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大型循环流化床锅炉的燃烧优化设计

2023-10-22 来源:汇智旅游网
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2006年6月 电力 设备 Jun.2oo6 VOI.7 NO.6 第7卷第6期 Electrical EcIuipment 大型循环流化床锅炉的燃烧优化设计 党黎军 ,刘振琪 ,李志伟 ,姚惠珍 ,孙献斌 ,马丽锦 ,时正海 , 高洪培 ,肖 平 ,李光华 ,蒋敏华 (1.西安热工研究院,陕西省西安市710032;2.中国电力投资公司,北京市100032) 摘要:介绍了循环流化床(CFB)锅炉的燃烧形式,细颗粒燃料在CFB中的燃烧特性和存在问题。为了改善细颗粒燃料 在CFB中的燃烧环境,提出热风送粉方式对其进行加热和混合,通过燃烧器预燃后送入炉膛燃烧的方案。通过这种方 式,部分改善了细颗粒燃料的缺氧燃烧情况,实现了对炉膛内氧量分布的优化;并通过部分细颗粒燃料的预燃烧,提高了 炉膛下部温度,促进燃料燃烧,抑制难燃燃料的后燃问题。 关键词:循环流化床;锅炉;燃烧;优化设计 中图分类号:TK229.6 6;TK227 1 循环流化床(CFB)燃烧技术以其优越的燃烧稳 定性、燃料适应性、调峰能力,以及燃烧温度可控制得 相对较低,NO 排放少的特点和优势,近年取得了快 速发展。CFB燃烧技术最早在国外是以燃烧褐煤开 始并取得了成功,在一段时间内CFB设计以燃烧褐煤 为主。在CFB技术引进中国后,因我国煤种的多样 下随烟气流上升,并不断聚团和分离。一部分与主气 流分离,在壁面附近形成向下的粒子流,构成炉膛内循 环;另一部分离开炉膛后被分离器分离后回送炉膛底 部;不能被烟气携带的大颗粒则停留在床内。与此相 应,燃料在CFB内的燃烧方式主要呈现3种形式: (1)悬浮式燃烧方式。细颗粒燃料被上升气流 携带并燃烧,且不能被分离器分离,从而一次通过炉 膛,随烟气进入除尘器。 (2)循环燃烧方式。中等颗粒燃料被上升气流 携带并燃烧,离开炉膛的物料及大部分未燃烬煤粒经 分离器分离,由回料器返送炉膛底部,循环燃烧 (3)流化燃烧方式。大于携带粒径的较大颗粒燃料 性,CFB在燃烧烟煤、贫煤和无烟煤以及其他难燃的 劣质燃料时遇到了困难。 随着科技进步,尾部烟气脱硫技术的不断成熟, 投资和运行成本不断地降低,CFB在炉内简单脱硫方 面的相对优势正在消失。提高燃烧效率和经济性,是 CFB燃烧技术必须认真对待的问题。针对这种情况, 中国在工程实践基础上,在国内首先提出了提高炉膛 高度和燃烧温度以解决CFB的燃烧效率的问题…。 面向燃 ̄4x,-t象,针x,-t具体燃料进行CFB锅炉设计和选 型在国内受到重视_2 J。调研显示,目前多数CFB电厂 出现给煤细颗粒的含量增加,相应的飞灰含碳量增加 在被上升气流携带过程中与气流分离,并返回床内,在炉 膛内形成内循环并燃烧,并最终由排渣口从炉膛底部排 出。由于CFB内的粒子聚团作用,以及燃料颗粒的燃烧 爆裂和磨耗作用,3种燃烧方式之间会有一定的转化。 细颗粒燃料燃烧需要的总时间由两部分构成:由 室温加热至着火所需时间t.和由着火至燃烬所需时 间t 。细颗粒燃料由室温加热至着火所需时间t。可 的现象。这说明,对较细颗粒燃料在CFB锅炉内的燃 烧还需要研究 J。 1 CFB的燃烧形式及特性 在正常工作状态下,CFB锅炉内有大量的惰性物 料,燃料仅占物料量的2%~5%。一次风通过布风板 以采用集总参数法计算,即 一aA (0—0b)/(Oo一0b)=e ‘ (1) 式中, 为颗粒初始温度,K;0为颗粒温度,K;p为颗 粒密度,kg/rn ; 为对流换热系数,w/m ;c为颗粒比 由锅炉炉膛底部进入炉内,使物料流化。燃料和脱硫 剂由给料口进入炉膛密相区下部,被高温物料包围, 迅速热解与着火燃烧;二次风在密相中、上部加入.补 热,kJ/kg;V为颗粒体积,rn ;A为颗粒表面积,rn ;t为 加热时间,s。 充悬浮区燃烧需用空气量。CFB内的惰性物料补给 来源为燃料和脱硫剂,进入炉膛的燃料为0~8 mm的 宽筛分分布。这样,炉膛内的颗粒在一定的运行烟气 高温烟气对球型煤粒的换热系数按下式计算 =。0.024 7 : (2) 式中, 。为努西尔系数;Re 为雷诺数。 速度作用下,存在分层现象,细小颗粒在气流夹带作用 下随烟气一次通过炉膛。大部分颗粒在气流夹带作用 细颗粒燃料被加热到着火温度的加热时间与炉 膛温度、燃料的着火温度、煤粒的换热系数、煤粒的表 维普资讯 http://www.cqvip.com

42 电力设备 第7卷第6期 面积和体积比、煤粒的热容量有关。如果床温为 9OO oC。煤粒表面加热到800 oC,粒径6 mm的煤粒需 9 8 7 6 5 4 r] \ I 赢・17,m l  ‘,' 、 要21.2 s,粒径1、0.5、0.3、0.2 mm的煤粒,其煤粒表 面和中心达到800 oC的时间分别为4.42 s和4.96 s, 2.36 s和2.5l s,1.41 s和1.46 s,0.97 s和0.99 s。 f , 3 2 1 0 、 - ■ , J .●, 细颗粒燃料在CFB内的燃烧机理可以根据单颗粒 等径缩核模型考察。对于细小的煤粒(d ≤0.2 mm), 其燃烬时间为 J £一: 1 一 r 、 2M 后o exp(一E/R ) ・Co’ 式中,p目为颗粒密度,kg/m’;M 为碳的摩尔质量, g/mol;d。为颗粒直径,nl;尼。为燃烧化学反应速度, m/s; 为炉膛烟气温度,k;E为活化能,J/mol; 为燃 烧化学反应速度,m/s;R为气体常数,8.314 J/mol・K; 为化学反应当量子数;C。.炉膛中氧浓度,mol/m 。 影响燃烬时间的因素有粒径、碳密度、温度、燃料 的活化能以及氧量供给情况。不同煤种的煤,由于碳 密度、活化能不同,其燃烬时间差别很大。这就是为 什么褐煤、高挥发分烟煤可以在CFB上取得高燃烧效 率,而无烟煤等难燃煤种燃烧效率低的原因。 CFB的燃烧优势在于循环燃烧和流化燃烧使得 颗粒的燃烧时间大于其焦碳的燃烬时间,从而在中等 燃烧温度下有高的燃烧效率。以悬浮式燃烧方式燃 烧的细颗粒燃料,CFB所提供的燃烧环境远不及煤粉 炉(PC炉)。在PC炉上,煤粉燃烧前的制粉过程实际 上是对煤粉的加热干燥过程;通过燃烧器的组织,煤 粉和空气进行了有效的混合;并且,炉膛内的高温环 境极大地提高了其反应性,挥发分在燃烧器区域内快 速析出燃烧;碳粒也在高温环境中进一步燃烬。在 CFB中,细颗粒燃料的燃烧要经历干燥、挥发分析出 燃烧和焦碳颗粒燃烧三个阶段,这三个过程都在炉膛 内进行。而且,CFB内的燃烧环境温度低,降低了燃 料的燃烧反应速率。CFB锅炉的给煤和送风有一定 程度的分离。成品煤的人炉口与送风口是分开的,这 样,在给煤口区域形成缺氧的还原性燃烧的气氛,细 颗粒与床料以及空气的混合比较困难。 颗粒的径向混和主要是由于气固流动径向的不均匀 性及中心相对稀薄区与边壁密区之间的粒子交换所形成 的。对CFB的扩散研究发现,尽管密相区内颗粒的混合 在强度上远远大于上部区域,但稀相区内颗粒的径向扩 散系数仅与气体扩散系数具有同一数量级。Van Zoonen 认为颗粒径向扩散系数为 =30±10 cm /s。杨海瑞等 人测得横向扩散系数 为 cm2/s,发现流化风速对横 向扩散系数影响不大 J。而且,对已运行的CFB锅炉的 研究发现,CFB炉膛内部的氧量分布不是均匀的,炉膛中 心出现缺氧燃烧现象 J。1130 fw CFB炉内O,浓度的分 布特性如图l所示。 对投运的135 Mw等级的CFB锅炉运行情况调 0 0 2 0 4 0 6 0 8 l 炉膛相对深度x/m 图l 100 Mw CFB炉内02浓度的分布特性 研发现,CFB锅炉的炉膛内部颗粒的横向混合与扩散 作用比较弱,如果单边给煤,则炉膛内的温度会出现 不均匀现象,给煤侧炉膛温度和分离器温度高 ]。综 合作用的结果是,细颗粒燃料的燃烧效率低。一些 CFB电厂出现给煤细颗粒的含量增加,相应的飞灰含 碳量增加的现象。 2 CFB内的细颗粒燃料燃烧优化方案 细颗粒燃料来源有2个方面:第一,给煤中的细 粉。由原煤中的细粉和成品煤制备过程中煤的破碎 形成的细粉组成。第二,燃烧时燃煤的破碎和磨损; 其中,煤中挥发分析出造成的一级破碎起主要作用。 一般认为,煤中挥发分析出在比较短的时间内完成。 对全部细颗粒燃料的燃烧进行组织需要对炉膛燃烧 室结构进行优化。 分叉形式的燃烧室设计在一定程度上会改善风 的混合。在给煤口增加播煤扩散风、采用飞灰再循 环、改善给煤的均匀性、粒度和减少细颗粒的含量,采 用更高效率的分离器,是目前国内外开始采用的一些 改善燃烧效率的方法¨。 。 这里,针对难燃的无烟煤细粉燃烧提出一种方案,目 的在于改善给煤中的细粉的氧量供给,进而改善燃烧。 细颗粒燃料燃烧需要的总时间由两部分构成:由 室温加热至着火所需时间t.和由着火至燃烬所需时 间t:。由着火至燃烬所需时间t 受氧量的供给情况 所影响。为了改善给煤中细颗粒燃料燃烧,可以对给 煤中细颗粒燃料和其所需氧量进行组织。 CFB内的给煤中细颗粒燃料燃烧优化方案为:对 给煤中细颗粒燃料进行分离,然后以热风送粉方式对 其进行加热和混合,通过燃烧器预燃后送人炉膛燃 烧。在与热风混合和输送过程中对其干燥加热可以 节约煤粉的加热时间;通过燃烧器预燃后,这部分燃 料的提前燃烧,有利于提高炉膛燃烧室下部的温度, 促进燃料燃烧,抑制难燃燃料的后燃问题。 预燃燃烧器伸人炉膛燃烧的方式为向下倾斜 式。内部的耐火内衬与炉膛耐火内衬相互作用形成 燃烧拱。热风送粉混合方式为其提供比较好的氧量 分布,使其进一步燃烬。通过这种方式,部分改善细 颗粒燃料的缺氧燃烧情况,实现对炉膛内氧量分布 的优化。 ’ 维普资讯 http://www.cqvip.com

新成果与技术应用 党黎军等:大型循环流化床锅炉的燃烧优化设计 43 [5] 何宏舟,骆仲泱,杨翔翔等.粒径对无烟煤颗粒在循环流化床锅 3结论 为了改善细颗粒燃料在CFB中的燃烧环境,提出 热风送粉方式对其进行加热和混合,通过燃烧器预燃 后送入炉膛燃烧的方案。预燃燃烧器伸入炉膛燃烧的 方式为向下倾斜式。内部的耐火内衬与炉膛耐火内衬 相互作用形成燃烧拱。热风送粉混合方式为其提供比 炉中燃尽影响的研究[J].动力工程,2004,24(3):33l~335. [6] 杨海瑞,吕俊复,刘青,等.循环流化床锅炉密相区内颗粒的横 向扩散研究[J].热能动力工程.2001,16(4):339~342. [7]Lothar Reh,The Ciculrating Fluid Bed in Process Integrated Emis— sion Contro1.2004 China International deSOx deNOx Exhibition& Conference[R],Beijing International Convention Center,Beijing/ China.November 9~l1.2004. 较好的氧量分布,使其进一步燃烬。通过这种方式,部 分改善细颗粒燃料的缺氧燃烧情况,实现对炉膛内氧 量分布的优化;并通过部分细颗粒燃料的预燃烧,提高 炉膛下部温度,促进燃料燃烧,抑制难燃燃料的后燃。 [8] J.Weaher、Fluid dynamics,temperature and concentration fields in large。scale CFB combustors,Proceedings of 8th International Conference on Ciculrating Fluidized Beds,Hangzhou,China,May l0~13,2005[M].International Academic Publishers World Publishing Corporation:l~25. 4参考文献 [1]党黎军.循环流化床锅炉的启动调试与安全运行[M].中国电 力出版社,2002,8. [9] 党黎军.循环流化床锅炉送风系统的合理设计[J],动力工程, 1999(增刊). [10] 党黎军.循环流化床锅炉给煤系统的缺陷和设计的改进[J]. 电力设备,2005(10):50~52. [2] 孙献斌,李光华,蒋敏华.循环流化床锅炉技术领域几个前沿 课题的研究[J].热力发电,2005(11):1~5. [3]Lijan Dang,Minhua Jiang,Zhenqi Liou.Xinbian Sun,Guanghua Li,Zhiwei Li,Economic Ways to Improve CFB Boiler Efficiency, 收稿日期:20o6—03—02 作者简介: Proceedings of 8th International Conference on Circulating Fluid— ized Beds,Hangzhou,China,May 10。13,2005[M].International Academic Publishers World Publishing Corporation:602~608. 党黎军(1963一),男,高级工程师,从事循环流化床设计、 调试等方面研究工作。 (责任编辑张晓燕) [4]孙键.关于“135 MW等级CFB机组商业运行情况”的调查报告 [R],2005,8. Combustion Design Optimization of Large Size Cirenlating Fluidized Bed(CFB)Boiler DANG Li—jun ,LIUZhen—qi ,LI Zhi—wei ,YAO Hu卜zhen ,SUN Xian—bin。,MALi—jin ,SHI Zheng’hai , GAO Hong—pei ,XIAO Ping ,LI Guang—hua ,JIANG Min—hua (1.Xi’all Thermal Power Research Insth'ute,Xi’all 710032,Clma;2.China Power Investment Corporation,Beijing 100032,Chhaa) Abstract:The paper briefs three kmds of combustion modes of CFB boilers and analyzes the combustion characteristics of fme coal particles-m CFB and the existhag problems.For knprovhag the combustion environment of time coal particles-m CFB,The followhag combustion scheme is put forward.to heat and mix pulverized coal With hot feedhag air,to be prebumed through burners and then sent to the fuFnace to burn.Through this scheme,the oxygen de oxygen distr ̄ution buruhag of fme coal particles is partly knproved,The optimization of the fllFnace is realized;nd tahrough the preburnkig of part fme coal par'ticies.the temperature of lower furnace is raised,promotng probliem ofhard—to—bum fuel Keywords:Cirulatahg thidized bed(CFB);boiler;combustion;design opt ̄nization ・综合信息・ 国电九江电厂开发350 MW机组部分系统获成功 2006年5月,九江发电厂组织技术力量成功开发 出350MW机组在线性能计算及耗差分析系统。这是 该厂结合自身实际,贯彻落实集团公司”四化一中 心”工作思路,实现效益最大化奋斗目标而取得的一 项重要成果。 和CA数据库的程序编写,成功开发出机组在线性能 计算及耗差分析系统。 该系统可通过对机组机效率、炉效率、辅机单耗以 及供电煤耗的实时在线监测,实现对运行操作和调整 的科学指导,最终达到提高机组经济运行水平的目的。 目前,该系统已经通过厂部论证,正在试运行阶 该厂技术人员依托现有的日立HICAS5000控制 系统和其他相关资料,克服重重困难,通过大量的校 核计算,用时近一个月,完成了所有计算公式的编制 段,预计在6月份可正式投入运行,从而使该厂经济 运行由传统的小指标分析过渡到更先进的耗差分析。 

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