循環(huán)流化床鍋爐及其技術(shù)特點(diǎn)

1、循環(huán)流化床鍋爐及其技術(shù)特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐及其技術(shù)特點(diǎn) 循環(huán)流化床鍋爐及其技術(shù)特點(diǎn)包頭市熱力總公司高紀(jì)栓摘要循環(huán)流化床鍋爐是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高效、低污染清潔燃燒技術(shù)，因它在燃燒室出口安裝了特有的氣固分離器、返料循環(huán)等裝置，使其具有了低溫的動(dòng)力控制燃燒；高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過(guò)程和高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程等技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)也因其具有節(jié)能、環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和使用。關(guān)鍵詞循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1、前言循環(huán)流化床鍋爐是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高效、低污染清潔燃燒技術(shù)。因其具有燃燒效率高、煤種適應(yīng)性廣、煙氣中有害氣體排放濃度低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、灰渣

2、可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今日益嚴(yán)峻的能源緊缺和環(huán)境保護(hù)要求下，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展，已商品化，正在向大型化發(fā)展。我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，也是用煤大國(guó)，一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占70左右，優(yōu)中質(zhì)煤、劣質(zhì)煤均豐富。全國(guó)煤產(chǎn)量的25是含硫量超過(guò)2的高硫煤。優(yōu)質(zhì)煤集中在華北、西北，劣質(zhì)煤多分布在中南、西南地區(qū)。目前積存下來(lái)的煤矸石達(dá)14億噸，并以每年6千到7千萬(wàn)噸的數(shù)量增加。與此同時(shí)，因煤燃燒每年有87的SO2和67NOX排入大氣，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此發(fā)展高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)持續(xù)發(fā)展的必然要求。我國(guó)是開發(fā)流化床燃燒技術(shù)較早的國(guó)家。早在上世紀(jì)60年代，就開始研究發(fā)展鼓泡流化床技術(shù)。循環(huán)流化床技

3、術(shù)的研究和開發(fā)始于上世紀(jì)80年代。19891991年初，首批3575T/h的循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和循環(huán)流化床鍋爐的理論發(fā)展落后的原因，運(yùn)行問(wèn)題較多。經(jīng)國(guó)家組織的完善化研究后，在90年代中后期得以快速發(fā)展。至今據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)或正在制造的循環(huán)流化床鍋爐已有上千臺(tái)。蒸發(fā)量220t/h及以下容量的循環(huán)流化床鍋爐已在國(guó)內(nèi)大量使用，410t/h的循環(huán)流化床鍋爐已開始投入商業(yè)運(yùn)行。隨著該技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，用于集中供熱的熱水循環(huán)流化床鍋爐也在應(yīng)用和推廣?？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后若干年里將是循環(huán)流化床鍋爐飛速發(fā)展和使用的重要時(shí)期。2、流態(tài)化理論固體粒子經(jīng)與氣體或液體接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)的

4、過(guò)程，稱為流化過(guò)程。流化過(guò)程用于燃料燃燒，即為流化燃燒，其爐子稱為流化床鍋爐。流化理論用于燃燒始于上世紀(jì)20年代，40年代以后主要用于石油化工和冶金工業(yè)。流化燃燒是一種介于層狀燃燒與懸浮燃燒之間的燃燒方式。煤預(yù)先經(jīng)破碎加工成一定大小的顆粒（一般為08mm）而置于布風(fēng)板上，其厚度約在350500mm左右，空氣則通過(guò)布風(fēng)板由下向上吹送（圖1）。當(dāng)空氣以較低的氣流速度通過(guò)料層時(shí)，煤粒在布風(fēng)板上靜止不動(dòng)，料層厚度不變，這一階段稱為固定床（圖1a）。這正是煤在層燃爐中的狀態(tài)，氣流的推力小于煤粒重力，氣流穿過(guò)煤粒間隙，煤粒之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣流速度增大并達(dá)到某一較高值lj時(shí)，氣流對(duì)煤粒的推力恰好等于煤粒的

5、重力，煤粒開始飄浮移動(dòng)，料層高度略有增長(zhǎng)。如氣流速度繼續(xù)增大，煤粒間的空隙加大，料層膨脹增高，所有的煤粒、灰渣紛亂混雜，上下翻騰不已，顆粒和氣流之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈。這種處于沸騰狀態(tài)的料床，稱為流化床（圖1b）。這種燃燒方式即為流化燃燒。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大并超過(guò)一定限度jx時(shí)，穩(wěn)定的沸騰工況就被破壞，顆粒將全部隨氣流飛走。物料的這種運(yùn)動(dòng)形式叫做氣力輸送（圖1c），這正是煤粉在煤粉爐中隨氣流懸浮燃燒的情景。料層由靜止到流化狀態(tài)，以至為氣流攜帶飛走的整個(gè)過(guò)程，可用圖2所示的特性曲線加以概括。當(dāng)空氣速度在ab范圍內(nèi)，料層高度不變，通風(fēng)阻力隨風(fēng)速的平方關(guān)系增大。當(dāng)風(fēng)速增大至b點(diǎn)，料層中顆粒開始浮動(dòng)，故b

6、點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速lj即為流化臨界速度。試驗(yàn)研究證明，流化臨界速度的大小主要決定于顆粒尺寸及其篩分級(jí)配、粒子的密度和氣流的物理性質(zhì)等因素。隨著顆粒直徑的增大、密度的增加或料層堆積的空隙率增大，臨界速度lj增大；氣流流體的運(yùn)動(dòng)粘度增大時(shí)，臨界速度減小。在b至c的過(guò)程中，氣流速度雖然繼續(xù)增高，但因料層膨脹，空隙也增大，通過(guò)顆粒間隙的實(shí)際風(fēng)速趨于一個(gè)常數(shù)，所以料層阻力與剛開始轉(zhuǎn)入流化床時(shí)相比，變化不大。如果風(fēng)速再增大超過(guò)一 定限度jx時(shí)，固體顆粒即被風(fēng)吹走，從流化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為氣力輸送，料層不復(fù)存在，阻力下降。能挾帶固體顆粒飛走的這個(gè)空截面氣流速度jx，稱為極限速度，也叫帶出速度。3、鼓泡流化床鍋

7、爐流化床燃燒按流體動(dòng)力特性分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床。鼓泡流化床鍋爐運(yùn)行在較低的流化風(fēng)速下（一般為13m/s），因氣體流經(jīng)顆粒床層時(shí)并不是均勻的通過(guò)，一部分氣體形成氣泡經(jīng)床層短路逸出，鼓泡流化床因此得名。早期運(yùn)行的沸騰爐就屬此種燃燒。鼓泡流化床最明顯的特征是料層仍有清晰的界面，燃燒被分成沸騰段（距布風(fēng)板高度一般在14001500mm）和懸浮燃燒段（沸騰段以上至爐膛出口）。該爐型因其爐膛出口沒(méi)有氣固物料分離設(shè)備，飛灰多且含碳量高，致使鍋爐效率較低，另外爐膛受熱面溫度分布梯度大，傳熱效果不好等原因，使其難以實(shí)現(xiàn)大型化。4、循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡流化床鍋爐技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)

8、的新?tīng)t型，它與鼓泡床鍋爐的最大區(qū)別在于爐內(nèi)流化風(fēng)速較高（一般為48m/s），在爐膛出口加裝了氣固物料分離器。被煙氣攜帶排出爐膛的細(xì)小固體顆粒，經(jīng)分離器分離后，再送回爐內(nèi)循環(huán)燃燒。循環(huán)流化床鍋爐可分為兩個(gè)部分：第一部分由爐膛（快速流化床）、氣固物料分離器、固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器（有些循環(huán)流化床鍋爐沒(méi)有該設(shè)備）等組成，上述部件形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為對(duì)流煙道，布置有過(guò)熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與其它常規(guī)鍋爐相近。圖3為典型循環(huán)流化床鍋爐燃燒的示意圖。燃燒所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，燃料的燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置有水冷壁用于吸收燃燒所產(chǎn)

9、生的部分熱量。由氣流帶出爐膛的固體物料在氣固分離裝置中被收集并通過(guò)返料裝置送回爐膛。循環(huán)流化床燃燒鍋爐的基本技術(shù)特點(diǎn)可概括如下：(1)低溫的動(dòng)力控制燃燒循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高速運(yùn)動(dòng)的煙氣與其所攜帶的湍流擾動(dòng)極強(qiáng)的固體顆粒密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過(guò)程；同時(shí)，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集，并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過(guò)程,反復(fù)循環(huán)地組織燃燒。顯然，燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時(shí)間延長(zhǎng)了。在這種燃燒方式下，爐內(nèi)溫度水平因受脫硫最佳溫度限制，一般850左右。這樣的溫度遠(yuǎn)低于普通煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點(diǎn)，這就免去了灰熔化帶來(lái)的種種煩惱。這種“低溫燃燒”方式好處甚多

10、，爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉爐中要改善很多，對(duì)灰特性的敏感性減低，也無(wú)須很大空間去使高溫灰冷卻下來(lái)，氮氧化物生成量低，可于爐內(nèi)組織廉價(jià)而高效的脫硫工藝，等等。從燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)控制在動(dòng)力燃燒區(qū)(或過(guò)渡區(qū))內(nèi)。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)溫度不高，并有大量固體顆粒的強(qiáng)烈混合，這種情況下的燃燒速率主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率，也就是決定于溫度水平，而物理因素不再是控制燃燒速率的主導(dǎo)因素。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃料的燃盡度很高，通常，性能良好的循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率可達(dá)9599以上。(2)高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過(guò)程從圖3中可看出，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的固體物料（

11、包括燃料、殘?zhí)俊⒒?、脫硫劑和惰性床料等）?jīng)歷了由爐膛、分離器和返料裝置所組成的外循環(huán)。同時(shí)在爐膛內(nèi)部因壁面效應(yīng)還存在著內(nèi)循環(huán)，因此循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)燃燒過(guò)程以及脫硫過(guò)程都是在這兩種形式的循環(huán)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程中逐步完成的。(3)高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈湍流下通過(guò)爐膛，通過(guò)人為操作可改變物料循環(huán)量，并可改變爐內(nèi)物料的分布規(guī)律，以適應(yīng)不同的燃燒工況。在這種組織方式下，爐內(nèi)的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程是十分強(qiáng)烈的，這就使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。5、循環(huán)流化床鍋爐與其它爐型的比較固體燃料燃燒的主要方式有三種，即層燃

12、、流化床燃燒和懸浮燃燒，流化床燃燒又分為鼓泡床燃燒和循環(huán)流化床燃燒。對(duì)四種燃燒方式的比較見(jiàn)表1和表2，從中可以看出各自存在的區(qū)域和相互間的差別。6、循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐獨(dú)特的流體動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)使其具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。(1)燃料適應(yīng)性廣這是循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)之一。在循環(huán)流化床鍋爐中按重量計(jì)，燃料僅占床料的13，其余是不可燃的固體顆粒，如脫硫劑、灰渣等。因此，加到床中的新鮮煤顆粒被相當(dāng)于一個(gè)“大蓄熱池”的灼熱灰渣顆粒所包圍。由于床內(nèi)混合劇烈，這些灼熱的灰渣顆粒實(shí)際上起到了無(wú)窮的“理想拱”的作用，把煤料加熱到著火溫度而開始燃燒。在這個(gè)加熱過(guò)程中，所吸收的熱量只占床層總熱容量的千分

13、之幾，因而對(duì)床層溫度影響很小，而煤顆粒的燃燒，又釋放出熱量，從而能使床層保持一定的溫度水平，這也是流化床一般著火沒(méi)有困難，并且煤種適應(yīng)性很廣的原因所在。(2)燃燒效率高循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率要比鼓泡流化床鍋爐高，通常在9599范圍內(nèi)，可與煤粉鍋爐相媲美。循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高是因?yàn)橛邢率鎏攸c(diǎn)：氣固混合良好；燃燒速率高，其次是飛灰的再循環(huán)燃燒。(3)高效脫硫由于飛灰的循環(huán)燃燒過(guò)程，床料中未發(fā)生脫硫反應(yīng)而被吹出燃燒室的石灰石、石灰能送回至床內(nèi)再利用；另外，已發(fā)生脫硫反應(yīng)部分，生成了硫酸鈣的大粒子，在循環(huán)燃燒過(guò)程中發(fā)生碰撞破裂，使新的氧化鈣粒子表面又暴露于硫化反應(yīng)的氣氛中。這樣循環(huán)流化床燃燒與鼓

14、泡流化床燃燒相比脫硫性能大大改善。當(dāng)鈣硫比為1.52.0時(shí)，脫硫率可達(dá)8590。而鼓泡流化床鍋爐，脫硫效率要達(dá)到8590 ，鈣硫比要達(dá)到34，鈣的消耗量大一倍。與煤粉燃燒鍋爐相比，不需采用尾部脫硫脫硝裝置，投資和運(yùn)行費(fèi)用都大為降低。(4)氮氧化物（NOX）排放低氮氧化物排放低是循環(huán)流化床鍋爐另一個(gè)非常吸引人的特點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，循環(huán)流化床鍋爐的NOX排放范圍為50150ppm或40120mg/MJ。循環(huán)流化床鍋爐NOX排放低是由于以下兩個(gè)原因：一是低溫燃燒，此時(shí)空氣中的氮一般不會(huì)生成NOX ；二是分段燃燒，抑制燃料中的氮轉(zhuǎn)化為NOX ，并使部分已生成的NOX得到還原。(5)燃燒強(qiáng)度高，爐膛截面

15、積小爐膛單位截面積的熱負(fù)荷高是循環(huán)流化床鍋爐的另一主要優(yōu)點(diǎn)。其截面熱負(fù)荷約為3.54.5MW/m2，接近或高于煤粉爐。同樣熱負(fù)荷下鼓泡流化床鍋爐需要的爐膛截面積要比循環(huán)流化床鍋爐大23倍。(6)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)快當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，只需調(diào)節(jié)給煤量、空氣量和物料循環(huán)量，不 必像鼓泡流化床鍋爐那樣采用分床壓火技術(shù)。也不象煤粉鍋爐那樣，低負(fù)荷時(shí)要用油助燃，維持穩(wěn)定燃燒。一般而言，循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)比可達(dá)（34）：1。負(fù)荷調(diào)節(jié)速率也很快，一般可達(dá)每分鐘4。(7)易于實(shí)現(xiàn)灰渣綜合利用循環(huán)流化床燃燒過(guò)程屬于低溫燃燒，同時(shí)爐內(nèi)優(yōu)良的燃盡條件使得鍋爐的灰渣含炭量低（含炭量小于1），屬于低溫?zé)?，易于?shí)現(xiàn)灰渣的綜合利用，如作為水泥摻和料或做建筑材料。同時(shí)