论文-关于循环流化床锅炉的给煤问题

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关于循环流化床锅炉的给煤问题１１１１２２２２吕俊复岳光溪张建胜刘青于龙杨仲明姜义道张彦军（1清华大学热能工程系驶，100084，2哈尔滨锅炉有限责任公司，150046）摘要：分析了循环流化床锅炉中燃烧过程及给煤地混合过程，探讨了系统简化性能可靠的前墙给煤的可行性，研究了这一变化对燃烧效率的影响。认为前墙给煤可靠性提高，便于操作，对燃烧效率的影响较小。关键词：循环流化床给煤系统改进能源与环境是目前我国的两个的重大问题，而能源生产过程是环境污染的主要来源之一。我国是世界上最大的煤生产与消耗国，主要用作燃料，在我国一次能源构成中占据着绝对主要的地位；在可以预见的未来，煤炭仍将占到主导地位。煤在燃烧过程中将产生大量的灰渣、SO2、NOx等污染物，严重污染生态环境。因此煤的高效率低污染燃烧技术对于社会的可持续发展具有重要的意义。循环流化床燃烧技术是最近二十多年来发展起来的清洁煤燃烧技术，也是是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术，发展迅速。特别是燃用高灰份低挥发份或高硫份等其他燃烧设备难以适应的劣质燃料方面以及低负荷要求较高的调峰电厂和负荷波动较大的自备电站中，循环流化床锅炉是最佳选择，是当前公认的燃煤技术的重大创新，受到世界各国普遍重视。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，发展高效、清洁的循环流化床锅炉，具有长远的战略意义。大型化是当前循环流化床锅炉的主要发展方向，迄今，FosterWheeler、EVT、AEE、法国的Alsthom、ABB-CE等公司都能提供商品化的全套大型(功率100MW以上)循环流化床锅炉发电设备。法国Provence于1995年建成投运了700t/h(电功率250MW)循环流化床锅炉；世界上最大的300MWe循环流化床锅炉也已在佛罗里达的JEA投入试运行；波兰的Turow建成了3台225MWe和3台266MWe循环流化床锅炉，成为世界上总装机容量最大的循环流化床电厂。甚至460MWe超临界蒸汽参数的循环流化床锅炉已经开始制造。我国于八十年代中期开始投入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发，进步很快。目前，国产蒸发量220t/h及以下容量的循环流化床锅炉已实现了商品化。同时，锅炉厂引进技术，主要用于再热超高压循环流化床锅炉，已经有数十余台订货，440t/h超高压一次再热循环流化床锅炉已经投入商业运行。拥有自主知识产权的国产技术200MWe循环流化床锅炉示范工程已正在积极策划之中，引进设备和技术的300MWe循环流化床锅炉的工作已经开展。我国的循环流化床燃烧技术的来自于自主开发、国外引进、引进技术的消化吸收三个主要来源。上世纪八十年代以来，我国循环流化床锅炉数量和单台容量逐年增加。据不完全统计，现有近千台35~460t/hCFB蒸汽锅炉和热水锅炉在运行、安装、制造或订货；平均单机容量从37.41t/h上升至178.86t/h，见图1；参数从中[1]压、次高压、高压发展到超高压，单台容量已经发展到670t/h，见图2。1

1-1200700订货台数平均容量-1600670t/h正在进行中D/t.h150500D/t.h容量400100平均300台容量单20050台数、最大100订货00198719901993199619992002198719901993199619992002年份年份图1中国CFB锅炉订货和平均容量的变化图2中国CFB锅炉单台容量的发展循环流化床燃烧技术已被运行实践证明是可靠的洁净煤燃烧技术。它具有燃料的灵活性、低的污染物排放等优点。劣质燃料可以广泛的应用于循环流化床锅炉。低温分级燃烧使未处理的烟气直接排放NOX已经可以满足严格的环保要求。炉内添加石灰石燃烧过程中脱硫，有效地降低SOX排放，低成本满足SOX排放要求。灰渣具有良好的活性，作为水泥以及特种水泥的添加剂，具有良好的社会效益、环保效益和经济效益。但是目前大型循环流化床锅炉(100MWe以上)的运行经验并不多，本体的设计制造已经基本可以满足电力生产的需要，尚存在一些问题影响了循环流化床锅炉机组的整体可靠性和经济性。1循环流化床锅炉中煤的燃烧过程一定宽度筛分的煤进入流化床中燃烧，是一个复杂的过程，除了受燃料本身特性如挥发份含量、反应活性、颗粒粒度分布影响外，还受到流化状态、氧气扩散条件、温度等众多因素的影响。最新的研究表明，循环流化床中的单颗粒与鼓泡流化床的单颗粒燃烧的确是没有太大的差异。但对于整体而言，燃料颗粒并非独立燃烧，而是与床料形成群体，这种气/固两相流的燃烧与气/固两相流流动具有明显的关系。分析燃料的燃烧过程，煤粒子进入燃烧室中，经历了一个连续过程；加热和烘干(准备过程)；挥发份析出和挥发份燃烧；膨胀和一次破裂(某些类型的煤)；焦炭燃烧、二次破裂和磨耗。在流化床中进入的新煤被加热得很快，煤中挥发份首先析出。第一次稳定析出过程在500~600℃，第二次稳定析出过程在800~1000℃，虽然工业分析提供了挥发份的估计值，但实际上挥发份的产生及其组成受到诸多因素的影响，比如加热速度、初始和终了温度、加热时间、燃料形状及尺寸、煤种、环境压力等。挥发份的燃烧与析出几乎是同步的，挥发份在氧和未燃挥发份边界处的扩散火焰中燃烧。这种燃烧与扩散火焰的位置及氧向火焰的扩散率和挥发份的释放有关。更深入的研究表明，挥发份的释放主要是在密相区，而挥发份的燃烧仅在密相区进行一部分，对于挥发份含量较高的燃料，挥发份的燃烧是在整个燃烧室甚至分离器中完成的。焦炭的燃烧通常始于挥发份析出之后，二者又[2]是重叠的。一般的，焦炭的燃烧方式取决于燃烧反应速率和氧气扩散速率，二者综合作用决定了整个燃烧[3]反应。根据燃烧反应速率和氧气扩散速率作用程度不同，简单地分为动力控制、动力—扩散控制、2

2扩散控制三种情况。动力控制主要是指较大颗粒的焦炭，燃烧温度较低、气体边界层较薄的情况。此时氧气不但容易达到焦炭表面，甚至到达焦炭内部孔隙，化学反应速度远小于扩散速度。这种燃烧工况发生在900℃左右的无孔隙粗粒子表面和有孔隙的细粒子中。动力—扩散控制是指中等焦炭的颗粒，自由沉降速度比大颗粒小，化学反应度与孔隙扩散速度大致相同。许多研究者认为，流化床中的焦炭颗粒的燃烧主要在这一控制区域，甚至包括细颗粒的燃烧也是如此。细粒径的颗粒的燃烧在循环流化床温度条件下接近动力控制，但由于循环流化床内细颗粒容易形成颗粒团，其自由沉降速度已经不能用单颗粒来计算，氧气向焦炭颗粒的扩散不佳，处于动力—扩散控制。对较细的颗粒，温度较高时，化学反应速率较高，通过相对慢的传质过程而到达颗粒表面的有限的氧，在进入孔隙之前就已被消耗掉。这种类型的燃烧为扩散控制的燃烧。在燃烧过程中，颗粒的破裂和磨耗使大的煤粒减小，这在循环流化床锅炉中对燃烧过程有较大的影响。中等程度结焦的煤，孔隙破裂是在挥发份析出过程中发生，在挥发份析出前，颗粒表面为最小。当气体由煤粒释放后，它开始破裂，这种现象叫做一次破裂，煤粒破裂成比原来小的几块。炭燃烧时，焦炭细孔表面增大，炭里面联结内部结构的桥变得稀薄，在炭粒子上的桥也变得稀薄，经气动力的作用，它形成松散裂纹，这一过程叫二次破裂。二次破裂产生于挥发份析出以后的燃烧过程。如果煤在工况I的状态下燃烧，即整个炭均匀燃烧，所有内部的化学键急剧瓦解断裂，导致[4]二次破裂，称为渗透破裂。煤的碎裂燃烧过程对给煤的位置和方式有关。为了尽快使煤颗粒进入炉膛后被加热燃烧，返料阀中回灰管给煤是有道理的，因此得到普遍采用。2给煤系统的问题从锅炉运行来看，煤斗的事故率很高，煤斗的堵塞时有发生，分析其原因，大多数厂家都是参照链条炉设计长方形的煤斗，而没有考虑到流化床本身燃料颗粒的具体情况。按电力部门目前的设计要求，成品煤仓的容积应能满足锅炉满出力时8h以上的贮煤量的需求。成品煤堆积在锥形煤仓内受到煤的挤压，使煤粒之间、煤粒与煤仓壁之间产生摩擦力，越接近下煤口，其摩擦力及挤压力也越大。其中，煤粒间的摩擦力呈双曲线形增大。所以在靠近下煤口(约1m)处的煤易搭桥。另外水份越大，煤粒间的粘着力也越大。但当水分超过某一极限值时，粘着力又会减少。煤粒间的粘着力以单个颗粒间的粘附力为基础。颗粒越小，单位质量煤粒的表面积增大，煤粒间的粘附力增加，使煤的流动性恶化。为减小成品煤与仓壁间的摩擦力，可以采用一些措施，如，设计时成品煤仓四壁与水平面的倾斜角>70°；为减少煤粒与仓壁之间的摩擦力，在仓壁内衬不锈钢板或者高分子塑料板－聚氯乙稀(PVC)板；原煤仓的容积适当减小，如德国大型火电厂在燃用高水份褐煤时，存煤量按2~4h设计，这样为煤斗结构的合理设计创造了有利条件，同时煤在仓内停留的时间缩短后，煤层受上煤层的重压时间缩短，在下煤口处可以减轻起拱搭桥等堵煤现象；下煤口越小，越容易堵煤，德国要求下煤口宽度在煤用烟煤大于等于1000mm，燃用褐煤时大于等于1200mm，下煤口长度则小于等于1200mm，煤仓与给煤机相联接部分的金属斗加工成双曲线形。实际上，煤仓下煤口的尺寸比较小，加上成品煤又碎又湿，在下煤口处发生搭桥、不下煤是经常发生的故障。严重的影响到循环流化床锅炉的正常运转。这种入炉煤落入炉内密相区的给煤机布3

3置方式，往往还带来落煤在入炉口处被高温高压的热烟气堵住的问题，落煤很快将下煤管堵死。而成品煤潮湿时，在下落过程中被高温烟气加热后蒸发的水蒸气往往上升云集在下料口，该处的潮气特别大，很容易使湿煤粘结不下煤。近年来，密封皮带给煤机得到大量应用。密1号煤仓封皮带给煤机同时可以单个给煤口给煤量的计1号输送刮板量。应用密封皮带给煤机主要应注意给煤口不宜1号计量皮带炉膛正压，否则高温烟气反窜可能烧毁皮带。从运行料后炉腿墙前情况看，密封皮带给煤机比埋刮板给煤机的可靠性好。2号计量皮带煤仓间通常布置在锅炉前部，普遍采用的后2号输送刮板墙回料阀给煤一般要采用三级给煤。第一级给煤Z3Z2Z1Z02号煤仓机采用称重式密封皮带；第二级给煤机采用埋刮板式，将煤纵向输送到Z2-Z3柱；第三级采用埋图3回料阀后墙给煤系统刮式，将煤横向输送到反料阀上部，通过锁气器之类1号煤仓的装置依靠重力下落到返料管。这一系统中，由于给炉膛1号计量皮带煤进入回料管处是正压，因此给煤系统均处于正压，前炉应通有一定压力的风，以维持压力稳定。见图3。其墙前特点是：全部采用埋刮板给煤机，系统简单，造价低，4号计量皮带2号煤仓但存在可靠性和调节灵活性差等问题。尤其是发生下煤管堵煤时，正压使得人工疏通非常困难。另外，由Z2Z1Z0于给煤经过的环节比较多，特别是刮板输送机的机械设备维护量较大，影响了机组的可靠性。图4前墙给煤系统提高给煤的可靠性，应该合理降低给煤系统的复杂性。如果采用前墙给煤，可以大大简化，采用一级给煤即可，如图4。由前面的分析可知，给煤的位置及方式影响了煤颗粒的混合过程，进而影响燃烧过程，因此人们关心给煤位置对燃烧效率的影响。大量的研究发现，这一影响的确是存在的。3给煤位置对混和的影响循环流化床锅炉中的给煤、回灰、给石灰石、二次风等均为单相物质在气固两相流中扩散过程。混和不充分将导致反应物的分布不均和局部反应条件的不同。随着容量的增加，床面积增大，每个给料(风)点流量增加，这种情况更加突出。其本质是如何使燃料、回灰、石灰石以及二次风及时扩散到相应的床面积上去，以保持可燃物浓度均匀分布的问题。在循环流化床中，颗粒会聚集成颗粒团，颗粒团在床内上下运动，形成固体颗粒在轴向的返混；固体颗粒还会在床内径向运动，形成固体颗粒的径向混和。在循环流化床的密相区，其流态类似于鼓泡床，特别是在宽筛分的循环流化床的密相区，床内气泡的运动会造成固体颗粒在轴向和径向的混和。由于循环流化床中颗粒的混和是一个非常复杂的现象，特别是有关密相区固体混和，已经引4

4起人们的关注。研究颗粒的混合行为，一般采用颗粒示踪、速度分布测定和模型计算等方法。最为常用的是示踪粒子方法。示踪技术主要有化学性质区分、放射性粒子、磁性粒子、升华及热粒子五种方法。总体来讲，这些方法各有优缺点。颗粒在循环流化床内的轴向混和，主要是由于颗粒聚集沿床层轴向滑落，以及在边壁区颗粒向下流动所造成的。图5是部分颗粒轴向扩散系数[5,6]的结果，可见颗粒轴向扩散系数受颗粒循环速率的影响较小。最近的研究发现随粒径的增加，峰值降低，且尾部变长。在入口区域，颗粒的混数据来源[7]2/sVanZonnen合与颗粒性质无关。,mArenaa颗粒的径向混和主要是由于气固流动径向的DPatience不均匀性及中心相对稀薄区与边壁密区之间的粒子交换所造成的。VanZoonen认为稀相区内颗粒的径向扩散系数与气体扩散系数具有同一数量级u0,m/s[8]2，认为颗粒径向扩散系数为Dsr=30±10cm/s。在图5稀相区内颗粒轴向扩散系数随风速的变化(图中数字表示循环流率Gs,kg/m2.s)床存量一定的情况下，杨海瑞等人测得横向扩散2系数Dsr为20m/s，发现流化风速对横向扩散系数影响不大，而增加床料量将导致横向扩散系数的[9]增大。[10]对密相区内颗粒的扩散发现，密相区的混合在强度上远远大于上部区域。不同流化风速下的横向扩散系数的实验研究结果见图6。从图中可以看出，扩散系数Dsr随着流化风速的增加而增大，[11]且曲线斜率基本上相同。流化风速不变时，Dsr随静止床高增加而增大，见图7。Ug=2m/sUg=3m/s100Ug=3.6m/s2/s)100/s)802(cm80(cmsrDsr60DH=25cm60H=22.5cmH=17.5cm40401618202224261.52.02.53.03.54.04.5H(cm)Ug(m/s)图6流化速度密相区颗粒横向扩散系数的影响图7静止床高对密相区颗粒横向扩散系数的影响这些研究从实验的角度表明，密相区的固体混和强度比较高，尤其是在实际锅炉上流化风速在5m/s，混和强度更高。因此只要有足够的给煤点，前墙给煤是完全可以满足燃烧需要的。当然，应该充分考虑燃烧效率问题。而事实上，给煤方式仅仅是影响燃烧效率的因素之一，目前尚不能确定这一影响因素的确切影响程度。通常认为比较小。5

54循环流化床燃烧效率问题在循环流化床锅炉中，由于物料在离开炉膛出口后经气固分离装置和回送机构不断送回床层，为炭颗粒的燃烧提供良好的燃烧条件。但在国内，许多燃烧硬煤以及废弃物等的循环流化床CFB锅炉的实际飞灰含碳量很高，大大超过预测和设计值，导致锅炉燃烧效率降低。表1和表2分别列出了国内数台循环流化床锅炉所用燃料的性质、运行参数及飞灰中的碳含量情况。表1220t/h循环流化床锅炉飞灰含碳量及其运行条件编号炉膛温度()℃炉膛出口过量空气系数飞灰含碳量(%)流化风速(m/s)燃烧室高度(m)A880~9051.2117.175.1929.4B880~9051.2313.745.2329.4C860~8901.238.915.0529.7D880~9101.227.054.7528.8E892~9151.218.724.2229.5F900~9151.2622.204.7529.5G885~9001.318.383.9430.2H900~9101.246.793.9428.5I890~9001.256.914.2128.5J890~9201.288.724.2529.5K875~8851.326.304.8529.5L880~9001.265.614.8528.6M890~9151.265.304.9329.4N880~9001.2618.015.1229.4O875~8951.265.015.0829.4P900~9301.2527.124.8929.2Q860~8901.2616.315.0730.2表2锅炉燃用煤种的工业分析和元素分析编号CarHarOarNarSarAarMarVdafQar,net,pMJ/kgA61.503.067.390.670.6614.3012.4221.4922.76B54.752.736.580.600.8216.3218.2020.5520.52C52.913.337.200.810.849.0025.9122.5119.83D53.252.825.741.040.6530.595.9228.8820.80E49.452.826.301.000.5532.387.5030.5219.87F55.112.905.611.110.6126.278.4211.2521.00G52.752.746.070.990.7328.028.7027.7920.10H43.683.645.802.240.5132.9111.2435.5418.00I44.292.826.301.000.5537.857.1946.6517.10J49.452.826.301.000.5532.387.5030.5218.84K47.822.914.540.950.5635.257.9729.9318.82L44.153.857.451.011.1334.597.8240.5818.00M31.283.498.180.440.1048.038.4845.5813.13N58.492.974.460.660.5825.237.6113.0021.56O38.483.577.790.550.2143.825.5849.5915.90P61.711.331.810.440.7228.825.175.9821.39Q60.372.907.320.660.7511.3416.6619.2822.706

6单颗粒等径缩核模型计算发现，焦炭粒子的燃尽时间随粒径变化曲线呈峰值特征，40~50mm的[12][13]颗粒相对难燃尽。燃料本身燃烧反应活性对飞灰含碳量有重要影响。不同煤种对应的飞灰含[14][15,16]碳量分布有差异。较高的床层温度及较高的炉膛高度无疑有助于降低飞灰含碳量。大量的实验室研究和现场测试工作表明，影响循环流化床燃烧过程中碳损失的主要因素有几个方面。其中最主要的地是原煤的性质，因为设备本身决定了颗粒的停留时间；燃料本身的反应活性决定了本征反应速率，目前部分投运的135MWeCFB电站在燃烧贫煤时飞灰可燃物含量较高也表明了这一点。[17]而燃烧过程中碳的晶格会发生石墨化的排列重组，研究证明了焦碳在流化床燃烧温度条件下也存[18]在着反应性下降的现象，图8描述了热处理过程中焦炭反应性降低与温度的关系。在循环流化床燃烧(900℃)条件下，使焦炭明显失活的时间为10～30分钟。对炉膛中的较细的煤颗粒来讲，由于停留时间不够，不会明显失活，所以非活性组分来源于在炉膛中停留时间较长的大焦炭颗粒。并且由于大颗粒的温度比炉膛温度还要高50～200℃，这就使反应性下降程度更大。对循环流化床锅炉飞灰未燃碳的XRD测量证明晶格化程度的加强与活性降低的事实。因此，对这部分飞灰碳即使再增加其在循环流化床内停留时间，燃尽仍有难度。因此一次燃尽度决定了机械未完全燃烧损失。这也是大量的改善分离器效率努力在减少飞灰可燃物含量方面效果实际上比较有限的原因。另一个重要的因素是气固混和。对锅炉截面进行的氧浓度测量显示，炉膛二次风上部有一个如[19]图9所示的贫氧核心区，显然这是由于二次风的穿透扩散效果不佳而使氧气不能到达炉膛中部的结果，这对于核心区细颗粒的燃烧产生了负面影响。贫氧区二次风二次风图8不同温度下焦炭失活图9循环流化床锅炉中的贫氧核心区[20,21]事实上，焦炭颗粒的碎裂特性对循环流化床锅炉的飞灰可燃质含量的影响很大。而煤颗粒的爆裂特性在很大程度上取决于煤的成分、颗粒大小、颗粒形状和温度。颗粒磨耗所产生的细小颗粒的形态和活性对飞灰残碳的生成有重要影响。7

75结论通过对循环流化床锅炉煤燃烧过程的分析，建议炉后回料阀给煤改为炉前给煤，以简化系统，提高给煤的可靠性。只要保持合适的给煤点数量，对燃烧效率没有很大影响。对燃烧效率影响最大的除了原煤的性质之外主要是二次风的混合。参考文献：[1]吕俊复,冯俊凯,岳光溪.循环流化床燃烧技术的发展及其若干研究问题。2002年中国西安锅炉技术研讨会论文集,2002:70~81[2]WeibV.,J.Schplei,F.N.Fett,MathematicalModelingofCoalCombustioninaCirculatingFluidizedBedReactor,inCirculatingFluidizedBedTechnologyⅡ,P.BasuandJ.F.Large,Eds.,PergamonPress,Oxford,1988:289-298,[3]MoriS.,NarukamaK.,YamadaI.,TakebayashiT.,etal.,DynamicModelofaCirculatingFluidizedBedCoalFiredBoiler,inPr℃eedingsofthe11thInt.Conf.onFluidizedBedCombustion,ASME,Fairfield,NJ,.1991:1261~1269,[4]李玮琪,吕俊复,凌晓聪,等.循环流化床中飞灰碳形成的模型研究.中国电机工程学会第七届青年学术会议论文集,西安,2002:38~41[5]UArena,ACammarata,LPistane.Highvel℃ityfluidizationbehaviorofsolidsinaLaboratoryscalecirculatingbed[A].In:PBasu,eds.Pr℃.1stInt.Conf.CFB[C],Oxford,PergamonPress,1986:119~126[6]GSPatience,JChaouki,GKennedy.SolidsresidencetimedistributioninCFBreactors[A].In:PBasued.Pr℃.3rdInt.Conf.CFB[C],NewYork,PergamonPress,1991:599~604[7]AdamsCK.Gasmixinginfastfluidizedbeds[A].In:BasuP,LargeJFeds.Pr℃.of2ndInt.Conf.OnCFB[C],Oxford,PergamonPress,1988:977~982[8]MJRhodes,SZhou,THirama,etal.Effectsofoperatingconditionsonlongitudinalsolidsmixinginacirculatingfluidizedbedriser[J].AICheJournal,1991,37(10):1450~1458[9]YangHairui,LUJunfu,Liuqing,etal.LateralsolidsmixinginthedensebedofCFBboiler.ChineseJournalofChem.Eng.2002,10(4):490~493[10]项黔.煤粒及泥煤在工业沸腾炉内横向扩散的研究[J].浙江大学学报,1987,21(6):64~71[11]杨海瑞,吕俊复,刘青,等.循环流化床锅炉密相区内颗粒的横向扩散研究[J].热能动力工程.2001,16(4):339~342[12]郑恰余,刘信刚,金燕.循环流化床锅炉燃烧事内焦炭粒子燃烧特性的研究[J].工程热物理学报,1995,16(1):106~110[13]于广辉,路霁鸰,岳光溪.循环流化床锅炉飞灰残炭生成机理研究[J].煤炭转化.2000,23(3):19~25.[14]LiYong,YueGuangxi,LuJunfu,etal.Aninvestigationofcarbonlossofboilersburninghardcoals[C].In:DonaldWG,DonaldLBeds.Pr℃.16thInt.Conf.FBC[C].ASME,2001,Nevada[CD][15]DallasWThorpe,IqbalAbdulally.AnupdateofoperatingexperiencesburningpetroleumcokeinautilityscaleCFBtheNISCOcogenerationproject[A].In:PretoFDSed.Pr℃.14thInt.Conf.FBC[C].Vancouver,ASME,1997:57~708

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