CFBB讲稿.doc

循环流化床锅炉介绍
第一章．发展动因
1． 大气污染
传统煤粉炉燃烧时炉膛温度大约1300---1400度，生成大量NOx和SO2，对环境危害极大。NOx的主要成分是NO（占总量的95%），其次为NO2（约5%），另有少量的N2O，N2O3，N2O4，N2O5。
NO和NO2都是有害气体。极易与血液中的血色素结合，使血液缺氧，引起神经中枢麻痹。
NOx能破坏臭氧层。NOx存在时，O3变成O2，减弱臭氧层对紫外线的屏蔽作用。对地面生物造成危害。
NO2在阳光照射下，和大气中其他污染物发生一系列连锁反应形成毒性很大的光化学烟雾。NOx和SOx与粉尘形成硝酸或硝酸盐气溶液，落到地上就是酸雨。
SOx在氧气充足和一定水分条件下，SO2在粉尘中金属氧化物的催化作用下，生成SO3转化为硫酸烟雾，形成酸雨。
SO2主要刺激粘膜，引起各种呼吸道疾病。
我国酸雨危害极大。1993年以来城市降水监视PH值低于5.6的主要城市为长江以南，西藏以东广大地区，面积从1985年的175万平方公里，急增到1993年的280万公里。1992年我国76个城市空气中SO2浓度超过WHO推荐上限60ug/m3的城市占60.5%。

2． 劣质煤的大量存在以及其他能源物质的燃烧问题
低发热量，高灰分，高硫煤，泥煤，褐煤，油焦，造纸厂纸泥等均可作为循环流化床锅炉的燃料。
大量的生物燃料（作物秸杆）等均可作为循环流化床锅炉的燃料。
目前使用循环流化床锅炉技术，以城市生活垃圾为燃料的垃圾处理炉也已在北京试运。

第二章．循环流化床锅炉
1． 循环流化床原理
1.1 流态化定义
使颗粒通过与气体或液体的接触而转变为类似流体的一种运动状态.
当颗粒处于流态化时,作用于固体颗粒上的重力与气流的曳力相平衡,此时颗粒处于一种拟悬浮状态,从而具有类似液体的性质.其特点是:
l 在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内的固体颗粒的重量.
l 无论床如何倾斜,床面总保持水平,流体形状保持容器形状.
l 床中固体颗粒可以象液体一样从底部或侧面流出.
l 密度大于床料密度的物体会下沉，低于的会上浮。
l 床内颗粒混合良好，当加热床料时，床温基本均匀。

1．2 分类
随着气体流速的不同，可分为：
l 固定床： 固体颗粒静止不动，如链条炉。
l 鼓泡床： 曳力等于重力，固体颗粒呈流态，有明显的表面。各种U阀、J阀、L阀都是鼓泡床。
l 节涌床： 床中出现大气泡
l 湍流床： 大量颗粒抛向床层上部，床层虽有表面但已十分弥散，压力降快速脉动。
l 快速床： 气固间高速滑移，颗粒团聚物形成和离析，轴向和径向固体颗粒浓度不均匀。
最小流化风速Umf：气体对颗粒的曳力刚好等于颗粒的重力减去浮力时的床层风速。
节涌：床截面较小而又较深时，气泡尺寸与床宽度相差不大，气泡以节涌形式通过床层，这就叫节涌现象。
循环倍率：
1.3 循环流化床模型
位置 流态
二次风口下 湍流床或鼓泡床
二次风口上 快速床
旋风分离器 旋涡流动
返料器立管（料腿） 移动床
返料器和外置热交换器 鼓泡床
尾部烟道 气力输送
1．4 特殊部件介绍
1） 布风板
作用：将风室和炉膛隔开，保证一次风穿过布风板进入炉膛，流化物料，同时将固体颗粒限制在布风板上，支撑物料。
风帽有多种形式：猪尾巴型，钟罩型，T型等
2） 分离器
百叶窗式
U型槽
旋风分离器，分为高温（800--900℃）
中温（400--600℃）
冷却方式：气冷，水冷，绝热
3） 返料器
分U，L，J型
关键是底部有流化风，侧面有松动风，物料保持在流态化，既实现了回料控制，又实现了工艺过程的不同压力间的隔离和联系。
4） 外置换热器
一般为低速鼓泡床，颗粒流化速度为0.3—0.5M/S，颗粒对埋管的磨损小，管束寿命较长。采用外置换热器的优点：
l 床温控制灵活，只要控制进入交换器与回炉热料的比例，不改变循环倍率。
l 将燃烧与传热分离，使二者达到最佳状态。
l 将再热器与过热器布置在外置热交换器中，调节汽温非常灵活，甚至可以不用喷水。
例如：Duisburg 的CFBB，两个一级分离器下配2个外置换热器，两个二级分离器的灰回送炉膛。一个外置床布置蒸发受热面，用灰流量调节床温；另一个布置中间再热器，用灰流量调节再热汽温，二者互不影响。

2． 循环流化床锅炉的优缺点
1） 煤种适应性广。
l 低热值、高灰分燃料，如：泥煤、褐煤、洗煤的煤泥、煤矸石、油页岩、油焦等。
l 生物质燃料，如：秸杆、葵花子壳、果壳和纸浆泥等
l 垃圾、废旧轮胎等

新燃料仅占床料量的1—3%
2） 燃烧效率高，一般97.5—99.5%。
l 气固、固固混合良好，能迅速加热新燃料到着火温度，颗粒多次分类循环燃烧
颗粒 < 0.5mm 一次燃尽，随烟气带走
< 1mm 在悬浮段多次燃烧
< 10mm 在浓相区燃烧
l 过剩空气系数低，一般小于1.2。
据估计： 燃烧优质煤时，效率与煤粉炉持平
燃烧劣质煤时，比煤粉炉高5%。
3） 环保品质好。
NOx排放低，约50---150ppm
主要原因是：
l 低温燃烧，床温控制在800--900℃。空气中的N2一般不会转化为Nox，煤粉炉炉膛温度大于1450℃，大量生成Nox，称热力型Nox。
l 分段供氧，一次风一般占总风量的60—80%，密相区处于还原气氛，燃料中析出的N2不会与氧气发生反应生成Nox。在二次风区，燃料中的N已经形成N2，加上温度低，不会生成Nox。
高效脱硫，脱硫效率达90%以上（当钙硫比为1.5—2.5时）

4） 锅炉调节性好，
负荷适应率20—100%。负荷调节速率可达4—5%/分钟，启动特性好，冷态3小时，热态45分钟。
5） 炉膛单位热负荷大，炉体紧凑。
6） 燃料颗粒分布在0—8mm之间，对煤只需简单破碎，省去大套的制粉设备。

缺点
1） 工艺不够成熟，在大型电厂应用少。
2） 结构复杂，在旋风分离器，热膨胀，耐磨内衬等还有问题。
3） 钢材耗量大。

主要炉型
3.1循环流化床锅炉的发展历史
流态化燃烧方式来源于化工生产的流态化反应，五十年代流态化燃烧技术正式问世，六十年代初，小型商业化鼓泡床（BFB）开始出现。由于鼓泡床在燃烧宽筛分燃料，尤其是劣质燃料时，固体未完全燃烧损失较大，加入石灰石脱硫效果差，埋管受热面和炉墙磨损大，以及大型化时床面过大，受热面难布置等缺点，逐渐为第二代循环流化床取代。
七十年代由于环境保护压力，循环流化床工艺得到了飞速发展。由于CFBB具有炉内脱硫、NOX生成量低、燃料适应性广、负荷调节能力强、灰渣便于综合利用等优点，且造价相对低于其他清洁发电方式，推动了各种大型循环流化床的发展。目前投入运行的最大锅炉是位于法国Gardanne电厂的250MW CFBB。中国内江白马电厂准备建设世界最大的300MW CFBB。
目前世界主要循环流化床锅炉有三大流派：Lurgi,Pyroflow,FW。

3.2．德国鲁奇型CFBB
其典型代表是法国Gardanne电厂，配250MW中间再热汽机的700T/H炉。主要参数：
电功率： 250MW
蒸发量： 700T/H
主汽压力： 16.9MPA
主汽温/再热汽温: 567/560℃
高温旋风分离器: 4*7.4M
4个外置床布置中温过热器、低温过热器、高温再热器。
燃烧室温度（床温）由2个布置中温过热器的外置床控制调节（每个燃烧室1个），再热汽温由2个布置高温再热器的外置床调节，过热汽温由喷水减温调节。
3层启动燃烧器，一次风管内安装2个天然气燃烧器，热功率为3%MCR，布风板上1.5M高度处每个腿5个重油枪，热功率为30%MCR
布风板上7.5M高度处2个天然气燃烧器，热功率为3%MCR
次序：冷态先点燃一次风道内和床上天然气燃烧器，将床温加热到450℃时投点火油枪，床温达650℃开始投煤，先是鼓泡床下点火，负荷到30%，床温大于700℃时过渡到循环流化床状态，冷态启动约10小时。
排放指标： 设计 运行
SO2 400 103 MG/M3（PPM）
NOX 250 230
CO 8.44
由于燃烧中煤灰中含有57%CAO,原煤中CA/S比为2.5，石灰石子系统未投。
Gardanne电厂的煤粉炉与CFBB比较，见图

Pc炉
CFBB
过剩空气系数
1.5
1.17
SO2排放
>400mg/m3
103
烟气露点
>150℃
130
η
88%
略高
脱硫效率
<40%
99%

鲁奇循环流化床锅炉运行参数:
床温
850--900
循环倍率
40
锅炉效率
>90%
过剩空气系数
1.15-1.2
燃烧效率
>99%
稀相区烟速
5.5-6M/S
NOX排放
<100 mg/Nm3
负荷调节速率
2-5%/分钟
脱硫效率
90%(钙硫比1.5-2)
一次风比率
40-50%
外置床灰流速
0.3-0.5M/S

3.3 奥斯龙PYROFLOW型CFBB
主要参数:
床温

循环倍率

锅炉效率

过剩空气系数

燃烧效率

稀相区烟速
4-6M/S
NOX排放

负荷调节速率

脱硫效率

一次风比率
60-70%
高温旋风分离器
800-900

Ω管屏过热器
烟气再循环
自平衡U型返料器

3.4 FW型CFBB
主要参数:
床温
850-900
循环倍率

锅炉效率

过剩空气系数

浓相区风速
4-5M/S
稀相区烟速
5-5.5M/S
NOX排放

负荷调节速率

脱硫效率

一次风比率
60-70%
汽冷旋风分离器
850-900

整体式再循环热交换器INTREX.
3.5 德国BABOCOCK公司的CIRCOFLUID型CFBB
中温旋风分离器:400
低循环倍率:10-20
一次风:60%; 二次风:40%
流化风速:3.5—5M/S
炉膛下部按鼓泡床运行,上部为悬浮段,烟气流速5.5M/S,灰浓度<1.52KG/M3,此时不会引起对流受热面的磨损.
床温用中温灰及飞灰再循环来调节.

第三章．循环流化床锅炉控制策略
一． 燃烧和传热分析
1． 燃烧室放出的热量，一部分被床内受热面吸收，一部分被烟气飞灰带入尾部烟道。
煤粒在锅炉内的平均停留时间：
tm=60.Hs.Ad.p/B
其中：Hs----静止料层高度
Ad----布风板面积
p---料层堆积密度
B---燃料消耗量

二．锅炉设计和运行对控制的要求
1．布风装置要求配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉降，底部流化质量良好，减少冷渣含碳量。
2．加入床层的燃料要求在整个床面上播散均匀，防止局部碳负荷过高，以免造成局部缺氧。
3．风量调节，循环流化床锅炉自有其特点。从工艺上讲，循环流化床比之煤粉炉要复杂得多。
3．1一次风机送出的大部分一次风从风室进入炉内时,主要用于流化物料和助燃,它有一个最小值和一个最大值分别对应最大和最小流化风速，破坏了这两个条件，都不再是流化床燃烧工况。有的锅炉还设低二次风喷嘴，其风源也来自一次风机，目的是在流化风量已经在最大时，仍可调节一次风以满足运行要求。
为控制床温和NOx生成采取分段供风，为此设二次风机。一部分去给煤管，防止热烟气外泄；一部分去启动燃烧器；一部分作分级燃烧用风，完成燃料的完全燃烧并控制烟气含氧量。
给煤口附近煤量集中，细颗粒因缺氧无法燃烧，随上升气流进入悬浮段，难以燃烬。对挥发分较大的煤，挥发分也可能难以燃烬，在尾部烟道形成焦油沉积。因此在给煤口加播煤二次风，在给煤口上方加二次风，改善燃烧工况，减少挥发分和细颗粒的不完全燃烧损失。
所有循环流化床都有回料问题，不管是用回料器，自平衡U型回料器或外置鼓泡床回料器，为使回料顺畅，必须有专用高压风机（罗茨风机）。除了流化风以外，回料器的不同部位要分别供以松动风，分别加以调试，才使回送顺利工作，实现其自平衡回料的同时，将工艺上不同压力的部件有机的联系起来。
此外，还有播煤风，播石灰石风等特殊工艺要求。
为使锅炉实现经济燃烧，所有上述风是都要在计入送风调节的同时，改变一二次风的配比来实现床温的控制。由于循环流化床风系统的复杂性，一般社一个总风量控制器，用于实现不同风之间的比例分配。为了保证燃烧效率，一般对煤风实现交叉限制，既加负荷时先加风再加煤；减负荷时先减煤再减风。
4．料层太薄，床层不稳定，压火不能太长；料层太厚，增加电耗和不完全燃烧损失。为此要依据床层压降判断料层高度，通过控制排渣来维持料层厚度。并且希望是连续排渣，以减少料位波动对锅炉运行带来的波动。
5．床温控制，焦炭的着火温度为800℃，为此要求床温不低于800℃；为了防止灰变形，床温不能高于1150℃；为了达到最佳脱硫效果，床温要求低于950℃。根据不同炉型，可通过调节给煤量，循环灰量，一二次风比来控制床温。
6．为了保证锅炉耐火材料和钢结构的合理膨胀，要严格按照锅炉厂的启动升温曲线和点火顺序来点火、投油、投煤。
7．石灰石的合理加入。
影响石灰石用量的因素：
1. 燃料中的含硫量
2. 烟气中SO2的控制要求
3. 给煤速率
4. 床温
5. 石灰石质量和尺寸
如果石灰石颗粒》300MICRONS的粗石灰石，
l 会增加石灰石量，
l 使床温升高，
l 减少炉内传热，
l 降低锅炉效率，
l 增加灰量，
l 增加风量，
l 增加NOX

测点布置：
l 床层压降=布风板阻力+料层阻力，是判定物料是否流化的标志。
l 床温测点较多，密相区和稀相区都有，热电偶磨损大，DCS要进行判断热电偶是否故障并报警。
l 料腿压力降是判断料腿高度的标志。
l 在返料器的进料管上要布置温度测点，用于判断热灰是否回炉。
l 返料器送风的高压风机的滤网前后应有压力测点，判断滤网是否堵塞。

连锁保护：
l 风机启动顺序：IDF—HP BLOWER—SAF---PAF
l 点火顺序：先点风道燃烧器和点火燃烧器，并逐步增加一次风；当床温=500℃时，逐支点燃床枪；当床温=600℃，煤可自燃。先加煤90秒，停90秒，观察床温是否上升和O2含量是否下降，再给煤90秒停90秒，再观察。然后逐步加煤减油到最小而床温=750℃可撤出油枪。
l 炉膛上部压力大于-0.5MBA，联跳一次风机
l 炉膛压力=35MBA,联跳PAF,SAF,HPB,冷灰风机和给煤机
l IDF跳闸,联跳给煤机和其他风机.

主燃料跳闸连锁
下述的一个或多个条件存在时将导致MFT：
1． 锅炉温度条件，旋风分离器入口或出口温度》1000℃
2． 一次风机，二次风机或引风机中的任何一台停车。
3． 4个信号中的2个显示汽包液位高-高或低-低报警
4． 3个中的2个显示炉膛压力高
5． 一次风流量低于最低值。
6． 高压风机母管压力小于最低值
7． 风/煤比低于最低设定值120秒以上
8． 过热器保护逻辑
9． 事故主燃料跳闸开关动作
10． BMS或DCS鼓障
11． 仪表气源压力低
MFT后将发生如下动作
1． 给煤机跳闸
2． 石灰石给料机跳闸
3． 运行中的启动燃烧器跳闸
4． 吹灰终止

报警
床温高低报警，左右床温偏差报警，热电偶坏报警。
料位高低报警

三．控制策略
循环流化床锅炉与常规煤粉锅炉的控制与调节有相似之点，也有不同之处。对于锅炉汽温的小值调节，循环流化床与常规锅炉相同。由于循环流化床锅炉的燃烧方式的特点使循环流化床的压力、燃料送风、控制调节与常规煤粉锅炉有很大差异。而且，不同类型的循环流化床其控制策略也不尽相同。
1．以Circofluid炉型为例，此种炉型为中温分离，它集中了鼓泡床和高速床的优点，克服了高速床磨损严重、高温分离器结构复杂难于控制的缺点，由于中温分离，中温灰成为床温控制的一种有效手段。
Circofluid锅炉床温控制除采用调节一二次风比例方式外，突出的特点是可以根据床温的需要控制中温灰的回送。当床温增高时，通过控制罗茨风机转速及风门开度，使进入回送装置的空气增加，从而使进入床的中温循环灰量增加，使床温得以回落。反之，循环灰减少，床温上升。
该型锅炉一二次风比例调节要求参见图。

2．对于FW和除Lurgi,Circofluid锅炉以外的循环流化床锅炉，由于高温分离下来的热灰全部参与灰的循环，床温控制只有靠改变一二次风比例的方法来调节，由于床温允许范围比较宽，所以有不同的方法加以实现。
对于循环流化床的锅炉主控调节视其所处环境有不同的处理办法。当锅炉与汽机组成单元机组时，则一切在单元机组上行之有效的协调控制均可用于循环流化床的锅炉压力与负荷调节。
当机组采用母管制连接方式则需增加一压力主调，将主汽负荷分至各锅炉，这里向大家推荐一两炉控制方案。

主要循环流化床厂家产品特点
1） 德国鲁奇（Lurgi）：炉膛内不布置受热面，因此燃烧容易控制，磨损小，传热好；但结构复杂，自身能耗大。
2） 芬兰奥斯龙（Ahlistrom）：炉内布置膜式受热面，无外置换热器，负荷和床温靠风量，煤量，物料循环，受热面传热系数来实现。炉内受热面采用特殊防磨结构，锅炉轻，结构相对简单。
3） 美国福斯特惠勒（F & W）：炉内布置膜式受热面，在靠近床底布置换热器，用来冷却循环灰并送回炉内。采用水冷式高温旋风分离器。循环倍率低，受热面磨损轻，负荷变化速率大。
4） 德国巴威（B & W）Circofluid型中温循环流化床采用循环灰中温旋风分离器，结构简单，造价低，自身能耗低，但燃烧和脱硫效率低。
三．控制特性
1） 水位，负压等的控制，与常规煤粉炉相似。
2） 负荷，汽温的控制受流化床特点制约。
负荷是通过控制炉膛内物量浓度和分布来调节的。固体物料浓度靠返料器的循环灰量控制，分布靠一次风比调节。
过热汽温的调节靠减温器喷水量，炉内浓相区的燃烧分额，床温三者协调来完成。
3） 一二三次风的比例分配要严格控制。
根据厂家的设计曲线来分配风量，保证经济燃烧。
4） 床温控制特别。
5） 控制NOx和SOx。