流化床燃烧锅炉介绍

来源：中国电站集控运行技术网作者：佚名发布日期：2008-1-23 19:50:42

摘要：首先介绍国内外发展流化床的主要原因，流化机理，和几种破坏流化工况及消除措施，最后介绍东大0．3M×0．3M高6M的AFBC试验装置上进行的燃烧动力特性试验，所得的几点结论，结果表示采用循环回燃，既可提高燃烧效率，脱硫效率，又可改善运行特性。

一、前言

流化床燃烧FBC技术已在电力工业及工业锅炉等方面得到应用。它具有能燃用劣质燃料，能实现经济的床内脱硫等优点。是高效，低污染利用煤炭资源的新技术，是当前国际上开发研究清洁燃煤新技术的最活跃的课题之一。我国自60年代开始发展FBC技术，是以利用劣质燃料特别是利用煤矿炭质煤洗矸石煤等，为主要目的，设备容量较小，现有2000多台鼓泡沸腾炉流化床锅炉在运行，是世上流化床锅炉台数最多的国家，这种锅炉飞灰扬折损失大，燃烧的碚硫效率不高，且不易实现大型化等缺点，最近10年内便纷纷研制循环流化床锅炉，自济南锅炉厂1989年生产第一台35T／H中压造厂便先后与科研单位，大专院校相结合，研制各自的循环流化床锅炉。最近推出的常压循环流化床（ACFBC）锅炉，大部分是循环倍率不高、流化速度较低，有是是泡床改进型的循环流化床锅炉，有的已经鉴定运行，有的正在安装调试。为了使这一新技术能健康而较快地推广使用，普及宣传，总结交流这方面的知识是必要的。故再作此文，供讨论。

二、国外发展循环流化床锅炉的主要目的

工业发达的国家，如美、德、英、日和瑞典等国，研制流化的主要目的是能经济地解决燃煤的环境保护问题。它可燃用高硫煤，而排入大气的SO2和NOX并不增加多少。FBC正在成为煤粉锅炉的廉价替代产品，这是因为锅炉燃用高硫煤时，必须按日益提高环境保护要求规定，加装昂贵的烟气脱硫装置。图1表示了污染控制费用在美国逐年上升的情况，1980年安装脱硫装置费用已占电厂总投资的48％，而且使电厂效率下降2－3％美国统计70年代投资420亿美元，为4万MW电站加装了烟气脱硫装置，80年代改造的高硫煤电厂容量达10万MW，投资超过1000亿美元，这笔费用相当于可建设美国今后30年需要新建设电站的投资1／4。所以，FBC已成为摆脱化石燃料面临困境的一条途境。

三、流化机理

在化学工程中，物料在容器内的形态，分为三类：固定床、流化床和气力喷流，层燃炉属于固定床，煤粉炉属于最后一类，而沸腾炉却属于流化床。沸腾炉炉篦上堆放厚度为300－500MM，粒径为0－10MM的料层，炉篦下逐步加送入风量，开始时由于风量少，当气流速度UO在料层不动，料层为固定床，随着汽流速度的增大，气流通过料层的真实速度和料层的阻力ΔP都随着增大，而料层高度HO保持不变，当送入风量大到把所有的颗料都吹动时，此时风速F在F区间整个料层中颗粒上下翻动，进入沸腾状态，料层为沸腾状态时随着流速O的增在，料层的阻力保持不变，而沸腾层高度H则随着提高，当沸腾状态时，颗粒间的空隙增大。料层厚度从原来的300－500MM膨胀到800－1400MM颗粒间混合十分强烈，颗粒和气流之间的相对运动也很强列。此时固体颗粒和空气一起具有流体一样的流动性。此时，炉料始终被限制在一定的高度范围内，不停地上下翻动，象煮稀饭时米粒在沸腾着的水中运动一样，故又称为沸腾床，它的上部有一个清晰的表面，在界面以下至炉篦，称密相区。沸腾状态下，气流通过料层的阻力不变，是由于料层随气速度增大颗粒间的真实流速不变的结果。这是由于层高度增加，气流在床颗粒间的截面增大，使真实速度基本不变的缘故，当再加大通风量，气流速O超过C后，腾床破坏，真实增加，而阻力P迅速降低，变为气力,喷流状态了。

以上沸腾形成过程及其主要特性随气流速度O的变化可用图2所表示的曲线来说明。

四、沸腾质量不佳工况及消除措施

1、过大气泡与分布不均

料层中产生气泡是沸腾床中运动的基本特点，但运行中应注意不要产生大的气泡或气泡分不均的情况，大汽泡上升速度较大，穿山沸腾层（密相区）后破裂，使煤粒飞出密相区，汽泡大，飞出密相区的颗粒越大而且数量越多，一方面使飞灰扬折损失增加，燃烧效率降低，另一方面使床层剧烈波动，影响锅炉持续稳定的安全运行。

产生气泡过大的原因主要有：

1）布风板结构缺陷，造成布风不均，

2）风帽小孔尺寸不一或太大时，气泡尺寸也较大

3）沸腾床的高度与宽度比值大时，气泡较大，

4）炉料的颗粒大，产生的气泡也越大

5）料层太薄时，气泡分布不均匀性较大。

因此，应针对原因采取相应措施，使腾均匀，改善沸腾质量，布风板的宽度不宜过大，料层厚度应适当。

2、节涌

沸腾床中的气泡，会聚合成为大的气泡，当气泡扩展到沸腾床的整个截面时，沸腾层被气泡分成数段，形成气塞，如衅所示，气塞向上运动，到一定高度时破裂，小颗粒被抛出层外带走，大颗粒则似雨淋而下，这种现象称为节涌。

产生节涌的主要原因有：

1）炉料的均匀性不好，大颗粒所占比例太多；

2）气流速度过高；

3）床层高度与宽度的比值大时，容易形成气泡，发生节涌后，风压剧烈波动，难以维持正常沸腾工况，底部料层沉积，容易引起结渣，细粒飞灰扬折损失增大，应及时处理，如增加小颗粒的比例，适当地减少风量和减少料层的厚度等。

3、沟流

沟流主要产生于临界沸腾速度时，进入的空气尚不足以把全部炉料吹起。此时，空气从料层阻力最小的地方穿过，当料层严重不均匀时，沸腾风速即使超过沸腾速度，料层也腾不起来，大量的空气穿孔而过，其它部分仍处于固定床状态，这种现象称为沟流。

影响产生沟流的因素有：

1）煤粒均匀性不好，细小的颗粒太多或太少，

2）布风不均

3）料层太薄，或潮湿粘结

4）起动或压火方法不当

沸腾层中产生沟流时，就会引起沸腾层结渣，破坏沸腾工况，不能运行，消除沟流的有效方法是加厚料层，压火时要关严所有门等.

4、分层沸腾层中大小不同的颗粒，重而大的颗粒沉积在底部，轻而小的颗粒在上部，这种现象叫分层。

沸腾正常，风速较大，混合十分强烈，料层中分层现象不明显。当风速较低时，特别是风速刚超过的临界沸腾风速时，有可能出现分层，热态运行中，燃料有时少量比重较大或粒径较大的石块等，及少量燃煤因局部高温而粘结成大块，沉积在底部，常称为冷灰渣，应定期从冷渣管中放掉，否则，引起通风阻力不均，影响沸腾质量。

五、发展循环流化床的主因

我国第一代鼓泡床沸腾炉流化床锅炉，经过20多年的运行经验表明，它具有独特的优点：

1、能燃用其他炉子无法燃烧的低热值劣质煤，甚至低热值4187KT／KG的煤矸石也能很好燃烧，煤矿矿口小火有许多这种鼓泡床锅炉。

2、埋管受热面因灼热气固两相激烈碰撞传热系数大提高，可缩小炉膛尺寸和减少金属耗量：

3、可燃用高硫煤，掺烧石灰石可炉内脱硫

4、850－950⁰C低温燃烧NOX很少，

5、灰渣是很好的水泥熟料等

但也暴露了一些问题和缺点。

1、在燃用宽筛分燃料时，扬折飞灰不完全燃烧损失高，锅炉效率低，一般为70－80％，难与煤粉相竟争

2、埋管磨损严重，虽加防磨耐磨层，但一般也仅能使用一年左右。

3、燃烧强度不够高，布风板面积大，

4、给煤点多，如35T／H泡床锅炉给煤点已多达四个，不易于大型化。

5、飞灰扬折量大，除尘任务变重，粉法排放总量增加，原属清洁燃烧，反而使厂区卫生条件恶化。

6、煤种适应性不够宽，负荷调节性不够好等。

泡床锅炉由于暴露了以上的问题，首先从改善泡床锅炉飞灰扬析过大着手，采用飞灰再循环，逐步发展高速，高倍率循环床锅炉，以解决泡床沸腾炉产生的问题。

六、循环流化床燃烧试验研究

东南大学热能工程研究所在，截面积为285MM×285MM高6M流化床燃烧试验装置上燃用活性好的京西无烟煤和活性差的常州贫煤进行试验，揭示了如下燃烧机理：

1、循环倍率与燃烧效率

循环倍率R的定交为每小时循环灰物料量与加煤量之比。提高R使杰中可燃物燃烧时间加长，燃烧效率与脱硫效率，都提高。R＝1．5－2时比＝0（泡床沸腾炉）提高了10－12％达95％以上如图4所示。

2、煤炭粒径与炭利用率

图5所示了煤炭粒径与飞灰含炭量的关系，不同粒径的炭利用率是不同的：

1）级细颗粒（粉）虽停留时间短，量燃烬时间更短，故利用率高。

2）终端速度超过流化速度的颗粒，不会被扬析出去，在床内停留时间非常长，碳利用率也很高。

3）粒径介于上述、）与2）之间的颗粒停留时间比所需燃烬时间短，故炭利用率不高。一般在DP＝0．12MM附近碳利用率最低。而循环流化床主要目的就在于降低这部分含碳量。

3、床层温度与燃烧效率

泡床床温度降低ηC下降很快，特别是燃用无烟煤时更敏感采用循环流化床时，床温对ηC影响程度减弱，且R越大影响越弱，可见循环流化床改善了锅炉调节特性，图6所示TB从1025C降低至865⁰C。从96．23％。降低到94．62％，床温降低了160⁰C而只降低1．61％足见仍能高效燃烧。

1、流床速度与燃烧效率

图7所示为流化速度UO与燃烧效率ηC的关系图，提高流化速度可以提高燃烧强度，缩小炉膛容积但风速增高后，细颗粒扬析量急消耗增加，燃烧效率明显下降同时动力消曾加采用循环泫后，流化速度对的影响明显减弱这就提供了改变流化速度来调节锅炉负荷的有利条件。

5、脱硫特性

采用循不流硫化后，细小石灰颗粒和一起在炉内多次循环利用，脱硫效率θ和钙的利用率均得到了提高，R由0增加到1．4θ，由65％提高的，DO浓度由0．0649MOL／M降为0．02MOL／M²，CAO）A利用率则由36％提高到49％效果十分明显，如图8所示。

2、悬浮段（稀相区）燃烧份额

由烟气夹带出床层的细颗炭粒和少量挥发分在悬浮段内继继燃烧，燃烧释热和受热面吸热热平衡决定了悬浮段的烟温分布。化学反应活性差的煤料，此段温度衰减很块，整个悬浮段温差降很大，（可达300⁰C）随着R增加，温降减小；化学反应活性好的煤种，悬浮段的进出口温度差较小，循环倍率R＝1．1以上时，进出口温差基本不变为即放热等于吸热。

循环床由于悬浮段度水平基本维持入口温度－900C温度水平升高，而提高了悬浮段的燃烧强度，增大了燃烧份试验研究指出化学活性差的煤R＝0的流化床－85％在密相区还燃烧化学活性好的煤－77％在密相区燃烧而循环床分别在密相区燃烧相应减少至％和－70％。

7、回燃方式的影响

依据试验测得回燃方式采用布风板底筒，在床面下200MM的低筒方式，在相同的R下筒与布风板面筒，飞灰含炭量CFH低于4％左右，相应ηC要高出2－3％。鉴于实际锅炉床面大，底筒炉床面大，底筒方式有助于使循环物料在床层均匀分布，以达到更好燃烬的目的，如图9所示。

七、结论

1、流化床燃烧锅炉，我国开始使用的主要目的是能燃用劣质燃料，多数建于煤矿矿口小火电，而西方发达,国家则以燃煤脱硫，脱硝为主要目的，多用以替代燃用高硫煤锅炉。我国大多是容量较小，台数最多的鼓泡沸腾炉，而最[近开发的循环流化床，流化速度和循环倍率低，而国外CFBC则高得多。

2、CFBC燃煤技术是能达到环保要求，解决燃煤锅炉廉价替代产品，是当今世界开发研究十分活跃的重大课题之一。

3、鼓泡流化床沸腾炉，能燃用劣质煤，炉内脱硫NOX也少，但飞灰扬折损失大，燃烧效率，脱硫效率都较低，且难以大型化等缺点，被日益改进的炉外，内分离循环反料燃烧反料燃烧，多次循环的流化床CFBC所代替，

4、经试验研究得出：

1）选择好循环倍率R是设计CFBC锅炉的最重要参数之一，要求适宜的R既能得到高的燃烧效率ηC，对设备磨损又少，又可维持低的动力消耗。

2）循环倍率R提高，飞灰含炭量下降，燃烧效率ηC和脱硫效率θ都提高。

3、采用循环床，可使床温与流化速度的变化对燃烧效率的影响减弱，使运行调节范围加宽。

4、飞灰返料采用底筒比面筒，因返料分布均匀，有更好的燃烬效果。