沸騰爐和循環(huán)流化床鍋爐的區(qū)別

【專家解說】：近年來我國推出的流化床鍋爐結(jié)構(gòu)類型已有若干種，從受熱面布置來說，有密相床帶埋管的，有不帶埋管的；流化速度有的低至3－4米／秒，有的高至5－6米／秒；分離器的種類更多，如高溫旋風(fēng)分離器；中溫旋風(fēng)分離器、臥式旋風(fēng)分離器、平面流百葉窗、槽形鋼分離器等型式，都稱之為循環(huán)流化床鍋爐。但從機(jī)理看，是否屬于CFBB還有待商椎。 眾所周知，流化床鍋爐分為兩大類：鼓泡流化床鍋爐（BFBB）和循環(huán)流化床鍋爐（CF－BB）。到目前為止，二者之間尚無明確而權(quán)威的分類法，有人主張以流化速度來分類，但從氣固兩相動(dòng)力學(xué)來看，風(fēng)速相對(duì)于顆粒粒徑、密度才有意義，還有人主張以密相區(qū)是鼓泡還是湍動(dòng)床或快速來區(qū)分，但鍋爐使用的是寬篩力燃料，以煤灰為床料的鍋爐往密相床是鼓床,故此分法仍欠全面。還有人以是否有灰的循環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)等等，都有些顧此失彼。以作者之見，我們不妨從燃燒的機(jī)理上來分。鼓泡床鍋爐的燃燒主要發(fā)生在爐膛下部的密相區(qū)，如我國編制的《工業(yè)鍋爐技術(shù)手冊(cè)（第二冊(cè)）》推薦，對(duì)于一般的矸石煙煤、貧煤和無煙煤密相區(qū)份額高達(dá)75％－95％，燃燒需要的空氣也主要以一次風(fēng)送入床層.循環(huán)流化鍋爐的一次風(fēng)份額一般為50％－60％。密相床的燃燒份額受流化速度、燃料粒徑及性質(zhì)、床層高度、床溫等影響在上述數(shù)值的上下波動(dòng)。其余的燃料則在爐膛上部的稀相區(qū)懸浮燃燒，所以在燃燒的機(jī)理上，BFBB接近于層燃爐，而CFBB更接近于室燃爐，二者在這一方面存在著極大的差異，所以以此劃分似乎更為合理。 鼓泡流化床鍋爐密相床的燃燒份額大，需布置埋管受熱面以吸收燃燒釋放。埋管的傳熱系數(shù)高達(dá)220－270KW／MC比CFBB爐膛受熱面的100-500kw/m2℃離得多盡管BFBB稀相區(qū)內(nèi)的傳熱系數(shù)比要低，但因在稀相層內(nèi)的吸熱量所占份額較小，總的來說，對(duì)于容量較小的鍋爐BFBB結(jié)構(gòu)受熱面的鋼耗量要少小些，BFBB的燃燒主要在相床給煤的平均粒徑偏大，煤破碎設(shè)備較為簡單,電耗也底流化速度低，細(xì)煤粒在懸浮斷停留時(shí)間長，爐膛也做的低。雖埋管有磨損，但如防磨損失處理得好，一般橫埋管可用五年，豎埋管可用…….采用尾部飛灰再循環(huán)，BFBB的燃燒效率可達(dá)97％,如在爐膛出口安裝分離器實(shí)現(xiàn)熱態(tài)飛灰再循環(huán)，則可高達(dá)98－99％，但此時(shí)裝設(shè)分離器的目的主要是為了提高燃燒效率而不是象CFBB主要上為了改變爐內(nèi)的燃燒傳熱機(jī)理。 CFBB的截面熱負(fù)荷是BFBB的2－3倍(從上至下加起來的熱負(fù)荷,而不是一層),利于大型化，爐膛內(nèi)溫度均勻，大氣污染物排放低,燃燒效率高（可達(dá)99％以上）是在BFBB技術(shù)上的進(jìn)步，具有更優(yōu)越的性能，但因分離器不能捕集到細(xì)小煤粒,就需要較高爐膛，對(duì)煤的破碎粒度及操作控制等都要求較高，投資大且技術(shù)復(fù)雜，所以CFBB爐型對(duì)中小容量鍋爐并無明顯優(yōu)勢，因而國外一些研究者認(rèn)為，BFBB適用于50t／h以下容量，CFBB適用于220t／h以上容量，在50－220t／h容量范圍內(nèi)二者共存。 我國在過去許多年中，建造了近3000臺(tái)沸騰爐(即BFBB)雖然其在燃燒劣質(zhì)煤方面發(fā)揮了極大的作用，但上于一直在低水平上運(yùn)行，飛灰量大，含炭高，鍋爐效率低下，再加上除塵方面投資不足，煙塵治理沒得到很好解決，致使沸騰爐有點(diǎn)聲名不佳。CFBB出現(xiàn)之后，人們便紛紛打出循環(huán)流化床鍋爐的牌子，推出了不少爐型，如清華大推出的低攜帶率循環(huán)床鍋爐，哈工大與北鍋開發(fā)的帶埋管和槽型分離器的循環(huán)床鍋爐等，實(shí)際上都是BFBB。但它們是改進(jìn)了的沸騰爐，把沸騰爐技術(shù)提高到了較高的水平，這些爐型在工業(yè)鍋爐和熱電聯(lián)供鍋爐范圍內(nèi)有著極強(qiáng)的生命力，所以我們應(yīng)當(dāng)為BFBB的新成績歡呼，正其位，恢復(fù)其名譽(yù)，并在一定的鍋爐容量范圍內(nèi)發(fā)展這種BFBB。 我國的BFBB數(shù)量居世界之首，有著長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),故改進(jìn)的BFBB技術(shù)的成熟程度較高。而CFBB技術(shù)尚有待完善和提高，在眾多爐型的選擇上，首先應(yīng)分清其屬于BFBB還是CFBB，然后再考慮其它技術(shù)指標(biāo)及可靠程度，本文以下的章節(jié)則主要是針對(duì)CFBB而言，對(duì)一些二者通用的技術(shù)，則皆適用。 流化速度 流化速度對(duì)CFBB最直接最主要的影響是其對(duì)循環(huán)物料揚(yáng)折夾帶的作用。隨著V的增加，夾帶量以增長的速度快速增加.早期國外的CFBB如Lurgi技術(shù)等，V高達(dá)8－12M／S，隨著高流速帶來磨損及能耗等問題，逐漸降至目前的6M／S左右，我國CFBB技術(shù)開發(fā)較晚，初期因擔(dān)心上述問題，有些爐子曾設(shè)計(jì)的V較低（4－5M／S）運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)循環(huán)物料不足，將風(fēng)速提高后，狀況大為改觀，現(xiàn)也提高到5．5－6M／S,與國外爐子比較接近。 煤的粒徑與煤質(zhì)分折 CFBB的流化速度很高，床料粒徑大亦可流化起來，如文獻(xiàn)中可見，入爐煤粒范圍可達(dá)0－12，0－20，0－25MM等，隨廠家和煤種不同而給出的允許范圍不同，比BFBB允許燃料粒度范圍要寬，最大允許粒徑也大。但根據(jù)我們的研究和國外的一些文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，實(shí)際上CFBB使用的燃料平均粒徑比BFBB的要小得多。BFBB的平均燃料粒徑達(dá)1－2MM，CFBB的平均粒徑只有300－400UM，嚴(yán)格地說，CFBB要求燃料中有較大比例的終端速度小于流化速度的細(xì)顆粒，以使得這些細(xì)煤粒一旦入爐后能被吹到懸浮段空間去燃燒，并且同時(shí)起到增加循環(huán)物料量的作用。燃料粒徑的影響主要表現(xiàn)在其對(duì)密相床燃燒份額和物料平衡的影響上，燃料細(xì)粒多，密相床燃燒份額小，循環(huán)物料量大。 CFBB入爐燃料粒度分布的確定與選擇，與流化速度的選取有關(guān)，可見粒徑對(duì)二者的影響是很大的，選定的粒度分布，應(yīng)能保證在已確定的流化速度條件下，有足夠細(xì)煤粒吹入懸浮段，以保證上部的燃燒份額，以及能形成足夠的床料，保持物料的平衡。 影響入爐燃料粒度的主要因素還有煤的熱爆性質(zhì)和揮發(fā)份含量，熱爆強(qiáng)的煤就可選擇粒度較大，大煤粒入爐后受熱爆裂可形成份額增加，此時(shí)入爐煤的粒度分布可放寬。 一、 二次風(fēng)配比 把燃燒需要的空氣分成一、二次風(fēng)從不同位置分別送入流化床燃燒室，在密相床內(nèi)形成還原性氣氛，實(shí)現(xiàn)分段燃燒，可大大降低熱力型NOX的形成，這是CFBB的主要優(yōu)點(diǎn)之一，但分成一、二次風(fēng)的目的還不僅僅如此，一次風(fēng)比（一次風(fēng)量占總風(fēng)量的份額）直接決定著密相床的燃燒份額，同樣的條件下，一次風(fēng)比大，必然導(dǎo)致高的密相床燃燒份額，此時(shí)就要求有較多的溫度低的循環(huán)物料返回密相床，帶走燃燒釋放熱量，以維持密相床溫度，如循環(huán)物料量不夠，就會(huì)導(dǎo)致流化床溫度過高，無法多加煤，負(fù)荷上不去，這一用來冷卻床層的物料可能來自分離器搜集下來的經(jīng)過冷卻的循環(huán)灰，或來自沿爐膛周圍膜式壁落下的循環(huán)灰，灰在下落過程中與膜式壁接觸受到冷卻。 從密相床的燃燒和熱平衡上看，一次風(fēng)比越小，對(duì)循環(huán)灰的物料平衡要求越低，但實(shí)際上一次風(fēng)比的選取還受燃料粒度及性質(zhì)等因素的制約，一次風(fēng)比小，要求燃料中不能被吹起進(jìn)入懸浮段燃燒的大顆粒比例也要小，否則大顆粒因得不到充足的氧氣燃燒不完全，排放的床灰中含炭量極高，一次風(fēng)比一般選擇在50％左右，對(duì)無煙煤則可達(dá)60％以上。 二次風(fēng)一般在密相床的上面噴入爐膛，一是補(bǔ)充燃燒需要的空氣，再者可起到擾動(dòng)作用，加強(qiáng)氣固兩相的混合，CFBB爐膛的下部多設(shè)計(jì)成漸縮型，二次風(fēng)可分成幾股風(fēng)從不同高度送入，以保持爐內(nèi)煙氣流速的相對(duì)均勻。二次風(fēng)口的位置亦有很大影響，如設(shè)置在密相床上面過渡區(qū)灰濃度較大的地方，就可將較多的碳粒和物料吹入空間，增大上部的燃料份額和物料濃度。 分離器 分離器對(duì)CFBB的重要作用是任何人都不會(huì)懷疑的，沒有分離器也就沒有CFBB。正因?yàn)槿绱?，國?nèi)外都把相當(dāng)多的注意力放到了分離器的研究開上。分離器的型式與結(jié)構(gòu)形成了CFBB流派之間的區(qū)別標(biāo)志之一。 CFBB分離器的主要性能指標(biāo)仍是分離效率，它必須具有足夠高的效率，一是提供足夠的循環(huán)物料,二是收集細(xì)碳粒送回爐膛再燃燒，提高燃燒效率。CFBB循環(huán)物料的主體是200－300WM的顆粒，設(shè)計(jì)的分離器不但對(duì)此粒徑有極高的分離效率（＞99％），d50還應(yīng)盡量小于提高碳的燃燼率。CFBB飛灰含碳量分折發(fā)現(xiàn)，含碳量在某一料徑時(shí)達(dá)到峰值，隨后又下降，這一峰值對(duì)應(yīng)粒徑與分離器的效率是密切相關(guān)的。 目前CFBB使用的分離器主要分為兩大數(shù)，旋風(fēng)分離器和慣性分離器，一般說來，旋風(fēng)分離器效率較高，體積大，而慣性類分離器效率稍為遜色，但尺寸小，使鍋爐結(jié)構(gòu)較為緊湊。 在使用的條件上，分離器又可分為兩大類，高溫分離和中溫分離，從對(duì)鍋爐性能的影響上看，高溫分離較為優(yōu)越，原因是CFBB爐膛內(nèi)的固體物料濃度較高，造成爐內(nèi)混合較差，CO濃度較高，高溫分離器內(nèi)的二次燃燒可降低CO濃度，二次燃燒造成的升溫有利于N2O的還原，降低N2O排放濃度。 在分離器選取上還應(yīng)考慮到鍋爐的容量范圍，作技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較，如小型工業(yè)爐選用旋風(fēng)分離器，考慮到旋風(fēng)筒和料腿都需要有一定的高度，與之相匹配，爐膛也必須足夠高，否則壓低旋風(fēng)筒及料腿的高度，勢必影響其性能。此時(shí)應(yīng)作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合分折。 回灰裝置 CFBB灰循環(huán)系統(tǒng)中的回灰控制裝置除少數(shù)為機(jī)械閥（如Luirgl的錐形閥）外，一般都采用排機(jī)械閥，如J型閥、L型閥、V型閥等，非機(jī)械閥沒有活動(dòng)部件，閥的開啟與關(guān)閉是由給風(fēng)控制的，其優(yōu)越性不言而明。 非機(jī)械閥分為自平衡的和可調(diào)的兩大類，J閥、V閥、LOOP seal seal port 等均屬于自平衡式的，即流出量根據(jù)進(jìn)入量自動(dòng)調(diào)節(jié)，閥本身調(diào)流量的功能較弱，L－閥是調(diào)節(jié)型的，即可根據(jù)需要調(diào)節(jié)流量大小，作者從自己的實(shí)踐中體會(huì)到，L閥運(yùn)行中的最大問題是閥垂直段中料位的測量問題，因垂直段中料位太低，松動(dòng)風(fēng)就可能不是攜帶灰從水平段流出，而是從垂直段向上吹，既起不到閥的密封作用，還有可能導(dǎo)致結(jié)焦，這一問題應(yīng)給與注意。 在非機(jī)械閥的設(shè)計(jì)中，一是注意選擇合適的灰流截面，二是若回灰是高溫灰，還應(yīng)計(jì)算閥內(nèi)的熱平衡即松動(dòng)風(fēng)中的氧與灰中的碳接觸而燃燒，釋放的熱量部分轉(zhuǎn)化成熱煙氣的焓，其余的熱量則加熱循環(huán)灰，變?yōu)榛业娘@熱。應(yīng)控制灰的溫升，防止灰溫過高而結(jié)焦，這也是近年來國外發(fā)展水冷料腳的部分原因。 受熱面磨損 BFBB密相床內(nèi)布置有埋管受熱面，受處于流化狀態(tài)的床料的沖刷，金屬表面一直在經(jīng)受著一定程度的磨損。BFBB的磨損主要集中發(fā)生在過埋管部位，CFBB密相床內(nèi)不布置埋管愛熱面，磨損問題也并未因此而解決，設(shè)計(jì)時(shí)考慮稍有不周，在爐膛和灰系統(tǒng)的任何部位都有可能發(fā)生嚴(yán)重磨損。 在機(jī)理上，金屬的磨損可分為兩類：一是金屬表面在固體顆料的沖刷下，因磨擦而導(dǎo)致的金屬部件的逐漸失重，另一類是在金屬表面形成一層氧化膜，膜的硬度很高，但較脆，在物料顆粒的沖刷下，氧化膜出現(xiàn)極小徽快的剝落，在剝落掉的金屬表面上再形成新的氧化膜層，磨損就在這一過程中在進(jìn)行。下表給出了氧化層與其它一些物質(zhì)的硬度的比較（3）： 表1 物料硬度表 （20℃時(shí)） 物料 石灰石硅酸鹽 鋼 鍍層 氧化膜 硬度（HV） 140－160 800 130－250 500－1800 600－1800 可見氧化膜的硬度極高，如能在管子表面形成氧化膜，對(duì)減少磨損是極其有利的。氧氣膜的形成速率很重要，若其小于磨損速率，金屬表面就形成不了氧化膜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管壁溫度在300多攝氏度以上時(shí)，較易形成氧化膜。 CFBB的密相床一般處于還原性氣氛，對(duì)于在金屬表面形成氧化膜是不利的，可用耐磨材料覆蓋管子以避免嚴(yán)重的磨損。在還原與氧化氣氛交界處，由于這一界面會(huì)上下波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致磨損加重，應(yīng)與還原區(qū)同樣處理。 在爐膛下部壁面垂直段與漸縮段交界處、爐頂及爐膛出口等處，都是易發(fā)生嚴(yán)重磨損部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在結(jié)構(gòu)上給以考慮或加防磨措施。尾部對(duì)流受熱面的磨損亦是一個(gè)必須認(rèn)真對(duì)待的問題，我國先期投運(yùn)的若干臺(tái)CFBB已出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。有些人認(rèn)為CFBB安裝有分離器，尾部煙道的飛灰濃度比BFBB低，這種認(rèn)識(shí)是不全面的，安裝了分離器，將其收集的灰送回爐膛，導(dǎo)致了爐膛內(nèi)灰濃度的增加，人們針對(duì)這一高的灰濃度來設(shè)計(jì)分離器，為了能維持正常運(yùn)行所需的灰循環(huán)，分離效率往高達(dá)99％以上，盡管如此之高，但由于爐內(nèi)的高濃度分離器未能收集而排出灰量的絕對(duì)值可能仍很高，尾部如此之高，但由于爐內(nèi)的高濃度仍很大。在尾部煙道煙氣是向下流，顆粒一邊隨煙氣流動(dòng)，一邊受重力作用，顆粒的絕對(duì)速度是煙氣速度加上顆粒粒度又大，導(dǎo)致省煤器等尾部的受熱面磨損嚴(yán)重。在省煤器等尾部受熱面管束的彎頭與壁面之間如間隙較大，形成煙氣走廊，磨損將加速。金屬壁面的磨損速率與速度呈3－3．5次方的關(guān)系，與灰顆粒直徑為平方的關(guān)系。在尾部煙道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮上述因素，選擇合適風(fēng)速，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，避免受熱面的嚴(yán)重磨損。