循環流化床垃圾焚燒鍋爐傾斜布風流化特性分析

劉亞軍， 魏 剛

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 概述

傳統流化床鍋爐的布風方式是采用水平布風板上開設風帽，在布風板上開排渣孔，下接排渣管。由于垃圾成分復雜，垃圾中不可燃的無機物質(如金屬、玻璃、大磚、石塊等)易分離沉積在床底，傳統流化床不易將此類沉積物排除，容易導致流化不良，使系統難以穩定運行。要保證流化床焚燒鍋爐穩定運行，必須使可能影響流化的物質得到充分處理，達到該目的途徑有2種：通過垃圾預處理裝置使垃圾滿足流化床焚燒的需要；通過對流化床焚燒鍋爐結構的特殊設計使流化床中沉積物順利排出。采用第1種途徑很難適應我國的國情，而采用傾斜布風、分區不均勻供風等形式的流化床可改善排渣情況，但會增加運行難度。以下針對流化床垃圾焚燒傾斜布風方式在河北承德環能熱電有限責任公司的應用及特性進行分析。

河北承德環能熱電有限責任公司鍋爐為UG75/4.2-M型循環流化床垃圾焚燒鍋爐，采用單爐筒、自然循環、膜式水冷壁、蝸殼式絕熱旋風分離器、U形返料器、外置高溫過熱器等技術結構。該鍋爐適用于生活垃圾、秸稈和煤混燒，產生的蒸汽用于發電、供熱。該循環流化床鍋爐配一次風機、二次風機、返料風機、煙氣再循環風機、返料器、布袋除塵器。布風板位于水冷風室頂部，傾斜布置，布風板安裝“蘑菇型”風帽，爐膛中部設有排渣口。該電廠循環流化床垃圾焚燒鍋爐床面見圖1。

圖1 循環流化床垃圾焚燒鍋爐床面

2 圾焚燒鍋爐臨界流化風速試驗

2.1 試驗原理

通過對鍋爐進行一定料層厚度下空氣動力場試驗，測試流化床的料層阻力，找出臨界流化風量；繪制出風量與料層差壓關系特性，為鍋爐的啟動運行及燃燒調整提供參考資料。

2.2 試驗設備與試驗條件

該試驗主要采用鍋爐自身壓力與風量測量裝置。改變風量后，通過DCS數據采集系統，對鍋爐料層差壓，流化風量進行實時監測記錄。在試驗前，要求準備好足夠粒度≤10 mm的底料(爐灰渣)并且按要求料層高度(厚度，該次試驗料層高度為400 mm和550 mm)，均勻鋪撒在鍋爐床面上。

2.3 試驗過程

通過逐漸加大流化風量，記錄料層差壓和流化風量(在鍋爐設計流化風總量之內)，繪制二者之間的曲線關系。圖2為河北承德環能熱電有限責任公司傾斜布風板料層差壓(床層壓降)特性曲線。

圖2 傾斜布風式床層壓降特性曲線

3 試驗結果分析

3.1 床層壓降特性

通過分析試驗結果，可以把傾斜布風板床層壓降特性曲線(圖2)簡化為圖3。傾斜布風作為一種適合垃圾焚燒的布風方式，傾斜布風流化床床層壓降隨床層截面風速(風量)的變化曲線與均勻布風流化床基本相似，因此傾斜布風流化床的臨界流化風速(風量)也可通過測量床層壓降變化曲線來求解。把床層壓降為最大(ΔPmax)的風速作為臨界流化風速，把達到基本穩定時的床層壓降作為傾斜布風流化床流化時的料層阻力，即ΔPs。

圖3 傾斜布風流化床床層壓降特性示意

分析圖3可知，隨著風速的增加，傾斜布風流化床的床層壓降變化可分為3個階段：

a. 0-A 階段，床層處于固定床的狀態，床內顆粒保持靜止，空隙率和床高基本保持不變，此時床層壓降隨表觀風速近似成線形增加，直到床層壓降增加到一定數值ΔPmax時(圖中A點)，床層突然“解鎖”，此時的表觀風速即為臨界流化風速 umf；

b. A-B階段，隨風速的增加，床層壓降反而下降，直到出現較為穩定的數值ΔPs(圖中B點)，此時風速為 us,這一階段為流化過渡階段，可以看作是死區的縮小過程；

c. B-C 階段，當風速大于us時，再增加風速，床層壓降基本保持不變或變化趨緩(B-C),該階段主要表現為噴動鼓泡流化特征或湍流流態化特征。

3.2 物料循環特性

傾斜布風流化床和普通均勻布風流化床具有相似的流化特性：都有一個明顯的臨界流化風速umf，當風速達到umf時,床層開始流化； 當運行達到穩定時，床層壓降基本為一常數。 根據此類流化床爐內循環特性，建立如圖4所示傾斜布風板物料平衡示意。

圖4 傾斜布風板物料平衡示意

由圖4可以看出，傾斜布風流化床也表現出自身的一些特殊性：

a. 傾斜布風流化床床內，流動相對較為簡單、有規律，并表現出較明顯的區域特征。因其布風板，床上一定范圍內氣體的分布并不均勻，中間區域的氣體流速要高于兩側區域氣體流速，中間顆粒隨迅速上升的氣流(氣泡)上升，流化區內空隙率較大，而正常循環區兩側由于風速相對較小，顆粒密度較大，并呈向下移動狀態。正常循環區和傾斜循環區之間發生劇烈的顆粒交換。具體特點為：隨著氣體流速(或進風量)的增大，顆粒循環的速度加快；傾斜循環的存在，說明傾斜布風流化床床層截面風速大于臨界流化風速到一定程度(如普通風帽型布風板式流化床截面風速大于最低允許流化風速，u0>(1.5～2)，umf并不能保證流化良好。所以在運行中應盡量避免這種情況出現，否則會導致結焦等嚴重問題。當風速增加到一定程度時，床層的上部區域將變成正常循環區，流化變得均勻，類似湍流床的形態。

b. “解鎖”時料層阻力明顯比流化后料層阻力高。試驗發現傾斜布風流化床ΔPmax要比ΔPs高出一定的數值，“解鎖”時瞬間前后流化區域的實際料層厚度發生改變，即正常循環區域的床料部分被迅速推向移動循環區域，正常流化區實際料層厚度的變化愈明顯，即氣流短路越嚴重、流化質量越差。

c. 移動循環區的存在有一定的能量損耗，使床層差壓有所上升(嚴格意義上說，此能耗不能算作床層差壓，只是在實際操作中，把它歸結到床層差壓)。具體表現為：當u0>us，隨風速的增加表現為較為明顯的下降趨勢，而有氣流對沖時則表現為微升或微降趨勢。有傾斜循環區時，隨速度的增加，盡管此時移動區域對上升氣流的阻力也減小，但氣流的能量損耗也隨之增加，導致床層差壓有微升或微降趨勢。

d. 傾斜布風流化床區域特征有利于垃圾在床層內的混合及低熱值垃圾的焚燒。垃圾的可燃成分都是輕性物質，在普通均勻布風流化床內軸向很難均勻混合，往往漂浮在床層表面，導致垃圾的可燃成份在床層內的燃燒份額較低。這對垃圾的焚燒極為不利，一方面不能充分發揮流化床密相區的燃燒效率高的特點，另一方面也使低熱值垃圾難于穩定燃燒，需添加一定的輔助燃料。而傾斜布風流化床分傾斜區和正常循環區，在傾斜區內風速很小，垃圾能順利地隨床料沉到床層底部，為垃圾在床內的均勻混合(特別是縱向混合)及高水分垃圾的干燥、焚燒提供了有利條件。

4 結束語

傾斜布風板的回流是由于自身的布置和不均勻布風引起的，它強化了床內物料橫向的混合，且由于顆粒在床內運動，重質的不可燃物下沉，沿傾斜布風板移動并排除，可以取得更好的排渣效果。傾斜布風板流化特性有別于普通流化床布風形式，傾斜布風板存在料層差壓“波動”區域，該區域多出現在啟動、停機和低壓負荷運行階段，當設備在該階段運行時，運行人員禁止加減煤、排渣操作，要密切關注床層壓降變化，并及時加大流化風量(提高鍋爐出力)，或做停爐處理。