工业锅炉若干参数的设计选择

循环流化床锅炉若干参数的设计选择

一、循环流化床锅炉的容量及负荷分配
在循环流化床锅炉中．燃料燃烧产生的热量一部分由布置在固体颗粒循环回路中的受热面吸收，其余部分由高温烟气带至尾部受热面。
1、锅炉容量对循环流化床锅炉整体布置的影响
由于炉膛容积随着锅炉容量的增加成比例增加，而炉膛表面积并不随容积成正比增加，当锅炉容量增大时，能布置水冷壁的炉膛表面积相对减少。锅炉容量越大，炉膛表面积相对减少的矛盾越突出．为维持炉膛的热平衡，护膛内需要布置更多的受热面。譬如，过热器管屏、再热器管屏、蒸发管屏、双面水冷壁等。对于采用外置流化床换热器的循环流化床锅沪，则可将这些受热面布置在该换热器内。可参见本章第六节的讨论。
2、蒸汽参数对各部分受热面吸热量的要求
蒸汽参数变化时，工质加热、蒸发、过热,再热的吸热量分配比例。一般的，当锅炉容量增加时，蒸汽的压力和温度随之提高，给水温度也提高。此时，加热和过热所需热量的比例提高，而蒸发吸热量比例下降。当达到临界压力时，蒸发吸热量降低到零。在锅炉各受热面中，工质的加热吸热主要在省煤器内完成，蒸发吸热主要通过水冷壁承担．而过热吸热则在过热器和再热器完成。
由于不同参数的循环流化床锅炉工质吸热量分配比例不同，受热面布置考虑的问题也不尽相同。对于中参数锅炉，工质蒸发吸热量与炉内受热面的吸热量大致相当，除炉内布卫水冷壁外，无需像低压锅炉那样，布置大量的对流管束．因此，中压锅炉大都采用单汽包结构，加热吸热量由省煤器承担，当炉内受热面的吸热量不能完全满足蒸发吸热量的要求时，可使省煤器部分沸腾；对于高压锅炉，工质加热和过热吸热量比例增加，蒸发吸热量比例减少。同时，由于蒸汽温度提高，为获得足够的传热温差，有必要将一部分过热器受热面布置在炉膛内。常规做法是在炉膛内布置顶棚过热器和屏式过热器；对于超高压锅炉，蒸发吸热量只有30写，则固体颗粒循环回路中必须布置更多的过热或再热受热面，以使烟气带走热量维持40%-44％的比例。通常在炉膛内布置屏式过热器，或者采用外置式流化床热交换器。
3 ．燃烧室内的热量平衡
正如所知，循环流化床锅炉燃烧室内温度一般在850-950℃之间。当燃料进入燃烧室后，在一定的烟气流速下，较粗颗粒落人下部，细小颗粒悬浮于中部或被夹带到较高处，微小颗粒则可能多次循环，依次通过下、中、上部。总之，各种粒径的燃料在上、中、下部燃烧放热。所谓热量平衡就是燃料在燃烧室内沿高度上、中、下各部所释放出的热量与受热面吸收热量（含炉墙散热量）之间的平衡。只有达到热量平衡，炉内才有一个较均匀、理想的温度场。一般来说，循环流化床锅炉燃烧室内温度差（纵向、横向）在20℃左右，最大不超过50℃。只有在一个较理想的温度场下，才能保证炉内各部分达到设计的放热系数，工质才能吸收到所需的足够热量，保证锅炉的出力，且不会发生局部过热、结焦等现象．要达到炉内的热量平衡，首先在设计时必须确定进人燃烧室内的燃料在下、中、上各部的燃烧份额。如果在燃料各部位的燃烧份额分配不合理，过大或过小，就必然会造成局部物料温度过高甚至结焦，或者局部温度太低，受热面吸收不到．所需的热量，从而影响锅炉的出力。目前，已投运的循环流化床锅炉在运行中发生结焦和达不到额定负荷的主要原因之一，正是锅炉设计时燃料燃烧份额分配得不尽合理，或燃料种类、粒径发生变化后，运行中燃烧调整不当，致使燃料燃烧份额分配未达到设计要求。譬如，某台循环流化床锅炉由于煤种的变化和燃煤颗粒较粗，一、二次风配比也不合理，以致燃料燃烧份额分配不当，下部密相区燃料燃烧份额的实际运行值大大超过了设计值，从而造成锅炉下部燃料燃烧放出的热量不能很快地或不能完全被受热面（下质）所吸收、带走，加上又无其他调节手段，导致锅炉下部密相区温度过高而结焦。运行中为避免结焦，不得不采用减少给煤量或增大一次风量的方法。显然，前者必然使锅炉负荷降低，出力不足；而后者既受风机出力的限制难使床温降低，又会强化密相床层的烬烧．使该部分燃烧份额更大。因此，燃烧份额的确定直接影响着炉内的热量平衡。
燃料燃烧时放出的热量及返回物料携带的热量与各受热面工质吸热量之间的平衡关系，是循环流化床锅炉的一个重要的特征。只有在设计时考虑到并在运行中保持燃烧室的热量平衡，循环流化床锅炉才能安全、经济、稳定运行。
4 ，热量平衡的主要影响因素
( l ）受热面的布置方式
受热面的布置方式决定了循环流化床锅炉的热量分配。目前，在循环流化床锅炉固体颗粒循环回路中布置受热面的方式主要有三种：一是在炉膛内布置水冷壁受热面或水冷壁隔墙（在早期的容量较小、参数较低的循环流化床锅炉中经常采用）；二是在炉膛内布置较多的过热器受热面，以弥补仅在尾部受热面布置过热器而造成的过热及再热吸热的不足；三是在固体颗粒循环回路上布置外置式流化床热交换器，如Lurgi炉型。目前，上述受热面布置的方式均有大量实际运行经验，证明是可行的。
应该指出．上述第二种和第三种受热面布置方式各有利弊，可根据不同的情况选用。譬如，在炉内布置屏式过热器等必须注意磨损问题，还有，由于在负荷变化时只能调节风速或固体颗粒循环物料量以改变这些受热面的传热系数，这可能会增加控制上的困难，但这种布置方式结构比较简单。采用外置流化床换热器结构上比较复杂，而且由于冷、热物料的循环必须单独控制，带来系统控制的复杂性，但这种方案控制比较灵活，而且燃烧与传热分离，可以单独调节，使二者均达到最佳；如将再热器布置在流化床换热器中，汽温调节比较灵活，甚至无须喷水减温。
( 2 ）燃料特性
首先，燃料性质决定着燃烧室最佳运行工况的选择。髻如，若燃用高硫燃料，如石油焦、高硫煤时，燃烧室运行温度可取850℃，以利于最佳脱硫和脱硫剂的应用；若燃用低硫、低反应活性的燃料，如无烟煤、贫煤等，燃烧室应运行在较高的床温或较高的过量空气下，或二者均较高，以利于达到最佳燃烧状态。其次，煤的元素成分、挥发分含量与燃烧室运行工况相结合，决定着循环流化床锅炉燃烧系统（燃烧室和外里式流化床换热器等组成的主循环回路）和尾部受热面的热量分配。臂如，煤的发热量高、挥发分低、灰分少，则单位质量燃料在主循环回路中的有效放热量就大；反之，在主循环回路中的有效放热量就小。不同种类僻料所对应的最佳燃烧室运行温度、燃烧室出口烟气带出热量和输人热量的比值．
由于燃料中的水分、氢含量均会对主循环回路中的放热份额产生影响，从煤的燃烧反应可知，每1kg碳燃烧需8.89m³理论空气量，生成8.89m³的理论烟气量，每1kg 氢燃烧需要26.5m³，的理论空气量，生成32.lm³的理论烟气量。当尾部对流受热面进口烟气温度和排烟温度一定时，对于折算氢、水分低的煤种，主循环回路中的有效放热量就增大。对于劣质燃料，如废木片，则应有约60％的热量需带至尾部对流受热面，而对于优质燃料如烟煤等，则只有40 ％的热量带至尾部对流受热面。对于不同燃料，主循环回路与尾部对流受热面的吸热量的分配。从图中可以看出，当燃料质量变差时，尾部对流受热面的吸热量增加，主循环回路的吸热量下降。
譬如，对于常规的次高压锅炉，蒸发受热面吸热量约占50%-60%，烟气带走的热量对于烟煤和无烟煤约为40%-44%，这就要求在锅炉尾部布置一部分蒸发受热面，一般采用流化床换热器。
设置外置流化床换热器可以调节主循环回路的吸热量而不影响燃烧室的燃烧工况，当然，如果无外置流化床换热器时，也可以通过调节燃烧室的运行工况来调节主循环回路的吸热量。譬如，当燃料水分提高时，需要降低主循环回路的吸热量，此时可以采用下述方法中的一个或几个来实现：改变床层浓度（调节一、二次风比例或床内物料量）, 降低床层温度或增加过量空气等．但这会影响燃烧室的燃烧工况。
实际上，影响热量分配的因素很多，如何合理实现热量平衡，保证锅炉安全、经济、稳定运行是目前循环流化床锅炉亟待解决的问题。