工业循环流化床锅炉的设计与应用.pdf

循环流化床锅炉的设计与应用张太生（中国五环化学工程公司）[ 内容摘要 ]该文简述了国内外循环流化床锅炉的发展概况，以及对国内75t/h CFB锅炉设计与应用的认识和体会[ 关 健 词]循环流化床锅炉；发展概况一、循环流化床燃烧技术及其特点流态化技术始于上个世纪三十年代，在德国温克勒煤气发生炉中的应用，随 着生产的发展，流态化技术广泛地得到应用流化床也叫沸腾炉，流态化技术应 用到燃烧中就叫流化床燃烧，也叫沸腾燃烧 循环流化床燃烧技术是上世纪八十年代发展起来的一项新型煤燃烧技术，是介乎 块煤炉排燃烧和煤粉悬浮燃烧之间的一种独特的燃烧方式是在第一代沸腾炉的 基础上，为克服其飞灰含量高、燃烧效率低、埋管受热面磨损严重、脱硫剂的利 用率低等固有缺点而开发的，因而也称为第二代沸腾炉（即循环流化床锅炉） 循环流化床燃烧方式主要是将烟气携带出炉膛的未燃烬的物料颗粒，经气固 分离再送回炉床反复燃烧，物料可多次循环因此，它具有燃烧热强度高、燃料 适应性广、负荷调节幅度大、燃烧温度低、脱硫性能好、易于实现大型化等优点， 近年来得到迅速的发展和广泛的应用，对节约能源、 保护环境起到了一定的作用 由于循环流化床锅炉克服了其它炉型的缺点，发挥了它自身的优点，能够使 用各种极难燃烧的劣质煤并能经济有效地解决环保问题，因而受到世界各国的广 泛重视。

二、国外循环流化床锅炉的发展概况世界上许多国家都十分重视循环流化床燃烧技术的发展，在锅炉的大型化和 可靠性方面取得了很大得进展，容量为 123MWe 的循环床电站锅炉已投入运行，并在向更大的容量发展这里仅对当前世界上具有代表性的几种流化床锅炉作一简 单介绍 1．大型鼓泡床电站锅炉 美国福斯特 . 惠勒公司将美国明尼苏达州黑豹电站一台原容量为100MWe （蒸 汽流量为 107.5kg/s ，即 387t/h ）的煤粉炉改装设计成容量为130MWe （蒸汽流量 为 130.8kg/s ，即 471t/h ）的鼓泡床锅炉 改造原因： 改装前，由于煤种的变化，由原来燃烧低硫好烟煤改成高硫次烟煤 （S=1.21% ） ， 使煤粉炉的出力降为85MWe ，并且满足不了环境保护的要求 改装后，将原煤粉炉炉膛的下三分之一切去，换成流化床加埋管，保留其原 炉膛上部三分之二并使尾部受热面基本不变，不仅将出力提高至130MWe ，而且满 足了环境保护的要求 这台锅炉的炉底采用水冷布风板的结构，分为四个可以独立运行的分床，在 运行时可以达到 5:1 的负荷调节比 燃料的颗粒分布为0-32mm的宽筛分，采用的 流化速度为 2.9m/s。

锅炉设计有飞灰角循环回烧系统，从锅炉尾部机械式除尘器 收集的飞灰 , 由气力输送系统经分级燃烧空气喷口送入炉膛回烧 该炉于 1986年 7 月投入运行，可达到99% 的燃烧效率和 86% 的锅炉效率 向鼓泡床中加入石灰石后，在Ca/S=1.7 时，可达到 72% 的脱硫效率，满足了环境 保护的要求其中 NOx排放浓度为 245ppm ） 这台锅炉是当时世界上最大的电站 用鼓泡床锅炉， 它的改装成功， 为容量在 100MWe 上下的旧式煤粉炉改装成循环流 化床锅炉，以提高出力和满足环境保护的要求提供了经验2．鲁奇（ Lurgi ）式循环流化床锅炉 德国的鲁奇公司是世界上最早发展循环流化床的公司之一从1968 年开 始就把循环流化床流化技术用于锅炉燃烧，1975年获得专利，现已逐步商品化， 大型化自其第一台16.1kg/s(50t/h)用于热电联产的电站用循环流化床锅炉于 1982 年投入运行以来， 建在德国杜伊斯堡 （Duisburg ）第一热电厂的一台75 kg/s （270t/h ）的鲁奇循环床， 于 1985年 11 月投入运行 燃烧发热量为 25000kj/kg ， 含硫量为 1.5%的鲁尔烟煤，在运行中可以达到的参数是：蒸汽压力为148bar，蒸 汽温度为 5350C， 锅炉效率为 92.4%， 在 Ca/S=2-2.2 时， SO 2的排放量为 200mg/Nm3,NO x 的排放量为 35-40mg/Nm3。

由法国斯坦公司设计制造的电功率为125MWe 的鲁奇式循环床锅炉已于1990 年在法国投入运行该炉蒸汽流量为102kg/s(367t/h)，蒸汽压力为 13.4MPa ，过 热蒸汽温度为 5410C，再热蒸汽温度为5390C为了进一步向大型化方向发展，斯坦公司已完成了电功率为250MWe ，蒸汽流 量为 207.5kg/s的鲁奇式循环床锅炉的初步设计此外，鲁奇和美国燃烧工程公 司（CE ）合作，进行了电功率为500MWe 的大型鲁奇式循环床锅炉的设计3. 奥斯龙（ Ahlstrom ）公司的 Pyroflow 型循环床锅炉芬兰的奥斯龙公司和鲁奇公司一样，也是世界上发展循环床锅炉最早的公司 之一，从七十年代初开始进行循环床燃烧技术的开发工作，并于 1976年建立了第 一台试验装置， 1979 年制造了第一台20 t/h商业化的循环流化床锅炉，至今已 销售了 70 多台，其中最大蒸发量为420 t/h （相当于 110MWe ） Pyroflow型循环床锅炉除了没有外置鼓泡床换热器之外，和鲁奇式循环床 锅炉没有根本的不同，都属于循环倍率较高的循环床锅炉，其循环倍率一般为 70-80Pyroflow型循环床也在努力向大型电站锅炉的方向发展。

安装于美国的 Colorado-ute电力公司的容量为110MWe 的循环床锅炉于1987年投入运行， 1988 年 11 月通过鉴定蒸汽流量为117kg/s （420 t/h ） ，蒸汽压力为 10.5MPa ，过热 汽温为 5410C 其运行性能是：锅炉效率88.58 ％，NOx排放浓度 139ppm ，SO2排放 浓度 178ppm ，达到了设计要求4. 福斯特 . 惠勒公司的 FW型循环床锅炉 前已述及，美国福斯特. 惠勒公司具有设计大型鼓泡床锅炉的丰富经验， 在循环床锅炉方面，也发展了带有其特点的循环床锅炉其FW型循环床锅炉和 Pyroflow 型循环床锅炉没有本质的不同，其所能达到的锅炉性能和其它类型的循 环床锅炉相似其最主要的特点，是采用了蒸汽冷却的膜式壁作外壳的旋风分离 器 众所周知，分离器是循环床锅炉的心脏部分，其性能和可靠性直接影响锅炉 的性能和可靠性这种汽冷旋风分离器的主要优点是： (1)可以有效地防止在分离器中出现结焦现象；(2) 可以大大减少分离器向外的散热损失，从而可以提高锅炉的效率3) 取消了连接炉膛出口和分离器烟道上的膨胀节，由于分离器和锅炉本 体向一个方向膨胀，增加了整个锅炉运行的可靠性。

4) 在分离器水冷壁上敷设的薄层（5cm ）耐磨耐火材料有很长的寿命 和厚度为 40cm全由耐火材料砌成的分离器相比， 可以用更快的速度冷炉启动或停 炉（冷炉启动至满负荷仅需4-6h） ，并不会损坏分离器内的耐火材料 由于福斯特 . 惠勒公司采用了汽冷旋风分离器及其它有关技术措施，提高了循 环床锅炉作为电站锅炉的可靠性，因此，其在循环床锅炉大型化方面步伐较快， 至今它已得到三台80MWe ，二台 120MWe 和一台 250MWe 电站循环床锅炉的订货， 并在近期陆续投运5．德国拔伯公司Circofluid（循环流）型循环床锅炉 以上介绍的三种型式的循环床锅炉，其循环倍率都较高，约为50-100均 采用了较高的流化速度（5-7m/s）和较高的固体浓度，以及高温旋风分离器，均 带来了炉墙和受热面易于磨损，锅炉整体能耗过高等问题德国拔伯公司的着眼 点，在于充分发挥循环床锅炉燃料适应性广、燃烧及脱硫效率高、易于大型化等 优点的同时，寻求一条能尽量避免上述高倍率循环床缺点的技术路线，因而发展了一种称为 Circofluid（循环流）的低倍率循环床锅炉Circofluid循环床锅炉 采用的流化速度为3.5-5m/s, 它保留了鼓泡床的基本特点，即炉膛下部按鼓泡床 运行，有床层表面，上面为悬浮段。

床内不设埋管受热面以避免磨损Circofluid循环床在运行时采用的循环倍率为10-20采用的旋风分离器工 作温度为 4000C，其优点是改善了分离器的工作条件，减少了旋风筒的尺寸，但和高倍率循环床相比，因其不是在整个循环系统都处于最佳的燃烧和脱硫工况，因 而可能会影响其燃烧效率和脱硫效率 综上所述， Circofluid锅炉的运行特性，在本质上是在一个鼓泡床上叠加了 一个低倍率的循环床，类似于一个带有飞灰再循环系统的鼓泡床锅炉 目前已投入运行的Circofluid循环床锅炉，容量最大的还没有超过电功率 100MWe 的，安装在德国的一台Circofluid循环床锅炉，其发电容量为58.5MWe ， 蒸汽流量为 30.6kg/s （110 t/h ） ，蒸汽压力为 11.6MPa ，过热汽温为 5350C 此外，日本、瑞典等国家均在不同程度上研制和生产这种新型锅炉，但欧、 美等国家循环流化床锅炉已具备成熟的设计、制造和运行经验三、我国循环流化床锅炉的发展概况流化床燃烧技术我国从上世纪六十年代就开始研究，到七十年代已建工业流 化床锅炉（沸腾炉） 2000 多台，达 13200 蒸吨，其中最大容量为130 t/h （用在 鸡西矿务局自备电厂，由上海锅炉厂1979 年制造） ，当时在世界上居领先地位。

我国循环流化床锅炉 (以下简称CFB)的研制较国外稍晚，目前还处于起步研制和 完善阶段，但发展迅速，市场需求潜力较大中国科学院工程热物理所、清华大 学、浙江大学、东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、华中理工大学、西 安热工研究所、广州能源研究所等高等院校及科研所相继投入大批力量分别与国 内几家大、中型锅炉制造厂联合开发、研制了不同结构型式、不同流派的循环流 化床锅炉例如：中科院与济南锅炉厂、无锡锅炉厂研制的高温分离、高中温分 离、分级燃烧、中高循环倍率（10-20）的 CFB锅炉；清华大学与四川锅炉厂、梧 州锅炉厂研制的内循环、平面流分离器、低循环倍率（5-10）的 CFB锅炉；浙江 大学与杭州锅炉厂研制的中温分离、低循环倍率的CFB锅炉；哈工大、华中理工 大学与江西锅炉厂联合研制的中温分离方型分离器、下排汽分离器、低循环倍率 的 CFB锅炉等等，这些不同的结构型式和流派的炉型，都是在消化吸收国外技术 的基础上，结合我国的国情开发出来的，各有自身的特点近年来，哈尔滨锅炉 厂引进美国燃烧动力公司的技术，联合开发了模块式结构细粒子低速循环流化床 锅炉，并作为“全球环境保护基金委员会“赠款GEF项目的首选技术，其示范工 程为河南省安阳化肥厂75t/hCFB 锅炉项目。

1990年中科院工程热物理所与济南锅炉厂共同完成了75t/hCFB 锅炉的设 计任务，几乎同时，清华大学与四川锅炉厂共同完成研制的75t/hCFB 锅炉安装在 鞍山第二热电厂八五期间，我国已经投运的75t/hCFB 锅炉近 20 台，目前已达 到 40 多台以下就 75t/hCFB 锅炉在前一阶段出现的有关问题，加以总结并说明如下：1. 存在问题(1) 连续运行时间短（ 2000小时左右，完善化目标为3500小时） 2) 负荷带不上，初期运行的CFB锅炉很难稳定在满负荷状态，燃用低挥发 份煤则出力不足目前已解决）(3) 磨损问题未能很好的解决 （目前基本解决）(4) 热控系统不完善目前实现 DCS 控制）(5) 除尘效果差可采用电除尘或布袋除尘）(6) 炉体密封差、漏灰、环境差 （采用了膜式壁全包墙结构和非金属补偿 器等措施，已基本解决）(7) 高温排渣的冷却、热回收问题没有解决好目前采用冷渣器和高温灰 渣阀可以解决） 总之，在 CFB锅炉设计、制造、安装、施工、运行、管理、辅助设备配套、 工程设计等各方面都需要认真总结经验，以提高我国CFB锅炉的应用水平 2. 原因分析(1) 研究工作不够。

如煤的试烧问题，冷态和热态试验问题，燃料适应性广， 并不是什。