目象 序 前言 第一章循环流化床燃烧锅炉概述“………“… 第一节循环施化床燃烧技术………4 第二节循环施化床燃烧技术的基本工作原理… 第三节循环流化床燃烧技术的发展历史及现状“+ 第四节循环流化床燃烧技术的发展前景……… 第五节我国循环流化床燃烧技术的发展 第二章循环流化床燃烧中气固两相流的基本理论“ 第一节流态化理论…u M9 第二节循环流化床中气固两相流的流动……9 第三节气固两相流中的气固分离“ 第三章循环流化床锅炉中的传热、传质及燃烧……… 第一节循环流化床锅炉的物料平衡理论…7 第二节循环流化床燃烧室受热面换热系数的试验研究“““以另 第三节循环流化床锅炉传热计算口6 第四节循环流化床燃烧份额分布“6 第五节气固分离器…………“中78 第六节循环流化床锅炉设计基础 第四章循环流化床锅炉的污染控制… 第一节循环流化床燃烧中脱硫的机理“ 第二节循环流化床锅炉脱硫剂的研制及实践94 第三节脱硫灰渣的综合利用 以以的102 第四节循环流化床锅炉中氯氧化物的生成与控制 出的103
第五章循环流化床锅炉的数学模型 112 第一节概述 112 第二节循环流化床燃烧系统建模的特殊性及对策 113 第三节循环流化床数学模型的任务和基本原理 第四节小室模型简介 笫五节循环流化床主体模型 第六节循环流化床子模型 第七节循坏流化床主体模型的求解… 第八节循环流化床数学模型的整体结构及流程 第九节循环流化床数学模型的功能……… 第六章循环流化床锅炉动态模型及仿真 第节动态与静态数学模型的对比………… 第二节循环流化床动态过程分析 137 第节正常运行工况下的动态数学模型……… 138 第四节用于仿真培训装置研制的全τ况数学模型研究 第五节循环流化床动态数学模型计算结果示例………… 14 第七章循环流化床燃烧设备的设计与运行 144 第…节循环流化床锅炉的基本结构… 第二节大容循环流化床锅炉实践…… 165 第八章循环流化床锅炉的安装及运行 173 第一节循环流化床锅炉的安装要求 第二节循环流化床锅炉冷态特性试验… 第三节循环流化床锅炉的点火 第四节循环流化床锅炉的运行操作……… 第五节循环流化床锅炉辅助设备 第六节循环流化床锅炉热平衡测试… 第七节循环流化床锅炉运行事故分析 参考文献
第一章 循环流化床燃烧锅炉概述 第一节循环流化床燃烧技术 、能源与环境 我国是世界上最大的发展中国家,同时也是世界上最大的煤生产与消耗国。煤在我国一 次能源构成中占据着绝对主要的地位,见表1-1。由于自然条件的限制和历史发展的原因, 据预测,这种状况在相当长的时期内不会有实质性改变。 表11 中国一次能源消费构成统计和预测 消费总量 天然气 水电 年份 (陆标准煤 ) (垂) (每) (% 6.75 9 21.2 29 40 19 ,03 形62 166 2.1 12 198 3 8 250 65.0 8.0 sn 75 110 与其他一次能源(如石油,天然气,水力、地热、太阳能等)相比,煤是一种较“脏 的燃料,煤在燃烧过程中将产生大量的灰渣,粉尘、废水、SO2、NO,等废弃物,见表1-2 如未能妥善处理,将会严重干扰生态环境,甚至造成水久性的破坏,进而危害人类自身的生 存和发展
一章环落化压燃祸炉述 表12 燃料为天然气、石油和煤的典型100Mwe锅炉主要污染物比较 () 中 大然气 12N0 210 改革开放20多年来,我国经济高速发展,能源工业前进的步伐更快些。但在人民生活 水平日益提高的同时,环境污染亦达到了惊人的程度,生态环境严重患化我国的O2放 量居世界第,酸用区域已经蔓延到40%的国土面积,多数大城市的空气总悬浮颗粒浓度 超过世界卩生组织标准的十几倍甚至见十倍 导致我冈环境恶化的诸多因素中,煤的利用不当 hiya 电首当其冲在我因,煤土安用作燃料,见图1-1,且 多是未经洗选、分级等初级加1的原煤。与发达国家 相比,我国现有各类电站钢炉和工业锅炉在效率和排 放上差距相当大,它们是环境污染的主要根源之一 我国燃煤效率低、污染重的另一个重要原因在于大量 交通民甲 食小型低效率燃煤锅炉的存在。为了解决这些工业和民 用小型锅炉的“多,敬、乱、差”,建设一批区域性 图11年我国煤爽消费结构集中供热,供汽的清洁热电厂是十分必要的。利用先 进技术建设高参数,大容量的清洁燃煤(热)电厂 不但可以显著降低废弃物排放、满足充足的电力供应,还可以大量减少煤在工业和民用方面 的消耗,从而为保护环境作出更大贡献。目前,环境保护已成为世人的共识,在中国也开始 广受关注,深人人心。可持续发展是我国的基本国策,我们必须在保护环境、改善环境的条 件下让煤继续为我国的发展提供动力,依靠科学和技术,实现煤利用的高效和清洁。 清洁煤燃烧技术一循环流化床燃烧技术 煤炭利用和环境污染其实并非必然关联。国内外多年的工业应用和科学研究表明,在 定的经济技术条件下,煤的高效、清洁利用完全可以实现 燃料一般都含有硫分,我国的煤炭平均含硫量为0.9%。但硫在煤中的分布在空间上极 不均匀,其大致的趋势是南高北低,深层煤含硫高而浅层煤含硫低。 为降低燃煤造成的03排故量,国家环保局制13我国S0最 定和修订了一系列的法规和标准,如190年1月1 高允许排放浓度 日实施的新修订的《火电厂大气污染排放控制的标科量 1 准》就现定了90的最高排放标准,见表13,依据~m 该杯准,燃用含硫量超过1%的燃料的新建锅炉必须 安装脱硫装置才能达标。一般面言,燃煤脱硫技术可分为三大类:燃烧前处理、燃烧过程中 处理和燃烧后处理。其中燃烧前处理包括动力煤洗选加工,型煤加工,水煤浆技术等。应用 范围较广的是动力煤洗选加工,它主要指通过动力煤的流选和加工来降低煤中的灰分和硫 分。洗一般采用物理方法,这种技术对煤里面的有机硫没有处理能力。同时这种技术不是
第一节循环瓷化床燃烧技犬 彻底的脱硫,而是媒中的硫分在商品煤和选后洗中煤、洗矸屮的門分配。如耒洗中煤、洗矸 又被用来燃烧、那么依然会造成SO污染间题。燃烧后脱硫技术('脱巯技术)是以前世 界上控制燃煤排放SO2应用最广泛的技术,但釆用该技术的投资和运行费用均比较高:燃烧 过程中的脱硫技术主要是煤气化联合循环和流化床燃烧技术。在煤气化联合循环系统中,煤 先在’化炉屮生成燃料气之后送入燃气轮机系统燃烧。气化过程中.煤中的硫分通过与脱硫 剂反应闻被固定下来。但是煤气化联合循环投资很大且技术复杂、所以在我国的应用将是 个长期的过程。流化床燃烧技术包括鼓泡流化床锅炉、常压循环流化床锅炉和加压流化联 合循环流化床中煤和石灰石起给入炉膛,燃烧后煤屮的硫生成SO2、在燃娆过程中脱 硫剂反应面被固定,脱硫系统简单。在燃料适应性、燃烧效舉等方闻、循环流化床燃娆技术 比鼓泡流化床向前推进了步,在Ca/S比为2左占时就可以达到85%~90%的脱硫效率, 因而是种很有前途的技术。 这些高效清洁燃煤发电技术目前在国际上已投人使用或已基本成熟。从技术完备性和经 济适用性角度来看,煤气化联合循环和加压流化床联合循环近期都不可能在我国投入大规模 L业应用;煤粉炉加烟气脱硫在技术上最为成熟,国际上应用最广”,但山于净化技术成本过 高,在我国作商业性推广面临一些现实的困难;相比之下,循环流化床燃烧技术基本成熟 制造和运行成本都比较低,在保证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物排放,可以满足目前 世界上最严格的环保标准。表14给出了各技术的投资、运行费用、技术现状的比较,从初 投资、运行成本、技术的可靠性及系统的复杂程度综合来看,循环流化床炉内脱硫是一个良 好的选择。 表14 典型脱硫技术的比较 投术措施 脱硫效率运行费用 命 总投资 过程 (% 元/SO2) (兀/sOh2) 存在问题 洗选脱硫 洗出物处現 燃前 民用型媒 40~50 09 脱硫效率低 工业型媒 燃中 循环床脱硫 技术及管理 法烟气脱硫 100~1600 700~2200 虎本高 应用于发电领域的常压循环流化床燃烧技术始于20世纪7年代末。作为一项尚效、低 成本的清洁燃烧技术,它具有以下优点 (1)燃烧效率高,接近或达到同容量煤粉炉的效率水平 (2)燃料适应性强,不仅可以燃用烟煤等优质煤,而且可燃用各种劣质燃料,如褐煤 贫煤、洗中煤、泥煤、矸石、石油焦、油页岩、废木屑,甚至I业废弃物和城市垃圾等 (3)负荷调节比宽,在25%额定负荷下仍能稳定燃烧 (4)负荷调节方便快捷,负荷连续变化速率可达(7%~12%)/min; (5)污染物排放少,低温燃烧及分级送风使NOx牛成量少,可用石灰石作脱硫添加剂, 低成本实现炉内脫硫 (6)灰渣便于综合利用 上述诸多优点使得循环流化床燃烧技术特别适合我国的国情。近20年来,世界各国有
第一章循环蕹化床燃烧锅妇概述 很多科研机构和制造厂商致力于循环流化床锅炉的开发研究、共同的努力使此项技术日臻成 熟和完善迄今,美国的FW、芬兰的 Ahlstrom(已并入W)、德国的umi、瑞典的AHB和 法国的 Stein等公闬都能提供商品化的功率为wwe以上的全套大型循环流化床锅炉发电 设备。法国 Provenκ扌1995年建成投运∫世界上蒸发量最人的250MWe循环流化床锅炉,许 多公司还完成∫容量等级更高的循环流化床锅炉的设计 图12小意了一个典型的循环流化床锅炉系统 IIIR 图1-2循环流化床锅炉系统示意图 1一汽包:2一旋风分离器;3燃烧室水冷壁;4-重力式给煤系统;S外置沸腾床热交换器;6燃烧室底 部耐火忖;7—尾部烟道;8—过热器;9一省煤器;10—管式空气预热器;11—布袋除尘室;12·-引风机 我国于加0世纪80年代中期开始投人力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发,虽 然起步较晩,但进步很快。清华大学、中科院热物理所等科研院所与国内锅炉生产厂家合 作,在燃烧、传热、流态化、气固分离、脱硫、灰渣处理等方面完成了大量卓有成效的理论 和实验研究工作。日前,国产蒸发量20.83kg/s及以下容量等级的小型循环流化床锅炉已在 国内大面积工业推广,实现了商品化;36.1kg/s等级的循环流化床锅炉已有数台运行 61.k/s的循环流化床锅炉正在陆续投运;16.67kg/s再热循环流化床锅炉已完成设计并通 过了技术鉴定;国产135MW再热循环流化床锅炉已有多台投人运行;更大容量的循环流化 床锅炉设计正在积极酝酿和筹划中。引进技术或设备的61,kg/s以上容量的循环流化床锅 炉已有50余台,在进行300MWe循环流化床锅炉技术和设备引进工作 三、流化床燃烧技术的发展历程 在煤燃烧技术发隈的历史上,流化床燃烧是近4)多年来发展起来的最新的燃烧技术 臼τ业革命以来,随着工业的发展,各种不同的煤燃烧技术的开发和发展均有其当时的时代 背景。在19世纪80年代,随着蒸汽机的发明,开发出了固定床层燃技术,至今,我国上收
第一节循环流化床炊埽圬术 锅炉的绝大多数仍然是层燃锅炉:至20世纪30年代,层燃技术已不能满足电力业对史大 容量、更髙效率的燃煤锅炉的需求、从而开发出了煤粉燃烧技术。60多年来,煤粉燃烧技 术已得到了长足的发展,现在仍然是统治着仝世界燃煤发电∫的燃烧方式煤粉炉不但可以 燃烧各种不同的煤种,并能达到90%以上的锅炉效率,煤粉炉的单杋最大容量巳达 l3oMwe。煤粉炉可设计成超临界汽参数的机绀,并实现∫运行操作的全部自动化 至20世纪中期、1业的迅速发展,包括大燃煤锅炉在内的业过程产生了重的污 染冋題、迫切要求发展洁浄煤技术,包括煤的清洁燃烧技术、在这-历史背景下,除∫对煤 粉炉廾发了许多在炉內和烟气中降低污染物排放的技术外,在60牛代木至π0伻代初期,流 化床煤燃烧技术应运丽生。在流化床煤燃烧技术开发的初期、上酉是发展了嶔泡沇化床技 术,在鼓泡流化床技术的萁础上,在70年代末期,开发出了循环流化床燃烧技术:由于披 泡流化床锅炉和循环流化床锅炉都是以流悆化原理进行∫作的,所以它们都属于流化床 我国是网际上最早开展流化床燃烧技术研究开发的家之一:自从1965年建成第台 燃烧油页岩的工业鼓泡流化床锅炉以来,流化床媒燃烧技术很快在仝国得到推疒¨。现在全冋 已有3500余台鼓泡流化床锅炉在运行,数量居世界之首。80年代以后,我国开始循环流 化床燃烧技术研制以后、发展迅速。据不完全统讦.截至2000年底,已有830余台循环流 化床锅炉投入运行,但大多数为容量在20.83~61.1kg/以下的中小型锅炉。 世界上作为一种先进的清洁煤燃烧技术,流化床锅炉技术20多年来得到了很大的发展。 现在、容量为350Mwe的世界上最大的鼓泡流化床锅炉已在日本建成投产。在循环流化昧锅 炉的冈际市场上,已售出的循环流化床锅炉(不包括中国生产的循环流化床锅炉)已超过 450台,其中容量超过200MWe的循环流化床锅炉为12台以上,有6台已投入运行。两台当 前最大的300MWe容量的循环流化床锅炉于20年在美国佛罗里达州的JEA电厂投入运行。 容量为600MWe的循环流化床锅炉的设计也已完成。这些说明∫循环流化床锅炉已开始进人大 容量燃煤电站锅炉的领域。 四、循环流化床燃烧技术的特点 流化床煤燃烧技术在较短的时间内能得到迅速的发展和应用,是因为它具有一些层燃和 煤粉燃烧等常规燃煤技杙所不具备的特点。表1-5为层燃、煤粉燃烧和流化床燃烧等燃烧方 式燃烧特性的比较,从中可以看出,流化床燃娆有别于其他两种燃烧方式的最突出的特点 是:燃烧温度低,停留时间长,以及湍流混合强烈,这些特点给流化床燃烧带来一系列优 点 表15 不同煤燃烧方式的燃烧特性比较 燃烧特性 层燃 粉燃烧。鼓愬流化锅炉环流化床锅炉 燃尽时间ts 00~50 5 燃烧过程控制因京 扩散控制 扩散控制为主 王十可三二
6 第一章循环流化床燃焐锅炉概述 (一)低温燃烧 流化床燃烧和层燃炇煤粉燃烧很不相同,任何时候其炉内都需有人量的温惰性物料 (如灰、有灰石或沙f等)的储备,这些惰性物料占全部炉内固体物料的97%~98%,即 何时候妒内圊体可燃物的份额不超过全部床料的2%-3%,因此,即使在燃烧温度仅为85 ~900℃:的情况.在有足够的氧的条件下,任何固体燃料都能被燃尽,再加上燃料在妒内很 长的伈留时及床內强烈的湍流混合,这些足以保证在850-900℃的低温条件下流化床锅炉 能稳定和效地燃烧任何燃料 (二)极好的燃料适应性 山于流化床锅妒冇上述低温燃烧的特点,只有极好的燃料适应性,几乎对于任何燃 料,都刂以设计出燃娆这种燃料的流化床锅炉,并保证燃烧过程的稳定和很高的燃烧效卡; 刈于已经!在的流化味锅炉,燃料性质在相当大的范围内变化,锅炉仍能保证稳定燃烧。至 今已成功地仼沇化床锅炉Ⅰ燃烧过的燃料包括一切种类的煤,其中有高灰分高水分的褐 煤,低挥发分的无烟煤,各种煤的煤矸石、洗矸、洗煤泥浆,石煤,各种石油焦,油页岩 泥煤,城市垃圾,油污泥,废轮胎,农林业生物质废料(如树皮、木屑、稻壳、甘蔗渣) 等ε它也用于燃烧各种液体和气体燃料,各种燃料既叮以单独燃烧也可以混烧,这是任何 其他燃烧方式不能与之相比的。 (三)低的污染物排放 流化床锅炉低温燃烧的特点,有效地抑制了热力型NOx的生成,而通过采用分级燃烧 又可控制燃料型NOx的排放,因而,流化床锅炉NOx的生成量仅为煤粉炉的1/4-1/3,可 以将鼓泡沇化床锅炉的NOx排放值控制在小于0.03%~0.04%,将循环流化床锅炉的NO3排 放值控制在0.01%-00%。此外,如果在燃烧过程中直接向炉内加入石灰石或白云石,出 850~900℃的燃烧温度正是石灰(CO)和二氧化硫(S)反应的最佳脱硫温度,因此 根据煤中的含硫量,向流化沫锅炉炉膛内投入适量的石灰石,就可以达到9%左右的脱硫 效率。所以,流化床是一种经济有效的低污染煤燃烧技术,这也是它在全世界受到重视并发 展很快的最根本原因 四)然烧强度大 由于流化床燃烧过程中强烈的湍流混合,并且循环流化床锅炉的燃烧是在整个炉膛空间 内完成,这大大地提高了其燃烧强度,提高了单位炉膛体积的出力,减小了炉膛的截面积和 体积。循环流化床锅炉的体积可以做得比常规锅炉的小。 (五)床内传热能力强 流化床内高強度的传热特性可节省炉内受热面的金属消耗量。对鼓泡流化床锅炉,床内 相混合物对床内埋管的传热系数可达23-326W/(m2·K),循环流化床锅炉炉膛内气 固两相混合物对水冷壁的传热系数在250~100W/(m2K)的范围内。 (六)负荷调节性能好 由于炉内大量热床料的储备,使流化床锅炉具有良好的负荷调节性能,负荷调节幅度 大,在低达25%额定负衙下也能保持稳定燃烧。 (七)易于操作和维护
第一节循环流化床燃垅找术 由F燃烧温度低,灰濆不会软化和黏结,因而不仃在炉内結渣的问题、妒膛內不布置 吹灰器。较低的炉膛温度使炉内受热面热流率较低,减少了发生∶传热危机而爆管的忛会燃 烧的腐蚀作用也较层燃炉和煤粉焖小.这些都使得流化床锅炉易于操作和维修,至亍流化枺 锅炉易产生的磨损问题,可在易磨损部位采取诸如敷设防蘑耐火材料涂层等一系列防磨挡 施.已经得到解决 (八)灰渣便于综合利用 5%,可以用作制造水泥的掺合料或其他建筑材料的原料.有利于灰渣的综合利×4 低温燃烧所产生的灰渣具有较好的活性,咖月其飞灰和底灰的含碳量低,通常低 但是,鼓泡流化床锅炉还存在以下的主要问题: 1)当燃用宽筛分的燃料(一般燃料的颗粒尺寸分布0~12πm)时,木燃尽绀颗粒飞灰 的飞出大,尤萁在燃烧低挥发分低反应活性的燃料时,会造成固体未完全损失增加,降低 了燃烧效率、同时,飞灰排出量大还会造成尾部受热面的磨损,并要釆用高效率的静电除尘 器或袋式除尘器,否则锅炉飞灰排放浓度将难以达到环境保护标准的要求 (2)在问泡流化床锅炉内直接加入石灰石脱硫时,由于在床内的停留时间短,有从弁 的钙利用率低,要使脱硫效率达到∞%以上:,则脱硫所需的钙硫摩尔比Ca/S一般需在3左: 右,要消耗大量的石灰石 (3)鼓泡流化床锅炉的床内埋管及炉墙和尾部受热面的磨损问题还有待彻底解决 (4)按照鼓泡流化床锅炉的截面热负荷,每平方米的床面积可生产约0.5-1kg/s蒸汽 因此,随着锅炉容量的增加,床的截面积势必增加。例如,一台11.11k/s的鼓泡流化锅 炉,其床面积将会达到100m2以上,这在布置上会带来很大的困难,从而会限制鼓泡床锅炉 向大型化发展。 正是为了解决鼓泡流化床锅炉存在的上述问题,促使了循环流化床锅炉的发展、循环流 化床锅炉不但具有鼓泡流化床锅炉的全部优点,而且基本上克服了鼓泡流化床锅炉的上述缺 点,因而循环流化床技术成为当前流化床技术发展的主要方向。但是,循环流化床燃烧技术 本身还存在以下的缺点: (1)循环流化床锅炉的气固分离和床料循环系统比较复杂,如旋风分离器尺寸庞大,造 价较高,布风板及系统的阻力增加,锅炉自身电耗量大,约为机组发电量的7%左右,导致 运行维修费用增加。 (2〉循环流化床的燃烧效率受燃烧温度的限制,一般要略低于煤粉炉,特别是对难燃煤 种,飞灰含碳量偏高,影响了飞灰的综合利用。 (3)由于床内流速相对较高,固体颗粒浓度大,为控制NOx排放面采用分级燃烧以及循 环流化床燃烧的内在规律,炉膛内存在还原性气氛区域,受热面的磨损与腐蚀问题仍要十分 重视 (4)采用添加石灰石在炉内燃烧中脱硫,其脱硫效率低于湿法烟气脱硫,这对于达到发 达国家更严格的SO2排放标准仍存在问题
8 如一最请环杂化床场祸炉哪 第二节循环流化床燃烧技术的基本工作原理 环流化床锅炉是在鼓泡流化床钢炉的暴础上发展起来的,因此,讨论循环流化床锅炉 的木工作原理,就必卿从流化味的气固两相流动特性和鼓泡流化床锅炉的工作原理开始 图13为一台小型工业鼓泡流化床铜炉结构的示 意图。破碎成细题粒的燃料从前墙通过螺旋的煤机 流口 送入床内,体内布置有埋管受热面。空气由风室经 过床底部的布风板送入床层,将在布风板上的由燃 序风 料及情性鞠粒组成的固体颗粒吹起来,在重方的作 用下,被吹起升到一定高度的固体颗粒又会落F 在一定的空气流述下,在风板上的一部分或全部固 体颗粒就合产生双向运动,即在一次风的作用下装 粒上升和浮起,又在重力的能响下下落,类似于液 体在沸腾时的状态,固体粒床层也影胀起来。此 时称固体颗粒(料)进人了流化状态 在炉腔中,从床的底部至膨胀起来的床层上界 图13数泡流化保锅炉结构示意图面称为密相区,上界面以上的炉空间称为悬浮段 悬浮段应有足够的高度和温度,以保证从床层表面 飞出的细燃料颗粒能在悬浮段燃尽。密相区的床料和灰渣则从与床层上界面高度相同处开设 的溢流口,或从床底部的冷渣排放口排出。 图14流化床中料层随气流速度变化的情况 (4)a<u(b)=u!(<<;:()面 图14所示为床料中固体颗粒直径相同时料层随气流速度变化的情况若用△p代表料层 的阻力,则图1.5为料层高度h与△p随气流速度u变化的关系由图15可见,在气流速度 小十时,床料在布风板上静止不动,随着气流速度的增加,床层高度b,不变,如图14