循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行特性的研究

李志強(qiáng)

（陽泉煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030006）

引言

我國是目前煤炭生產(chǎn)和消耗的第一大國，且在未來很長一段時(shí)間內(nèi)煤炭依然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。煤炭利用最廣泛的方式為將其燃燒利用其熱能，但是煤炭在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的硫化物、氮氧化合物、碳氧化合物以及碳?xì)浠衔锏?，?yán)重污染環(huán)境，給可持續(xù)發(fā)展帶來了隱患[1]。針對(duì)此問題，在煤炭的利用中采用潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)，主要包括有循環(huán)流化床燃燒、增壓流化床燃燒、聯(lián)合循環(huán)以及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)等。本文針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行特性進(jìn)行研究。

1 450 t/h循環(huán)流化床的概述

450 t/h的循環(huán)流化床鍋爐目前被應(yīng)用于某電場(chǎng)，是我國目前設(shè)計(jì)容量最大的循環(huán)流化床鍋爐，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 450 t/h循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

450 t/h循環(huán)流化床鍋爐主要有物料循環(huán)與燃燒系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)。其中，物料循環(huán)與燃燒系統(tǒng)包括燃燒室、汽冷式旋風(fēng)分離器、J閥回料器、冷渣器。物料循環(huán)與燃料系統(tǒng)是450 t/h循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部分，與其他鍋爐有很大有的區(qū)別，因此在建模并對(duì)該型循環(huán)流化床的運(yùn)行特性進(jìn)行分析時(shí)，需在模型中精確體現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。

2 循環(huán)流化床鍋爐仿真模型的搭建

為在模型中正確反映循環(huán)流化床鍋爐各個(gè)分系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，針對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)的仿真建模應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手。

2.1 汽水系統(tǒng)

循環(huán)流化床過濾汽水系統(tǒng)仿真模型的搭建，需從水循環(huán)系統(tǒng)的汽包、水冷壁以及閥門等部件，給水系統(tǒng)的主管路、閥門等部件，以及過熱蒸汽系統(tǒng)的包墻、過熱器、減溫器和閥門等[2]部件入手，要求所建立汽水系統(tǒng)的模型可正確反應(yīng)如下問題：

1）能夠準(zhǔn)確反應(yīng)汽水系統(tǒng)在各工況下主汽溫度、壓力以及水位等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況；

2）能夠準(zhǔn)確反應(yīng)汽水系統(tǒng)各受熱面能量、質(zhì)量貯存能力對(duì)其運(yùn)行過程參數(shù)的影響；

3）能夠準(zhǔn)確反應(yīng)風(fēng)量、煤量以及閥口開口大小對(duì)汽水系統(tǒng)中溫度的影響；

4）能夠準(zhǔn)確反應(yīng)分系統(tǒng)中存在泄露時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所造成的影響；

5）能夠準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)垢、渣等會(huì)對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)熱性能造成的影響。

2.2 風(fēng)煙系統(tǒng)

風(fēng)煙分系統(tǒng)中分為風(fēng)系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。其中，風(fēng)系統(tǒng)的主要部件包括送風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器以及擋板等設(shè)備。煙氣系統(tǒng)的主要部件包括引風(fēng)機(jī)、除塵器、煙道以及煙囪等。要求所建立的風(fēng)煙系統(tǒng)滿足如下要求：

1）要求風(fēng)煙風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)系統(tǒng)的部件設(shè)備滿足其暫態(tài)特性和揚(yáng)程流量等特性；

2）要求風(fēng)系統(tǒng)中的暖風(fēng)出口溫度隨加熱蒸汽參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化而變化并與實(shí)際情況相符；

3）要求系統(tǒng)在不同工況下運(yùn)行時(shí)其溫度、壓力以及燃燒工況與實(shí)際相符。

2.3 物料循環(huán)與燃燒系統(tǒng)

物料循環(huán)與燃燒系統(tǒng)作為循環(huán)流化床鍋爐的核心系統(tǒng)，包括燃油系統(tǒng)、給煤系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和石灰石系統(tǒng)等[3]。要求所建立的物料循環(huán)與燃燒系統(tǒng)滿足如下要求：

1）要求所建立的模型能夠準(zhǔn)確反應(yīng)不同石灰石的投放量及流化床溫度對(duì)脫硫過程的影響；

2）要求分系統(tǒng)在啟動(dòng)或者停爐工況下能夠準(zhǔn)確反應(yīng)油槍投停對(duì)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒特性的影響；

3）要求所搭建模型能夠真實(shí)反應(yīng)渣量、床料量等對(duì)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒及流動(dòng)工況的影響。

根據(jù)上述模型搭建的要求，由于篇幅原因僅列出燃燒分系統(tǒng)的仿真模型，具體如圖1所示：

圖1 450 t/h循環(huán)流化床鍋爐燃燒分系統(tǒng)仿真模型

3 循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行特性的仿真分析

本節(jié)將從流化效果、流化風(fēng)量、床層壓力、床溫分布特性、床溫動(dòng)態(tài)特性以及汽溫特性進(jìn)行分析。

3.1 流化效果

在設(shè)備僅供一次風(fēng)的情況下，當(dāng)鍋爐內(nèi)床料全部流化后，立即停止系統(tǒng)的所有風(fēng)機(jī)，并對(duì)流化床床面料層的平整程度進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)實(shí)踐觀測(cè)可知，在整個(gè)流化床層面上的物料表面處于平整狀態(tài)，且床面上物料的分布十分均勻[4]。通過分析可證實(shí)，當(dāng)煤料被投入鍋爐內(nèi)燃燒后其燃燒狀態(tài)是十分穩(wěn)定的，其在燃燒過程中不會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。

3.2 流化風(fēng)量

在實(shí)際應(yīng)用中，循環(huán)流化床鍋爐的最小流化風(fēng)量為24 m3/s，小于其設(shè)計(jì)的最小風(fēng)量值31 m3/s，而且當(dāng)設(shè)備處于帶負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)流化風(fēng)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)流化床溫度的控制和調(diào)節(jié)[5]。具體變化趨勢(shì)為：隨著鍋爐載荷的不斷增加和投入鍋爐內(nèi)煤料量的增加，其對(duì)應(yīng)的流化風(fēng)量也在不斷增加。

3.3 床層壓力

在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證鍋爐的流化效果，對(duì)鍋爐內(nèi)料層的厚度提出了要求。然而，在實(shí)際燃燒過程中無法準(zhǔn)確找出物料層密集處和稀松處的分界線。因此，在實(shí)際應(yīng)用常通過對(duì)物料層密度和壓差的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及所排放處的煤渣量來反應(yīng)流化床上物料的厚度。

鍋爐在不同負(fù)載狀態(tài)下流化床物料層之間的壓力差值與布風(fēng)板高度的關(guān)系如圖2所示：

圖2 不同負(fù)荷下循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)壓力隨距離布風(fēng)板高度的變化趨勢(shì)

如圖2所示：當(dāng)鍋爐負(fù)荷較小時(shí)，其對(duì)應(yīng)的鍋爐內(nèi)的壓力反而較大；不論在負(fù)荷為70%還是80%的情況下，鍋爐內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)隨爐膛高度的變化趨勢(shì)是一致的，均是先減小后增大最后緩慢降低的趨勢(shì)；當(dāng)距離布風(fēng)板高度為0時(shí)，鍋爐壓力最大；當(dāng)距離布風(fēng)板高度為3.6 m時(shí)，鍋爐壓力為第二峰值。

4 結(jié)論

1）循環(huán)流化床鍋爐在燃燒煤炭過程中的流化效果良好，無結(jié)焦現(xiàn)象；

2）循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)流化風(fēng)量隨著設(shè)備負(fù)荷和投煤量的增加而增加；

3）循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)壓力隨著爐膛高度的增加呈現(xiàn)先減小后增大最后緩慢趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。