1、1關于循環流化床鍋爐的給煤問題呂俊復1岳光溪1張建勝1劉青1于龍2楊仲明2姜義道2張彥軍2（1 清華大學熱能工程系駛， 100084 ，2 哈爾濱鍋爐有限責任公司， 150046 ）摘 要：分析了循環流化床鍋爐中燃燒過程及給煤地混合過程， 探討了系統簡化性能可靠的前墻給 煤的可行性，研究了這一變化對燃燒效率的影響。認為前墻給煤可靠性提高，便于操作，對燃燒效 率的影響較小。關鍵詞： 循環流化床 給煤系統 改進能源與環境是目前我國的兩個的重大問題， 而能源生產過程是環境污染的主要來源之一。 我國 是世界上最大的煤生產與消耗國，主要用作燃料，在我國一次能源構成中占據著絕對主要的地位； 在可以預見的未

2、來，煤炭仍將占到主導地位。煤在燃燒過程中將產生大量的灰渣、SOSO2、 NONOx等污染物，嚴重污染生態環境。 因此煤的高效率低污染燃燒技術對于社會的可持續發展具有重要的意義。 循環流化床燃燒技術是最近二十多年來發展起來的清潔煤燃燒技術， 也是是目前商業化程度最好的 清潔煤燃燒技術， 發展迅速。 特別是燃用高灰份低揮發份或高硫份等其他燃燒設備難以適應的劣質 燃料方面以及低負荷要求較高的調峰電廠和負荷波動較大的自備電站中， 循環流化床鍋爐是最佳選 擇，是當前公認的燃煤技術的重大創新， 受到世界各國普遍重視。 我國是世界上少數幾個以煤為主 要能源的國家之一，發展高效、清潔的循環流化床鍋爐，具有長遠

3、的戰略意義。大型化是當前循環流化床鍋爐的主要發展方向，迄今，FosterFoster WheelerWheeler、EVTEVT 、 AEEAEE 、法國的AlsthomAlsthom 、ABB-CEABB-CE 等公司都能提供商品化的全套大型 （功率 100MW100MW 以上 ）循環流化床鍋爐發電設備。 法國 ProvencProvence e于 19951995 年建成投運了 700t/h700t/h（電功率 250MW250MW）循環流化床鍋爐；世界上最大的 300MWe300MWe 循環流化床鍋爐也已在佛羅里達的 JEAJEA 投入試運行；波蘭的 TurowTurow 建成了 3 3

4、 臺 225MWe225MWe 和 3 3 臺 266MWe266MWe 循環流化床鍋爐， 成為世界上總裝機容量最大的循環流化床電廠。 甚至 460MWe460MWe 超臨界蒸 汽參數的循環流化床鍋爐已經開始制造。我國于八十年代中期開始投入力量積極從事循環流化床燃燒技術的研究開發，進步很快。目前，國產蒸發量 220t/h220t/h 及以下容量的循環流化床鍋爐已實現了商品化。 同時，鍋爐廠引進技術， 主要用 于再熱超高壓循環流化床鍋爐，已經有數十余臺訂貨， 440t/h440t/h 超高壓一次再熱循環流化床鍋爐已經 投入商業運行。擁有自主知識產權的國產技術 200MWe200MWe 循環流化床

5、鍋爐示范工程已正在積極策劃 之中，引進設備和技術的 300MWe300MWe 循環流化床鍋爐的工作已經開展。我國的循環流化床燃燒技術 的來自于自主開發、國外引進、引進技術的消化吸收三個主要來源。上世紀八十年代以來，我國循 環流化床鍋爐數量和單臺容量逐年增加。據不完全統計，現有近千臺35460t/hCFB35460t/hCFB 蒸汽鍋爐和熱水鍋爐在運行、安裝、制造或訂貨；平均單機容量從 37.41t/h37.41t/h 上升至 1 1 78.86t/h78.86t/h ，見圖 1 1 ；參數從中 壓、次高壓、高壓發展到超高壓，單臺容量已經發展到 670t/h670t/h ，見圖 2 21。2循環

6、流化床燃燒技術已被運行實踐證明是可靠的潔凈煤燃燒技術。它具有燃料的靈活性、 低的污染物排放等優點。劣質燃料可以廣泛的應用于循環流化床鍋爐。低溫分級燃燒使未處理的煙氣直接排放 NONOx已經可以滿足嚴格的環保要求。爐內添加石灰石燃燒過程中脫硫，有效地降低SOSOx排放，低成本滿足 SOSOx排放要求?；以哂辛己玫幕钚裕鳛樗嘁约疤胤N水泥的添加劑，具有良 好的社會效益、環保效益和經濟效益。但是目前大型循環流化床鍋爐 （100MWe100MWe 以上）的運行經驗并不多，本體的設計制造已經基本可 以滿足電力生產的需要，尚存在一些問題影響了循環流化床鍋爐機組的整體可靠性和經濟性。1 循環流化床鍋爐中

7、煤的燃燒過程一定寬度篩分的煤進入流化床中燃燒，是一個復雜的過程，除了受燃料本身特性如揮發份含量、反應活性、顆粒粒度分布影響外，還受到流化狀態、氧氣擴散條件、溫度等眾多因素的影響。最新的研究表明，循環流化床中的單顆粒與鼓泡流化床的單顆粒燃燒的確是沒有太大的差異。但對于整體而言，燃料顆粒并非獨立燃燒，而是與床料形成群體，這種氣/ /固兩相流的燃燒與氣/ /固兩相流流動具有明顯的關系。分析燃料的燃燒過程，煤粒子進入燃燒室中，經歷了一個連續過程；加熱和烘干（準備過程）；揮發份析出和揮發份燃燒；膨脹和一次破裂（某些類型的煤）；焦炭燃燒、二次破裂和磨耗。在流化床中進入的新煤被加熱得很快，煤中揮發份首先析出

8、。第一次穩定析出過程在500600500600 二第二次穩定析出過程在 80010008001000 二雖然工業分析提供了揮發份的估計值，但實際上揮發份的產生及其組成受到諸多因素的影響，比如加熱速度、初始和終了溫度、加熱時間、燃料形狀及尺寸、煤種、環 境壓力等。揮發份的燃燒與析出幾乎是同步的，揮發份在氧和未燃揮發份邊界處的擴散火焰中燃燒。這種燃燒與擴散火焰的位置及氧向火焰的擴散率和揮發份的釋放有關。更深入的研究表明，揮發份的釋放主要是在密相區， 而揮發份的燃燒僅在密相區進行一部分，對于揮發份含量較高的燃料，揮發份的燃燒是在整個燃燒室甚至分離器中完成的。焦炭的燃燒通常始于揮發份析出之后，二者又是

9、重疊的2。一般的，焦炭的燃燒方式取決于燃燒反應速率和氧氣擴散速率，二者綜合作用決定了整個燃燒圖 1 中國 CFB 鍋爐訂貨和平均容量的變化圖 2 中國 CFB 鍋爐單臺容量的發展3反應。根據燃燒反應速率和氧氣擴散速率作用程度不同，簡單地分為動力控制、 動力一擴散控制、擴散控制三種情況。動力控制主要是指較大顆粒的焦炭，燃燒溫度較低、氣體邊界層較薄的情況。 此時氧氣不但容易達到焦炭表面，甚至到達焦炭內部孔隙，化學反應速度遠小于擴散速度。 這種燃 燒工況發生在 900900C左右的無孔隙粗粒子表面和有孔隙的細粒子中。動力一擴散控制是指中等焦炭的顆粒，自由沉降速度比大顆粒小，化學反應度與孔隙擴散速度大

10、致相同。許多研究者認為，流化 床中的焦炭顆粒的燃燒主要在這一控制區域， 甚至包括細顆粒的燃燒也是如此。 細粒徑的顆粒的燃 燒在循環流化床溫度條件下接近動力控制， 但由于循環流化床內細顆粒容易形成顆粒團， 其自由沉 降速度已經不能用單顆粒來計算，氧氣向焦炭顆粒的擴散不佳，處于動力擴散控制。 對較細的顆粒，溫度較高時，化學反應速率較高，通過相對慢的傳質過程而到達顆粒表面的有限的氧，在進入 孔隙之前就已被消耗掉。這種類型的燃燒為擴散控制的燃燒。在燃燒過程中， 顆粒的破裂和磨耗使大的煤粒減小， 這在循環流化床鍋爐中對燃燒過程有較大 的影響。中等程度結焦的煤，孔隙破裂是在揮發份析出過程中發生，在揮發份析

11、出前，顆粒表面為 最小。當氣體由煤粒釋放后，它開始破裂，這種現象叫做一次破裂，煤粒破裂成比原來小的幾塊。 炭燃燒時，焦炭細孔表面增大，炭里面聯結內部結構的橋變得稀薄，在炭粒子上的橋也變得稀薄， 經氣動力的作用，它形成松散裂紋， 這一過程叫二次破裂。二次破裂產生于揮發份析出以后的燃燒 過程。如果煤在工況 I I 的狀態下燃燒，即整個炭均勻燃燒，所有內部的化學鍵急劇瓦解斷裂，導致 二次破裂，稱為滲透破裂。煤的碎裂燃燒過程對給煤的位置和方式有關4。為了盡快使煤顆粒進入爐膛后被加熱燃燒，返料閥中回灰管給煤是有道理的，因此得到普遍采用。2 給煤系統的問題從鍋爐運行來看，煤斗的事故率很高，煤斗的堵塞時有發

12、生，分析其原因，大多數廠家都是參 照鏈條爐設計長方形的煤斗， 而沒有考慮到流化床本身燃料顆粒的具體情況。 按電力部門目前的設 計要求，成品煤倉的容積應能滿足鍋爐滿出力時 8h8h 以上的貯煤量的需求。成品煤堆積在錐形煤倉 內受到煤的擠壓，使煤粒之間、煤粒與煤倉壁之間產生摩擦力，越接近下煤口，其摩擦力及擠壓力 也越大。其中，煤粒間的摩擦力呈雙曲線形增大。所以在靠近下煤口 ( (約 1m)1m)處的煤易搭橋。另外水份越大，煤粒間的粘著力也越大。但當水分超過某一極限值時，粘著力又會減少。煤粒間的粘著 力以單個顆粒間的粘附力為基礎。顆粒越小，單位質量煤粒的表面積增大，煤粒間的粘附力增加， 使煤的流動性

13、惡化。為減小成品煤與倉壁間的摩擦力，可以采用一些措施，如，設計時成品煤倉四壁與水平面的傾 斜角 7070；為減少煤粒與倉壁之間的摩擦力，在倉壁內襯不銹鋼板或者高分子塑料板聚氯乙稀 (PVC)(PVC)板；原煤倉的容積適當減小，如德國大型火電廠在燃用高水份褐煤時，存煤量按24h24h 設計,這樣為煤斗結構的合理設計創造了有利條件， 同時煤在倉內停留的時間縮短后， 煤層受上煤層的重 壓時間縮短，在下煤口處可以減輕起拱搭橋等堵煤現象；下煤口越小，越容易堵煤，德國要求下煤 口寬度在煤用煙煤大于等于1000mm1000mm，燃用褐煤時大于等于1200mm1200mm，下煤口長度則小于等于1200mm12

14、00mm，煤倉與給煤機相聯接部分的金屬斗加工成雙曲線形。實際上，煤倉下煤口的尺寸比較小，加上成品煤又碎又濕，在下煤口處發生搭橋、不下煤是經 常發生的故障。 嚴重的影響到循環流化床鍋爐的正常運轉。 這種入爐煤落入爐內密相區的給煤機布4置方式，往往還帶來落煤在入爐口處被高溫高壓的熱煙氣堵住的問題,成品煤潮濕時，在下落過程中被高溫煙氣加熱后蒸發的水蒸氣往往上升云集在下料口，該處的潮氣特別大，很容易使濕煤粘結不下煤。提高給煤的可靠性，應該合理降低給煤系統的復雜性。如果采用前墻給煤，可以大大簡化，采用一級給煤即可，如圖4 4。由前面的分析可知， 給煤的位置及方式影響了煤顆粒的混合過程，進而影響燃燒過程，

15、 因此人們關心給煤位置對燃燒效率的影響。大量的研究發現，這一影響的確是存在的。3 給煤位置對混和的影響循環流化床鍋爐中的給煤、回灰、給石灰石、二次風等均為單相物質在氣固兩相流中擴散過程。混和不充分將導致反應物的分布不均和局部反應條件的不同。隨著容量的增加，床面積增大，每個給料（風）點流量增加，這種情況更加突出。其本質是如何使燃料、回灰、石灰石以及二次風及時擴 散到相應的床面積上去，以保持可燃物濃度均勻分布的問題。在循環流化床中，顆粒會聚集成顆粒團，顆粒團在床內上下運動， 形成固體顆粒在軸向的返混； 固體顆粒還會在床內徑向運動，形成固體顆粒的徑向混和。在循環流化床的密相區， 其流態類似于鼓泡床，

16、特別是在寬篩分的循環流化床的密相區，床內氣泡的運動會造成固體顆粒在軸向和徑向的落煤很快將下煤管堵死。而近年來，密封皮帶給煤機得到大量應用。密 封皮帶給煤機同時可以單個給煤口給煤量的計 量。 應用密封皮帶給煤機主要應注意給煤口不宜 正壓， 否則高溫煙氣反竄可能燒毀皮帶。從運行 情況看，密封皮帶給煤機比埋刮板給煤機的可靠 性好。煤倉間通常布置在鍋爐前部，普遍采用的后 墻回料閥給煤一般要采用三級給煤。 第一級給煤 機采用稱重式密封皮帶；第二級給煤機采用埋刮板式，將煤縱向輸送到Z Z2-Z-Z3柱；第三級采用埋 Z3刮式，將煤橫向輸送到反料閥上部，通過鎖氣器之類 的裝置依靠重力下落到返料管。這一系統中

17、，由于給 煤進入回料管處是正壓，因此給煤系統均處于正壓， 應通有一定壓力的風，以維持壓力穩定。見圖3 3。其特點是：全部采用埋刮板給煤機， 系統簡單，造價低， 但存在可靠性和調節靈活性差等問題。尤其是發生下 煤管堵煤時，正壓使得人工疏通非常困難。另外，由 于給煤經過的環節比較多，特別是刮板輸送機的機械 設備維護量較大，影響了機組的可靠性。2 號輸送刮板Zi2 號計量皮帶2 號計量皮帶Zo2 號煤倉Z2ZiZo圖 4 前墻給煤系統1 號輸送刮板爐前后1 號煤，號計量皮帶爐膛鏑料腿&口 2 號輸送刮板料 腿一1 號煤倉乙圖 3 回料閥后墻給煤系統 2 號煤倉5混和。由于循環流化床中顆粒的混和是一個

18、非常復雜的現象，特別是有關密相區固體混和，已經引6起人們的關注。研究顆粒的混合行為，一般采用顆粒示蹤、速度分布測定和模型計算等方法。最為常用的是示蹤粒子方法。示蹤技術主要有化學性質區分、放射性粒子、磁性粒子、升華及熱粒子五種方法?？?體來講，這些方法各有優缺點。顆粒在循環流化床內的軸向混和，主要是由于顆粒聚集沿床層軸向滑落，以及在邊壁區顆粒向下流動所造成的。圖 5 5 是部分顆粒軸向擴散系數的結果5, 6，可見顆粒軸向擴散系數受顆粒循環速率的影響較小。最近的研究發現隨粒徑的增加，峰值降低，且尾部變長。在入口區域，顆粒的混詁S合與顆粒性質無關。2m陶,a顆粒的徑向混和主要是由于氣固流動徑向的DD

19、不均勻性及中心相對稀薄區與邊壁密區之間的粒a.子交換所造成的。VanVan ZoonenZoonen 認為稀相區內顆粒的徑向擴散系數與氣體擴散系數具有同一數量級8，認為顆粒徑向擴散系數為D Dsr=30_10cm=30_10cm2/s/s。在圖5 稀相區內顆粒軸向擴散系數隨風速的變化床存量一定的情況下，楊海瑞等人測得橫向擴散（圖中數字表示循環流率Gs, kg/m2.s）系數 D Dsr為 20m20m2/s/s，發現流化風速對橫向擴散系數影響不大，而增加床料量將導致橫向擴散系數的 增大9。對密相區內顆粒的擴散發現，密相區的混合在強度上遠遠大于上部區域10。不同流化風速下的橫向擴散系數的實驗研究

20、結果見圖6 6。從圖中可以看出，擴散系數D Dsr隨著流化風速的增加而增大，且曲線斜率基本上相同。流化風速不變時，D Dsr隨靜止床高增加而增大，見圖7 711。這些研究從實驗的角度表明， 密相區的固體混和強度比較高，尤其是在實際鍋爐上流化風速在 5m/s5m/s，混和強度更高。因此只要有足夠的給煤點，前墻給煤是完全可以滿足燃燒需要的。當然，應該充分考慮燃燒效率問題。而事實上，給煤方式僅僅是影響燃燒效率的因素之一，目 前尚不能確定這一影響因素的確切影響程度。通常認為比較小。數據來源Patie nceU0, m/s圖 5 稀相區內顆粒軸向擴散系數隨風速的變化（圖中數字表示循環流率 Gs, kg/

21、m2.s） Ug=2m/s百Ug=3m/s Ug=3.6m/s10Cs80D6040161820222426H （cm）圖 6 流化速度密相區顆粒橫向擴散系數的影響H=25cmH=22.5cm H=17.5cm圖 7 靜止床高對密相區顆粒橫向擴散系數的影響Van ZonnenArenaD.10C-8060401.52.02.53.03.54.04.5Ug(m/s)74 循環流化床燃燒效率問題在循環流化床鍋爐中，由于物料在離開爐膛出口后經氣固分離裝置和回送機構不斷送回床層， 為炭顆粒的燃燒提供良好的燃燒條件。但在國內，許多燃燒硬煤以及廢棄物等的循環流化床CFBCFB鍋爐的實際飛灰含碳量很高，大大

22、超過預測和設計值， 導致鍋爐燃燒效率降低。 表 1 1 和表 2 2 分別列出了國內數臺循環流化床鍋爐所用燃料的性質、運行參數及飛灰中的碳含量情況。表 1 1220t/h220t/h 循環流化床鍋爐飛灰含碳量及其運行條件編號爐膛溫度（c）爐膛岀口過量空氣系數飛灰含碳量（）流化風速（m/s） 燃燒室高度（m）A8809051.2117.175.1929.4B8809051.2313.745.2329.4C8608901.238.915.0529.7D8809101.227.054.7528.8E8929151.218.724.2229.5F9009151.2622.204.7529.5G8859

23、001.318.383.9430.2H9009101.246.793.9428.5I8909001.256.914.2128.5J8909201.288.724.2529.5K8758851.326.304.8529.5L8809001.265.614.8528.6M8909151.265.304.9329.4N8809001.2618.015.1229.4O8758951.265.015.0829.4P9009301.2527.124.8929.2Q8608901.2616.315.0730.2表 2 2鍋爐燃用煤種的工業分析和元素分析編號CarHarOarNarSarAarMarVdafQ

24、ar,n et,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

25、.10H43.683.645.802.240.5132.9111.2435.5418.00I44.292.826.301.000.5537.857.1946.6517.10J49.452.826.301.000.5532.387.5030.5218.84K47.822.914.540.950.5635.257.9729.9318.82L44.153.857.451.011.1334.597.8240.5818.00M31.283.498.180.440.1048.038.4845.5813.13N58.492.974.460.660.5825.237.6113.0021.56O38.483.5

26、77.790.550.2143.825.5849.5915.90P61.711.331.810.440.7228.825.175.9821.398Q60.372.907.320.660.7511.3416.6619.2822.709單顆粒等徑縮核模型計算發現，焦炭粒子的燃盡時間隨粒徑變化曲線呈峰值特征，顆粒相對難燃盡12。燃料本身燃燒反應活性對飛灰含碳量有重要影響13。不同煤種對應的飛灰含碳量分布有差異14。較高的床層溫度及較高的爐膛高度無疑有助于降低飛灰含碳量15,16。大量的實驗室研究和現場測試工作表明，影響循環流化床燃燒過程中碳損失的主要因素有幾個方面。其中最主要的地是原煤的性質，因為設

27、備本身決定了顆粒的停留時間；燃料本身的反應活性決定了本征反應速率，目前部分投運的135MWeCFB135MWeCFB 電站在燃燒貧煤時飛灰可燃物含量較高也表明了這一點。而燃燒過程中碳的晶格會發生石墨化的排列重組17，研究證明了焦碳在流化床燃燒溫度條件下也存在著反應性下降的現象18，圖 8 8 描述了熱處理過程中焦炭反應性降低與溫度的關系。在循環流化床燃燒(900(900C) )條件下，使焦炭明顯失活的時間為10103030 分鐘。對爐膛中的較細的煤顆粒來講，由于停留時間不夠，不會明顯失活，所以非活性組分來源于在爐膛中停留時間較長的大焦炭顆粒。并且 由于大顆粒的溫度比爐膛溫度還要高5050200

28、200匸，這就使反應性下降程度更大。對循環流化床鍋爐飛灰未燃碳的 XRDXRD 測量證明晶格化程度的加強與活性降低的事實。因此，對這部分飛灰碳即使再 增加其在循環流化床內停留時間，燃盡仍有難度。因此一次燃盡度決定了機械未完全燃燒損失。這也是大量的改善分離器效率努力在減少飛灰可燃物含量方面效果實際上比較有限的原因。另一個重要的因素是氣固混和。對鍋爐截面進行的氧濃度測量顯示，爐膛二次風上部有一個如圖 9 9 所示的貧氧核心區19,顯然這是由于二次風的穿透擴散效果不佳而使氧氣不能到達爐膛中部的 結果，這對于核心區細顆粒的燃燒產生了負面影響。事實上，焦炭顆粒的碎裂特性對循環流化床鍋爐的飛灰可燃質含量的

29、影響很大20, 21。而煤顆粒的爆裂特性在很大程度上取決于煤的成分、顆粒大小、顆粒形狀和溫度。顆粒磨耗所產生的細小顆 粒的形態和活性對飛灰殘碳的生成有重要影響。40504050m m 的圖 8 不同溫度下焦炭失活XA吞匚連mCLnqw初mKesider ce t ne rmm i120i列R自S3-1圖 9 循環流化床鍋爐中的貧氧核心區105 結論通過對循環流化床鍋爐煤燃燒過程的分析，建議爐后回料閥給煤改為爐前給煤，以簡化系統，提高給煤的可靠性。只要保持合適的給煤點數量， 對燃燒效率沒有很大影響。對燃燒效率影響最大 的除了原煤的性質之外主要是二次風的混合。參考文獻：1呂俊復 , 馮俊凱 , 岳

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