1、 循环流化床锅炉的运用和发展江西省电力设计院 刘祥玲 许思龙 刘寿忠内容提要 本文从燃烧机理、锅炉热效率、运行的稳定性、对燃煤的适应性、环境保护、锅炉设计、锅炉启动过程、停炉过程两等几个方面介绍了循环流化床锅炉的特点。结合我院对循环流化床锅炉的认识及对循环流化床锅炉机组的设计经验的总结，阐述了循环流化床锅炉在我国的发展和运用。文章同时介绍了循环流化床锅炉若干问题如床温调节、防止床层超温结焦、非金属耐磨耐火材料防磨、减少锅炉底灰、飞灰可燃物、合理选择冷渣器的处理意见。关键词 循环流化床锅炉 特点 发展和运用 若干问题 处理意见1 循环流化床锅炉的特点循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低
2、污染清洁燃烧技术。因其具有燃烧效率高、煤种适应性广、烟气中有害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优点，在当今日益严峻的能源紧缺和环境保护要求下，在国内外得到了迅速的发展，并已商品化，正在向大型化发展。我国是产煤大国，也是用煤大国，一次能源结构中，煤炭占 70左右，优中质煤、劣质煤均丰富。全国煤产量的 25是含硫量超过 2的高硫煤。优质煤集中在华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区。目前积存下来的煤矸石达 14 亿吨，并以每年 6 千到 7 千万吨的数量增加。与此同时，因煤燃烧每年有 87的 SO2和67NO X排入大气，造成严重的环境污染。因此发展高效、低污染的清洁燃烧技术是当
3、今社会持续发展的必然要求。1.1 独特的燃烧机理固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程，称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其炉子称为流化床锅炉。流化理论用于燃烧始于上世纪 20 年代，40 年代以后主要用于石油化工和冶金工业。流化燃烧是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。煤预先经破碎加工成一定大小的颗粒（一般为8mm）而置于布风板上，其厚度约在350500mm 左右，空气则通过布风板由下向上吹送。当空气以较低的气流速度通过料层时，煤粒在布风板上静止不动，料层厚度不变，这一阶段称为固定床。这正是煤在层燃炉中的状态，气流的推力小于煤粒重力，气流穿过煤粒间隙，煤粒
4、之间无相对运动。当气流速度增大并达到某一较高值时，气流对煤粒的推力恰好等于煤粒的重力，煤粒开始飘浮移动，料层高度略有增长。如气流速度继续增大，煤粒间的空隙加大，料层膨胀增高，所有的煤粒、灰渣纷乱混杂，上下翻腾不已，颗粒和气流之间的相对运动十分强烈。这种处于沸腾状态的料床，称为流化床。这种燃烧方式即为流化燃烧。当风速继续增大并超过一定限度时，稳定的沸腾工况就被破坏，颗粒将全部随气流飞走。物料的这种运动形式叫做气力输送，这正是煤粉在煤粉炉中随气流悬浮燃烧的情景。1.2 锅炉热效率较高由于循环床内气固间有强烈的炉内循环扰动，强化了炉内传热和传质过程，使刚进入床内的新鲜燃料颗粒在瞬间即被加热到炉膛温度
5、（850） ，并且燃烧和传热过程沿炉膛高度基本可在恒温下进行，因而延长了燃烧反应时间。燃料通过分离器多次循环回到炉内，更延长了颗粒的停留和反应时间，减少了固体不完全燃烧损失，从而使循环床锅炉可以达到 8895的燃烧效率，可与煤粉锅炉相媲美。1.3 运行稳定，操作简单循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于 10mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。循环流化床锅炉燃料系统的转动设备少，主要有给煤机、冷渣器和风机，较煤粉炉省去了复杂的制粉、送粉等系统设备，较链条炉省去了故障频繁的炉排部分，给燃烧系统稳定运行创造了条件。90 年代循环流化床在国内应用初期，由于研究、设计、制造、安装、运行等各
6、方面经验的缺乏，其应用中的确存在着连续运行时间短、出力不够、点火难、磨损严重、易结焦、辅机故障率高等许多问题，但经过十多年各方面不断完善化工作，不仅可以保证连续运行时间高于 4000h，对有经验的设计、制造、安装和运行单位而言其他问题也已克服。只要保证不间断的给煤，保持炉膛膛压稳定，控制好炉膛温度，在 30100BMCR 的负荷下连续稳定运行不成问题。1.4 燃料适应性广，对煤炭供应市场波动有较强的适应性在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的 13，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的
7、灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。循环流化床锅炉具有很高的燃烧热强度，其截面热负荷为 46MW/m 2，是链条炉的 26 倍，其炉膛容积热负荷为 1.52MW/m 3，是煤粉炉的 811 倍，因此它几乎可以燃烧在煤粉炉或链条炉中难以点燃和燃尽的贫煤、无烟煤、煤矸石等一切种类的燃料，并达到很高的热效率，这对于燃用当地劣质燃料、应对煤炭供应紧张形势有重要意
8、义。分宜国产首台 410t/h 具有自主知识产权的循环流化床锅燃用当地劣质煤，热值在 1200021000Kj/kg 之间大幅波动，但循环流化床锅炉始终基本稳定运行，其优越性非常明显。而链条炉、煤粉炉由于煤种变化较大，不是达不到出力，就是频繁发生灭火、结焦等故障。1.5 污染物排放量低循环流化床内的燃烧温度可以控制在 850950的范围内稳定而高效燃烧，这一燃烧温度抑制了热反应型 NOx 的形成，同时采用分级燃烧方式向炉膛内送入约 3040的二次风，又可控制燃料型 NOx 的产生。只要操作得当，运行平稳，可以控制 NOx 的排放量小于 200300mg/Nm 3，其生成量仅为煤粉炉的 1/31
9、/4。由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为 1.52.0 时，脱硫率可达 8590。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到 8590，钙硫比要达到 34，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。根据煤中含硫量的大小直接向炉膛内喷入或在给煤中掺入一定量的 01mm 的石灰石粉，可以脱去在燃烧过程中生成的 SO2
10、，脱硫效率可达到 90。1.6 燃烧强度高，炉膛截面积小炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为 3.54.5MW/m 2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大 23 倍。1.7 床内不布置埋管受热面循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间压火等。2 循环流化床锅炉的运行方式2.1 锅炉启动方式2.1.1 点火前的准备CFB 锅炉点火前除了进行必要的吹扫工作外，还要控制合理的床层压力。以我院设计的江西分宜
11、国产首台具有自主知识产权的 410 t/h CFB 锅炉为例，点火时的炉膛床压一般控制在 45 kPa。这是因为炉膛内的床体主要是由大量的惰性灰渣（正常运行时占总床料的 95%以上）组成的，其蓄热容量是随床层压力（对应不同的静止床高）的升高而升高的。如果点火床压过高，启动时间和启动过程中需要的燃油量都会相应加大；如果点火床压过低，床层的蓄热量就会降低，影响煤粒的引燃，因此保证合理的点火床压对 CFB 锅炉的启动是很重要的。2.1.2 点火方式火方式CFB 锅炉的点火方式不同与普通煤粉炉锅炉，以我院设计的江西分宜国产首台具有自主知识产权的 670 t/h CFB 锅炉为例，它是采用床下风道点火器
12、和床上点火器联合点火的方式进行点火，利用燃油的放热加热烟气的温度，再利用热烟气加热炉膛内的床层，以不断提高床层的温度水平来达到煤粒的着火温度。从结构上讲，床下风道点火器和床上点火器不仅要对炉膛内的耐火材料、金属受热面和烟气进行加热，还要对床下风道、平衡风室、旋风分离器、回料腿中的耐火材料和床层物料进行加热，因此 CFB 锅炉的启动时间和在启动过程中的燃油量都比煤粉锅炉要大，而且它在启动过程中所受到的升温、升压速度的限制条件也比煤粉锅炉要多。2.1.3 煤的投入时机CFB 锅炉的煤粒是通过在床内被加热到着火温度后，析出挥发分着火燃烧的。由于每秒钟新加入床内的冷燃料只占床料的 1%左右，大量的热床
13、料非但不与新加入的燃料争夺氧气，却提供了一个蓄热量很大的热源。煤粒燃烧所放出的热量，其中一部分又用来加热床料，使床内温度始终保持在一个稳定的水平。由于 CFB 锅炉点火方式的限制，被加热的床层温度存在上限，这恰好也在煤粒着火温度的下限附近，因此在投煤的初始阶段，煤粒在床内并不能充分燃烧。凭借间断投煤逐步提高床温这一手段，当床温达到煤粒着火温度以上时，就可以连续投煤了。随着床温的上升和投煤量的增加，燃油量就可以逐步降低了。2.1.4 一/二次风的配比及作用CFB 锅炉的一次风最主要的作用是克服平衡风室和床层的阻力，对炉膛床料进行充分流化，为炉膛内物料的整体循环提供充足的动力，同时为入炉煤的燃烧提
14、供基本的氧气。而二次风是用来控制燃烧总风量，且为炉膛上部稀相区的未燃尽煤提供燃烧所需的氧气。不过由于 CFB 锅炉燃烧机理的不同，通过分级配风，还可有效地控制氮氧化物的排放量。由于一次风的用途多、系统阻力大，因此要求的一次风压力和风量都较同容量的煤粉锅炉大。以我院设计的江西分宜国产首台具有自主知识产权的 410 t/h CFB 锅炉为例，一次风总风压一般控制在 10 kPa 以上，才能满足床层流化的要求。由上述分析可知，CFB 锅炉与同容量煤粉锅炉相比，启动时间相对较长。2.2 停炉过程2.2.1 投油助燃的时机与煤粉锅炉相比，CFB 锅炉的低负荷稳燃区低得多，即其负荷调节范围大。对于煤粉锅炉
15、，当负荷低于额定值 50%70%时，一般就要投入助燃油枪，以保证稳定燃烧，避免锅炉突然灭火或造成爆燃事故。而对于 CFB 锅炉，它的低负荷稳燃区一般在 30%额定负荷左右，也就是说当负荷低于额定值 30%40%时，才需要投油助燃。这是因为 CFB 锅炉炉床截面的风速较高，易于控制炉内吸热。当锅炉负荷要求变化时，只需调整给煤量，并适当调整流化速度改变炉内的循环物料量，就可以满足锅炉负荷的变化要求。因此，在停炉过程中 CFB 锅炉比煤粉锅炉的燃油量相对减少。2.2.2 停炉过程中的其他操作 停炉过程中，待熄火后，继续维持风机运行 5 min 左右，借以清除炉膛和烟道内的可燃物，当氧量上升到大于 1
16、5 %后，停止风机的运行并关闭挡板。在停炉过程中，CFB 锅炉的操作就是要注意对炉膛床压的控制。这是因为在停炉过程中随着燃料量和风量的逐步减少，炉内的循环物料量也会相应减少。大量的悬浮物料从稀相区落至床内，造成炉膛床压和差压的迅速上升。为了保证床料的基本流化，防止局部流化不良而导致结焦，在一次风量逐步减少的情况下，只有通过冷渣器将大量的床料排出炉膛以维持适当的停炉床压。因此，在停炉过程中，冷渣器一般始终保持运行，直至床压达到要求。尤其在发生炉膛内汽水系统爆管事故时，为防止床内物料遇水结块，应迅速启动床下风道点火器，维持炉膛床温在 350 以上，尽量将所有床料排净。2.2.3 停炉冷却考虑到正常
17、停炉后 CFB 锅炉炉膛床内和回料装置内都积存有大量的物料，其蓄热量比煤粉锅炉要大得多，因此它所需要的冷却时间也比煤粉锅炉要长。为了达到炉膛能够进人进行检修的条件，一般应将床料温度降至 50以下，才停止风机的运行；而对于回料装置，根据冷却要求 J 阀风机比送风机的运行时间延长 16 h 左右。3 循环流化床锅炉的运用和发展近几年来，循环流化床锅炉在我国得到了快速的发展，大型化的步伐很快。100MW 以上功率的循环流化床锅炉已有 100 余台在设计建设和运行中，其中分宜国产首台具有自主知识产权的 410t/h 循环流化床锅炉于 2003 年 6 月 19 日投入商业运行以来，对煤种适应范围广，调
18、峰能力强，运行情况良好。2004年 12 月经电力工业部热力发电设备及材料质量检测中心检测，锅炉效率修正到设计煤质后为 90.76%，高于设计值 89.08%，比国外进口的（四川白马电厂）同类型锅炉设计效率 90.7%还要高。这说明我国首台具有国有自主知识产权的410t/h 循环流化床锅炉的研制是成功的。该锅炉已获得中国电机工程学会和中国电力科学技术奖励工作办公室颁发的自主产权的 100MW 锅炉研制及示范项目 2004 年度中国电力科学技术一等奖。 由我院设计的分宜国产首台具有自主知识产权的 670t/h 循环流化床锅炉机组于 2004 年 9 月 29 日开工建设，2006 年 7 月 7
19、 日一次性顺利通过 96 小时试运行。标志着该机组建成投运。由我院设计的分宜国产首台具有自主知识产权的 1025t/h 循环流化床锅炉机组工程前期工作已经完成，即将进入实际性的实施阶段。引进的 300MW 功率的大型循环流化床锅炉（四川白马电厂）已投入商业运行。引进技术国产的 300MW 循环流化床机组国内已有 14 台在建设和运行。其中引进技术国产首台 300MW 循环流化床机组于 2006 年 6 月 7 日在云南省开远电厂投入商业运行。我院设计过 25MW、50MW、100MW、135MW、150MW、200MW、300MW 等容量的系列化循环流化床机组（见附表） 。其中分宜电厂 120
20、0MW 循环流化床机组获得 2004 年度江西省优秀工程咨询二等奖。在 200MW 循环流化床机组的设计过程中，我院直接参与了由国家发改委批准、国电热工研究院主要承担的国产 200MW CFB 锅炉研制国家重大科技攻关项目。我院负责该项目的子专题国产 200MW CFB 锅炉岛关键辅助设备与系统研制 ，对国产大容量循环流化床锅炉烟风系统及设备选型具有独到的研究。目前，该机组已于 2006 年 7 月7 日一次顺利通过 96 小时试运行。通过初步的工程实践，证明我院研究工作卓有成效，锅炉烟风系统拟定正确，设备选型合理， 为分宜电厂即将扩建的 1300MW 循环流化床(CFB)锅炉的研制和开发奠定
21、了坚实的理论和实践基础。我院在大量收资调研的基础上，积累了一套比较完善的供设计人员使用的循环流化床锅炉及辅机设计和选型方法，所提出的循环流化床设计计算方法对每个循环流化床锅炉都比较适用。并造就了一批具有理论和实践相结合的循环流化床锅炉机组的设计专家，培养了一支优秀的循环流化床机组设计队伍，为今后国产化及引进技术国产化循环流化床锅炉的研究、设计、制造、施工、运行积累了一定的经验。我们有理由相信，随着国家循环流化床锅炉技术理论和实践的发展，我院循环流化床锅炉机组的设计技术和水平将迈着坚实的步划更上一层楼，在循环流化床锅炉机组的设计领域占有比较重要的位置。附表：我院近期设计的循环流化床机组的情况简表
22、序号 电厂名称建设规模 建设性质锅炉制造厂（容量） 完成情况1 分宜电厂 1100MW 技 改哈尔滨锅炉厂（410t/h）2003 年 6 月 19日投产2 山东运河发电厂 2135MW 扩 建上海锅炉厂（440t/h）2003 年 12 月投产3 景德镇电厂 1150MW 技 改上海锅炉厂（475t/h）2004 年 12 月 7日4 江西晨鸣纸业自备电厂 250MW 新 建济南锅炉厂（240t/h） 2005 年 3 月投产5 印尼 JAWA POS 工程 125MW 新 建四川锅炉厂（150t/h）2005 年 5 月 18日投产6 分宜电厂二期扩建工程 1200MW 扩 建哈尔滨锅炉厂
23、（670t/h）2006 年 7 月 7 日投产7 印尼东加里曼丹工程 225MW 新 建四川锅炉厂（130t/h） 在建8 山西格瑞特 2135MW 新 建上海锅炉厂（480t/h） 在建9印尼巴拉旺纸浆厂自备电站2150MW扩 建 上海锅炉厂（670t/h） 在建10金华盛汽电厂锅炉续建工程 扩 建上海锅炉厂（400t/h） 在建11 分宜电厂三期扩建工程 1300MW 扩 建哈尔滨锅炉厂（1025t/h） 初设4 循环流化床锅炉若干问题的处理循环流化床锅炉的发展为我国洁净煤燃烧作出了贡献，促进了国民经济的发展，积累了丰富的设计和运行经验。但是，在具有众多优点的同时，循环流化床锅炉也有一些
24、缺点或问题。其中较突出的问题如下： 烟-风系统阻力较高，风机用电量大。这是因为送风系统的布风板及床层远大于煤粉炉及链条炉的送风阻力，而烟气系统中又增加了气固分离器的阻力。受热面磨损问题比较严重，可能成为影响锅炉长期连续运行的重要原因。这是因为烟气流中含尘浓度很高，因而可能对炉膛水冷壁和气固分离器造成严重磨损。若分离器效率不高或运行不正常，还将引起对流受热面的严重磨损。对辅助设备要求较高，某些辅助设备，如冷渣器或高压风机的性能或运行问题都可能严重影响锅炉的正常安全运行。这些问题的存在影响了锅炉的安全、经济运行。但在循环流化床锅炉的发展过程中大多已经得到较好的解决。如适当的炉膛设计可完全避免水冷壁
25、的磨损；正确选择和设计分离器，既可保证很高的分离效率也能避免自身的磨损；而冷渣器和高压风机等主要辅助设备随着循环流化床锅炉的发展，也都有了成熟的产品。风机问题则是单就烟-风系统阻力而言。如果考虑到煤粉炉需要复杂的制粉系统而链条炉效率低且无脱硫效果，则风机用电量的少量增加是完全可以接受的。给合我院设计的国产首台具有自主知识产权的 100MW、200MW、300MW 循环流化床锅炉机组及我院设计的其它循环流化床锅炉机组的设计和运行情况，就如何处理循环流化床锅炉设计和运行中出现的问题进行简单的介绍。4.1 床温调节的措施以及防止床层超温、结焦的措施床温的调节控制对保证锅炉正常运行是十分重要的。对于带
26、外置式换热器的锅炉，一般通过进入外置式换热器床料来调节床温，同时还可以调节一、二次风的比例来调节床温。床温控制适当是防止床层结焦的关键。一般床层结焦有两个原因造成，一个原因是床层温度过高；另一个原因是床层流化状态不好，出现局部死区引起床料堆积，形成结焦。为防止床层结焦，要求锅炉厂采取以下措施：（1）在炉膛设计时，充分考虑实际燃用煤种的变化和锅炉负荷变化等因素选取合适的传热系数，确保炉内布置足够的受热面；（2）在外置床的设计上留有足够的裕度，使之能在较大范围内调节床温，使床温不至于因负荷和燃料量等因素的波动而产生较大的影响。（3）设计时使冷渣器的出力有足够的裕量，因此可通过适当的增大或减少排渣量调节床压，即改变炉内灰的驻留时间和床料构成，进而影响热物料循
