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26循环流化床锅炉的工作过程 及系统集成 吕清刚 那永洁 包绍麟 孙运凯 （中国科学院工程热物理研究所） 摘 要：本文通过分析流态化的流动特性，突出了循环流化床锅炉的鲜明特点，并详细叙述了循环流化床锅炉的工作过程本文还对循环流化床锅炉系统的特殊性进行了描述，进一步说明了其系统集成对循环流化床锅炉的重要性；同时，介绍了中国科学院工程热物理研究所开发的亚临界 6 7 0 t / h循环流化床锅炉方案技术特点 关键词：流态化 循环流化床锅炉 工作过程 系统集成 技术特点 当流体向上流经静止的颗粒层时，随着流体速度的变化，颗粒的运动状态会发生变化流体流速较低时颗粒静止不动，当流体速度增大时，颗粒受流体摩擦力的影响而产生移动，当流体流速增加到某一值后，颗粒脱离与相邻颗粒的接着而自由运动，就整个颗粒层而言，具有了许多流体的性质，这种状态被流态化 固体颗粒床层的运动状态与通过床层的气流速度相关，随着气流速度的增加，固体颗粒的运动分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送的状态通过气固分离装置，将固体颗粒分离下来回送到床层中去，实现颗粒的循环，循环流化床是快速流化床与物料循环装置的整合，它由快速流化床、气固物料分离装置和物料回送装置组成。

循环流化床具有快速流化床的床层流动特性，即固体颗粒被大于颗粒终端速度的气流所流化，整个颗粒层以颗粒团的形式上下运动，再加上固体物料的循环，可产生高度的物料返混，颗粒团不断的形成和解体，在这种流化状态下，固体颗粒和气体之间存在较大的两相速度差针对循环流化床来说，具有以下特点： （1 ）浓相区和稀相区之间不在有明显、清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； （2 ）存在强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体； （3 ）颗粒具有良好的横向混合； （4 ）固体颗粒与气体之间有较大的气固两相速度差； （5 ）整个物料循环系统的灰浓度较大等 作为循环流化床锅炉，其工作过程可通过物料循环燃烧系统、锅炉烟风系统和锅炉汽水系统来描述 物料循环燃烧系统 循环流化床锅炉的物料循环系统由炉膛、旋风分离器、返料器、外置换热器及其回路组成，物27料的循环是依靠送风机和引风机提供的动力来启动和维持的燃煤和石灰石由炉膛下部送入，在8 5 0 ～9 0 0 ℃的床温下，空气与燃料、石灰石在炉膛密相区充分混合，煤粒着火燃烧释放出部分热量，石灰石锻烧生成二氧化碳和氧化钙；未燃烬的煤粒被烟气携带进入炉膛上部稀相区内进一步燃烧，氧化钙与燃烧生成的二氧化硫反应生成硫酸钙，实现炉内脱硫。

燃烧产生的烟气携带大量固体颗粒经炉顶转向后，通过炉膛出口进入旋风分离器进行气固分离，旋风分离器分离下来的固体颗粒通过返料器直接返回炉膛，实现循环燃烧如果锅炉布置有外置换热器，被旋风分离器分离下来的固体颗粒一部分通过返料器直接返回炉膛，另一部分进入外置换热器，经过受热面（过热器、再热器或蒸发受热面）冷却后返回炉膛 外置换热器可以对床温进行调整， 当床温由于某种原因升高时， 增大进入外置换热器的灰流量，这样就增大了经过外置换热器冷却返回到炉膛的冷灰流量，因而，床料受到冷却使床温降低；当床温由于某种原因降低时，减小进入外置换热器的灰流量，这样经过外置换热器冷却后进入炉膛的冷灰流量减小，因而，床温会升高至正常的温度 分离后少量的飞灰随烟气进入尾部烟道，其中一小部分沉积在尾部受热面管子上及转弯烟道处，绝大部分被除尘器捕捉，其余部分随烟气排入大气 循环流化床锅炉主回路工艺流程的特征为：强烈的扰动及混合、高固体粒子浓度的内循环及外循环，高气固滑移速度、颗粒较长的停留时间这些特点为传热及化学反应提供了良好的外部条件，同时也允许燃用煤质在较大范围内变化 锅炉的底渣通过冷渣器冷却后排出，通过控制排渣量，使床层压降维持在合理范围内，以保证锅炉良好的运行状态。

锅炉烟风系统 循环流化床锅炉的燃烧空气分为一次风、二次风，分别由炉底和炉膛下部送入，运行时，一次风作为燃料一次用风和床内物料的流化介质经炉底风室进入炉膛，二次风沿炉高方向上分层布置，以保证提供给煤颗粒足够的燃烧用空气并参与燃烧调整；同时，分级布置的二次风在炉内能够营造出局部的还原性气氛，从而抑制燃料中氮氧化物的生成，降低烟气中 N O x 的含量 燃煤在炉膛内燃烧后产生的高温烟气及其携带的固体粒子进入旋风分离器，在分离器内绝大部分物料颗粒从烟气流中分离出来，含少量飞灰的烟气由分离器中心筒引出进入尾部烟道，对布置在其中的过热器、再热器、省煤器和空气预热器进行换热，然后经除尘系统、引风机，进入烟囱，排向大气 高压流化风机供给返料器所需的高压流化风 石灰石输送风机提供气力输送石灰石所需的输送用风 锅炉汽水系统 锅炉给水首先进入省煤器，经省煤器加热后引入汽包水空间，汽包内的锅水通过集中下降管进入水冷壁下集箱，经炉膛膜式水冷壁加热后成为汽水混合物，流经上集箱、汽水引出管引入汽包进行汽水分离被分离出来的水进入汽包水空间，进行再循环 分离出来的饱和蒸汽从汽包顶部的蒸汽连接管引至布置在尾部烟道、炉膛或外置换热器内的过热蒸汽受热面加热，最后将合格的过热蒸汽引向汽机，过热器系统布置有调节灵活的喷水减温作为28汽温调节和保护受热面管子的手段。

对于带再热的循环流化床锅炉，在锅炉的尾部竖井烟道内、或炉膛内、或外置换热器内，布置有再热器，由汽机来的再热蒸汽经再热器加热后再引回汽机在再热器进口管道上布置有事故喷水减温器，用于紧急状况下控制再热器进口汽温一般采用喷水减温或烟气挡板的方式对再热蒸汽温度进行调节，如果再热器布置在外置换热器内，再热蒸汽温度也可依靠外置换热器来调节，通过调整进入外置换热器的灰流量，改变再热器的吸热量，以达到调温目的 冷渣器所用冷却水来自回热系统或锅炉给水系统 循环流化床锅炉的特点可概括如下： （1 ）低温控制燃烧 循环流化床锅炉的燃烧温度被控制在 8 5 0 ℃左右，有利于在煤的燃烧过程中实现脱硫，再加上物料的循环，脱硫剂石灰石的循环利用也成为现实，最佳的脱硫温度、炉内强烈的湍流混合方式和脱硫剂在炉内停留时间的延长使脱硫效率大大提高通过低温燃烧和分级配风实现低氮氧化物的生成低温燃烧形成的灰渣活性好，易于综合利用 （2 ）循环回路中高浓度的固体物料 循环流化床锅炉的炉膛、分离装置和返料装置组成了物料循环系统，固体物料在物料循环系统内进行外循环，同时，在炉膛内物料还存在内循环，两种循环的存在使炉内的灰浓度非常高，有利于炉膛内温度分布的均匀。

循环流化床锅炉通过物料循环系统将绝大部分高温固体颗粒捕捉下来送回炉膛反复进行燃烧，大大加长了燃料在炉内的燃烧时间，提高了燃烧效率 进入锅炉尾部烟道之前，烟气中的绝大部分固体颗粒被分离下来，进入尾部烟道的烟气中灰浓度与常规煤粉锅炉相当，有利于尾部烟道中对流受热面的布置 （3 ）高强度的热量传递 在循环流化床锅炉中，炉膛及旋风分离器内有大量的固体颗粒，且炉内的湍流混合非常强烈，势必带来其热量传递强度很高，有利于锅炉的传热 目前，循环流化床锅炉正在向大容量、高参数快速发展，其系统集成就显得尤为重要循环流化床锅炉的系统包括锅炉汽水系统、物料循环系统、烟风系统、给料系统、排渣冷却系统、防磨系统和控制系统等，每一个系统中又包括若干装置循环流化床锅炉的技术核心在燃烧和炉膛、旋风分离器、返料器、外置换热器组成的固体物料循环回路上，循环回路的设计技术是循环流化床锅炉设计的关键，汽水系统与常规煤粉锅炉基本相同（亚临界以下参数） ，其它的系统都有其特殊性 1 物料循环系统 物料循环系统由布风装置、炉膛、分离装置、物料回送装置、外置换热器及其连接管道组成 1 . 1 布风装置 布风装置要求能够均匀密集地分配气流，布风板上不能有流化死区存在；风帽出口气流应具有较大的动能，能使空气和物料产生强烈的混合和扰动；布风板的阻力应选取合理；风帽要有足够的耐高温和抗磨损能力，能有效地防止固体颗粒漏入风室，且维修更换方便；布风板应具有足够的强29度和刚度，能承受本身和物料的重量。

布风装置中最重要的部件是风帽，风帽的种类非常多，目前得到广泛应用的有钟罩式风帽、蘑菇头风帽、柱型风帽、T 型风帽和定向风帽（如猪尾巴管）等，这些风帽在使用中各有优缺点存在 中国科学院工程热物理研究所通过多年的研究和实践，开发出了大口径柱型风帽和大口径内嵌逆流柱型风帽，通过多年的实炉运行效果较好，特别是大口径内嵌逆流柱型风帽，在运行中的优点突出，其主要优点有：风帽分布均匀，阻力适中，保证物料均匀流化，防止结渣；采用优质耐热合金钢作为风帽材料，耐磨性好，检修维护方便；内嵌逆流的结构独特，可有效防止漏渣 1 . 2 分离装置 分离装置要求能够在高温下正常工作，能够对高浓度的固体颗粒进行有效地分离，分离效率高，阻力低，且能够与锅炉流程相适应，使锅炉结构紧凑等 分离装置分为旋风分离器和惯性分离器两大类，旋风分离器又有水冷、汽冷和绝热三类，按形状又可分为蜗壳式旋风分离器、切向旋风分离器、方型旋风分离器、下排气旋风分离器和卧式旋风分离器惯性分离器有槽型钢分离器、U型钢分离器、百叶窗分离器、平面流分离装置和对流管束加鳍片的分离装置等目前大型循环流化床锅炉中大多采用高温旋风分离器 中国科学院工程热物理研究所先后开发出百叶窗分离器和蜗壳式高温旋风分离器，目前推出的炉型均使用蜗壳式高温旋风分离器，该分离器的优点是：采用技术成熟的蜗壳进口型式，可有效捕捉烟气中的细小颗粒，分离效率高，使循环物料量得到可靠保证；合理的内部设计使其磨损轻、阻力低、可靠性高。

1 . 3 物料回送装置 物料回送装置应能满足物料流动稳定、无气体反窜、自动平衡或调节物料流量等要求回送装置主要由阀和立管两部分组成，立管的差别不是很大，阀的种类很多，大体可分为机械阀和非机械阀两大类，目前绝大多数的循环流化床锅炉使用非机械阀 1 . 4 外置换热器 随着循环流化床锅炉容量的增大和蒸汽参数的提高，工质所需要的蒸发热量所占的份额逐步减小，炉膛的表面积与容积之比亦逐渐减小，蒸发热主要靠炉膛受热面来吸收，且大型循环流化床锅炉均带有再热蒸汽系统，仅靠蒸发受热面无法保持合理的炉膛温度为了使大容量循环流化床锅炉的炉膛温度合理，过热蒸汽和再热蒸汽的参数达到设计要求，可通过两种方法实现：一是在炉膛内增加过热蒸汽受热面或再热蒸汽受热面，吸收炉内的热量使过热蒸汽或再热蒸汽达到设计参数，保持炉膛内的温度水平合理；二是采用外置换热器，在外置式换热器内布置过热蒸汽受热面或再热蒸汽受热面，同时满足达到蒸汽设计参数和调节床温的要求 所谓外置换热器就是将炉内的一部分热量移至炉外的受热面，通过高温循环灰加热的一种热交换装置固体颗粒从旋风分离器中分离出来以后，一部分经过返料器直接送回炉膛，另一部分则送至外置换热器，热灰中的部分热量传给其中的受热面，冷却后的灰送回炉膛，实现循环流化床锅炉的物料循环。

在外置换热器的设计中，其物料流化和循环、物料量的控制、调温特性是关键因素 外置式换热器可以有效地调节床温，保证炉膛内的温度合理均匀，从而保证锅炉高效低污染排放；减弱锅炉负荷变化对床温的影响，增强锅炉变负荷调节性能；提高燃料的适应性；换热器内布30置过热器和再热器，可有效减少炉内和尾部烟道对流受热面的布置 中国科学院工程热物理研究所通过与国外先进研究单位的合作开发和独立自主的试验研究， 先后推出了插板式可控阀的外置换热器和气动控制式外置换热器，特别是气动控制式外置换热器，它通过空气动力（流量）控制进入外置换热器的灰流量，调节方便，结构简单，运行可靠 2 其它系统的特殊性 2 . 1 给料系统 给料系统包括燃料和石灰石的加入装置，随着循环流化床锅炉容量的增大，石灰石大多采用气力输送的方式加入炉内，而燃料的加入装置有很多种，如皮带给煤机、螺旋给煤机、刮板等等需要说明的是炉膛的落煤口大多处于正压区，因此给煤装置需密封，防止热烟气窜出特别是近来皮带给煤机的使用率很高，窜出的热烟气将烧毁皮带，给煤装置的密封就显得。