循环流化床燃烧技术的发展

循环流化床燃烧技术的发展1循环流化床燃烧技术发展历史回顾主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。分离器是主循环回路的关键部件，其作用是完成含尘气流的气固分离，并把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。从某种意义上讲，CFB锅炉的性能取决于分离器的性能，所以循环床技术的分离器研制经历了三代发展，而分离器设计上的差异标志了CFB燃烧技术的发展历程。1.1绝热旋风筒分离器德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉[1]。分离器入口烟温在850℃左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高，见图1；启动时间长、运行中易出现故障；密封和膨胀系统复杂；尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时，旋风筒内的燃烧导致分离下的物料温度上升，引起旋风筒内或回料腿回料阀内的超温。这些问题在我国实际生产条件下显得更突出。Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置较多数量的受热面，降低了旋风筒入口烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛较高，钢耗量大，锅炉造价提高。同时，它的CO排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。1.2水(汽)冷旋风筒分离器为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点，同时有效地克服该炉型的缺陷，FosterWheeler公司设计出了堪称典范的水（汽）冷旋风分离器[2]。应用水(汽)冷分离器的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉。该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料，壳外侧覆以一定厚度的保温层，见图2。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，同时较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题，也未发生旋风筒内磨损问题，充分显示了其优越性。这样，高温绝热型旋风分离循环床的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW式水（汽）冷旋风分离器的问题是制造工艺及生产成本，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制[3]。同时该分离器的结构形式与高温绝热旋风筒并无本质差异，因此锅炉结构仍未恢复到传统锅炉完美的形式。为了各部件的热膨胀而设置的大型膨胀节成为该炉型最薄弱的环节，损坏事故频繁发生(见第15届FBC国际会议OperatorSection)。因此调整分离器的形状，进一步提高紧凑性和可靠性问题成为循环流化床燃烧技术发展的关键。1.3方型水冷分离器为克服汽冷旋风筒锅炉的结构问题及制造成本高的问题，芬兰Ahlstrom公司创造性地提出了PyroflowCompact设计构想[4,5]。PyroflowCompact循环床锅炉采用其独特专利技术的方型分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，壳体仍采用FW式水（汽）冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方型的气固分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间免除热膨胀节。同时方型分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。借鉴汽冷旋风筒成功的防磨经验，方型分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，分离器成为受热面的一部分，为锅炉快速启停提供了条件。2方型分离器循环床技术Ahlstrom公司的方型分离器紧凑型设计推出之后，立即引起了广泛的重视，采用该技术紧凑设计的锅炉见图3。但人们对该技术一直持观望态度。但经过多台锅炉5年的运行实践，已经为人们所接受，其标志为1999年5月第15届国际流化床燃烧会议上该专利持有人Timo荣获唯一的ASME最高贡献奖。FosterWheeler公司和Ahlstrom公司合并后即将方型分离器循环流化床锅炉作为大型化方向予以重点发展。采用方型分离器的紧凑型布置循环床锅炉的市场份额逐年增加[6]。目前各循环流化床锅炉制造厂家和研究机构都十分重视循环流化床锅炉的大型化，方型分离器在大型化方面具有很大的优势。1993年清华大学在实验室对国外方型分离器专利进行了验证实验，并改进了入口段设计，实验表明这个改进是完全正确的，这个改进最终取得了中国专利—“水冷异型分离器”。为进一步优化分离器的效果和验证改进可靠性，在实验室冷态实验、热态实验的基础上应用于75t/h完善化循环流化床锅炉，并取得成功。该分离器是四周用膜式水冷壁组成的方型分离器，烟气入口加速段由水冷壁管弯制成圆弧形。该设计低成本有效地克服了绝热旋风筒的后燃结焦问题和圆形汽(水)冷旋风筒的结构问题，被认为达到九十年代国际先进水平。对几种不同当量尺寸的方型分离器进行了一些卓有成效的试验和较为深入的研究，取得了许多有价值的结果[7]。对这些成果进行较全面的分析、整理和比较表明，方型分离器的放大性能要优于圆形旋风分离器，至少绝不逊于后者，特征尺寸在10m以内的方型分离器大型化的前景相当乐观[8]。清华大学在该方面的研究成果以及220t/h、410t/h采用方型分离器的循环流化床锅炉设计得到国际同行的充分肯定和高度评价，在15届FBC国际会议上被评为最佳论文[9]。3循环流化床锅炉的效率循环流化床燃烧技术具有以下特点：气固混合很好；燃烧速率高，特别是对粗颗粒燃料；绝大部分未燃烬的燃料被再循环至炉膛，因而其燃烧效率可与煤粉炉相媲美，通常达到97.5%～99.5%。根据统计资料，循环流化床燃烧效率受煤种影响较大。对较为年轻的褐煤、泥煤，燃烧效率可达到98％以上；而对于变质程度较高的无烟煤到烟煤，飞灰含碳量往往高达10％以上。一般来讲，各种形式的旋风筒对100μm以下的细颗粒分离效率不可能很高，因此旋风筒对细颗粒燃尽是无能为力的，应当采取飞灰回送等措施解决难燃煤种燃烬问题，而这是目前国际上比较成熟的技术。关于提高循环流化床锅炉效率的问题，目前比较一致的看法是提高参数。据分析，超临界循环流化床锅炉电厂的效率可达43％～44％。根据法国SteinIndustrie公司对超临界参数Lurgi循环流化床锅炉的研究，由于Lurgi型循环流化床锅炉有外置换热器，而外置换热器的工作温度在700°C左右，使用清洁空气流化，在外置换热器内布置高温换热器可防止高温腐蚀，因而采用超临界参数比煤粉炉更为有利。采用超临界参数可使发电效率提高约6%。4用循环流化床锅炉改造煤粉炉的方案设计煤粉炉改造为循环流化床锅炉是一项复杂的工作，因为不同煤粉炉的型号规格不同，同一型式的锅炉运行时间不同，受热面的寿命也不一定相同，这样改造方法和难易程度就有可能不同。目前国内技术用于410t/h及以下煤粉炉的改造是有把握的。下面介绍一台410t/h的煤粉炉改造为循环流化床锅炉的方案。4.1410t/h煤粉炉简介锅炉设计参数见表1。设计煤种的低位发热量为12318kJ·kg-1，燃料的元素分析见表2。表1410t/h锅炉改造前后设计规范表2410t/h锅炉燃料图4为该锅炉简图，为单锅筒自然循环高压煤粉炉，膜式壁双框架，半露天布置；燃料室为正方形，煤粉燃烧器四角布置，燃烧室上部布置有后屏过热器，水平烟道依次布置二级过热器和一级过热器。尾部竖井为轻型护板炉墙，分别布置高温省煤器、高温空气预热器、低温省煤器和低温空预器。4.2改造方案研究考虑各部分承压受热面在改造中利用的可能性。现有钢架以及基础不变动，原场地布置已经比较紧凑，改造不增加占地面积。对流管束烟气速度应保证长期稳定运行的可靠性。改造后的出力不变。考虑到上述要求，在原有钢结构范围内进行改造。由于场地的限制，采用单炉膛、四个方型分离器前后布置、过顶烟道的总体方案。采用单炉筒自然循环，自前向后依次布置前分离器、燃烧室及过顶烟道、后分离器、尾部竖井。膜式壁采用悬吊结构，省煤器及空气预热器采用支撑结构，见图5。在原有钢架范围内重新布置各部分受热面。燃烧室为膜式壁，净高度30951mm，截面积维持原形状结构，9980mm´9980mm，为利用原水冷壁创造条件。燃烧室前后均布置两个当量直径为4990mm的水冷异型分离器，前分离器出口烟气流经过顶烟道与后分离器出口烟气汇合进入转向室和尾部竖井。燃烧室标高21.000m以上由水冷屏将燃烧室前后方向分为两部分，通过前后分离器阻力设计不同以及水冷屏的分隔作用解决前后分离器烟气平衡问题。垂直于水冷屏方向布置了过热屏，过热屏穿越过顶烟道。燃烧室侧水冷壁、分离器侧水冷壁、前分离器的后水冷壁向上延伸组成侧墙，和顶部汽冷包墙以及分离器顶棚、燃烧室顶棚构成过顶烟道。尾部竖井自上向下依次布置末级过热器，一级过热器、省煤器、一次风空气预热器热段、二次风空气预热器、一次风空气预热器冷段。其中末级过热器和初级过热器位于汽冷包墙内。包墙的前墙一部分在转向室进口穿越烟道形成吊挂管，另一部分向前形成水平烟道的下包墙，在后分离器处向上吊挂。省煤器、空预器均为护板炉墙。尾部对流受热面均为前后方的出管，末级过热器为f42´5的五管圈两管组构成；初级过热器为f38´5的双管圈、三管组。省煤器为f32´4，双管圈三管组；空气预热器采用水平卧式，以有效解决漏风问题。对流受热面的改造均可由原受热面改造形成。全部高温受热面区域均采用膜式壁炉墙，避免使用膨胀节，以解决密封问题，采用固定膨胀中心。Z1至Z3柱钢架不变，Z4、Z5需增加高度至50850mm与原Z1平齐。经核算，钢架改造后基础仍然是安全的。为充分节约启动用油，采用水冷布风板，床下点火。炉前给煤，给煤机布置在8.000米平台上，一次风率55~65％，由风室进入炉膛流化床料；二次风由布于四周的二次风口进入炉膛，分级燃烧。考虑到改造的范围尽量小，改造中对主蒸汽、主给水管道、除尘器等基本无影响，将原来的原煤仓和粉仓略加改造，制粉系统停止运行。4.3改造后性能预测锅炉改造前后燃料可以不变，但需添加石灰石炉内脱硫。由于原锅炉无石灰石脱硫，而燃料中水分较高，因此排烟温度较高，改造后脱硫可以降低排烟温度；循环床排渣量较大，排渣热损失q6增加。改造前后锅炉各项热损失见表3。表3410t/h锅炉改造前后各项热损失比较改造后满足环保要求，不仅使机组的寿命延长，而且可以燃用高灰高硫劣质煤，完全符合国家能源政策，经济效益、社会效益和环保效益均比较好，是410t/h煤粉炉电厂发展比较可行的出路。5结论采用水冷方型分离器紧凑布置的超临界循环流化床同时满足可靠性、经济性和文明生产程度的基本要求，并在低污染和高效率两方面具有优势。利用其优异性能对410t/h煤粉炉改造为循环流化床锅炉进行研究。在原有钢架范围内提出了可行的改造方案，该方案具有明显的经济效益、社会效益和环保。