循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)物料平衡的研究

1、循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)物料平衡的研究王智微(國家電力公司熱工研究院，陜西 西安710032)    摘  要  對(duì)循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的物料平衡進(jìn)行了研究分析。CFB鍋爐物料平衡的關(guān)鍵是循環(huán)物料的平衡，在理論上存在一個(gè)平衡灰份A0，燃料灰份Aar只有滿足大于A0，才能保證燃料自身的灰份滿足CFB方式運(yùn)行所需要的循環(huán)物料平衡。當(dāng)Aar<22%或Qar,dw>23.5MJ/kg，CFB鍋爐運(yùn)行應(yīng)考慮添加循環(huán)物料。    關(guān)鍵詞  循環(huán)流化床鍋爐  循環(huán)物料  物料平衡1 前言&

2、#160;   循環(huán)物料平衡、熱量平衡和高的燃燒效率是循環(huán)流化床（CFB）鍋爐正常運(yùn)行的基礎(chǔ)1。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，對(duì)一定的燃料，添加循環(huán)物料是保證CFB鍋爐正常運(yùn)行的必要手段2。循環(huán)物料的平衡與CFB鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，CFB鍋爐以CFB方式運(yùn)行，鍋爐的滿負(fù)荷設(shè)計(jì)也是按在CFB運(yùn)行條件下進(jìn)行的。因此，CFB鍋爐的循環(huán)物料平衡要滿足CFB運(yùn)行的需要。    CFB運(yùn)行方式指爐內(nèi)有足夠的循環(huán)物料，這些循環(huán)物料在爐膛內(nèi)部參與物料的內(nèi)循環(huán)，在外循環(huán)回路能夠保證分離器立管有料封能力。這樣在爐膛壓力分布和物料濃度分布上，爐膛下部和中上部之間

3、存在明顯的過渡區(qū)域，爐膛整體溫度沿床高均勻分布，爐內(nèi)受熱面有足夠高的換熱系數(shù)。在物料粒徑分布上，爐膛中上部的物料顆粒主要在1mm以下，外循環(huán)物料粒徑主要集中在00.3mm之間。    如何實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐的循環(huán)物料平衡并獲得所需的循環(huán)物料粒徑分布是CFB鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵。循環(huán)物料的平衡同燃料的成灰特性有關(guān)，而目前在理論上對(duì)燃料成灰特性的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如何從工程應(yīng)用的角度研究循環(huán)物料的平衡并簡(jiǎn)化燃料的成灰特性是研究的重點(diǎn)。2 爐內(nèi)循環(huán)物料平衡實(shí)現(xiàn)的過程和方法2.1 循環(huán)物料平衡實(shí)現(xiàn)的過程    CFB鍋爐在啟動(dòng)之前通常需要添加一定的床料，

4、其主要目的是保證CFB鍋爐點(diǎn)火時(shí)爐內(nèi)熱量較為均勻的分布，實(shí)現(xiàn)順利點(diǎn)火。待物料達(dá)到穩(wěn)定著火溫度后開始投煤，隨著燃煤量和風(fēng)量的增加，鍋爐負(fù)荷也逐漸增加，同時(shí)爐內(nèi)開始積累循環(huán)物料。當(dāng)循環(huán)物料積累到一定程度，CFB鍋爐從鼓泡床運(yùn)行狀態(tài)過渡到CFB運(yùn)行狀態(tài)，表現(xiàn)出CFB的典型運(yùn)行特征。具體的運(yùn)行參數(shù)：爐膛上部的空隙率0.995左右，即物料濃度在10kg/m3左右，分離器入口的物料煙氣攜帶率約為4kg/Nm3。    在物料平衡的實(shí)現(xiàn)過程中，循環(huán)物料的積累是CFB鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵。大量的實(shí)踐運(yùn)行證明，當(dāng)循環(huán)物料積累到一定的程度，爐膛的整體溫度很快變得均勻，鍋爐出力迅速增加。2.

5、2  循環(huán)物料平衡實(shí)現(xiàn)的方法    在CFB鍋爐的物料回路中，按物料的分布位置和作用可以分為三個(gè)區(qū)域：爐膛下部區(qū)域、爐膛中上部區(qū)域、外循環(huán)區(qū)域。在這三個(gè)區(qū)域存在著不同的物料平衡分布特征3。爐膛下部區(qū)域?yàn)槲锪细邼舛葏^(qū)域，物料主要為粒徑較大的物料顆粒和入爐燃料。爐膛中上部區(qū)域?yàn)榭蓳P(yáng)稀夾帶的循環(huán)物料，物料在爐內(nèi)的流動(dòng)方式為核-環(huán)方式。外循環(huán)區(qū)域內(nèi)的物料是由氣離開爐膛攜帶出的，由于分離器的分離作用，大量的物料能夠分離下來，并在分離器立管內(nèi)形成料封，防止?fàn)t膛煙氣通過回料閥進(jìn)入分離器。由于循環(huán)物料在參與內(nèi)循環(huán)的同時(shí)有一部分由于煙氣的作用進(jìn)入物料外循環(huán)，要保證物料平衡

6、的實(shí)現(xiàn)，分離器的分離效率是一個(gè)重要的參數(shù)。如果分離器的分離效率低于一定的值，入爐補(bǔ)充的循環(huán)物料無法彌補(bǔ)物料的損失，物料平衡難以實(shí)現(xiàn)，循環(huán)物料粒徑將變粗，CFB鍋爐表現(xiàn)出鼓泡床運(yùn)行狀態(tài)，鍋爐出力不足，即使運(yùn)行空床速度為滿負(fù)荷設(shè)計(jì)值甚至更高。    一般條件下，對(duì)灰份在2040%之間的燃料，通過分離器的分離作用可以積累實(shí)現(xiàn)物料平衡所需要的物料量。在不額外添加循環(huán)物料的條件下，循環(huán)物料來源于燃料自身的灰，因此循環(huán)物料與燃料的成灰特性有密切關(guān)系。就目前的研究水平看，要準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)入爐燃料在爐內(nèi)的灰粒徑分布是不可能的。但是將物料在爐內(nèi)的分布分為兩個(gè)區(qū)域后，從循環(huán)物料的平衡實(shí)現(xiàn)

7、出發(fā)，可以通過底渣份額大致判斷出燃料的成灰特征。例如有些燃料盡管灰份很大，但破碎程度很差，需要很長的時(shí)間形成循環(huán)物料。而實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)爐膛（或風(fēng)室）壓力到一定值后就需要排渣，這樣大部分灰份在形成循環(huán)物料以前就以底渣形式離開爐膛。因此，燃料的灰含量并不是評(píng)判循環(huán)物料平衡是否能夠?qū)崿F(xiàn)的惟一參數(shù)。    對(duì)一些高揮發(fā)份低灰份燃料，往往需要定期添加一定的循環(huán)物料以維持CFB運(yùn)行方式所需要的物料平衡。對(duì)高灰份燃料，如果物料破碎性能較差，底渣份額很高，循環(huán)物料往往需要較長時(shí)間的積累，當(dāng)積累的速率小于分離器的逸出率，則爐內(nèi)的物料濃度將維持到較低的水平，CFB鍋爐往往以鼓泡床方式

8、運(yùn)行。如果高灰份燃料的破碎性能很好，則爐內(nèi)的整體物料粒徑減小，爐膛下部粗顆粒份額降低；對(duì)小型試驗(yàn)臺(tái)，由于燃燒室的截面積很小，當(dāng)?shù)自骄綔p小到一定程度，燃燒室下部較難形成穩(wěn)定的密相區(qū)，這時(shí)往往采用排放循環(huán)灰來控制燃燒室內(nèi)的物料量。    從以上分析可看出，CFB鍋爐爐膛內(nèi)的物料平衡實(shí)際是爐膛下部和爐膛中上部的物料平衡，對(duì)寬篩分燃料尤其如此。爐膛下部的物料平衡通過控制爐膛下部的壓力平衡就容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)爐膛中上部物料的物料平衡，在一定的運(yùn)行條件下，CFB鍋爐所需要的循環(huán)物料量（即爐內(nèi)貯存的循環(huán)物料量）是一定的，CFB鍋爐物料平衡的調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)鍋爐中上部的循環(huán)物料量。爐

9、膛下部的底渣排放是控制循環(huán)物料量的有效手段之一，循環(huán)物料的添加也是非常有效的方法，控制入爐燃料粒徑對(duì)循環(huán)物料量的調(diào)整也有一定的作用。3 成灰特性的簡(jiǎn)化分析方法    正如上面分析所述，工程上所關(guān)心的是實(shí)際入爐燃料灰在可能通過底渣被排放出爐膛前有多少灰可以形成循環(huán)物料，沒有必要嚴(yán)格地研究分析入爐燃料成灰特性的細(xì)節(jié)。當(dāng)形成的循環(huán)物料量不夠則額外地添加循環(huán)物料或減小入爐燃料粒度；當(dāng)循環(huán)物料量遠(yuǎn)大于所需要的物料量后，則額外增加循環(huán)物料的排放量，實(shí)際鍋爐中可以通過底渣或循環(huán)灰排放掉，這種情況下爐膛下部的物料平均粒徑減小，爐內(nèi)的整體物料粒徑趨于一致。因此，燃料的成灰特性在實(shí)際

10、工程應(yīng)用中就是判斷燃料中的灰在爐內(nèi)的循環(huán)物料生成量是否滿足物料平衡的需要，是否添加循環(huán)物料，在底渣份額較大而循環(huán)物料量不夠條件下如何調(diào)整燃料粒度。從以上分析還可看出，如果簡(jiǎn)化分析燃料的成灰特性，則底渣份額或飛灰份額有重要的物理意義。    在理論上，對(duì)特定的燃料和運(yùn)行工況，底渣份額dz和飛灰份額fh有一個(gè)循環(huán)物料平衡所需要的理論值。假定分離器的物料分離效率為，燃料的灰份為Aar，燃料消耗量為B，則進(jìn)入分離器的物料量Mout為：    在一定的運(yùn)行工況下，進(jìn)入分離器的物料煙氣攜帶率為一個(gè)較為穩(wěn)定的值（該值與爐膛中上部的循環(huán)物料量應(yīng)該存在

11、一定的關(guān)系，具體的關(guān)系還需要進(jìn)一步的理論研究和實(shí)踐測(cè)量），循環(huán)物料量的變化也是圍繞著值進(jìn)行變化。這樣，假定爐膛出口的煙氣量為Vy，（計(jì)算）燃料消耗量為Bj，機(jī)械不完全燃燒損失為q4，則值為：    由上式可看出，fh與Aar有關(guān)外，還與運(yùn)行參數(shù)、Vy 、q4和有關(guān)。對(duì)應(yīng)一定的運(yùn)行工況，在鍋爐結(jié)構(gòu)和燃料參數(shù)確定后，fh是一個(gè)較為確定的值。鍋爐底渣排放的控制就是調(diào)整底渣份額dz滿足循環(huán)物料平衡對(duì)fh的要求。4 平衡灰份A0的計(jì)算    已有的工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，對(duì)低灰份燃料要實(shí)現(xiàn)CFB運(yùn)行方式所需要的物料平衡，添加一定的循環(huán)物料是十分必要的。如

12、何確定燃料燃燒是否需要添加循環(huán)物料呢？    正如上面分析，CFB運(yùn)行方式存在對(duì)fh的要求。因此在理論上對(duì)具體的燃料而言，要滿足循環(huán)物料的平衡，要求燃料灰份中有一部分灰份能夠形成循環(huán)物料。定義循環(huán)物料平衡所需要的該部分灰份為平衡灰份A0。為處理簡(jiǎn)單，假定燃料的成灰特性為燃料灰全部生成循環(huán)物料量，即fh=1。在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，取4.0kg/Nm3，=0.993，q4=0.02，則A0滿足：    因此，理論上不添加循環(huán)物料又滿足循環(huán)物料平衡的最基本條件為Aar>A0。顯然，存在一個(gè)最小飛灰份額fh,min滿足： 

13、60;  當(dāng)fh,min>1，需要添加循環(huán)物料。    表1為一些典型的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，圖1為Aar與A0的關(guān)系。從表1中可看出，隨著燃料灰份的增加，單位熱值所需要的燃料量增加，實(shí)現(xiàn)物料平衡所需要的A0降低。因此對(duì)高灰份燃料，底渣份額增加，單位熱值所需要的燃料量也在增加，因而底渣量與燃料灰量并不成線性關(guān)系。從圖1還可看出，當(dāng)Aar<22%后CFB運(yùn)行方式所需要的物料平衡難以實(shí)現(xiàn)，需要添加循環(huán)物料。     工程應(yīng)用中往往以燃料熱值評(píng)估循環(huán)物料的添加。從圖2可看出，Qar,dw與A0存在較好的線形

14、關(guān)系，A0=0.84Qar,dw。因此由燃料熱值也可大致確定是否添加循環(huán)物料，從圖2可大致得出，當(dāng)Qar,dw>23.5MW/kg，需要考慮添加循環(huán)物料。     一方面反映了分離器對(duì)物料的捕捉性能，同時(shí)也反映了燃料生成細(xì)顆粒的能力。對(duì)褐煤，灰分破碎性能較好，細(xì)灰極易破碎，由于物料粒徑變細(xì)，即使分離器的分離性能不變，也會(huì)相應(yīng)降低，A0增大。因此，燃料的成灰特性還通過分離器的分離效率表現(xiàn)出來。從工程應(yīng)用上，燃料成灰特性的研究目的就是確定燃料能否滿足實(shí)現(xiàn)循環(huán)物料平衡的需要。從定性方面研究可知，當(dāng)燃料灰份在一定的時(shí)間內(nèi)無法形成循環(huán)物料，則以底渣方式離開爐

15、膛；當(dāng)燃料極易破碎成細(xì)顆粒，則細(xì)顆粒很快通過分離器離開爐膛，分離器的分離效率由于燃料特性的影響而降低。對(duì)煤4、13和16，A0與的關(guān)系見圖3。可看出，對(duì)一般燃料只有分離器滿足分離效率在99%以上才基本滿足CFB運(yùn)行方式所需要的物料平衡要求。  5 循環(huán)物料添加量的評(píng)估    實(shí)際運(yùn)行中，由于燃料的灰份不足需要添加循環(huán)物料滿足CFB鍋爐運(yùn)行所需要的物料量。結(jié)合CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫的要求，運(yùn)行時(shí)需要添加一定的石灰石量。同時(shí)不同的燃料具有不同的自脫硫性能4，因而灰量會(huì)有一定的變化。實(shí)際的折算灰份AZS大于燃料的收到基灰份，不考慮灰渣中未燃燒的碳影響：&

16、#160;   對(duì)高硫較低灰份的燃料，通過石灰石的添加就可滿足CFB運(yùn)行的物料平衡，如表1中燃料4、6和7。石灰石的加入同時(shí)可以明顯地改變爐內(nèi)的物料粒徑分布狀態(tài)，底渣份額也會(huì)發(fā)生很大變化。    對(duì)低灰份褐煤，除了添加石灰石脫硫外，添加額外的循環(huán)物料是必要的。假定添加的循環(huán)物料量Mtj完全以飛灰方式離開爐膛，由上面分析可知，需要添加的物料量為：    從上式可看出，如果添加燃料灰生成的循環(huán)物料，則分離器對(duì)添加物料的分離效率tj，有可能需要定期添加大量的循環(huán)物料。因而實(shí)際運(yùn)行中，往往添加一定的細(xì)河沙。這是因?yàn)榧?xì)河沙不

17、易磨損，顆粒密度較大，ad1，相應(yīng)地需要補(bǔ)充的細(xì)河沙量也減小。6 結(jié)論    對(duì)實(shí)際的燃料，并不是所有物料可以生成循環(huán)物料，一部分物料在一定的時(shí)間內(nèi)難以破碎成循環(huán)物料，最終以底渣形式排出爐膛，添加的循環(huán)物料通過底渣的排放也有一部分被排出爐膛?？紤]此因素，實(shí)際的A0應(yīng)更小。不同的分離器結(jié)構(gòu)存在不同的分離性能，不同的爐膛結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)所要求的爐內(nèi)循環(huán)物料量不相同，對(duì)應(yīng)的值有所變化。因此，公式4計(jì)算的A0可作一定的參考，具體的數(shù)據(jù)還要根據(jù)具體的狀況進(jìn)行調(diào)整。    從循環(huán)物料的平衡分析可看出，CFB鍋爐要實(shí)現(xiàn)CFB運(yùn)行方式需要一定的循環(huán)物料量。從理論分析可得到平衡灰份A0>22%。當(dāng)Aar<A0或Qar,dw>23.5MW/kg，需要添加石灰石或細(xì)河沙滿