循环流化床锅炉的运用和发展

循环流化床锅炉的运用和发展江西省电力设计院刘祥玲许思龙刘寿忠[内容提要]本文从燃烧机理、锅炉热效率、运行的稳定性、对燃煤的适应性、环境保护、锅炉设计、锅炉启动过程、停炉过程两等几个方面介绍了循环流化床锅炉的特点。结合我院对循环流化床锅炉的认识及对循环流化床锅炉机组的设计经验的总结，阐述了循环流化床锅炉在我国的发展和运用。文章同时介绍了循环流化床锅炉若干问题如床温调节、防止床层超温结焦、非金属耐磨耐火材料防磨、减少锅炉底灰、飞灰可燃物、合理选择冷渣器的处理意见。[关键词]循环流化床锅炉特点发展和运用若干问题处理意见1循环流化床锅炉的特点循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术。因其具有燃烧效率高、煤种适应性广、烟气中有害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优点，在当今日益严峻的能源紧缺和环境保护要求下，在国内外得到了迅速的发展，并已商品化，正在向大型化发展。我国是产煤大国，也是用煤大国，一次能源结构中，煤炭占70％左右，优中质煤、劣质煤均丰富。全国煤产量的25％是含硫量超过2％的高硫煤。优质煤集中在华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区。目前积存下来的煤矸石达14亿吨，并以每年6千到7千万吨的数量增加。与此同时，因煤燃烧每年有87％的SO2和67％NOX排入大气，造成严重的环境污染。因此发展高效、低污染的清洁燃烧技术是当今社会持续发展的必然要求。1.1独特的燃烧机理固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程，称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其炉子称为流化床锅炉。流化理论用于燃烧始于上世纪20年代，40年代以后主要用于石油化工和冶金工业。流化燃烧是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。煤预先经破碎加工成一定大小的颗粒（一般为＜8mm）而置于布风板上，其厚度约在350～500mm左右，空气则通过布风板由下向上吹送。当空气以较低的气流速度通过料层时，煤粒在布风板上静止不动，料层厚度不变，这一阶段称为固定床。这正是煤在层燃炉中的状态，气流的推力小于煤粒重力，气流穿过煤粒间隙，煤粒之间无相对运动。当气流速度增大并达到某一较高值时，气流对煤粒的推力恰好等于煤粒的重力，煤粒开始飘浮移动，料层高度略有增长。如气流速度继续增大，煤粒间的空隙加大，料层膨胀增高，所有的煤粒、灰渣纷乱混杂，上下翻腾不已，颗粒和气流之间的相对运动十分强烈。这种处于沸腾状态的料床，称为流化床。这种燃烧方式即为流化燃烧。当风速继续增大并超过一定限度时，稳定的沸腾工况就被破坏，颗粒将全部随气流飞走。物料的这种运动形式叫做气力输送，这正是煤粉在煤粉炉中随气流悬浮燃烧的情景。1.2锅炉热效率较高由于循环床内气—固间有强烈的炉内循环扰动，强化了炉内传热和传质过程，使刚进入床内的新鲜燃料颗粒在瞬间即被加热到炉膛温度（≈850℃），并且燃烧和传热过程沿炉膛高度基本可在恒温下进行，因而延长了燃烧反应时间。燃料通过分离器多次循环回到炉内，更延长了颗粒的停留和反应时间，减少了固体不完全燃烧损失，从而使循环床锅炉可以达到88～95％的燃烧效率，可与煤粉锅炉相媲美。1.3运行稳定，操作简单循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于10mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。循环流化床锅炉燃料系统的转动设备少，主要有给煤机、冷渣器和风机，较煤粉炉省去了复杂的制粉、送粉等系统设备，较链条炉省去了故障频繁的炉排部分，给燃烧系统稳定运行创造了条件。90年代循环流化床在国内应用初期，由于研究、设计、制造、安装、运行等各方面经验的缺乏，其应用中的确存在着连续运行时间短、出力不够、点火难、磨损严重、易结焦、辅机故障率高等许多问题，但经过十多年各方面不断完善化工作，不仅可以保证连续运行时间高于4000h，对有经验的设计、制造、安装和运行单位而言其他问题也已克服。只要保证不间断的给煤，保持炉膛膛压稳定，控制好炉膛温度，在30～100％BMCR的负荷下连续稳定运行不成问题。1.4燃料适应性广，对煤炭供应市场波动有较强的适应性在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。循环流化床锅炉具有很高的燃烧热强度，其截面热负荷为4－6MW/m2，是链条炉的2－6倍，其炉膛容积热负荷为1.5－2MW/m3，是煤粉炉的8－11倍，因此它几乎可以燃烧在煤粉炉或链条炉中难以点燃和燃尽的贫煤、无烟煤、煤矸石等一切种类的燃料，并达到很高的热效率，这对于燃用当地劣质燃料、应对煤炭供应紧张形势有重要意义。分宜国产首台410t/h具有自主知识产权的循环流化床锅燃用当地劣质煤，热值在12000～21000Kj/kg之间大幅波动，但循环流化床锅炉始终基本稳定运行，其优越性非常明显。而链条炉、煤粉炉由于煤种变化较大，不是达不到出力，就是频繁发生灭火、结焦等故障。1.5污染物排放量低循环流化床内的燃烧温度可以控制在850～950℃的范围内稳定而高效燃烧，这一燃烧温度抑制了热反应型NOx的形成，同时采用分级燃烧方式向炉膛内送入约30～40％的二次风，又可控制燃料型NOx的产生。只要操作得当，运行平稳，可以控制NOx的排放量小于200～300mg/Nm3，其生成量仅为煤粉炉的1/3－1/4。由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫率可达85～90％。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到85～90％，钙硫比要达到3～4，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。根据煤中含硫量的大小直接向炉膛内喷入或在给煤中掺入一定量的0～1mm的石灰石粉，可以脱去在燃烧过程中生成的SO2，脱硫效率可达到90％。1.6燃烧强度高，炉膛截面积小炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.5～4.5MW/m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2～3倍。1.7床内不布置埋管受热面循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间压火等。2循环流化床锅炉的运行方式2.1锅炉启动方式2.1.1点火前的准备CFB锅炉点火前除了进行必要的吹扫工作外，还要控制合理的床层压力。以我院设计的江西分宜国产首台具有自主知识产权的410t/hCFB锅炉为例，点火时的炉膛床压一般控制在4～5kPa。这是因为炉膛内的床体主要是由大量的惰性灰渣（正常运行时占总床料的95%以上）组成的，其蓄热容量是随床层压力（对应不同的静止床高）的升高而升高的。如果点火床压过高，启动时间和启动过程中需要的燃油量都会相应加大；如果点火床压过低，床层的蓄热量就会降低，影响煤粒的引燃，因此保证合理的点火床压对CFB锅炉的启动是很重要的。2.1.2点火方式火方式CFB锅炉的点火方式不同与普通煤粉炉锅炉，以我院设计的江西分宜国产首台具有自主知识产权的670t/hCFB锅炉为例，它是采用床下风道点火器和床上点火器联合点火的方式进行点火，利用燃油的放热加热烟气的温度，再利用热烟气加热炉膛内的床层，以不断提高床层的温度水平来达到煤粒的着火温度。从结构上讲，床下风道点火器和床上点火器不仅要对炉膛内的耐火材料、金属受热面和烟气进行加热，还要对床下风道、平衡风室、旋风分离器、回料腿中的耐火材料和床层物料进行加热，因此CFB锅炉的启动时间和在启动过程中的燃油量都比煤粉锅炉要大，而且它在启动过程中所受到的升温、升压速度的限制条件也比煤粉锅炉要多。2.1.3煤的投入时机CFB锅炉的煤粒是通过在床内被加热到着火温度后，析出挥发分着火燃烧的。由于每秒钟新加入床内的冷燃料只占床料的1%左右，大量的热床料非但不与新加入的燃料争夺氧气，却提供了一个蓄热量很大的热源。煤粒燃烧所放出的热量，其中一部分又用来加热床料，使床内温度始终保持在一个稳定的水平。由于CFB锅炉点火方式的限制，被加热的床层温度存在上限，这恰好也在煤粒着火温度的下限附近，因此在投煤的初始阶段，煤粒在床内并不能充分燃烧。凭借间断投煤逐步提高床温这一手段，当床温达到煤粒着火温度以上时，就可以连续投煤了。随着床温的上升和投煤量的增加，燃油量就可以逐步降低了。2.1.4一/二次风的配比及作用CFB锅炉的一次风最主要的作用是克服平衡风室和床层的阻力，对炉膛床料进行充分流化，为炉膛内物料的整体循环提供充足的动力，同时为入炉煤的燃烧提供基本的氧气。而二次风是用来控制燃烧总风量，且为炉膛上部稀相区的未燃尽煤提供燃烧所需的氧气。不过由于CFB锅炉燃烧机理的不同，通过分级配风，还可有效地控制氮氧化物的排放量。由于一次风的用途多、系统阻力大，因此要求的一次风压力和风量都较同容量的煤粉锅炉大。以我院设计的江西分宜国产首台具有自主知识产权的410t/hCFB锅炉为例，一次风总风压一般控制在10kPa以上，才能满足床层流化的要求。由上述分析可知，CFB锅炉与同容量煤粉锅炉相比，启动时间相对较长。2.2停炉过程2.2.1投油助燃的时机与煤粉锅炉相比，CFB锅炉的低负荷稳燃区低得多，即其负荷调节范围大。对于煤粉锅炉，当负荷低于额定值50%～70%时，一般就要投入助燃油枪，以保证稳定燃烧，避免锅炉突然灭火或造成爆燃事故。而对于CFB锅炉，它的低负荷稳燃区一般在30%额定负荷左右，也就是说当负荷低于额定值30%～40%时，才需要投油助燃。这是因为CFB锅炉炉床截面的风速较高，易于控制炉内吸热。当锅炉负荷要求变化时，只需调整给煤量，并适当调整流化速度改变炉内的循环物料量，就可以满足锅炉负荷的变化要求。因此，在停炉过程中CFB锅炉比煤粉锅炉的燃油量相对减少。2.2.2停炉过程中的其他操作停炉过程中，待熄火后，继续维持风机运行5min左右，借以清除炉膛和烟道内的可燃物，当氧量上升到大于15%后，停止风机的运行并关闭挡板。在停炉过程中，CFB锅炉的操作就是要注意对炉膛床压的控制。这是因为在停炉过程中随着燃料量和风量的逐步减少，炉内的循环物料量也会相应减少。大量的悬浮物料从稀相区落至床内，造成炉膛床压和差压的迅速上升。为了保证床料的基本流化，防止局部流化不良而导致结焦，在一次风量逐步减少的情况下，只有通过冷渣器将大量的床料排出炉膛以维持适当的停炉床压。因此，在停炉过程中，冷渣器一般始终保持运行，直至床压达到要求。尤其在发生炉膛内汽水系统爆管事故时，为防止床内物料遇水结块，应迅速启动床下风道点火器，维持炉膛床温在350℃以上，尽量将所有床料排净。2.2.3停炉冷却考虑到正常停炉后CFB锅炉炉膛床内和回料装置内都积存有大量的物料，其蓄热量比煤粉锅炉要大得多，因此它所需要的冷却时间也比煤粉锅炉要长。为了达到炉膛能够进人进行检修的条件，一般应将床料温度降至50℃以下，才停止风机的运行；而对于回料装置，根据冷却要求J阀风机比送风机的运行时间延长16h左右。3循环流化床锅炉的运用和发展近几年来，循环流化床锅炉在我国得到了快速的发展，大型化的步伐很快。100MW以上功率的循环流化床锅炉已有100余台在设计建设和运行中，其中分宜国产首台具有自主知识产权的410t/h循环流化床锅炉于2003年6月19日投入商业运行以来，对煤种适应范围广，调峰能力强，运行情况良好。2