循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用分析

何建宏

摘要：循環(huán)流化床鍋爐是八十年代發(fā)展起來的高效率、低污染和良好綜合利用的燃煤技術(shù)，由于它在煤種適應(yīng)性和變負荷能力以及污染物排放上具有的獨特優(yōu)勢，使其得到迅速發(fā)展。循環(huán)流化床鍋爐的原理及其脫硫工藝等加工技術(shù)的發(fā)展，帶來了社會效益和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐加工分析

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐采用流態(tài)化的燃燒方式，是介于煤粉爐懸浮燃燒和鏈條爐固定燃燒之間的燃燒方式，即通常所講的半懸浮燃燒方式。自循環(huán)流化床燃燒技術(shù)出現(xiàn)以來，循環(huán)流化床鍋爐已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。循環(huán)流化床鍋爐是一種國際公認的潔凈煤燃燒技術(shù)，以其燃料適應(yīng)性廣、脫硫效果好、NOx排放量低、負荷調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點在我國燃煤電站中方興未艾。我國循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)已步入世界先進水平，循環(huán)流化床鍋爐總裝機容量也居世界第一位，但是，我國鍋爐的脫硫現(xiàn)狀還不很樂觀，脫硫系統(tǒng)的可用率、鍋爐脫硫效率不高，因此循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用加工還存在不少問題，離國際先進水平有一定差距。

1 循環(huán)流化床鍋爐的特點

由于循環(huán)流化床內(nèi)氣、固兩相混合物的熱容量比單相煙氣的熱容量大幾十倍甚至幾百倍，循環(huán)流化床鍋爐中燃料的著火、燃燒非常穩(wěn)定。在床內(nèi)沿爐膛高度所進行的燃燒和傳熱過程，基本上是在十分均勻的爐膛溫度下(一般為850℃～900℃)進行的，從而可使循環(huán)流化床鍋爐達到98%～99%的燃燒效率。在鈣與燃料中的硫摩爾比為115～215的情況下可以達到90% 以上的脫硫效率。由于循環(huán)流化床鍋爐是低溫燃燒，而且燃燒過程是在整個爐膛高度上進行的，所以可以方便地組織分級燃燒，因而可以有效地抑制NOx的生成，降低NOx的排放。由于爐內(nèi)氣、固兩相流對受熱面的傳熱是在整個爐膛內(nèi)進行的，不需在床內(nèi)布置埋管受熱面，因而完全避免了埋管的磨損問題。而布置在爐膛出口外的高效分離器可將大部分固體顆粒從煙氣中分離出來，大大減少了尾部煙道中煙氣的粉塵濃度，減少了尾部受熱面的磨損。

①燃料適應(yīng)性強。由于循環(huán)流化床中的燃料僅占床料的1%－3%，不需要輔助燃料而燃用任何燃料，可以燃用各種劣質(zhì)煤及其它可燃物，特別包括煤矸石、高硫煤、高灰煤、高水分煤、煤泥、垃圾等，可以解決令人頭疼的環(huán)境污染問題。②燃燒效率高。循環(huán)流化床比鼓泡床流化床燃燒效率高，燃燒效率通常在97%以上，基本與煤粉相當。③脫硫率高。循環(huán)流化床的脫硫方式是最經(jīng)濟的方式之一，其脫硫率可以達到90%。④氮氧化物排放低。這是循環(huán)流化床另外一個非常吸引人的特點，其主要原因是：一低溫燃燒，燃燒溫度一般控制在850－900℃之間，空氣中的氮氮一般不會生成NOx；二分段燃燒，抑制氮轉(zhuǎn)化為NOx，并使部分已生成的NOx得到還原。⑤燃燒強度高，爐膛截面積小，負荷調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)速度快。⑥易于實現(xiàn)灰渣綜合利用，由于其灰渣含炭量較低，屬于低溫燒透，有著更大的利用價值。⑦燃料預(yù)處理系統(tǒng)簡單，其燃料的粒度一般小于12mm， 破碎系統(tǒng)比煤粉爐更為簡化。

2 循環(huán)流化床內(nèi)的燃燒加工過程

循環(huán)流化床鍋爐的脫硫原理是在燃燒中加入適當比例和顆粒度的石灰石與燃料一起進行循環(huán)燃燒，加入的石灰石在爐內(nèi)循環(huán)時間長，使石灰石磨得非常細的時候才會從分離器中飛到后面去。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒溫度是900 ℃左右，這一溫度既能抑制二氧化硫的生成，又使石灰石能充分分解。

2.1 煤粒送入循環(huán)流化床內(nèi)迅速受到高溫物料和煙氣的輻射而被加熱，首先水分蒸發(fā)，然后煤粒中的揮發(fā)份析出并燃燒、最后是焦炭的燃燒。其間伴隨著煤粒的破碎、磨損，而且揮發(fā)份析出燃燒過程與焦炭燃燒過程都有一定的重疊。循環(huán)流化床內(nèi)沿高度方向可以分為密相床層和稀相空間，密相床層運行在鼓泡床和紊流床狀態(tài)。循環(huán)流化床內(nèi)絕大部分是惰性的灼熱床料，其中的可燃物只占很小的一部分。這些灼熱的床料成為煤顆粒的加熱源，在加熱過程中，所吸收的熱量只占床層總熱容量的千之幾，而煤粒在10 秒鐘左右就可以燃燒（顆粒平均直徑在0～8mm），所以對床溫的影響很小。

2.2 循環(huán)流化床內(nèi)煤的燃料著火。流化床內(nèi)燃料著火的方式，固體質(zhì)點表面溫度起著關(guān)鍵作用，是產(chǎn)生著火的點灶熱源，這類固體近質(zhì)點可以是細煤粒，也可以是經(jīng)分離后的高溫灰?；蛘呤遣硷L板上的床料。當固體質(zhì)點表面溫度上升時，煤顆粒會出現(xiàn)迅猛著火。另外，顆粒直徑大小對著火也有很大的影響，對一定反應(yīng)能力的煤種，在一定的溫度水平之下，有一臨界的著火粒徑，小于這個顆粒直徑，因為散熱損失過大，燃料顆粒就不能著火，逸出爐膛。

2.3 循環(huán)流化床內(nèi)煤的破碎特性。煤在流化床內(nèi)的破碎特性是指煤粒在進入高溫流化床后粒度急劇減小的一種性質(zhì)。但引起粒度減小的因素還有顆粒與劇烈運動的床層間磨損以及埋管受熱面的碰撞等。影響顆粒磨損的主要因素是顆粒表面的結(jié)構(gòu)特性、機械強度以及外部操作條件等。磨損的作用貫穿于整個燃燒過程。煤粒進入流化床內(nèi)時，受到熾熱床料的加熱，水份蒸發(fā)，當煤粒溫度達到熱解溫度時，煤粒發(fā)生脫揮發(fā)份反應(yīng)，對于高揮發(fā)份的煤種，熱解期間將伴隨一個短時發(fā)生的擬塑性階段，顆粒內(nèi)部產(chǎn)生明顯的壓力梯度，一旦壓力超過一定值，已經(jīng)固化的顆粒表層可能會崩裂而形成破碎；對低揮發(fā)份煤種，塑性狀態(tài)雖不明顯，但顆粒內(nèi)部的熱解產(chǎn)物需克服致密的孔隙結(jié)構(gòu)都能從煤粒中逸出，因此顆粒內(nèi)部也會產(chǎn)生較高的壓力，另外，由于高溫顆粒群的擠壓，顆粒內(nèi)部溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力都會引起煤顆粒破碎。煤粒破碎后會形成大量的細小粒子，特別是一些可揚析粒子會影響鍋爐的燃燒效率。細煤粒一般會逃離旋風分離器，成為不完全燃燒損失的主要部分。破碎分為一級破碎和二級破碎，一級破碎是由于揮發(fā)份逸出產(chǎn)生的壓力和孔隙網(wǎng)絡(luò)中揮發(fā)份壓力增加而引起的。二破碎是由于作為顆粒的聯(lián)結(jié)體——形狀不規(guī)則的聯(lián)結(jié)“骨架”（類似于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）被燒斷而引起的破碎。煤的破碎發(fā)生的同時也會發(fā)生顆粒的膨脹，煤的結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大的變化。一般破碎和膨脹受下列因素的影響：揮發(fā)份析出量；在揮發(fā)份析出時，碳水化合物形成的平均質(zhì)量；顆粒直徑；床溫；在煤結(jié)構(gòu)中有效的孔隙數(shù)量；母粒的孔隙結(jié)構(gòu)等。

3 循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展中存在的一些問題及加工剖析

由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛沒有設(shè)置埋管，不存在磨管現(xiàn)象。也不存在點火時有一部分熱量被水冷系統(tǒng)帶走的問題，點火啟動，停爐都比較方便。冷爐狀態(tài)20分鐘爐子就可以點著，熱爐狀態(tài)只用5到6分鐘，一般壓火24小時沒有問題，環(huán)境污染小。由于循環(huán)流化床鍋爐的低溫燃燒特性，二氧化硫和氮氧化物排放濃度非常低(氮氧化物的生成溫度約為1000 ℃，其排放濃度可控制在200PPM以下)，是鏈條爐和煤粉所不容易實現(xiàn)的。由于循環(huán)燃燒使它的爐渣幾乎不含碳，呈黃褐色小顆粒，可以作為水泥制品的摻和料。并相對減少了總出渣量。

3.1 我國內(nèi)目前已運行的循環(huán)流化床鍋爐看遇到的主要問題有：①爐蒸發(fā)量不到設(shè)計的額定值；②高溫分離器和物料返送器內(nèi)結(jié)焦；③耐火材料和受熱面磨損；④鍋爐排煙溫度偏高。

3.2 鍋爐調(diào)試及運行中的控制重點：

3.2.1 流化不良的預(yù)防方法：①必需保證布風板風帽小孔的暢通，這就要求在加床料之前把風帽小孔及床面清理干凈；②運行后一次風量必需大于臨界流化風量；③升溫升壓過程中，控制升溫速度，防止爐內(nèi)耐磨耐火材料脫落堵塞風帽；④原煤粒度控制在6～10mm之間，避免因為原煤粒度過大流化不良；⑤控制燃煤中矸石及鐵塊的含量，定期將大顆粒物料排除，確保流化良好。⑥在升負荷及調(diào)整過程中，加煤和調(diào)風不能猛增猛減。

3.2.2 超溫結(jié)焦的預(yù)防控制方法：①控制合理的床壓，防止燃煤直接接觸風帽造成燃煤堆積爆燃超溫結(jié)焦。②點火啟動階段，控制合理油槍配風，保證燃油完全燃燒，避免未燃盡油霧沾附在煤粒上造成結(jié)焦。

3.2.3 兩床失穩(wěn)預(yù)防控制：①運行中給煤、返料量、排渣控制合理，保證兩側(cè)床壓一致。②給煤量調(diào)整時應(yīng)將各點給煤均勻，使燃煤在整個床面分布均勻，如一側(cè)給煤量減少時，應(yīng)立即減少另一側(cè)給煤量，控制爐膛兩側(cè)床壓偏差小于2.5kPa。③爐膛兩側(cè)外置床返料量調(diào)整基本一致，避免因為返料量偏差而產(chǎn)生床溫床壓偏差。④調(diào)整爐膛兩側(cè)風量及給煤量，使兩側(cè)床溫及一次風量均衡。

3.2.4 堵煤預(yù)防控制與啟動調(diào)試：①循環(huán)流化床鍋爐無煤粉制備系統(tǒng)，粗、細碎煤機將原煤破碎成6～8mm的煤粒后進入原煤斗，再通過給煤機直接進入爐內(nèi)。由于破碎后的煤粒表面積增大，水分、內(nèi)水分增高，因此極易在碎煤機、原煤斗、給煤機落煤口等部位發(fā)生堵煤現(xiàn)象。堵煤時將直接危及鍋爐的穩(wěn)定運行，主要故障有：a原煤破碎設(shè)備堵塞：原煤破碎設(shè)備堵塞是指原煤粘在破碎機出口及入口管道上，導(dǎo)致下煤不暢輸煤中斷，或原煤粘在破碎機內(nèi)部導(dǎo)致破碎機堵塞；b原煤斗堵煤：原煤斗堵煤是由于破碎后的煤粒在原煤斗內(nèi)受到擠壓，導(dǎo)致在原煤斗內(nèi)搭橋下煤不暢；且原煤斗設(shè)計為方形，原煤和煤斗之間的接觸面積增大，下煤阻力增大導(dǎo)致原煤斗堵煤；c落煤口堵煤：進入落煤口的煤粒由于受到回灰的加熱，導(dǎo)致煤粒中外水分大量蒸發(fā)，上升水蒸汽在落煤口聚集并冷凝成水滴，最終導(dǎo)致煤粒搭橋堵塞落煤口。d運行中不但要加強給煤設(shè)備的監(jiān)視及維護，還要注意以上區(qū)域是否堵煤，如發(fā)生堵煤應(yīng)及時疏通，在給煤恢復(fù)后應(yīng)注意燃燒及汽溫的控制。②啟動調(diào)試的主要內(nèi)容：a風量測量裝置的標定。鍋爐燃燒風量是運行人員調(diào)整燃燒的的重要依據(jù)，其測量的準確性直接影響到鍋爐的經(jīng)濟安全運行。安裝在鍋爐風道上的風量測量裝置，往往由于安裝位置管道直段不能滿足設(shè)計要求、裝置加工誤差等原因使流量系數(shù)偏離設(shè)計值，為鍋爐運行的需要，我們對鍋爐主要的風量進行了測量。按等截面布置測量點，標準測速元件采用畢托管，壓差信號用電子微壓計讀取。由于風量測量裝置廠家的設(shè)計數(shù)據(jù)在試運期間多次修改，根據(jù)廠家最后提供的數(shù)據(jù)，DCS上顯示風量與實測值基本相符。b風量調(diào)節(jié)擋板檢查。風門擋板檢查在沖管結(jié)束后進行，通過實地檢查及在全關(guān)、全開狀態(tài)下風量測量及管道壓力判斷風門能否關(guān)嚴，并檢查判斷與指示開度位置、DCS顯示是否一致。要通過多次反復(fù)檢查，鍋爐風系統(tǒng)如有較多的風門擋板實際位置與DCS顯示不符的問題已解決，單多數(shù)調(diào)節(jié)擋板全關(guān)狀態(tài)下關(guān)閉不嚴，仍需進一步解決。c冷渣器布風板阻力試驗及風室間竄風情況檢查。冷渣器布風板阻力試驗由于冷卻風量小、波動大，數(shù)據(jù)可靠性差，由此計算出的風量值不可靠，因此無法整理出合理的風量與布風板阻力的關(guān)系曲線。冷渣器風室間竄風將會影響冷渣器內(nèi)物料的流化，特別是在爐膛排渣量較大時，選擇室的流化質(zhì)量更難保證，最后導(dǎo)致冷渣器堵塞，冷渣器風室間竄風檢查非常必要，熱工調(diào)試內(nèi)容包括：熱工信號及連鎖保護校驗、熱工信號邏輯及報警系統(tǒng)試驗、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)試驗、負責DCS端子排以外的熱控裝置的二次調(diào)整、鍋爐各種自動及保護的投運等。

4 循環(huán)流化床鍋爐在工業(yè)鍋爐方面的應(yīng)用

①使用循環(huán)流化床鍋爐需要具備比層燃爐更加嚴格的管理和使用條件。使用循環(huán)流化床鍋爐，需要具備完善的儀表及自動化控制系統(tǒng)，要求司爐工有較高的操作技術(shù)和責任心，要求熱負荷比較穩(wěn)定。因此，鍋爐使用單位要注重司爐工的選拔和培訓(xùn)，并配備所需的專業(yè)技術(shù)人員。②循環(huán)流化床鍋爐用電量較大。與層燃爐相比，循環(huán)流化床鍋爐具有較高的燃燒效率，但其鼓風、引風、碎煤等設(shè)備的用電量都比較大。所以，循環(huán)流化床鍋爐用電量較大。③工業(yè)鍋爐出口煙塵濃度較大，需要配備高效除塵器，有時甚至采取兩級除塵或靜電除塵，在環(huán)保要求嚴格的地區(qū)盡量不要使用。④循環(huán)流化床鍋爐可以燃燒低質(zhì)煤，比層燃爐具有更好的燃料適應(yīng)性能。循環(huán)流化床鍋爐比層燃爐的熱效率更高。⑤循環(huán)流化床鍋爐受熱面容易磨損，維修費較高。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種高效低污染的燃燒技術(shù)。工業(yè)鍋爐用戶在選用循環(huán)流化床鍋爐時需要對熱負荷和燃煤情況進行綜合分析，并對用電與用煤的總成本進行計算，以確定是否經(jīng)濟合理。

5 結(jié)束語

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過程，它有著污染物排放少，鍋爐負荷適應(yīng)性好、燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高以及環(huán)境污染少等優(yōu)點。企業(yè)采用流態(tài)化循環(huán)燃燒，通過提高其燃煤效率進而簡化其工作地流程，大大的提高的企業(yè)的工作效率。我國現(xiàn)在二氧化硫產(chǎn)生的酸雨已嚴重危害著環(huán)境，一般工業(yè)鍋爐配套的脫硫設(shè)備不但投資較大，而且脫硫效果也不盡人意。若采用循環(huán)流化床鍋爐，這一問題也能得到較好地解決。再者，由于溫室效應(yīng)、全球沙漠化、缺水等問題日趨嚴重，要求控制CO2排放量的呼聲越來越高。我國作為一個CO2排放大國，提高鍋爐運行效率，減少燃煤消耗勢在必行，循環(huán)流化床鍋爐因它結(jié)構(gòu)所決定的節(jié)能和環(huán)保上的優(yōu)勢，應(yīng)該得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

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