循环流化床锅炉的特点及其运行中的优化调整

循环流化床锅炉的特点及其运行中的优化调整
济南市南郊热电厂　牛国华


摘要　循环流化床锅炉作为一种相对新兴的炉型具有常规的锅炉无法相比的优势和突出的特点，结合循环流化床锅炉的特点和燃烧、传热特性，对于充分发挥其优势，提高运行的经济性尤为重要。
关键词　循环流化床锅炉　燃烧和传热　运行优化调整
一、循环流化床锅炉的特点
(1)燃料适应性广，几乎可以燃烧各种煤，这对充分利用劣质燃料具有重大意义。
(2)环保效益突出，低污染-由于该炉系中温[(850－900)℃]燃烧和分级送风[二次风率(40％～50％)]，在这种状况下非常有利于炉内脱硫和抑制氮氧化物（N0x）。脱硫剂随固体物料多次循环，所以具有较高的脱硫效率(Ca／S比为2时，脱硫效率可达90％)，使烟气中的S02和N0x的排放量很低，环保效益显著。
(3)负荷调节性能好，循环流化床锅炉比常规锅炉负荷调节幅度大得多，一般在30－110％，这一特点非常适应热负荷变化较大的热电厂。
(4)燃烧强度大和传热能力强-由于未燃烬碳粒随固体物料的多次循环，使飞灰含碳量下降，保证了燃烧效率高，可与煤粉炉媲美。
(5) 造价相对便宜，由于燃烧热强度大，循环流化床锅炉可以减少炉膛体积，降低金属消耗。
(6)灰渣综合利用性能好，炉内燃烧温度低，灰渣不会软化和粘结，活性较好，可以用于制造水泥的掺合料或其它建筑材料，有利于综合利用。
(7)存在着磨损、风帽损坏快、自动化水平要求高、理论和技术尚不成熟，运行方面还没有成熟的经验。
二、循环流化床锅炉的燃烧和传热特性
(一)燃烧特性
(1)循环流化床锅炉燃烧技术最大特点是通过物料循环系统在炉内循环反复燃烧和中温燃烧。循环流化床燃烧时由于流化速度较快，绝大多数的固体颗粒被烟气带出炉膛，在炉膛出口处的分离器将固体颗粒分离下来并经过反料器送回炉床内再燃烧，如此反复循环，就形成了循环流化床。由于循环燃烧使燃料颗粒在炉内的停留时间大大增加，直至燃尽，流态化的燃烧是以高扰动、固体粒子强烈混合以及没有固定床面和物料循环系统为其特征，被烟气携带床料经气固分离器后，返回床内继续燃烧。物料的这种多次循环和炉膛内固体粒子剧烈碰撞混合，提高了燃烧效率和锅炉的燃烧效率。
循环流化床的床温一般控制在850－900℃左右。送入布风板下的一次风量是用来流化物料，而二次风是沿着炉墙从不同高度送入称作分级送风，床内惰性热物料在任何时候都占全

部床内固体物料的97％－98％，床内的含
碳量只占1．95％～2．18％，因而可以将燃烧温度控制在850℃～900℃范围内以保证稳定和高效的燃烧。由于床内98％以上惰性热物料的巨大热容量以及流态化燃烧过程，使得燃烧热强度增大，其炉膛截面热强度可达3～8MW／m2(300MW机W型煤粉炉为4．71MW／m2)，炉膛容积热强度可达1．5～2MW／m2，是煤粉炉的8～11倍。
(3)循环流化床锅炉的炉内燃烧过程
1煤粒在循环流化床内燃烧大致经历四个过程：
a.干燥和加热--历时约0－3s，加热速率可达100－1000℃／min；
b．挥发份析出和燃烧--历时约10－15s；
c，膨胀和一次破碎--在挥发份析出过程中发生；
d．焦炭燃烧和二次破碎、磨损--这一过程比较复杂。
上述过程有时并不依次发生，更多时候是前一个过程还没结束，后一过程已经开始。其中，最为复杂的是焦炭的燃烧过程。
2燃烧过程中煤颗粒尺寸的变化
循环流化床锅炉燃烧室内煤颗粒尺寸在燃烧过程中不断减小是该炉与化工领域内的普通循环流化床反应器之间的重大差别。
新鲜煤粒在炉内所经历的一次破碎、二次破碎及磨损过程，是煤颗粒尺寸变化的主要原因。一次破碎是煤的挥发分在析出过程中，煤粒内部压力增大所致。二次破碎是在焦炭燃烧过程中，焦炭内部小孔增多，连接力下降所致。颗粒与颗粒之间的机械作用而产生粉末(其粒径通常小于100μm)的过程称为磨损。细煤粒及磨损所形成的粉末构成循环流化床锅炉最主要的机械未完全燃烧热损失。
3循环流化床锅炉的炉内燃烧区域从燃烧的观点来看，循环流化床锅炉燃烧室内存在三个燃烧区域：
a．燃烧室下部燃烧区域(二次风口以下)；
b．燃烧室上部燃烧区域(二次风口以上)；
c.高温气固分离器。
新鲜的煤粒以及从高温分离器收集的未燃烬的焦炭粒被送人燃烧室下部区域，该区域的风量约占总风量的40％－80％，一般处于还原性气氛。为防止金属管壁腐蚀，受热面用耐蚀材料覆盖。燃烧室上部区域由于二次风加人而处于富氧燃烧状态。床料颗粒在此进行内循环，大部分燃烧发生在该区域。在高温气固分离器中，氧浓度很低，焦炭粒子停留时间很短，燃烧份额很小。但可燃气体(挥发分、CO等)常常在此区域内燃烧。
（二）锅炉的传热特性
(1)概述
循环流化床传热是一个极其复杂的过程，其复杂性不仅在于该过程同时涉及到导热、对流、辐射三种基本传热方式，而且传热过程也受同时存在的燃烧过程、流动过程及诸多运

行操作参数的强烈影响。循环流化床内的传热涉及气体与颗粒、颗粒与颗粒之间
的传热及床层与换热表面之间的传热。而床层与换热表面之间的传热主要为床层与床壁面之间传热。由于在循环流化床内气因之间混合剧烈，气体与颗粒、颗粒与颗粒之间能在瞬间达到热平衡，从而一般只考虑床层与换热表面之间的传热。
(2)传热机理
循环流化床床层与壁面间的传热是近壁处颗粒或颗粒团非稳定导热、气体对流传热、辐射传热共同作用的结果。一般认为：近壁处颗粒或颗粒团非稳定导热是传热的主要部分；在高温和床内颗粒的浓度较低时辐射换热也占相当份额；而气体对流比例相对来说要小得多，若运行于较低气流速度与床内颗粒浓度很高时，其作用皆可忽略不计。有的学者认为：炉膛中固体颗粒浓度是影响传热的最主要因素，随后是床温和换热表面的纵向长度。
(3)循环流化床锅炉的传热系数K值
K值经实验而得，一般K值在100～200w／m2·℃之间，且其值主要随着床内固体颗粒浓度变化而变化。
三、运行中的优化调整
1.入炉物料颗粒度的控制
对燃煤锅炉来说入炉物料主要是入炉煤和脱硫剂。应首先选用合适的破碎设备和流程，使煤的颗粒度达到设计要求。国内流化床炉运行的一个问题是燃颗粒度达不到要求，而按多少来
设计，特别是分级的要求往往确定也不准确。一般来说对燃用低灰份的煤可采用较大颗粒尺寸，燃用高灰份的煤宜采用较小的粒度。如某种AY=38．6％的煤，煤粒径为0－10MM比较合适，最佳的分级要求应为S型即中间多，两头少，特别是粒径大的不能多，因大粒径在炉膛底部易引起超温结焦和缺氧产生较多的CO，同时也会造成总风量增加和电耗成本。
我国流化床锅炉燃煤粒度大多为0－10MM的筛分范围，用机械破碎，振动筛筛分制成，其中小于0．5MM的细粒煤约占25－30％有时甚至超过30％。煤在床层燃烧时，会发生爆裂相互碰撞和磨擦等，将使小颗粒增多，所以当运行的速度一定时粒子带出量亦增多，q4损失主要与带出床层的粒子含碳量有关，对于常规流化床锅炉，其燃烧率低，主要原因中飞灰量大，飞灰含碳量高，一般小型工业流化用流化床锅炉其飞灰含碳量达15－25％，有的高达30－40％，引起q4损失增大。流化床锅炉的q4损失由冷渣（LH）和溢流渣（YL）与沉降灰（CH）和飞灰（FH）中的含量组成。随着粒径小于0．55mm以下的细粒含量百分数的增加，冷渣和溢流渣中含碳量lgq4＋q4ys是减小的，而细灰含碳量是增加的，因为飞灰的损失占整个固体

不完全燃烧损失的70－80％，细粒子中0．1－0．7MM的损失占主要，因此，我们要提高流化床锅炉燃烧效率首先要采取有效措
施减少细灰量和细灰中的可燃物含量，以减少固体不完全燃烧损失，提高锅炉的燃烧效率。床温对燃烧效率的影响要比过量空气的影响重要得多。
燃烧中加入石灰石的粒度分级是影响脱硫率的一个重要因素，但石灰石的优劣及燃烧温度也将影响Ca／S和脱硫率。运行实践证明，要保证同样的脱硫率，不同质量的石灰石需要不同的Ca／S。一般来说对高挥发分煤的颗粒度大于低挥发份的煤的颗粒度。
2.点火时料位的调整
合适的底料能够有效的控制锅炉的点火时间，降低燃料和厂用电的消耗量，并能积蓄最多的热量，着火后能够安全过渡到稳定燃烧，克服不安全因素，并达到最佳经济点。因此点火底料的选取和合适厚度是非常重要的。
点火时，油燃烧的热烟气经过布风板加热床上的底料，底料起到蓄热作用。底料的粒度应在0～5mm之间，厚度在400±50mm左右。底料备好后，就应确定所需的临界流化风量，就是把炉料从因定状态变成流化状态时最小风量，是避免点火结焦的重要参考因素。在这里如果底料的粒度大。那么它就和热烟气的接触面积则小，热交换的热量就减小，底料被加热的时间就长；同时粒度大所需临界沸腾风量就大，被风带走的热量也就增加，两者同时都是增加了点火的时间，如果这个时间超出了规定的点火时间，这就浪费了燃料油和厂用电。料的厚度如果偏大，所需的临界风量也大，所需要的热量还是增加，把料加热到能够投煤的时间自然也就加长，同样也是延长了点火时间，耗费了原料。如果料的厚度较小，所需的风量和热量减小了，但是容易造成点火时间短，水冷壁及汽包的温升过快，会给锅炉带来不安全因素和减少锅炉的使用寿命。同时底料少投煤着火后还会出现燃烧不稳和长时间带不上负荷等现象的发生。
3.投煤后在稳定燃烧前的控制
锅炉在投煤着火后，进一步的工作就是使锅炉稳定燃烧，并且使之达到额定负荷。在这个过渡阶段，由于刚点火，炉料量较少，远远没有达到正常运行时的炉料，这就需要一段时间积累炉料。同时，当床温升至920±50℃时，就应该投一次返料和二次返料，两级返料对锅炉负荷有很大的影响。这里返料是物料，其一是返回炉膛再燃烧，降低含碳量，提高效率。二是起到传热媒质的作用。物料粒子由冷风送入炉膛底部，并且进一步燃烧，并把炉膛底部的热量携带到炉膛的上部，使燃烧充满整个炉膛

，有利于水冷壁的热量吸收，同时也降低了床面温度，对增加锅炉的负荷起到重要作用。在合格的煤正常燃烧时，如果不投入二次返料，锅炉的负荷会下降20％左
右，可见返料作用之大。返料投入时应先投入一次返料，稳定后再投入二次返料。在这里应特别注意：由于点火过程中在一次返料的小床里和二次返料的灰管里积蓄了大量的冷灰，如果投入操作过快，大量的冷料进入炉膛，会把刚点燃的锅炉压灭火。因此，首先应缓慢开启返料风门，同时注意炉膛的温度变化，当温度变化不大时，然后再开大风门，直至开到合适的开度之后，通过调整进煤量和风量来逐渐提高锅炉的负荷。
4.稳定燃烧后的控制
锅炉进入稳定燃烧并且达到额定负荷后，就需要运行人员调节，使锅炉达到最经济运行。首先要耗用最小的煤量，能够达到良好沸腾状态的最小风量，还要有最佳运行料位，合适的一次返料和二次返料。锅炉的运行调整是以煤的质量为依据的，对于不同粒度和不同发热量的煤所需的风量、料位、返料量就有所改变，因此要做相应的调节。煤的粒度大，要增大一次风量加强沸腾，防止沸腾不好造成结焦，也可通过降低料位来增加风量，还要加大一次返料和二次返料量。增大循环倍率，让返料的物料将床面积蓄的热量迅速输送到炉膛上部，强化热量交换。否则，会出现床面超温，甚至结焦；若减少煤量，则释放的热量减少，会降低出力。当煤的粒度小时，调节则相反。煤的发热量大其调节方法同煤粒大调节一样，但最好加大返料调节，由此可见煤的粒度配比和煤质配比对锅炉经济运行有很大的影响。当煤质不变时，随着运行时间增长，炉料就会逐渐增多。炉料的多少是根据风室压力来判断的。风室的压力等于布风板的阻力和料位的阻力之和，布风板的阻力为定值，则风室压力的变化就直接反映了料位的变化。我们把通过布风板的气流向上托力为F，炉膛内灰粒和煤粒的重为W，当 F < W时则物料为固定状态，F=W时为浮动沸腾状态，即为流化床运行状态，F >W时则物料被气流带走，也称为气力输送。而物料粒度是大小不一的，因此沸腾时物料会充满整个炉膛，只是密度不同，这就形成密相区和稀相区，粒度大的物料就汇集在炉膛的底部，粒度不大的就随气流由烟道排走。随着炉料的增加，则料的总重量W0增加，风室的压力就增加，相应地进入炉膛的风量就减少了，则风机的压头就变大，也直接影响了返料风。如果料位再高， 就会造成沸腾不好，煤不能良好地燃烧，料位长势会更快，此时如果

风量加大，煤就剧烈燃烧，会造成超温而结焦，最好处理办法就是加大放料量并加大风量，使之不超温，以保持正常运行。如果料位偏低则W0变小，风量变大，多数物料粒子被抬高，就形成了气力输送，热量还
没有完全交换，就从烟道排出，使排烟热损失增大，降低了锅炉的效率。因此要选择最佳料位。当锅炉稳定运行时，煤量风量不变，料位达到某一数值时，锅炉的出力最大，此时料位为最佳料位，为保持最佳料位，需要放料来调整。目前，放料一般采用间断性人工放料，人工放料毕竟随意性较大，虽然采用每次少放勤放的原则，但被灰渣带走的未燃尽的和正在燃烧的煤的成份还是较大，造成了机械不完全燃烧热损失q4和灰渣物理热损失q6 的增加，为了降低q4和q6的损失，因此最好采用机械地连续排渣，这样从煤燃烧产生炉料量和连续排渣量保持一个动态平衡，使锅炉始终保持在最佳料位运行。由此减少了由于料位变化而对风量的调整，简化了锅炉运行频繁的操作，增加了锅炉运行的经济性和安全性，因此对炉料的自动排放是循环流化床锅炉急待解决的问题。
5.送风量的控制
循环流化床锅炉的送风的作用是保证炉内物料的正常流化和充分有效的燃烧。在燃烧中的一个重要的特点是物料非一次燃尽，有相当部分燃料是进行循环燃烧。为了保证燃烧充分需有充分的氧量，否则因缺氧而燃烧不充分，将会导致飞灰和炉渣含碳量增加，但炉内的氧量也要控制在一定的范围，炉内氧量过高时特别是过量氧产生的有利于燃料燃尽的正效应小于尾部排烟损失增加的负效应时，降低锅炉的热效率，而且过高送风量也会使锅炉尾部的烟气流速大大提高，将会加剧炉内受热面的磨损，过高的送风量必然会导致引风量的增加，即提高了锅炉的总风量，直接造成风机出力和风机电耗增加。