循環(huán)流化床鍋爐大型化的發(fā)展探究

羅金妮 高國(guó)慶 馬承渝

【摘要】本文闡述了循環(huán)流化床鍋爐的主要部件、工作原理以及大型化時(shí)遇到的問(wèn)題，論述了早期的一些公司在將其大型化過(guò)程中使用的方法，如加設(shè)外置式換熱器、改造爐膛形狀等等，本文主要著重說(shuō)明分離器在循環(huán)流化床鍋爐大型化過(guò)程中的重要作用和優(yōu)化方法。

【關(guān)鍵字】循環(huán)流化床鍋爐 大型化 系統(tǒng)優(yōu)化 分離器

0 引言

在早期的工業(yè)時(shí)代，工廠和電廠的運(yùn)行大都是依靠火動(dòng)力，所以燃燒效率就顯得格外重要，高效的燃燒就意味著高效的生產(chǎn)，因此循環(huán)流化床（CFB）鍋爐應(yīng)運(yùn)而生。隨著世界科技的飛速發(fā)展，人類意識(shí)到在提高燃燒效率的同時(shí)也要極力降低環(huán)境帶來(lái)的惡劣影響，所以許多國(guó)家開始著手CFB鍋爐的大型化的研究。

1 CFB鍋爐綜述

1.1 大型CFB鍋爐的發(fā)展前景

CFB鍋爐具有低排放、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，在燃燒劣質(zhì)煤方面有著良好的效率。從上世紀(jì)六十年代末以來(lái)，燃煤的鼓泡流化床鍋爐取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，而在七十年代以后，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的CFB鍋爐更是取得了令人驚嘆的成績(jī)，它不僅有著鼓泡流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)，又在燃燒效率方面有著很大的提高，不但脫硫效率的效果顯著，還解決了鍋爐難以大型化的問(wèn)題。同時(shí)CFB鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性在世界范圍內(nèi)得到了公認(rèn)。CFB鍋爐沒(méi)有煙氣脫硫設(shè)備，因此很好地節(jié)省了設(shè)計(jì)制造的成本。所以對(duì)于CFB鍋爐大型化的研究制造與發(fā)展將會(huì)是一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)它也會(huì)是一次對(duì)CFB鍋爐發(fā)展的重大創(chuàng)新。

1.2 CFB鍋爐的工作原理

CFB鍋爐主要由爐膛（燃燒室）、分離器和返料裝置組成。在鍋爐運(yùn)行時(shí)，燃煤被送往爐膛進(jìn)行燃燒，爐膛底部設(shè)有一次風(fēng)口，側(cè)面設(shè)有二次風(fēng)口，使燃煤在爐膛內(nèi)形成流動(dòng)狀態(tài)。在此過(guò)程中，粗顆粒在爐膛底部燃燒，細(xì)顆粒在爐膛上部燃燒，由于流動(dòng)性，會(huì)有一部分細(xì)顆粒隨著煙氣被吹出爐膛，進(jìn)入分離器，在慣性作用下分離固體顆粒和氣體，將細(xì)顆粒送到回料裝置，最后送回爐膛再次進(jìn)行燃燒。

目前在研究CFB鍋爐大型化的過(guò)程中，這三個(gè)核心部件的改進(jìn)與放大，是整個(gè)大型化研究的主要方向。

2 CFB鍋爐的大型化

2.1 技術(shù)發(fā)展

目前在研究大型CFB鍋爐中占主導(dǎo)的地位的是美國(guó)FW公司和法國(guó)Alstom公司。其中美國(guó)FW公司[1]的FW型CFB鍋爐將再循環(huán)熱交換器和屏式受熱面布置在爐膛上部，防止增大爐膛后受熱面面積不足的情況發(fā)生。Alstom公司[2]生產(chǎn)的Lurgi型CFB鍋爐采用了外置式換熱器，可解決爐內(nèi)受熱面布置不足的問(wèn)題。

我國(guó)的大型CFB鍋爐技術(shù)也得到了飛速的創(chuàng)新發(fā)展，其中旋風(fēng)分離器共享的大型CFB方案就是一個(gè)典型的例子[3]，這類方案的特點(diǎn)是兩個(gè)爐膛共享一個(gè)方形分離器，采用“爐膛一方形分離器一爐膛”的布置方式，并將返料器加以改進(jìn)，使其同時(shí)完成返料和換熱的步驟，很好地提高了鍋爐的可控性，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使鍋爐結(jié)構(gòu)更加緊湊，可靠性非常好。

2.2 CFB鍋爐大型化的問(wèn)題

CFB鍋爐有可靠性好、燃燒效率高和廠用電率低等優(yōu)點(diǎn)，這就要求在大型化過(guò)程中不僅要保留這些優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還要做到鍋爐的大型化，所以在這個(gè)過(guò)程中會(huì)遇到很多問(wèn)題，如加大爐膛尺寸以增加燃煤，但一次風(fēng)和二次風(fēng)卻無(wú)法將其充分吹起、爐膛的深度受剛性梁強(qiáng)度的限制、一次風(fēng)和二次風(fēng)風(fēng)口的位置如何布置、分離器尺寸的大小和位置的布置以及熱交換器內(nèi)受熱面的大小和布置方式的問(wèn)題等，這些都需要進(jìn)行深入的研究思考。

東北設(shè)計(jì)電力院工程師郭兆君[1]認(rèn)為，大型化過(guò)程主要面臨問(wèn)題有三個(gè)：一是爐內(nèi)受熱面面積不足，二是爐膛沖刷磨損嚴(yán)重，三是能否顯著提高燃燒效率。當(dāng)增大鍋爐的容量時(shí)，就意味著需要提高鍋爐底渣的處理能力，處理能力越強(qiáng)，大型化后鍋爐的效率也就越高。此外，如何提高爐膛的傳熱和脫硫效率也是需要值得注意的問(wèn)題。

3 分離器的優(yōu)化

目前，一些公司在CFB鍋爐大型化過(guò)程中提出眾多優(yōu)化措施如下表：

FW型CFB鍋爐和Alstom型CFB鍋爐都從受熱面布置方面著手解決大型化的問(wèn)題，而Pyroflow型CFB鍋爐則采用了高溫旋風(fēng)分離器，通過(guò)高溫灰循環(huán)運(yùn)行的方式提高燃燒效率，這種改進(jìn)分離器的方式是本文論述的重點(diǎn)。

3.1 分離器的布置

通常情況下，CFB鍋爐只有一個(gè)旋風(fēng)分離器，但當(dāng)將其大型化后，爐膛的容積增大，單個(gè)的分離器已經(jīng)無(wú)法達(dá)到所要求的分離效率，所以有的地方就采用多個(gè)分離器布置方式來(lái)提高效率，如Al-stom公司采用六分離器的左右墻對(duì)稱布置，而美國(guó)FW公司則在布置方式上采用緊湊式分離器來(lái)提高分離效率。

3.2優(yōu)化方案

大部分分離器的最大筒體直徑一般設(shè)計(jì)在7m～8m之間，超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，分離效率就會(huì)被降低，對(duì)此大都會(huì)采用上面說(shuō)到的多個(gè)分離器的布置方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

CFB鍋爐大型化后，在運(yùn)行過(guò)程中從爐膛吹進(jìn)分離器的顆粒溫度很高，所以在進(jìn)入分離器的人口管道處需要鋪設(shè)隔熱耐磨很好的材料，但運(yùn)行一段時(shí)間后，這些材料很快就會(huì)脫落，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行效率降低，也極大地增加了成本。為解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都采用了不同的方法：（1）美國(guó)FW公司將水冷壁布置在了分離器的筒體四周[9]，通過(guò)這種水冷的方式放棄了傳統(tǒng)的管道布置，然而這種方式的制造工藝十分復(fù)雜，成本較高；（2）我國(guó)通過(guò)將研究生產(chǎn)出的方形分離器布置在鍋爐上的方式，不僅降低了工藝制造的復(fù)雜程度，也提高了鍋爐和分離器的緊湊性。這種方形分離器將圓筒體改成了方筒體并且緊貼爐膛布置，與爐膛共用一個(gè)水冷壁，不僅保證了更好的氣密性，而且在布置水冷系統(tǒng)時(shí)變得更加方便。

除上述提到的優(yōu)化方案，目前世界各國(guó)改進(jìn)分離器的方式主要有兩種：一是改進(jìn)分離器人口處的幾何結(jié)構(gòu)和大小；二是改進(jìn)整個(gè)分離器的幾何結(jié)構(gòu)和布置的位置[10]，比如美國(guó)FW公司使用的緊湊式分離器、Lurgi型CFB鍋爐配置的熱分離器以及清華大學(xué)設(shè)計(jì)的“水冷異性分離器”都是基于這兩點(diǎn)進(jìn)行的改造。

3.3 優(yōu)化后可能出現(xiàn)的問(wèn)題

當(dāng)煙氣高速流進(jìn)高溫旋風(fēng)分離器時(shí)，由于在分離器人口處的截面積突然增大，導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生改變，對(duì)人口處下方的拐角處造成磨損，從水平煙道流出的高流速的煙氣，使得顆粒撞擊在正對(duì)分離器入口處的筒壁上，容易造成筒壁的撞擊磨損。

4 結(jié)語(yǔ)

在CFB鍋爐大型化的研究中我們可以看出，爐膛、分離器和外置式換熱器都是研究的重點(diǎn)，但分離器是整個(gè)研究中的核心部分，通過(guò)優(yōu)化分離器的幾何機(jī)構(gòu)和入口處的形狀大小，來(lái)獲得更好的分離器設(shè)計(jì)方案，這將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)有更多問(wèn)題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，所以針對(duì)CFB鍋爐大型化的研究需突破現(xiàn)存的技術(shù)難點(diǎn)且勢(shì)在必行。

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