高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)研究

梁紅偉

摘要：本文主要探究高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)措施，分析其影響，助力于提高循環(huán)流化床應(yīng)用效果。研究過程中，從低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數(shù)機(jī)理出發(fā)，分析高海拔區(qū)域下循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以此為研究基礎(chǔ)，結(jié)合查爾汗鹽湖項(xiàng)目提出循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)改造措施，以期為相關(guān)工作者提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：高海拔;循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì);影響

前言：

我國地貌復(fù)雜、地域遼闊，存在眾多高海拔地區(qū)，如青海、云南等地海拔超過2800m，隨著海拔升高，大氣壓自然會降低，對鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有一定影響。而受到煤質(zhì)多變的影響，循環(huán)流化床鍋爐對煤種適應(yīng)性較強(qiáng)，符合我國發(fā)展需求。因此，在高海拔地區(qū)，為發(fā)揮循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用效果，則應(yīng)當(dāng)考慮海拔對該機(jī)械設(shè)備的影響，做好設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而提高機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用效果。

一、低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數(shù)機(jī)理

1.換熱系數(shù)影響。爐內(nèi)煙氣在對流放熱中，可將其看作不可壓縮粘性流體穩(wěn)定受迫對流換熱，壓強(qiáng)穩(wěn)定變化不超過1MPa，則其對氣體動力粘度無較大影響[1]。而高海拔區(qū)域大氣壓力變化不超過0.1MPa，則可認(rèn)為大氣壓力與煙氣動力粘度無關(guān)，結(jié)合分子運(yùn)動論，氣體分子的原子溫度及個數(shù)，決定兩個氣體定壓比熱容，降低氣壓不會影響其對流換熱系數(shù)。

2.受熱污染系數(shù)。結(jié)合熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，煙氣體積流速與固體燃料基準(zhǔn)污染系數(shù)息息相關(guān)，且煙氣體積流速受到大氣壓力影響，低氣壓下將會增加煙氣流速，進(jìn)而增加爐內(nèi)煙氣動能，降低了污染系數(shù)。

3.輻射換熱系數(shù)。結(jié)合熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，降低氣壓后，煙氣黑度與管外壁會五層溫逐漸減小，減小了含灰氣流放熱系數(shù)。

二、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)

1.爐膛尺寸

煤粉鍋爐爐膛截面積是根據(jù)截面熱負(fù)荷而定，根據(jù)爐膛容積熱負(fù)荷與截面大小確定爐膛高度。而循環(huán)流化床鍋爐（CFB）則不同，其運(yùn)行中熱循環(huán)回路中熱循環(huán)物料較多，大幅度增加了爐膛內(nèi)的熱容量，且低溫燃燒下，使截面熱負(fù)荷與容積熱負(fù)荷重要性不高，所以設(shè)計(jì)過程中不采取上述方法。CFB鍋爐設(shè)計(jì)中，為保證其合理性，爐膛尺寸則應(yīng)當(dāng)根據(jù)爐膛物料流化狀態(tài)及煙速情況而定，該兩點(diǎn)均與爐膛流化速度相關(guān)，所以以流化速度明確其截面大小，根據(jù)爐膛內(nèi)燃料一次停留時間確定其高度。在獲得臨界流化速度中，可應(yīng)用以下公式：

式中， 為顆粒平均粒徑; 為氣體密度; 為氣體運(yùn)動粘度; 為顆粒密度[2]。由此可知， 隨壓強(qiáng)降低而減少，其余參數(shù)則不受壓強(qiáng)影響，所以在低壓力下，理論上將會增大鍋爐臨界流化速度。而在工程最低流化速度設(shè)計(jì)中，相較于臨界流化速度較高，所以為保證流化穩(wěn)定性，可在設(shè)計(jì)中將海拔影響忽略。

另外，還應(yīng)當(dāng)考慮終端速度，流速增加至一定值后，則顆?？芍苯颖粴饬鲙эw的速度。終端速度公式如下：

隨著海拔提高，降低了氣體攜帶固體顆粒能力，同等流化速度下，CFB鍋爐在高海拔地區(qū)外循環(huán)量低于低海拔區(qū)域。但總體而言，其循環(huán)物料量無過多變化，可借助輔助手段提高，所以可根據(jù)常規(guī)區(qū)域選取鍋爐流化速度及停留時間。但是，受到大氣壓力與煙氣比容為一次方正比影響，需適當(dāng)增加爐膛截面。

2.分離器

氣固兩相流進(jìn)入分離器流態(tài)屬于氣力輸送流態(tài)，通常情況下氣固比為3-7kg/Nm?，進(jìn)入旋風(fēng)分離器后捕捉了大多數(shù)固體顆粒，提高了其中物料濃度，此過程中，以質(zhì)量流量對分離器出力進(jìn)行衡量，則高低海拔兩者均無差異;將氣壓降低影響忽略，則實(shí)際氣固兩相流進(jìn)入分離器后，相較于預(yù)期其流速有所增加，固體顆粒高速移動將會加強(qiáng)分離器磨損。所以，在計(jì)算分離器出力時，將會根據(jù)體積流量，適當(dāng)將其尺寸增加，保證直徑與大氣壓力為0.5次方正比。

3.爐膛受熱傳熱

在CFB鍋爐中，由于其傳熱較為復(fù)雜，爐內(nèi)高溫循環(huán)物料較多，大幅度增加了對流傳熱比，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)其比例約為35%，水冷壁灰幕邊壁層與流化床鍋爐水冷壁傳熱相關(guān)，且其厚度不會受到壓力影響，所以海拔不會影響對流傳熱[3]。

4.尾部受熱傳熱

尾部受熱與煤粉爐基本等同，結(jié)合其經(jīng)驗(yàn)，低氣壓對受熱影響主要在于對流換熱有所降低，可通過增加受熱面解決，且煙氣體積增大，增加了煙速，進(jìn)而增加煙氣灰粒子動能，嚴(yán)重磨損尾部受熱面，設(shè)計(jì)中需將尾部煙氣流通截面適當(dāng)增加，保證尾部受熱面的完整性。

5.著火與燃盡特性

當(dāng)降低氣壓后，易析出煤粒熱解，減慢化學(xué)反應(yīng)速度。在氧濃度為12-25%時，在氧分壓降低下，增加了著火延遲時間，且隨溫度增加減弱，爐內(nèi)溫度超過850℃不再明顯。而CFB鍋爐燃盡特點(diǎn)，在氣壓下并無顯著變化，主要是CFB鍋爐燃燒溫度通常為900℃左右，不會影響燃料燃盡;應(yīng)用循環(huán)流化床燃燒方式，熱循環(huán)回路中燃料停留時間充足;熱容較高有效改善著火燃盡條件。

結(jié)合上述分析，海拔盡管對鍋爐燃盡與點(diǎn)火有一定影響，但影響不大，所以在選擇過量空氣系數(shù)與燃燒溫度時，無需考慮海拔影響。

三、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐改造措施

項(xiàng)目處于查爾汗鹽湖，海拔高達(dá)2680m，大氣壓強(qiáng)平均73560Pa，干燥少雨，氣壓低，蒸發(fā)量大、紫外線輻射強(qiáng)，為惡劣高原氣候。應(yīng)用480t/hCFB鍋爐試運(yùn)行，其在高負(fù)荷工況下，易產(chǎn)生給煤口結(jié)焦問題。經(jīng)過分析后，發(fā)現(xiàn)其主要受到流化風(fēng)速影響，低氣壓下增強(qiáng)了燃煤揮發(fā)，增加燃燒放熱量。

為此，將床上燃燒風(fēng)與播煤風(fēng)改為二次熱風(fēng)引用，爐底流化風(fēng)量增加40000m?/h，爐底一次風(fēng)總風(fēng)量達(dá)到240000m?/h。而流化風(fēng)速則為4.31m/s，可滿足正常運(yùn)行需求。并且，在DCS上顯示流化風(fēng)速，便于人員參考[4]。

改造風(fēng)道后增加了爐底一次風(fēng)量，增大布風(fēng)板運(yùn)行阻力。經(jīng)改造后爐底一次風(fēng)最大風(fēng)量為240000m?/h，可滿足鍋爐正常運(yùn)行需求。

效果：改造風(fēng)道后，鍋爐順利試運(yùn)，在床料添加、清理焦塊及燃煤摻燒天然氣應(yīng)用方面，節(jié)省眾多人力物力與燃料，為項(xiàng)目生產(chǎn)提供了保障，緩解供熱中心壓力。

總結(jié)：綜上所述，在高海拔地區(qū)，受到大氣環(huán)境變化影響，會導(dǎo)致爐內(nèi)熱量分配及受熱面換熱發(fā)生變化，進(jìn)而對于鍋爐正常運(yùn)行造成影響。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，從爐膛尺寸、分離器、爐膛受熱傳熱、尾部受熱傳熱、著火與燃盡特性這幾方面出發(fā)，加強(qiáng)改進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐，提高其運(yùn)行可靠性，適應(yīng)電力部門的發(fā)展，從而滿足我國電力市場需求，為民眾提供充足電力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭東，陳曉平，馬吉亮，劉道銀，梁財(cái).75t/h加壓/常壓富氧燃燒循環(huán)流化床鍋爐方案設(shè)計(jì)及分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，40（13）：4226-4236.

[2]曹勇，周托，那永潔.循環(huán)流化床鍋爐爐膛低氧燃燒加尾部補(bǔ)燃降低NO_x排放的試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù)，2019，50（02）：35-42.

[3]張縵，蔡潤夏，姜孝國，呂俊復(fù)，高新宇，楊海瑞.660MW高效超超臨界雙爐膛循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].動力工程學(xué)報(bào)，2018，38（05）：341-346.

[4]張建春，顧君蘋，張縵，劉青，楊海瑞，呂俊復(fù).純?nèi)忌镔|(zhì)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].鍋爐技術(shù)，2018，49（01）：28-32+64.