循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)分析

馬晉鵬

摘 要：本文主要從循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)、過程、影響因素三方面對其燃燒系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，以提高循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)對不同燃料煤質(zhì)的燃燒適應(yīng)性和循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率，旨在降低運(yùn)行成本，延長鍋爐的使用壽命，確保循環(huán)流化床鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到國家環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；物料流化；燃料粒比度

1 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)爐膛大、燃料顆粒在爐膛內(nèi)停留時(shí)間長、燃料顆粒在一二次風(fēng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)下流化燃燒等特性，決定了其具有以下4個(gè)燃燒特點(diǎn)：燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、脫硫性能強(qiáng)、氮氧化物排放低。這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)鏈條爐、煤粉爐和鼓泡床流化床鍋爐所不具有的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 燃料適應(yīng)性廣

循環(huán)流化床鍋爐不但能燃燒高熱量的優(yōu)質(zhì)煤種和燃料，而且還能燃燒像煤矸石、高灰煤、泥煤、生活垃圾等低熱量、低揮發(fā)分、高灰分的劣質(zhì)煤種和燃料。

1.2 燃燒效率高

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率可高達(dá)99%，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣，可控制在額定功率的30%～110%之間。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，只須調(diào)節(jié)給煤量、一二次風(fēng)量和旋風(fēng)分離器的循環(huán)量即可滿足不同條件下的負(fù)荷變化。

1.3 脫硫性能強(qiáng)

由于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性，當(dāng)鈣硫比在1.5～2.0時(shí)，其爐內(nèi)脫硫效率高達(dá)92%，因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐的床溫控制在850℃左右，是爐內(nèi)石灰石脫硫的最佳溫度，煤種中的硫元素在此溫度下，通過和石灰石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可達(dá)到脫硫的目的。

1.4 氮氧化物排放低

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)爐膛低溫燃燒和分區(qū)、循環(huán)燃燒的特性決定了其氮氧化物排放低的特點(diǎn)。通過多年的實(shí)際運(yùn)行證明，煤種通過循環(huán)流化床低溫循環(huán)燃燒，其氮氧化物排放量為55～140ppm。隨著國家環(huán)保要求的提高，再配合爐外尾部脫硝系統(tǒng)，循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物排放值可以控制在55ppm以下。

2 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程分析

2.1 流化

燃料顆粒在爐內(nèi)燃燒的空間為爐膛，也稱之為燃燒室。在燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，把燃燒室分為了稀相區(qū)和密相區(qū)。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒主要發(fā)生在爐膛下部的密相區(qū)，上部的稀相區(qū)，鍋爐分離器區(qū)燃燒相對較少。鍋爐爐膛布風(fēng)板上布有幾十公分厚的惰性材料。鍋爐爐膛是一個(gè)充滿灼熱的物料，是一個(gè)穩(wěn)定貯存熱量的火熱源。燃煤與分離器返回的未燃盡的焦碳顆粒在該區(qū)域燃燒，爐膛內(nèi)的物料在一次風(fēng)的主要作用下，密相區(qū)處于還原性氣氛，對于氣固流態(tài)化的固體顆粒來說，氣體并不均勻地流過床層，固體顆粒分成群體做紊流運(yùn)動(dòng)，床層中的空隙率隨位置和時(shí)間的不同而變化，形成“聚式”流態(tài)化，即所謂的物料流化。

2.2 燃燒

已經(jīng)流化的物料，高溫床料使燃料達(dá)到燃燒的燃點(diǎn)；一次風(fēng)提供了物料燃燒所需的氧氣，在高溫床料和一次風(fēng)的作用下，燃料開始燃燒。其中一次風(fēng)量約占燃料完全燃燒所需風(fēng)量的60%左右，燃料揮發(fā)分的析出和燃燒大部分發(fā)生在密相區(qū)，燃料燃燒釋放的熱量與爐膛四周下部的水冷壁進(jìn)行熱量交換；當(dāng)增加負(fù)荷時(shí)，保證一次風(fēng)能把燃料足夠流化的情況下，加大給煤量和二次風(fēng)的比例，讓已經(jīng)流化的份額較大、粒徑較大的煤粒，輸送至爐膛上部稀相區(qū)，在二次風(fēng)提供氧量的作用下，大顆粒煤同在稀相區(qū)的焦炭和一部分揮發(fā)分燃料，以富氧狀態(tài)進(jìn)一步燃燒，并與爐膛四周上部的水冷壁進(jìn)行熱量交換。相反，當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低，保證一次風(fēng)能把燃料足夠流化的情況下，減少給煤量和二次風(fēng)的比例，減少燃料在稀相區(qū)的燃燒，甚至在需要壓火時(shí)停止二次風(fēng)的供給，以滿足負(fù)荷變化的需求。

在鍋爐密相區(qū)床層溫度越高，床下部燃燒份額也就越大，但是一次風(fēng)量提供的氧氣量約占燃料完全燃燒所需風(fēng)量的60%，所以燃料在密相區(qū)是燃燒不完全的。在一次風(fēng)和流體力學(xué)的作用下，燃料從密相區(qū)到稀相區(qū)，燃料向上運(yùn)動(dòng)燃燒的同時(shí)又沿截面貼近爐墻向下移動(dòng)，進(jìn)而在爐膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)循環(huán)燃燒，物料循環(huán)延長了燃料在爐膛內(nèi)燃燒狀態(tài)的停留時(shí)間，更有利于燃料顆粒的燃盡和傳熱。

2.3 分離及平衡

燃料通過在爐膛內(nèi)的燃燒，大部分都已經(jīng)燃燒完畢，只有少數(shù)未燃盡的大顆粒燃料在流化風(fēng)的帶動(dòng)下，夾帶到旋風(fēng)分離器中，由于少數(shù)未燃盡的大顆粒燃料在分離器強(qiáng)大離心力的作用下，停留時(shí)間很短，再加上分離器中的氧含量很低，燃料顆粒在該區(qū)域燃燒份額很小，只有一小部分一氧化碳和一小部分揮發(fā)分燃料在此燃燒。本過程主要是分離燃料，控制整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的物料平衡，起到提高燃料利用率和鍋爐效率的作用，達(dá)到讓鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

在實(shí)際循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，一般分離效率大于理論計(jì)算數(shù)據(jù)。在實(shí)際工況下，從流化床內(nèi)進(jìn)入到旋風(fēng)分離器的氣固混合物中的固體燃料顆粒濃度比在其他常規(guī)鍋爐分離器中要高的多。這樣的顆粒通常以顆粒團(tuán)的形式出現(xiàn)，在離心力的作用下更容易被搜集，使分離器的分離效果增大。在循環(huán)流化床鍋爐實(shí)際燃燒工況下，固體燃料除經(jīng)過爐膛密相區(qū)、稀相區(qū)的內(nèi)循環(huán)燃燒外，還有一部分是在分離器再循環(huán)系統(tǒng)的外循環(huán)燃燒，以達(dá)到鍋爐的物料平衡，煙氣平衡。

3 影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的因素分析

3.1 燃料熱值特性

循環(huán)流化床鍋爐是針對不同燃料熱值特性的煤種而設(shè)計(jì)的專業(yè)的燃燒設(shè)備，當(dāng)實(shí)際燃料熱值與設(shè)計(jì)燃料熱值有較大差別時(shí)，就會(huì)影響鍋爐的燃燒系統(tǒng)，影響鍋爐效率和燃料利用率，要么燃料不能充分燃燒，浪費(fèi)資源；要么鍋爐出力不夠，達(dá)不到設(shè)計(jì)參數(shù)。所以選擇的鍋爐要和設(shè)計(jì)煤種相一致。

3.2 燃料粒比度

粒比度是指各粒徑的顆粒占燃料總量的份額。燃料的粒比度對不同鍋爐的要求也不完全相同。粒徑越小，在爐內(nèi)停留時(shí)間越短，基本從給煤口進(jìn)入爐床到從爐膛出口飛出爐膛的一個(gè)過程便可燃盡。但是粒徑太小，會(huì)導(dǎo)致未被燃盡就被吹出爐膛，并且受分離器的切割粒徑限制不能被回收至爐膛重新燃燒，這會(huì)使飛灰熱損失更大；而相反，粒徑較大的燃燒時(shí)間較長，如果大顆粒所占比重較大，會(huì)導(dǎo)致爐膛密相區(qū)過厚，若再加上布風(fēng)板結(jié)構(gòu)不合理，送風(fēng)調(diào)整不當(dāng)，放渣時(shí)間間隔短，那么就會(huì)使大顆粒的煤未被燃盡便被排出，使排渣熱損失增大。

3.3 流化質(zhì)量

流化床要求布風(fēng)板裝置配風(fēng)均勻，風(fēng)帽選型合理，風(fēng)速、風(fēng)量合理分配；使?fàn)t底物料流化質(zhì)量良好，清除死區(qū)和粗顆粒的沉積。進(jìn)入料層的氧氣不僅要分配均勻，而且要盡量減少氧氣氣泡的尺寸，減少氣泡的夾帶。在鍋爐運(yùn)行以前必須做布風(fēng)板均勻性試驗(yàn)和最小流化風(fēng)量測試，還要確定冷態(tài)臨界流化速度。因?yàn)闊釕B(tài)和冷態(tài)爐內(nèi)溫度差別大，煙氣密度不同，熱態(tài)時(shí)的密度要小，因此熱態(tài)時(shí)的臨界流量要比冷態(tài)時(shí)的臨界流量小得多，但是，臨界流速不變。物料流化質(zhì)量的好壞是影響流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。

3.4 爐膛床溫

維持穩(wěn)定的床溫是流化床鍋爐穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵，溫度越高，越有利于提高燃燒速率和縮短燃盡時(shí)間，但溫度太高，超過灰變形溫度就可能產(chǎn)生高溫結(jié)焦；溫度過低，對煤著火和燃燒不利，要在安全和不結(jié)焦的允許范圍內(nèi)盡量保持較高的床溫，應(yīng)維持在800～900℃。

3.5 一、二次風(fēng)的配比

一次風(fēng)應(yīng)滿足密相區(qū)燃料燃燒的需要，保證物料正常流化，從密相區(qū)布風(fēng)板進(jìn)入爐膛。其風(fēng)量過大，會(huì)使粒徑小的顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間過短，帶走熱量；風(fēng)量過小，使物料不能充分流化，燃燒不充分，還可能導(dǎo)致爐床局部過熱而結(jié)焦。二次風(fēng)從密相區(qū)與稀相區(qū)的交界處進(jìn)入，補(bǔ)充稀相區(qū)燃料充足的氧分，使物料橫向攪動(dòng)摻混，保證燃料充分燃燒，降低氮氧化物的排放。二次風(fēng)過大與過小對燃燒都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)和科技的不斷進(jìn)步，循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的技術(shù)也日益完善，相信循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)技術(shù)一定會(huì)向著高效型、節(jié)能型、超低排放型方向持續(xù)健康地發(fā)展。

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（作者單位：太原鍋爐集團(tuán)有限公司）