1、多元內循環流化床鍋爐技術劉美四¹,王小奇²,吳干祥³（1、長沙美一環保節能設備有限公司， 410152；2、長沙鍋爐廠；3、湖南省節能中心）歡迎訪問我們的網站：摘要：本文分析了循環流化床鍋爐內外循環倍率的不同比重，對鍋爐安全經濟運行所產生的重大影響，從而認識到提高內循環的比重，特別是提高床內循環倍率和設置橫向埋浸受熱面的重要意義。關鍵詞：磨損、結構復雜、外循環高倍率、多元內循環技術原理。Technology of Multiple Inside Circulation Fluid Bed Boiler LIU Mei si, Wang Xiao-qi ,Wu Ga

2、n-xiang(1.Changsha Meiyi Environmental Protection & Energy Conservation Equipment Co.Ltd. Changsha, Hunan 410152; 2.Changsha Boiler Works, Hunan 410000, China; 3.Hunan Province Energy Conservation Center)Abstract : This article has analyzed significant influence on the boiler's safe economic

3、al operation which is produced by the different proportion of inside and outside circulation percentage of circulation fluid bed boiler(CFBB) ,in order to realize to the great significance by enhancing the proportion of inside circulation,Specially by heightening the percentage of circulation in bed

4、 and establishing the horizontal heated surface which is buried and immersed.Key words: attrition; the complex structure; the high percentage of outside circulation; multiple principle of inside circulation technology .1、前言 從我國目前的循環流化床鍋爐的實際運行情況看，外循環倍率高的流化床鍋爐的磨損問題比有埋浸受熱面的循環流化床鍋爐更嚴重。這種外循環倍率高的流化床鍋爐結構復雜

5、，爐內床料濃度高，床壓差大，煙風阻力大，電耗高，燃料適應性差，對篩分粒度要求嚴格，維修時間多，運行周期短，出勤率低，運行成本高，經濟效益低。2、表現的主要問題2.1外循環倍率高導致流化床鍋爐自用電耗高，磨損嚴重，自用電耗高主要是鼓風機和引風機的運行風壓高、流速高造成的。外循環倍率高的流化床鍋爐的布風板面積小，每蒸噸汽約0.12m2，為了使床料流化和滿足一次風的送風要求，勢必將風壓提得很高，目前鼓風機全壓選擇都在2萬pa上下。引風機也因分離器的流速高、阻力大（旋風分離器的阻力一般在1.52kpa）造成爐壓差大，引風機的全壓選擇也多在68kpa。由于爐內壓力高，返料用的風壓更高，需單獨配置高壓風機

6、。其次是鍋爐對燃料的輸送設計和灰渣的輸送設計不當等造成電耗增高。這種循環流化床鍋爐與同容量煤粉鍋爐相比，前者比后者的電耗高出25%200%，是實實在在的電老虎。 外循環倍率高的流化床鍋爐的運行是依賴大量循環灰渣將密相區生成的大量熱能帶入上部爐膛，通過以縱向為主的摩擦方式循環灰渣再將攜帶的熱量傳遞給膜式水冷壁換熱，由于這種物料的速度快、濃度高，對膜式水冷壁的磨損極為嚴重；分離器的中心筒處于高溫、高速、高飛灰濃度的工況作用下磨損變形嚴重。該設備一旦損壞，其更換也是一個非常費工、費時、費錢、辛苦的工作；由于飛灰濃度高，尾部受熱面的局部磨損也很嚴重。據統計，因磨損爆管的事故占總停爐事故的約50%。2.

7、2外循環倍率高的流化床鍋爐結構復雜鋼耗高，目前該型循環流化床鍋爐結構設計越來越復雜，如燃燒系統的水冷布風板全是膜式壁組成；點火系統的煙氣發生器，占用的地方和空間大、管線多、投資多，使用的時間少；出渣系統的冷渣器、運渣括板機、分離器、返料器及一次風機、二次風機、返料風機等，還有靜電除塵器與儲灰倉，及二者間的細灰氣體輸送系統和儲灰倉氣體輸送引起的二次污染，還需消耗許多電能、同時帶來設備磨損。這些都應該考慮簡化設計，減少不必要的設備和多占有限的土地面積；節約鋼材、降低投資成本。循環流化床鍋爐是個非常復雜的系統工程，如不精心設計、科學設計，不但占用大量場地空間，造成現場擁擠，人為的增加了一些故障點，還

8、不方便現場工人的操作。以某臺670t/h循環流化床鍋爐為例，因現場過于擁擠，連兩個密相區的人孔檢查門都沒有設置過人的檢修通道，檢修人員要去拆裝人孔檢查門非要從設備的縫隙中爬到人孔檢查門邊上去，不但操作困難，檢修材料要進入爐膛就更困難。膜式壁是輕型爐墻的好模式，有效輻射系數高，整體密封性好，便于大型化，但在高速床內物料縱向沖刷，磨損速度快，傳熱系數僅120150W/m2k，且均只能單面受熱，受熱面利用率50%，單面磨損，更換時，要連同沒有磨損的部分一起丟棄，浪費增加50%，鋼耗高，非常可惜。 2.3設備出勤率低，運行成本高。（1）外循環倍率高的流化床鍋爐磨損爆管次數多，因而檢修時間多；（2）流化

9、床燃燒系統穩定性差，大顆粒料易沉積造成低溫結焦，分離器返料器運行溫度偏高易導致結焦；（3）風帽的燒損和漏灰造成停爐；（4）煤倉下煤不暢，給煤機燒壞故障造成停爐等，引起設備出勤率低，運行成本高。以某十萬kw外循環倍率高的流化床鍋爐發電機組為例，每停一次爐要造成幾十萬元甚至上百萬元經濟損失，國家優惠上網電價為0.405元/kwh，而發電成本卻達0.395元/kwh，利潤甚微。稍遇風險，就發生虧損。3產生以上問題的原因： 3.1磨損嚴重與電耗高是一個問題帶來的兩個苦果，目前多數外循環倍率高的流化床鍋爐爐膛是仿照國外過去的設計，為下小上大的瘦高錐形，底部布風板處最小，分離器多為立式旋風筒型。每蒸噸汽的

10、水冷布風板面積約0.12m2，密相區燃燒份額約為35%60%。由于密相區面積小，風速高，氣固濃度高、無法設置埋浸受熱面，因而密相區燃燒放出的熱量沒有吸收，只能依賴大量的循環灰渣作熱載體以快速的方式將熱量帶出密相區，傳給爐膛上部的膜式水冷壁，膜式水冷壁成了縱向沖刷的埋浸受熱面。密相區風速高，必然要求風室的風壓高，而當風量不變，風壓增高時，風機功耗與風壓的增高成正比，而爐膛氣固流體的濃度增高與膜式壁的磨損速度成正比，氣固流體的速度增高與膜式壁的磨損成3次方關系，所以現在的外循環倍率高的流化床鍋爐受熱面磨損程度超過了有埋浸受熱面的流化床鍋爐，因而爆管事故多。 膜式水冷壁的這種磨損又有其特點，僅是單面

11、磨損，另一面完好無損，一旦爆管，需要正反兩面一起更換，造成材料浪費，從以上分析可知，物料的外循環倍率越高，所需的煙氣流速也越高，磨損速度也就越快，動力消耗和材料浪費也就越大。 3.2結構復雜鋼耗高，這是循環流化床鍋爐大型化需迫切解決的兩個新問題。外循環倍率高的流化床鍋爐是以提高爐腔高度來彌補大型化所需燃燒空間和時間，因此鍋爐容量越大爐體就越高，結構越復雜，鋼耗也就越高。鋼耗一般是同容量煤粉鍋爐的1.41.8倍。該型鍋爐的爐膛很高，雖占地不多，但要求鋼架的強度和剛度大，所以鋼架鋼耗高。而輔助設備部分復雜，如點火系統的煙氣發生器，有的超過了主燃室的占地；鍋爐各種管線多，冷渣系統、括板運渣機等設備布

12、置很擁擠；還有旋風分離器比表面積大，其四周很多空間又無法利用。某臺670t/h大型外循環流化床鍋爐，由于擁擠，連密相區的人孔檢查門也沒設計一個方便過人的通道，工人們要去開檢查門，非常不方便。另外，膜式壁的傳熱系數僅為120150w/(m2.)，是單面受熱，多耗鋼材，而且膜式壁的制造成本高，為什么都做這種結構的埋浸受熱面呢？是否可以在進一步降低鍋爐的受熱面積和制造成本上有所創新？如煙氣發生器可以小些，鍋爐點火可以床下與床上聯動，或分床啟動，這樣不但可以降低鋼耗，也可以降低點火油耗。 3.3外循環倍率高，燃燒條件差是設備出勤率低，運行成本高的主要原因。外循環倍率高的流化床鍋爐設備出勤率低，運行成本

13、高的因素較多，但主要因素之一是外循環倍率高，磨損嚴重，這個問題較明顯，本文不贅述；之二是流化床燃燒性能差，大顆粒料易沉積和燃燒份額低。目前我國外循環倍率高的流化床鍋爐燃燒系統多是由膜式水冷壁組成的平布風板（有的略傾斜5°）和鐘罩式圓柱風帽組成， 燃料從返料管（或給煤口）進入床內后，只能隨熾熱的床料上下翻騰，這種翻騰的特點是軸向的波形曲線擴散，即便加了播煤風，也缺乏徑向的水平擴散運動，因此密相區進煤處的床料中含碳濃度很高，而鄰近的區域只能靠軸向的波形曲線擴散才能得到碳粒，而遠離給煤口的區域，當這種波形的擴散運動將這些燃燒的床料送到時，僅剩很少量的可燃碳了。由于密相區內存在這三種不同的含

14、碳床料，而風室向床內提供的氧含量均為20.89%的空氣，這就必然在床內形成了幾個不同的燃燒區域，靠近給煤口附近的區域為富碳貧氧區，離進煤口最遠的區域碳燒得差不多了，為貧碳富氧區，而介于這二者之間的區域則是碳氧的平衡區，這種狀況必然造成密相區溫度場的差異和同等風室壓力而底部速度不等，是導致平布風板對大顆粒爐渣清除能力差的主要原因，當鍋爐遇到煤質變化和給煤量變化帶來爐溫波動時，很容易造成低溫結焦。 由于上述原因，密相區內的燃燒效率是不均勻的，因此，直接影響鍋爐的整體燃燒效率，尤其是對于那些不能被分離器分離的細碳粒子，和熱解析出的揮發份在富碳貧氧區缺少燃燒條件被高速氣流帶出爐外，造成q3、q4（氣體

15、、固體不完全燃燒）熱損失增大；在貧碳富氧區過量氧造成q2排煙熱損失增大。而對于一些低灰份的高熱值煤又需摻冷渣灰燃燒，這實際上是把好煤當成差煤燒，熱效率會高嗎？以上諸多因素導致鍋爐運行成本高。同時，摻燒冷渣灰、無疑增加了爐內的磨損和鼓引風機的電耗，增加除塵器的電耗，還增加灰渣的輸送電耗，真是無一利而有百害。 4.循環流化床鍋爐的技術改進原理、要求與措施 4.1循環流化床鍋爐改進技術原理循環流化床鍋爐的物料循環是由內循環和外循環組成的。爐內物料的循環和爐外物料的循環對床溫和燃燒的影響作用不同，對燃燒和脫硫、磨損的影響作用也不相同。增加內循環量，就可減少外循環量，燃燒和脫硫的效率不變，而磨損卻可減輕

16、，尤其是增加密相區的內循環量，就能加快床料中碳粒的擴散速度，使碳粒在床料中分布均勻，才能有效提高流化床鍋爐的燃燒和脫硫效率，大量減少外循環量，才能減輕鍋爐磨損。密相區的內循環量大，能消除平布風板密相區的燃燒缺陷，放寬對布風板面積的限制，降低密相區的軸向物料流速，延長碳粒在密相區的燃燒時間，同等容量鍋爐的高度可以降低。據研究和實驗，密相區的燃燒份額可提高到0.70.90。對于密相區如此高的燃燒份額所放出的熱能，在該區內設計一種結構簡單（見圖1）能避開粗顆粒床料的磨損，防磨措施好，便于更換的埋浸受熱面進行吸收。為了提高鋼材的利用率，這種埋浸受熱面應橫向布置，雙面暴光，傳熱系數高達250280w/m

17、²k，用很少的受熱面吸收較大份額的熱量，降低循環流化床鍋爐的鋼材消耗。使循環流化床鍋爐更經濟的大型化。 提高密相區內循環倍率能有效的消除密相區內碳粒和溫度場的分布差異，其次是消除大顆粒雜物難以排出的缺陷。布風板面積根據鍋爐容量的大小，以充分把鍋爐下部空間全部利用為原則，據測算一般按0.250.35m2/噸汽選取是可行的，不會影響鍋爐大型化，反而降低鍋爐投資和運行成本。布風板面積的擴大，密相區的流速降低，同樣燃燒時間，鍋爐的高度可以降低，風室風壓和風機電耗隨之大幅下降，下降最大的是磨損速度。 由此可見提高內循量可使鍋爐設計簡化，鋼材消耗降低，輸送動能降低，故障率降低。 目前，國外研究成

18、果也表明，提高內循環特別是床內循環倍率對于鍋爐運行的經濟性遠高于外循環高倍率，如日本荏原公司就研制開發了一種錐形床內循環燃燒技術，設置了床內帶隔板的低位低速埋浸受熱面，該技術已在世界多個國家申請專利保護。 美國CPC公司（Combustion Power Company）研究認為密相區內循環可使布風板面積放大而提高燃燒效率，并布置高位埋浸受熱面，氣流橫向沖刷。德國（巴高克公司）(IRCOFLVID)研究認為布風板面積適當放大爐內設置高位埋浸受熱面，讓氣流橫向沖刷，能使鍋爐結構簡化。 另外，國外對于分離器的能耗也特別注意，總是選取低溫低速分離及不需動力的重力返料。對于鍋爐長年累月的運行產生了不可

19、忽視的經濟效益。 4.2循環流化床鍋爐的技術改進要求 根據上述技術改進原理，對循環流化床鍋爐提出如下改進技術要求，以供改進技術設計、制造時參考，以利用戶使用時衡量。（1） 煤的適應性寬，不但能燃用高灰份的低熱值煤種，同時也能燃用低灰份的高熱值煤種。（2） 煤的粒度要求低（015mm），不受各粒級份額的嚴格限制。 （3）燃燒效率高，磨損低，自用電耗低，鍋爐維護檢修費用低。 （4）脫硫效率高，鈣硫比低，有害氣體生成量少。 （5）結構簡單，鋼耗低，鍋爐與人和諧、維護、維修方便容易。 （6）運行穩定、負荷調節靈活、出力充足。 （7）點火啟動耗油少，操作簡便快捷。 （8）年出勤率高，經濟效益好。 4.3

20、循環流化床鍋爐技術改進措施 （1）密相區內循環燃燒系統及埋浸受熱面的技術改進措施根據燃燒原理與循環流化床鍋爐燃燒機理特性，對于密相區內的循環燃燒宜采用碟形布風板與多風室風箱（見圖1）（與日本荏原公司錐形布風板多風室風箱的布風板方向相反，作用相同），鴨嘴形定向風帽、圓柱直風帽、導流板圓柱直風帽等共計5種規格的風帽組成一種風室之間有壓差、四周傾斜布風板與中間平布風板風帽布置不同、開孔率不同、風速不同的特殊流化床。布風板面積根據鍋爐的蒸發量的大小，可分別在0.250.35m2/噸汽之間選取。其工作機理是密相區中心床料呈倒錐形向上噴涌，在一定高度成噴泉狀向四周落下，燃料入爐后隨四周落下來的床料旋轉吸引

21、力的作用帶入傾斜的密相區的床底，在傾斜布風板的3種不同規格的風帽作用下，形成了一種既有粗顆粒向中心的層面流動和中小顆粒的小范圍旋流的翻滾循環運動，這些燃料和床料一旦接近中心布風板的邊緣，便被中心布風板的導流板風帽形成一種“空洞”效應吸引，飛速向中心集結并被噴向上方進行周而復始的密相區內循環；另外，被中心揚析出去的細小顆粒在到達稀相區的一定高度，受爐膛內煙氣流場的影響會向四周邊壁聚集并向下運動，進行爐膛內的循環。綜合這些爐內循環技術，我們定位于多元內循環流化床燃燒技術。實踐證明，這種多元內循環流化床燃燒技術使密相區內入爐燃料與床料發生了強烈徑向循環（橫向攪拌）使床內的溫度場、空氣、煙氣場和碳灰場

22、分布均勻、因而大大提高燃燒效率。同時床內的循環具有很強的破渣能力和清除大顆粒料的能力，不管鍋爐連續運行時間多長，也不管制煤系統篩分發生故障，進入床內的大顆粒都會通過排放冷渣自行清除，不會在床內產生沉積造成低溫結焦或滅火事故。如果用入爐燃料的循環倍率來衡量，這種內循環的倍率高達15002000。該多元內循環燃燒系統點火所用的燃料、點火時間和對點火技術水平等的要求均大為降低，運行操作平穩，負荷增減自如，不受高熱值燃料和低熱值燃料變化的影響，燃料粒度的分布份額對它的影響也非常小，鍋爐連續運行周期長達半年至一年，途中若需壓火也很容易，停啟快速。實踐證明，因煤的特性不同，這種多元內循環燃燒系統密相區的燃

23、燒份額高達0.700.90。而一次風過量空氣系數可控制在11.05之內；密相區橫向流速度高、循環倍率很高，但在一定高度后，軸向（縱向）流速低，僅為高速床的35%40%，而埋浸受熱面在此高位布置，主要依靠中小顆粒的熱傳導和低速橫向沖刷傳熱，傳熱系數高于縱向沖刷的膜式壁近2倍，而平均磨損速度卻低三倍；因風壓低，鼓風機的電耗可降低一倍；埋浸受熱面一般采用51×5鋼管焊上防膜鰭片，能連續運行20000小時，如采取特殊防磨噴涂技術預計使用壽命可達32000小時以上；埋浸受熱面的設計是便于更換、用材省，鋼材利用效率高。為了克服膜式壁的不足，我們在原水冷壁的基礎上（見圖2）采用長沙美一公司生產的不銹鋼纖維增強耐火澆注料對爐膛進行整體的澆注，達到了很好的效果：1、保留了輕型爐墻的特點；2、制造成本下降；3、方便運輸、安裝、和維修；4、經久耐用。必須說明的是，對于過寬顆粒篩分（040mm）的燃料，該燃燒系統能穩定燃燒運行，且出力不受影響，但熱效率下降到80%，從經濟運行節能角度出發，故不主張篩分太寬。對于