论文-DG4509.81-1 型循环流化床锅炉布风板漏渣分析

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DG450/9.81-1型循环流化床锅炉布风板漏渣分析12221阎维平，边疆，安国银，彭波，殷立保（1华北电力大学，2河北省电力试验研究所）摘要：本文针对保定热电厂DG450/9.81-1型循环流化床锅炉运行中炉膛布风板严重漏渣的问题，根据布风板设计和稳定运行的基本原理以及锅炉结构和实际运行数据，对炉膛布风板的漏渣原因进行了理论分析和计算，讨论了可能存在的炉膛布风板设计和运行上的原因。关键词：CFB锅炉布风板漏渣分析1前言流化床布风板风帽漏渣是循环流化床锅炉运行的一个常见运行问题，通常情况下，少量漏渣不可避免，对锅炉的正常运行影响不大，但如果出现大量漏渣，需要频繁停机进行风室清渣，则会严重影响锅炉机组的安全与经济运行。保定热电厂DG450/9.81-1型循环流化床锅炉布风板存在严重的漏渣现象，发生在停用床下油枪进入投煤热态运行后，在较短的时间内就在水冷风室中积存大量的炉渣，漏渣的颗粒粒径与组成的分布与排入冷渣器的底渣完全相同，而且，根据观察，漏渣的位置并不完全固定；在锅炉冷态实验与点火投油枪阶段均没有明显漏料。但是，该炉的四台冷渣器采用同样的风帽结构和接近的开孔率，却完全不发生漏渣。由于该炉漏渣严重，必须频繁停炉进行清除，是困扰该机组稳定运行的最主要的原因之一，虽经过几次改造，均未得到改善。2锅炉设备结构与主要设计参数保定热电厂技术改造扩建工程采用东方锅炉有限公司引进美国福斯特惠勒公司大型循环流化床锅炉的技术设计和制造的两台450t/h级燃煤循环流化图1450t/h锅炉整体结构和布置276

1床锅炉，配置100MW级双抽供热机组，目前尚属于国内容量最大。2000年开始建设，首台机组2002年8月点火试运行，锅炉为单锅筒，自然循环，半露天布置，膜式水冷壁炉膛，两台汽冷旋风分离器，尾部竖井包墙由汽冷包墙管包敷，炉膛与尾部竖井之间布置两台汽冷分离器，每台分离器下部对应布置一台“J”阀回料器。在尾部竖井从上到下依次布置高温过热器、低温过热器、螺旋肋片管省煤器和卧式管式空气预热器。过热器系统设有两级喷水减温器。锅炉的整体结构如图1所示，锅炉的主要设计性能参数见表1。表1锅炉设计参数汇总项目单位数值最大连续蒸发量t/h450过热器出口蒸汽压力Mpa9.81过热蒸汽温度℃540给水温度℃223床温℃896排烟温度℃130热风温度℃188锅炉效率%91.2燃料消耗量kg/h60234钙硫比2.3脱硫效率%>903NOX排放浓度mg/m<200锅炉按燃用贫煤设计，表2为设计和校核煤种。表2燃料特性CarHarOarNarSarAarMarVdafQnet。ar设计煤种52.712.914.730.911.4631.75.5817.1220.49校核煤种55.543.444.010.451.6628.526.3819.4621.96炉膛为矩形，宽14.32m，深6.71m，采用全膜式水冷壁结构，炉膛壁面管管径为51mm，间距均为76.2mm。炉膛内净高度35m，下部锥段为密相区净高度为7.447m，前后墙水冷壁与水平面相交角度为83°，上部直段为过渡区和稀相区，下部的流化风速设计为3.7m/s，上部为5.1m/s。炉膛底部由水冷壁弯制围成水冷风室，水冷风室上部水冷壁管间布置定向风帽（也图2定向风帽与水冷布风板277

2称为7字型风帽），通过螺栓固定在布风板上，并按一定的方向进行排列，如图2所示。布风板由φ82.55mm的大口径内螺纹厚壁管水冷壁加扁钢焊接而成，水冷风室设有较薄的耐火、绝热材料层。2炉膛布风板面积约70m，风帽数量为39ⅹ93，定向风帽出口内径25.4mm；厂家提供的设计风帽阻力500mmH2O，计算的布风板开孔率=2.67%。2冷渣器单个风室的布风板面积为2.09m，风帽结构与炉膛布风板相同，布风板开孔率=2.7%。33额定负荷下，设计书提供的预热器出口一次风量258100Nm/h，二次风量122400Nm/h。根据3本文计算，设计煤种的理论空气量为5.35Nm/h，按过量空气系数1.2，100%负荷下一次风量占总3风量的50%计算的一次风风量为193500Nm/h，同等条件下，60%负荷下计算的一次风风量为3116000Nm/h。锅炉冷态实验时的风温为52℃，投入床下点火油枪时，风温为800℃左右，停用床下点火油枪热态运行时热风温度为188℃。本文根据流化床布风板稳定性工作的基本原理，对炉膛布风板在不同的工况下漏渣与不漏渣，同样布风板结构的冷渣器不漏渣的原因，进行了理论分析和计算，对进一步采取设计和运行的改进措施具有一定的参考价值。3流化床布风板临界压降的概念布风板的特性与流态化的质量密切相关，布风装置的设计是否合理是流化操作成败的关键因素之一。这主要表现在布风装置对流化床工作的稳定性、气固接触性能及气泡行为有着重要的影响。流化床锅炉的布风装置应满足以下性能要求：（1）必须具有均匀分布来流气流的作用；（2）应有助于产生均匀而平稳的流态化；（3）能尽量减轻埋管被磨损及冲蚀的危险；阻力损失比较合理。如图3所示，对低阻力的布风板，在某一操作气速下，可能出现三个不同的工作点，导致床层中某些部位的气体以u2通过，即气流通过气泡相发生短路（沟流），而有些部位的气体以u1通过（死图3布风板压降对流化稳定性的影响（a）低阻布风板；（b）高阻布风板1—布风板阻力；2—床层阻力；3—总压降床），总压降仍表现为∆P。其原因显然是由于布风板产生的压降在总压降中所占的比例太小。对高278

3阻力布风板，只存在唯一的稳定工作点，任何偏离工作点的扰动都将自动回复。如，当床层某一部位由于偶然因素是气泡流量增大，则压降降低，流速随之趋于增大，但布风板的阻力压降将以更大的幅度增加，从而控制流速增加，抑制布风恶化。根据布风板的工作原理，当布风板的工作压降偏低时，流化床会运行在不稳定状态。在不稳定状态下，接近布风板的颗粒浓相区在流化床与固定床两个状态下随机转换，部分风帽在工作状态与非工作状态间转换，存在颗粒的扰动或脉动，极易发生漏料，但并不会造成结渣。同时，阻力较低的布风板，其气体出布风板风帽气流速度也会偏低（局部），不足以托住床料颗粒，易形成局部漏料。显然，布风板的设计压降应大于分布气体临界压降及稳定性临界压降中数值较大的一个。从某种程度上讲，布风装置的压降要足够的大，才能保证正常的流化。分布气体临界压降随来流分配的均匀度有关，根据对该锅炉风室内流体静压分布的检测，风室内流体静压分布均匀，基本可以排除来流会出现较大不均匀度的可能性。布风板的稳定性临界压降的数值由流化床的床径/高的比值D/L所决定，即，床层面积不变时，随床层高度的变化而变化，稳定性临界压降并不维持在一个固定的数值。稳定性临界压降通常用布风板压降与床层压降的比值来表示，即DpD(布风板压降)R=（1）scDp(床层压降)B床层当量直径与床层高度之比D/L，对布风板的稳定性有明显的影响，但尚缺乏理论分析结果，由大量实验数据结果已经整理出稳定性临界压降比R与流化床径/高比D/L之间的经验关系sc式，该式反映了布风板稳定性临界压降的一般规律，但在数量上可能不完全代表该类型的布风板，对应的曲线见图4所示。R=0.01+0.2[1-exp(-0.5D/L)]（2）sc根据流化床的当量直径与当时的床层高度，求出稳定性临界压降比R，sc由下式计算出床层压降：Dp=L(1-e)(r-r)（3）Bmfmfsf式中，L—床层在初始流化状态下的高度（或厚度）；mfe—床层在初始流化状态下的空隙率；mfr—床料颗粒的密度；sr—经布风板送入床层的气体的密度。f279

41.0稳定Rsc0.1不稳定0.010.11.010100D/L图4布风板稳定性压降比与床层径高比的关系最后求出对应该流化床布风板运行工况下的稳定性临界压降能够稳定操作的流化床布风板压降均必须高于以上计算得到的稳定性临界压降值。如果在某一运行工况下，布风板的实际工作压降低于布风板的稳定性临界压降，将出现不稳定状态，从而会导致漏料。对同一布风板，如果在另一运行工况下，布风板的实际工作压降高于布风板的稳定性临界压降，将会在稳定状态下工作。RD/L由稳定性临界压降比sc与的变化规律（见图4）可知：在床径/高比小于10的范围内，Rsc变化显著，即布风板的稳定性临界压降随床径/高比的减小而减小；而在床径/高比大于10的范围内，基本维持不变。该循环流化床锅炉炉膛流化床的当量床径为9.45m，床层高度在0.8~1.3m之间（启动阶段为低值，较高负荷时为高值），因此，径/高比为11.8~7.26（较高负荷时对应为低值）。冷渣器的的当量床径为1.63m，床层高度在0.8~1.5m之间，床径/高比为2.0~1.1，二者的范围均处于敏感区域。冷渣器布风板面积较炉膛布风板面积小得多，因此，冷渣器的临界压降比也小得多。在相同的床料与床层厚度下，稳定性临界压降比小，稳定性临界压力的数值也小，因此，布风板更容易稳定工作。24001202200Pa110Pa，2000降压100180090性临界160080板稳定1400布风板稳定性临界压降，布风7012006010000.40.60.811.21.41.60.60.70.80.911.11.21.31.41.5床层高度，m床层高度，m图5炉膛布风板稳定性临界压降随床层高度的变化图6冷渣器布风板稳定性临界压降随床层高度的变化280

54布风板稳定性临界压降计算与实测布风板空床阻力特性曲线图5与图6分别为根据运行参数计算的炉膛布风板与冷渣器布风板的稳定性临界压降随各自床层高度变化的规律。流化气体的温度对稳定性临界压降的影响很小，图中未考虑。图7为该炉布风板空床阻力特性曲线，其中的冷态（52℃）为现场实际测量得到的曲线，而180℃的曲线为在此基础上换算得到的。图8为该炉冷渣器布风板空床阻力特性曲线，其中的52℃为现场实际测量得到的曲线，其余各温度为计算得到的。5炉膛布风板漏料的分析（1）由于布风板的稳定性临界压降数值与床层的高度有关，如果布风板设计压降偏小，则在床层不太厚的工况下（冷态实验与点火投床下油枪时为0.7~0.8m），可以满足稳定性临界压降的数值，不会出现漏渣，但是，当床层厚度增加到一定数值后（投煤高负荷正常运行，估计可达到1.2~1.3m），布风板的稳定性临界压降数值随床层高度的增加而减小，可能会使布风板的实际压降值接近临界值，从而会在局部区域出现不稳定状态，造成漏渣。（2）在较低负荷时，布风板的实际压降会进一步降低，出口风速也降低，如果仍维持较大的床层厚度，可能会低于稳定性临界压降，因此更增加了漏渣的可能性。（3）冷渣器流化床的当量直径与床高度的比值远小于炉内流化床的当量直径与床高度的比值，因此，冷渣器流化床的稳定性临界压降值也大大低于炉内流化床的稳定性临界压降值。所以，与炉膛流化床相比，在维持接近的布风板阻力压降的条件下，冷渣器流化床更不容易出现漏料，这与实际运行中，在同样工况下，冷渣器基本不发生漏渣的情况是一致的。D11D=（~）L冷渣器流化床56L炉内流化床临界Dp〈〈临界Dp冷渣器流化床炉内流化床这也说明，在小尺寸流化床上得到的布风板稳定运行压降测量数据，是不能直接应用到大尺寸流化床上的。（4）锅炉厂提供的设计风帽阻力为500mmH2O与实际运行和测定数据出入很大，阻甲前选择室970Kpa布8风60板7差压(52℃)kpa180℃阻506差压(180℃)kpa力100℃5K4052℃Pa40℃303202110000100200300400020004000600080003/h3kNmkNm3/Nm/h图7图炉膛7炉膛布风板空床阻力特性曲性布风板空床阻力特性曲线图8冷渣器布风板空床阻力特性281

6力系数（~5）远大于一般推荐范围1.0~2.0。这是造成炉膛布风板在接近稳定性临界压降下工作，而出现漏渣的主要原因。（5）风帽小孔出口速度的影响，布风板下风温变化对出口速度有明显的影响，但气体的密度也发生了变化，因此，采用气流携带颗粒的临界直径计算方法，计算出在相同质量流量时，不同温度的气流携带的临界颗粒粒径。计算表明，当温度为200℃时，在60%负荷下，携带的临界直径为6mm；800℃时，携带的临界直径为14mm；30℃时，携带的临界直径为4mm。如果考虑部分风帽出口流速不均匀，出现漏渣的可能性也是存在的。在炉膛布风板孔板条件下，对大部分风帽的出口速度的测量结果也表明，由于风帽加工和安装质量的原因，部分区域的风帽出口风速明显偏低。（6）另外，锅炉的运行中，一次风运行风量偏低也是一个原因。6结论分析与计算表明，由图5与图7可知，在流化气体温度为52℃的冷态实验条件下，床层高度较低，仅为0.75m左右，稳定性临界压降值约为120mmH2O，额定负荷风量时的布风板实际压降至少为150mmH2O，高于稳定性临界压降值，所以漏渣的可能性较小；在投用床下油枪的工况下，流化气体温度达到800℃以上，布风板的实际压降（未绘出）远大于180℃的阻力，因此也远高于稳定性临界压降值，所以不可能出现漏渣。在停用床下油枪后，流化气体温度为180℃左右，床层高度提高到1.3m左右，稳定性临界压降值约为210mmH2O，额定负荷风量时的布风板实际压降也约为220mmH2O，接近稳定性临界压降值，在负荷低于额定负荷后，布风板实际压降会低于稳定性临界压降值，所以，漏渣的可能性很大。对冷渣器布风板进行类似的分析可发现，图6与图8，基本不存在漏渣的可能性。提高炉膛布风板实际工作压降是减少漏渣的主要改进内容，包括：减小布风板开孔率，运行中尽量提高一次风风量，提高一次风温也是提高布风板阻力的措施之一。参考文献：[1]化学工程手册，第20篇，流态化，化学工业出版社1987[2]刘德昌，阎维平，流化床燃烧技术，中国电力出版社，1995[3]阎维平，洁净煤发电技术，中国电力出版社2002[4]锅炉说明书，东方锅炉厂，2000282