循環(huán)流化床鍋爐鍋爐爐內燃燒情況

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程報告CombustionProcessofCirculatingFluidizedBedBoiler西安交通大學能源與動力工程學院能動A72謝小軍07031235摘要：作為新一代高效低污染清潔燃煤技術，循環(huán)流化床鍋爐技術發(fā)展迅速。本文綜合作者所讀部分文獻，介紹了循環(huán)流化床的爐內燃燒過程、濃度場分布并針對我校鍋爐教研室循環(huán)流化床試驗臺介紹了生物質和石油焦作為實驗材料在實驗過程中。應注意的問題。循環(huán)流化床燃燒1循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程煤粒在通過給料機進人流化床后，燃燒過程一般經(jīng)歷以下幾個過程:煤粒的干燥和加熱;揮發(fā)分的析出和燃燒;焦炭的燃燒。一般來說，上述3個過程的界限并不明顯,煤粒燃燒的這3個過程總是重疊進行的。在循環(huán)流化床中,煤粒可燃成分僅占百分之幾，其余全是不可燃床層物料。因此，當煤粒加入燃燒的循環(huán)流化床中時，煤粒干燥和加熱過程的吸熱量很小，對床溫的影響不大,而當揮發(fā)分和焦炭燃燒時還會放出熱量,所以,床溫總是可以維持在850°C~900°C左右。煤粒送人循環(huán)流化床內迅速受到高溫物料及煙氣的加熱。首先是水分蒸發(fā)，接著是煤中的揮發(fā)分析出并燃燒，以及焦炭的燃燒，其間還伴隨著發(fā)生煤粒的破碎、磨損等現(xiàn)象。在循環(huán)流化床的下部即密相區(qū),氣體與固體顆粒的混合程度較為劇烈，其中的流態(tài)一般屬于湍流流態(tài)。循環(huán)流化床上部，即稀相區(qū),呈快速流態(tài)化狀態(tài),其床內的氣固流動,包括氣體速度、顆粒

運動速度、床層孔隙率以及顆粒絮狀物的形成與解體都是十分復雜的，無論周向還是徑向分布都是不均勻的。床內氣固流動的規(guī)律與氣體速度，顆粒循環(huán)流率，溫度壓力，氣固物性，流化床結構等因素有關。循環(huán)流化床內部獨特的氣固物料循環(huán)決定了其傳熱機理與常規(guī)的煤粉爐不同。煤粉爐爐膛內部主要通過輻射的方式將燃料燃燒釋放的熱量傳遞給受熱面，而循環(huán)流化床爐膛內部的傳熱既要考慮到對流換熱的影響,也要考慮到輻射換熱的作用。至于尾部煙道內的傳熱問題，循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐大致相同。具體分析，依照循環(huán)流化床燃燒器的一維擬流體數(shù)值模擬結果［2］有如下結論：圖1為模擬計算得到的燃燒器內氣體組分沿床高的分布曲線?由于燃燒器二次風入口以下區(qū)域的固體物料尤其是煤炭的濃度較高，燃燒過程中的耗氧速率隨之較高，生成二氧化碳及水蒸汽的量相應較大，這在圖中表現(xiàn)為該段曲線的斜率較大?二次風以上的區(qū)域則情況正好相反，該區(qū)域內固體物料呈稀相流動，燃燒耗氧量少，曲線變化較為平緩?計算得到的燃燒器爐

膛出口處的氧氣及二氧化碳的濃度約為5%和14.5%，這與實驗值4.2%和15.4%較為接近.圖2給出了爐膛內二氧化硫及一氧化氮的濃度沿床高的分布.由于本模型中假設揮發(fā)分在二次風口以下全部放出，故此在二次風以下的固體濃相區(qū)中，SO2及NO的濃度增長很快?由于床內石灰石濃度分布也呈上稀下濃的趨勢，床底部煤炭釋放出的SO2被石灰石吸收得也較快，接近二次風口的濃度曲線變緩就是脫硫效果的例證?二次風的引入使在其入口處的SO2及NO濃度階躍式減小，這種突變式的濃度變化是由于模型中將二次風的影響簡化成為兩股風簡單的疊加造成的，實際情況中該處的濃度變化應該會較為緩和?由于模型中假定二次風以上區(qū)域沒有揮發(fā)分釋放出來，故此該區(qū)域的兩條曲線都是單調遞減的?燃燒器出口處的SO2及NO的濃度計算值分別為166X10?6和167X10?6,這與實驗測定值130X10?6及170X10?6較為接近.Height(m)Height(m)(0X)一匸見匸叢(DlOArniln-od圖3為以上條件下爐膛內殘?zhí)亢垦卮哺叩姆植?，由于燃燒器操作在?/p>

速流化狀態(tài)，物料循環(huán)通量大，混合均勻，固體床料接近全混流狀態(tài)，這從圖中較為均一的殘?zhí)糠植伎梢钥闯?另外，床內殘?zhí)亢拷栽?%左右，說明燃燒充分，燃燒效率較高?與出口殘?zhí)亢康膶嶒炛迪啾容^可以看出，模型與實際情況吻合較好.1.1251.0001.1251.0000.S750.7500.6250 1 2日斗5 6Height(m)由圖4可見，隨著二次風量比例增加，氮氧化物排放濃度不斷降低，這主要是由于二次風增加造成爐膛底部濃相區(qū)的炭含量增加，因而脫硝反應得以增強?本例的計算結果與實驗值的趨勢基本相符，但是在數(shù)值上有較大差異

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Secondairratio圖4二次風比對0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Secondairratio圖4二次風比對NO排放的影響nuo隨著Ca/S摩爾比增加，SO2的排放量逐漸降低?脫硫效率隨Ca/S摩爾比的變化如圖5所示?可以很明顯看出，當Ca/S摩爾比小于2時，脫硫效率受Ca/S摩爾比的影響很大，表現(xiàn)為曲線斜率較大；而當Ca/S摩爾比大于2時,脫硫效率隨Ca/S摩爾比增長的速度放緩?可見，從經(jīng)濟角度看，Ca/S摩爾比并非越大越好，一般設計中可以選用2左右.〔％.)Aou〔％.)Aou(DO亡(D匚°匸(D1(D」WOSCa/Smolarratio圖5Ca/S比對SO2脫除效率的影響因為我們要做的是循環(huán)流化床燃燒生物質和石油焦的實驗，考慮到生物質的燃料可能在實際燃燒中出現(xiàn)成分不均勻的情況（例如：今天的秸稈是

稻草，明天可能供應的是小麥秸稈或玉米秸稈），故討論下流化床變燃料條件下的調整：可用改變飛灰再循環(huán)倍率（飛灰循環(huán)量與給煤量之比）的辦法來改變燃燒系統(tǒng)與后部對流受熱面熱負荷的分配，從而保證了循環(huán)流化床鍋爐對燃料的適應性，當然用優(yōu)質燃料時，可加大循環(huán)灰量，增加燃燒室、水冷壁及外部流化床熱交換器的吸熱量，當燒劣質煤時，可減少飛灰循環(huán)量，減少燃燒室內水冷壁及外部流化床熱交換器的吸熱量。這樣當循環(huán)流化床鍋爐燒優(yōu)質燃料時，不會因燃料燃燒釋熱帶不出去而產生高溫結渣，也不會因燒劣質燃料時熱量帶出過多而產生低溫滅火。實際工作中由于煤種變化，這種情況反復出現(xiàn)，經(jīng)調整循環(huán)灰量對煤種的適應也較好。[3]2循環(huán)流化床鍋爐運行時應注意的問題由于循環(huán)床鍋爐的流化速度較高，床料粒徑較大的也可流化起來，但是不同的燃料對應著不同的最佳給料粒度分布，最佳給料粒度分布對保持物料的循環(huán)平衡以及整個爐膛的熱平衡起著重要的作用。一般來說燃料粒徑的最大值可按照下表選擇：貧煤無煙煤煙煤褐煤8mm6mm10mm13mm不同煤成分不同，開始燃燒反應的溫度不同。同樣在流化床啟動燃燒條件下不同煤的投煤穩(wěn)定著火溫度也不同。一般對褐煤，穩(wěn)定著火溫度在450°C

~500°C,煙煤在500°C~600°C,無煙煤通常在650°C以上。因此，實際的CFB鍋爐每次點火運行前必須對燃料進行成分分析，進而通過調整流化風速以防止燃煤變化帶來的點火時間延長或不必要的爐膛結焦。煤種分析是循環(huán)流化床鍋爐運行時的一個很重要的工作環(huán)節(jié)。爐內飛灰份額一般隨著燃料揮發(fā)份的增加而增加。對褐煤,灰分份額較大一般在80%以上，通常需要添加循環(huán)物料（如細河沙）維持CFB鍋爐的物料平衡和能量平衡。即使對一些低灰分煙煤,也存在添加循環(huán)物料的需要，只是要控制好量的多少。循環(huán)流化床具有很好的脫硫效果，煤種不同，含硫量就會不同，參與反應的石灰石的數(shù)量也會發(fā)生相應的變化，運行時就要根據(jù)較大,堵塞現(xiàn)象嚴重。解體發(fā)現(xiàn),由于長時間未投該裝置,致使大、小收球網(wǎng)格結垢嚴重在網(wǎng)柵和管筒內環(huán)上發(fā)現(xiàn)大量的污垢片和銹片。它們的存在使柵格流通面積減小水的流速加大，膠球可能卡在收球網(wǎng)的柵板上,又加劇了膠球的堵塞，形成了惡性循環(huán)。采取人工機械的方法鉆入人孔對網(wǎng)格及收球網(wǎng)相應筒環(huán)內壁上的水垢進行了認真的清除。對操作機構進行檢查發(fā)現(xiàn),四只小收球網(wǎng)傳動桿上直徑8mm的銷子為普通碳鋼，剛度不足常易發(fā)生疲勞斷裂,致使行程開關顯示為收球位置而實際上并沒有關嚴。改造時采用的處理方法是用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料加工銷子取而代之。收球網(wǎng)處于收球位置時,網(wǎng)的上下沿應分別與循環(huán)水管壁和下方箱的上沿貼合,有文獻表明如果它們的間隙＞6mm，則容易出現(xiàn)跑球或卡球的現(xiàn)想象。我們分別將大、小收球網(wǎng)處于收球位置,進入人孔內檢查收球網(wǎng)與筒環(huán)配合情況，發(fā)現(xiàn)大收球網(wǎng)與筒環(huán)配合不好，局部有較大間隙,最寬達15mm。另外下方箱的小濾網(wǎng)條柵分布不均勻。個別小收球網(wǎng)也因水垢卡澀,有關不到位的情況。為此我們采用了在收球網(wǎng)局部加小圓鋼焊接于邊緣使之配合

良好，對下方箱小濾網(wǎng)柵格間隙寬處焊接小圓鋼,使之不致跑球，同時對下部小收球網(wǎng)上的污物進行了徹底的清除,并對其作了相應調整直至能靈活開關。3生物質和石油焦應用情況能源是人類社會發(fā)展的基礎，能源結構的重大變革導致了人類社會的巨大進步，國民生產總值的增長始終與能源消費同步增長。石油將在21世紀枯竭，新的能源結構將在新的世紀中形成，多種能源并存的能源體系將成為新世紀能源結構的特征，生物質能源將成為21世紀的重要能源之一。生物質直燃發(fā)電技術，作為一種生物質能的利用方式，具有工藝環(huán)節(jié)少，經(jīng)濟效益突出的優(yōu)點，是我國利用生物質能的一條有效途徑。循環(huán)流化床燃燒方式具有燃料適應性廣，燃燒溫度低，燃燒效率高，負荷調節(jié)性能好等獨特的優(yōu)點，適于燃燒生物質燃料，特別是高堿的秸稈類生物質燃料。石油焦是石油焦化加工工藝中的主要副產品，是一種很有潛力的燃煤電站的替代或補充燃料。美國是世界上的煉油大國，每年生產2800萬噸左右的石油焦，其中2/3出口。日本和歐洲是石油焦消耗大戶，美國出口的石油焦有3/4左右銷往日本和歐洲。在日本和歐洲，超過50%的石油焦被作水泥窯和鍋爐燃料。在我國，生產石油焦的焦化裝置數(shù)量及規(guī)模不斷增加，產量已由1987年的66.47萬噸/年上升至1997年的319.28萬噸/年。據(jù)統(tǒng)計，2001年，中國石化集團公司所屬企業(yè)有19套延遲焦化裝置，實際加工能力為1346萬噸/年，2001年產石油焦310萬噸，其中硫含量在2~4%的焦約占34.75%，2002年的石油焦產量約400萬噸。現(xiàn)在隨著我國中東高硫原油進口量的逐年增

大，另外2005年俄羅斯高硫原油也通過管道輸入我國東北，高硫石油焦的產量將越來越高。我國石油焦市場出現(xiàn)了嚴重供大于求的局面，中、高硫石油焦的出路已成為石化部門迫切需要解決的問題［4］。由此可見，使用生物質和石油焦作為鍋爐燃料不僅解決了我