emissionsfrom fluidized bed combustion of coal,biofuel and wasteJ.International Journal of Energy Research,2002,26:1191-1202.7Suvit Tian,Tanokkorn Bunjungla2eid.Characterizati

23、on oft hai limestone for desulphurization in a fluidized bed combus2 torJ.International Journal of Energy Research,2002,27: 781-793.72鍋爐技術第36卷8B.V.Reddy.Fundamental heat transfer mechanism be2tween bed2to2membrane water2walls in circulating fluidized bed combustorsJ.International Journal of Energy R

24、e2 search,2003,27:813-824.The S t a t i c S t a t e Chara c t eris t i c s of Circ ula t i ng Fl ui diz e d B e d B oil e rL IU Hong,ZHOU Ke2yi(South East University,Nanjing210096,ChinaKe y w ords:Circulating Fluidized Bed;static characteristicsAbs t rac t:This article is based upon t he characteris

25、tic of Fluidized Bed Boiler and combined wit h p revious st udy analyzed t he static characteristics of Circulating Fluidized Bed Boiler, And use t his characteristics for t he design,debug and stabilization operation of Fluidized Bed Boilers corral system.(上接第8頁算方法建立了余熱鍋爐汽水系統(tǒng)中比較精細的動態(tài)數學模型,并編制了相應程序。同

26、時重點闡述了序貫模塊算法中迭代判據的選擇以及迭代過程中一些中間變量的賦值問題。從對某一余熱鍋爐的實例模擬,可以看出該模型可用于聯合循環(huán)電站性能分析、運行優(yōu)化、故障診斷等方面。本文的研究結果為下一步研究燃氣輪機聯合循環(huán)、整體煤氣化聯合循環(huán)(IGCC及其它復雜熱力系統(tǒng)的動態(tài)特性提供了理論依據。參考文獻:1呂崇德,任挺進.大型火電機組系統(tǒng)仿真與建模M.北京:清華大學出版社,2002.2郭喜燕,楊勇平,宋之平,等.鍋爐汽水系統(tǒng)動態(tài)過程仿真J.工程熱物理學報,2002,23(5.3章臣樾.鍋爐動態(tài)特性及其數學模型M.北京:水利電力出版社,1987.4陳敏,王逸仁.H G-220/100-10YM鍋爐動態(tài)數學模型及仿真J.電站系統(tǒng)工程,1999,15(5.5裘潯雋,楊瑜文,林中