循環(huán)流化床鍋爐的燃燒系統(tǒng)分析

馬晉鵬

摘 要：本文主要從循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點、過程、影響因素三方面對其燃燒系統(tǒng)進行分析和研究，以提高循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)對不同燃料煤質的燃燒適應性和循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率，旨在降低運行成本，延長鍋爐的使用壽命，確保循環(huán)流化床鍋爐安全經濟運行，達到國家環(huán)保要求。

關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；物料流化；燃料粒比度

1 循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的特點分析

循環(huán)流化床鍋爐的結構爐膛大、燃料顆粒在爐膛內停留時間長、燃料顆粒在一二次風的強烈擾動下流化燃燒等特性，決定了其具有以下4個燃燒特點：燃料適應性廣、燃燒效率高、脫硫性能強、氮氧化物排放低。這些特點是傳統(tǒng)鏈條爐、煤粉爐和鼓泡床流化床鍋爐所不具有的優(yōu)點。

1.1 燃料適應性廣

循環(huán)流化床鍋爐不但能燃燒高熱量的優(yōu)質煤種和燃料，而且還能燃燒像煤矸石、高灰煤、泥煤、生活垃圾等低熱量、低揮發(fā)分、高灰分的劣質煤種和燃料。

1.2 燃燒效率高

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率可高達99%，負荷調節(jié)范圍廣，可控制在額定功率的30%～110%之間。當負荷發(fā)生變化時，只須調節(jié)給煤量、一二次風量和旋風分離器的循環(huán)量即可滿足不同條件下的負荷變化。

1.3 脫硫性能強

由于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性，當鈣硫比在1.5～2.0時，其爐內脫硫效率高達92%，因為循環(huán)流化床鍋爐的床溫控制在850℃左右，是爐內石灰石脫硫的最佳溫度，煤種中的硫元素在此溫度下，通過和石灰石發(fā)生化學反應，可達到脫硫的目的。

1.4 氮氧化物排放低

循環(huán)流化床鍋爐內爐膛低溫燃燒和分區(qū)、循環(huán)燃燒的特性決定了其氮氧化物排放低的特點。通過多年的實際運行證明，煤種通過循環(huán)流化床低溫循環(huán)燃燒，其氮氧化物排放量為55～140ppm。隨著國家環(huán)保要求的提高，再配合爐外尾部脫硝系統(tǒng)，循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物排放值可以控制在55ppm以下。

2 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒過程分析

2.1 流化

燃料顆粒在爐內燃燒的空間為爐膛，也稱之為燃燒室。在燃燒系統(tǒng)設計的過程中，把燃燒室分為了稀相區(qū)和密相區(qū)。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒主要發(fā)生在爐膛下部的密相區(qū)，上部的稀相區(qū)，鍋爐分離器區(qū)燃燒相對較少。鍋爐爐膛布風板上布有幾十公分厚的惰性材料。鍋爐爐膛是一個充滿灼熱的物料，是一個穩(wěn)定貯存熱量的火熱源。燃煤與分離器返回的未燃盡的焦碳顆粒在該區(qū)域燃燒，爐膛內的物料在一次風的主要作用下，密相區(qū)處于還原性氣氛，對于氣固流態(tài)化的固體顆粒來說，氣體并不均勻地流過床層，固體顆粒分成群體做紊流運動，床層中的空隙率隨位置和時間的不同而變化，形成“聚式”流態(tài)化，即所謂的物料流化。

2.2 燃燒

已經流化的物料，高溫床料使燃料達到燃燒的燃點；一次風提供了物料燃燒所需的氧氣，在高溫床料和一次風的作用下，燃料開始燃燒。其中一次風量約占燃料完全燃燒所需風量的60%左右，燃料揮發(fā)分的析出和燃燒大部分發(fā)生在密相區(qū)，燃料燃燒釋放的熱量與爐膛四周下部的水冷壁進行熱量交換；當增加負荷時，保證一次風能把燃料足夠流化的情況下，加大給煤量和二次風的比例，讓已經流化的份額較大、粒徑較大的煤粒，輸送至爐膛上部稀相區(qū)，在二次風提供氧量的作用下，大顆粒煤同在稀相區(qū)的焦炭和一部分揮發(fā)分燃料，以富氧狀態(tài)進一步燃燒，并與爐膛四周上部的水冷壁進行熱量交換。相反，當鍋爐負荷降低，保證一次風能把燃料足夠流化的情況下，減少給煤量和二次風的比例，減少燃料在稀相區(qū)的燃燒，甚至在需要壓火時停止二次風的供給，以滿足負荷變化的需求。

在鍋爐密相區(qū)床層溫度越高，床下部燃燒份額也就越大，但是一次風量提供的氧氣量約占燃料完全燃燒所需風量的60%，所以燃料在密相區(qū)是燃燒不完全的。在一次風和流體力學的作用下，燃料從密相區(qū)到稀相區(qū)，燃料向上運動燃燒的同時又沿截面貼近爐墻向下移動，進而在爐膛內旋轉循環(huán)燃燒，物料循環(huán)延長了燃料在爐膛內燃燒狀態(tài)的停留時間，更有利于燃料顆粒的燃盡和傳熱。

2.3 分離及平衡

燃料通過在爐膛內的燃燒，大部分都已經燃燒完畢，只有少數未燃盡的大顆粒燃料在流化風的帶動下，夾帶到旋風分離器中，由于少數未燃盡的大顆粒燃料在分離器強大離心力的作用下，停留時間很短，再加上分離器中的氧含量很低，燃料顆粒在該區(qū)域燃燒份額很小，只有一小部分一氧化碳和一小部分揮發(fā)分燃料在此燃燒。本過程主要是分離燃料，控制整個循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的物料平衡，起到提高燃料利用率和鍋爐效率的作用，達到讓鍋爐燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

在實際循環(huán)流化床鍋爐的運行中，一般分離效率大于理論計算數據。在實際工況下，從流化床內進入到旋風分離器的氣固混合物中的固體燃料顆粒濃度比在其他常規(guī)鍋爐分離器中要高的多。這樣的顆粒通常以顆粒團的形式出現，在離心力的作用下更容易被搜集，使分離器的分離效果增大。在循環(huán)流化床鍋爐實際燃燒工況下，固體燃料除經過爐膛密相區(qū)、稀相區(qū)的內循環(huán)燃燒外，還有一部分是在分離器再循環(huán)系統(tǒng)的外循環(huán)燃燒，以達到鍋爐的物料平衡，煙氣平衡。

3 影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的因素分析

3.1 燃料熱值特性

循環(huán)流化床鍋爐是針對不同燃料熱值特性的煤種而設計的專業(yè)的燃燒設備，當實際燃料熱值與設計燃料熱值有較大差別時，就會影響鍋爐的燃燒系統(tǒng)，影響鍋爐效率和燃料利用率，要么燃料不能充分燃燒，浪費資源；要么鍋爐出力不夠，達不到設計參數。所以選擇的鍋爐要和設計煤種相一致。

3.2 燃料粒比度

粒比度是指各粒徑的顆粒占燃料總量的份額。燃料的粒比度對不同鍋爐的要求也不完全相同。粒徑越小，在爐內停留時間越短，基本從給煤口進入爐床到從爐膛出口飛出爐膛的一個過程便可燃盡。但是粒徑太小，會導致未被燃盡就被吹出爐膛，并且受分離器的切割粒徑限制不能被回收至爐膛重新燃燒，這會使飛灰熱損失更大；而相反，粒徑較大的燃燒時間較長，如果大顆粒所占比重較大，會導致爐膛密相區(qū)過厚，若再加上布風板結構不合理，送風調整不當，放渣時間間隔短，那么就會使大顆粒的煤未被燃盡便被排出，使排渣熱損失增大。

3.3 流化質量

流化床要求布風板裝置配風均勻，風帽選型合理，風速、風量合理分配；使爐底物料流化質量良好，清除死區(qū)和粗顆粒的沉積。進入料層的氧氣不僅要分配均勻，而且要盡量減少氧氣氣泡的尺寸，減少氣泡的夾帶。在鍋爐運行以前必須做布風板均勻性試驗和最小流化風量測試，還要確定冷態(tài)臨界流化速度。因為熱態(tài)和冷態(tài)爐內溫度差別大，煙氣密度不同，熱態(tài)時的密度要小，因此熱態(tài)時的臨界流量要比冷態(tài)時的臨界流量小得多，但是，臨界流速不變。物料流化質量的好壞是影響流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的一個重要因素。

3.4 爐膛床溫

維持穩(wěn)定的床溫是流化床鍋爐穩(wěn)定燃燒的關鍵，溫度越高，越有利于提高燃燒速率和縮短燃盡時間，但溫度太高，超過灰變形溫度就可能產生高溫結焦；溫度過低，對煤著火和燃燒不利，要在安全和不結焦的允許范圍內盡量保持較高的床溫，應維持在800～900℃。

3.5 一、二次風的配比

一次風應滿足密相區(qū)燃料燃燒的需要，保證物料正常流化，從密相區(qū)布風板進入爐膛。其風量過大，會使粒徑小的顆粒在爐內停留時間過短，帶走熱量；風量過小，使物料不能充分流化，燃燒不充分，還可能導致爐床局部過熱而結焦。二次風從密相區(qū)與稀相區(qū)的交界處進入，補充稀相區(qū)燃料充足的氧分，使物料橫向攪動摻混，保證燃料充分燃燒，降低氮氧化物的排放。二次風過大與過小對燃燒都會產生不利影響。

4 結語

隨著社會和科技的不斷進步，循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)的技術也日益完善，相信循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)技術一定會向著高效型、節(jié)能型、超低排放型方向持續(xù)健康地發(fā)展。

參考文獻

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（作者單位：太原鍋爐集團有限公司）