循環(huán)流化床鍋爐物料分布特征分析

周銳　郭東岳

【摘 要】對(duì)CFB鍋爐的物料分布特征進(jìn)行了分析。對(duì)不同的燃料，內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料平衡的實(shí)現(xiàn)方式不同，高的分離器分離效率是物料平衡實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)流化床鍋爐；物料平衡；物料循環(huán)

0.前言

循環(huán)物料平衡、熱量平衡和高的燃燒效率是CFB鍋爐正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。其中，物料平衡是CFB鍋爐正常運(yùn)行的基本條件，而CFB鍋爐的物料平衡又與不同區(qū)域的物料分布形式和分布特征有關(guān)。因此，有必要對(duì)CFB鍋爐的物料分布特征進(jìn)行研究。

1.CFB鍋爐內(nèi)的物料構(gòu)成

在通常條件下，爐內(nèi)物料主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、CaSO4、焦碳等構(gòu)成。

物料中SiO2、Al2O3和Fe2O3為主要成分，SiO2含量一般在40～60%，Al2O3含量一般在20～30%，F(xiàn)e2O3含量一般在3～10%。隨著脫硫用石灰石的增加，CaO和CaSO4含量增加。

焦碳在爐內(nèi)的平均含量與燃料的燃燒特性有關(guān)。對(duì)褐煤，底渣可燃物含量一般低于0.5%；對(duì)煙煤，底渣可燃物含量一般在1.5%左右；對(duì)貧煤，底渣可燃物含量一般在2～3%左右；對(duì)無(wú)煙煤，底渣可燃物含量一般在3%以上。此外，底渣可燃物的含量明顯與底渣份額和燃煤粒徑有關(guān)。

總體上，爐內(nèi)的平均含碳量與燃料密切相關(guān)。難燃煤種與易燃煤種相比，由于不同燃料的燃燒特性不同，要維持相同的熱量釋放，難燃煤種在爐內(nèi)的焦碳濃度或焦碳總量應(yīng)大于易燃煤種。

2.CFB鍋爐內(nèi)的物料分布狀態(tài)與分布特征

對(duì)CFB鍋爐，按爐內(nèi)的物料濃度通常將爐膛分為密相區(qū)、過(guò)渡區(qū)和稀相區(qū)三個(gè)區(qū)域。CFB運(yùn)行狀態(tài)下，在物料循環(huán)回路的不同部位，物料粒徑的分布和可燃物含量存在很大區(qū)別，物料在爐內(nèi)的分布大致分為以下四種類(lèi)型：內(nèi)循環(huán)物料、底渣、外循環(huán)物料（循環(huán)灰）和飛灰。

內(nèi)循環(huán)物料的穩(wěn)定是CFB鍋爐熱量平衡的基礎(chǔ)，也是CFB鍋爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在密相區(qū)、過(guò)渡區(qū)和稀相區(qū)存在不同的循環(huán)方式，同時(shí)三個(gè)區(qū)域的物料特性有很大區(qū)別。沿爐膛高度，物料粒徑和焦碳含量逐漸減小，密相區(qū)物料與底渣相似，稀相區(qū)物料與外循環(huán)物料相似。

底渣由密相區(qū)內(nèi)排出的物料組成，主要為煤中所含的矸石、未破碎的大煤顆粒、回料管回送的循環(huán)灰等。底渣中的可燃物含量一般比爐內(nèi)的平均可燃物含量大。

外循環(huán)物料指通過(guò)爐膛出口進(jìn)入分離器并回到爐內(nèi)的物料。外循環(huán)物料的粒徑一般在0.3mm以?xún)?nèi)，可燃物含量一般在1%左右。

采用旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)的飛灰粒徑一般小于0.1mm，由進(jìn)入分離器未分離下來(lái)的內(nèi)循環(huán)物料構(gòu)成。飛灰可燃物含量是以上四種物料類(lèi)型中最高的。對(duì)同一種煤種在相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件下，隨著脫硫用石灰石的增加，飛灰總流量相應(yīng)增加，但飛灰可燃物總量基本不變，飛灰可燃物含量會(huì)相應(yīng)減小。

3.CFB鍋爐內(nèi)的物料流動(dòng)狀態(tài)

物料在爐內(nèi)的宏觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為：

a.物料在密相區(qū)有強(qiáng)烈的內(nèi)循環(huán)。

b.物料在一次風(fēng)的帶動(dòng)下經(jīng)過(guò)過(guò)渡區(qū)進(jìn)入稀相區(qū)，在密相區(qū)的上界面有大量的物料揚(yáng)析和回落。

c.隨著爐膛高度的增加，物料向上揚(yáng)稀夾帶的量逐漸減少，在爐膛壁面可見(jiàn)物料向下流動(dòng)。

4.CFB鍋爐物料分布的實(shí)現(xiàn)

CFB鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足CFB運(yùn)行所需的內(nèi)循環(huán)物料、外循環(huán)物料、底渣和飛灰平衡過(guò)程。

在低負(fù)荷運(yùn)行條件下，CFB鍋爐處于鼓泡床運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)循環(huán)物料主要積聚在密相區(qū)位置，外循環(huán)物料量很少，物料主要通過(guò)底渣離開(kāi)爐膛。

在CFB運(yùn)行狀態(tài)下，內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料需要維持到一定的濃度才能夠得以實(shí)現(xiàn)，具體表現(xiàn)為一定量的內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料平衡的實(shí)現(xiàn)。CFB鍋爐的升負(fù)荷過(guò)程可以看作是內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料的積累過(guò)程。

在不排放循環(huán)灰條件下，物料進(jìn)入爐膛后通過(guò)兩個(gè)途徑離開(kāi)爐膛，底渣和飛灰；對(duì)應(yīng)特定的運(yùn)行狀態(tài)，存在一個(gè)特定的底渣份額或飛灰份額。由于密相區(qū)與稀相區(qū)的物料濃度差異，煤的成灰特性就可以通過(guò)四種物料在爐內(nèi)分布或平衡的實(shí)現(xiàn)可以充分體現(xiàn)出來(lái)，以下通過(guò)一些特殊煤種的物料分布或平衡的實(shí)現(xiàn)方法和現(xiàn)象進(jìn)行闡述：

a.高灰份易破碎煤種，底渣平均粒徑ddr明顯低于給煤平均粒徑dfuel，底渣份額adr小于飛灰份額afa，外循環(huán)物料量大。

b.高灰份難破碎煤種，ddr與dfuel相當(dāng)或大于dfuel，adr遠(yuǎn)大于afa。盡管燃料的灰份含量高，如果給煤粒徑過(guò)粗或破碎 性能很差（如煤矸石），在較短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，即使鍋爐風(fēng)室壓力已經(jīng)很高，爐內(nèi)料層壓降增大，但只是密相區(qū)大粒徑循環(huán)物料量在增加，而可參與爐膛上部循環(huán)和外循環(huán)的物料量卻難以積累，鍋爐將以鼓泡床方式運(yùn)行。鍋爐從剛啟動(dòng)時(shí)的鼓泡床運(yùn)行方式過(guò)渡到CFB運(yùn)行方式需要很長(zhǎng)的時(shí)間，添加可循環(huán)的細(xì)物料是一個(gè)很好的方法。

c.低灰份煤種，一般需要添加可循環(huán)的細(xì)物料。對(duì)低灰份褐煤，燃料的投入甚至不足以彌補(bǔ)飛灰的物料損失，需要定期添加一定的可循環(huán)細(xì)物料。該類(lèi)型CFB鍋爐選用選擇性排渣冷渣器可以彌補(bǔ)排渣帶來(lái)的一部分物料損失。

5.分離器對(duì)物料分布的作用

分離器的分離效率對(duì)物料分布和燃燒效率起著關(guān)鍵作用。

正常運(yùn)行條件下，通過(guò)底渣的排放和立管內(nèi)物料料位的自平衡調(diào)節(jié)，進(jìn)入爐內(nèi)可生成的可循環(huán)物料量與飛灰量相當(dāng)，外循環(huán)物料的粒徑保持在0.3mm以?xún)?nèi)，爐內(nèi)維持相當(dāng)?shù)奈锪狭壳移骄叫∮谝欢ㄖ?。滿(mǎn)足此運(yùn)行條件，大量的焦碳可在爐膛中上部燃燒，密相區(qū)釋放的熱量帶到爐膛上部，爐膛設(shè)計(jì)中所取的換熱系數(shù)與運(yùn)行值相當(dāng)，熱量沿爐膛高度較為均勻地釋放。

如果分離器分離效率降低，可循環(huán)物料量減小。分離效率的降低一般同時(shí)意味著分離器捕捉細(xì)顆粒的能力降低，這會(huì)造成內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料的平均粒徑增大，爐膛設(shè)計(jì)中所取的換熱系數(shù)大于運(yùn)行值。隨著分離器分離效率的進(jìn)一步降低，即使在滿(mǎn)負(fù)荷條件下，CFB鍋爐仍將以鼓泡床方式運(yùn)行。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于分離器分離效率、運(yùn)行控制、煤質(zhì)特點(diǎn)等原因，常常無(wú)法滿(mǎn)足CFB運(yùn)行方式所需要的內(nèi)循環(huán)物料量和外循環(huán)物料量及顆粒粒徑要求，常常以鼓泡床方式運(yùn)行。為達(dá)到鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷出力，通常加大給煤量運(yùn)行，爐膛下部溫度一般在950℃以上，為減小密相區(qū)溫度，通常采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)和一次風(fēng)份額，而爐膛上部溫度一般 在850℃以下，同時(shí)還出現(xiàn)水平煙道積灰、飛灰粒徑偏大、省煤器頻繁爆管等現(xiàn)象。

6.結(jié)論

物料在CFB鍋爐內(nèi)的分布可分為四種形式：底渣、飛灰、外循環(huán)物料和內(nèi)循環(huán)物料。CFB鍋爐的物料平衡可以進(jìn)一步認(rèn)為是內(nèi)循環(huán)物料和外循環(huán)物料的平衡。CFB運(yùn)行方式需要滿(mǎn)足一定的內(nèi)循環(huán)物料量，對(duì)特殊煤種需要采取特殊的方法實(shí)現(xiàn)物料的平衡。分離器的高效分離效率是滿(mǎn)足和維持可循環(huán)物料積累的必要條件。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]房德山，冷偉，徐治皋.循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)壓降分布及物料粒徑分布的計(jì)算[J].鍋爐技術(shù)，2002，33（2）：14-18，27.

[2]楊晨，何祖威，辛明道.大型循環(huán)流化床鍋爐固體顆粒流動(dòng)及分布的數(shù)值模擬[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2000，6（3）：238-243.

[3]馮俊凱.循環(huán)流化床燃燒鍋爐正常運(yùn)行的規(guī)律[J].能源信息與研究，2000，16（1）：1-6.