循環(huán)流化床鍋爐大型化的發(fā)展探究

羅金妮 高國慶 馬承渝

【摘要】本文闡述了循環(huán)流化床鍋爐的主要部件、工作原理以及大型化時遇到的問題，論述了早期的一些公司在將其大型化過程中使用的方法，如加設(shè)外置式換熱器、改造爐膛形狀等等，本文主要著重說明分離器在循環(huán)流化床鍋爐大型化過程中的重要作用和優(yōu)化方法。

【關(guān)鍵字】循環(huán)流化床鍋爐 大型化 系統(tǒng)優(yōu)化 分離器

0 引言

在早期的工業(yè)時代，工廠和電廠的運行大都是依靠火動力，所以燃燒效率就顯得格外重要，高效的燃燒就意味著高效的生產(chǎn)，因此循環(huán)流化床（CFB）鍋爐應(yīng)運而生。隨著世界科技的飛速發(fā)展，人類意識到在提高燃燒效率的同時也要極力降低環(huán)境帶來的惡劣影響，所以許多國家開始著手CFB鍋爐的大型化的研究。

1 CFB鍋爐綜述

1.1 大型CFB鍋爐的發(fā)展前景

CFB鍋爐具有低排放、燃燒效率高等優(yōu)點，在燃燒劣質(zhì)煤方面有著良好的效率。從上世紀六十年代末以來，燃煤的鼓泡流化床鍋爐取得了長足的發(fā)展，而在七十年代以后，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的CFB鍋爐更是取得了令人驚嘆的成績，它不僅有著鼓泡流化床鍋爐的優(yōu)點，又在燃燒效率方面有著很大的提高，不但脫硫效率的效果顯著，還解決了鍋爐難以大型化的問題。同時CFB鍋爐的經(jīng)濟性和環(huán)保性在世界范圍內(nèi)得到了公認。CFB鍋爐沒有煙氣脫硫設(shè)備，因此很好地節(jié)省了設(shè)計制造的成本。所以對于CFB鍋爐大型化的研究制造與發(fā)展將會是一個必然發(fā)展趨勢，同時它也會是一次對CFB鍋爐發(fā)展的重大創(chuàng)新。

1.2 CFB鍋爐的工作原理

CFB鍋爐主要由爐膛（燃燒室）、分離器和返料裝置組成。在鍋爐運行時，燃煤被送往爐膛進行燃燒，爐膛底部設(shè)有一次風口，側(cè)面設(shè)有二次風口，使燃煤在爐膛內(nèi)形成流動狀態(tài)。在此過程中，粗顆粒在爐膛底部燃燒，細顆粒在爐膛上部燃燒，由于流動性，會有一部分細顆粒隨著煙氣被吹出爐膛，進入分離器，在慣性作用下分離固體顆粒和氣體，將細顆粒送到回料裝置，最后送回爐膛再次進行燃燒。

目前在研究CFB鍋爐大型化的過程中，這三個核心部件的改進與放大，是整個大型化研究的主要方向。

2 CFB鍋爐的大型化

2.1 技術(shù)發(fā)展

目前在研究大型CFB鍋爐中占主導(dǎo)的地位的是美國FW公司和法國Alstom公司。其中美國FW公司[1]的FW型CFB鍋爐將再循環(huán)熱交換器和屏式受熱面布置在爐膛上部，防止增大爐膛后受熱面面積不足的情況發(fā)生。Alstom公司[2]生產(chǎn)的Lurgi型CFB鍋爐采用了外置式換熱器，可解決爐內(nèi)受熱面布置不足的問題。

我國的大型CFB鍋爐技術(shù)也得到了飛速的創(chuàng)新發(fā)展，其中旋風分離器共享的大型CFB方案就是一個典型的例子[3]，這類方案的特點是兩個爐膛共享一個方形分離器，采用“爐膛一方形分離器一爐膛”的布置方式，并將返料器加以改進，使其同時完成返料和換熱的步驟，很好地提高了鍋爐的可控性，這種結(jié)構(gòu)特點使鍋爐結(jié)構(gòu)更加緊湊，可靠性非常好。

2.2 CFB鍋爐大型化的問題

CFB鍋爐有可靠性好、燃燒效率高和廠用電率低等優(yōu)點，這就要求在大型化過程中不僅要保留這些優(yōu)勢，同時還要做到鍋爐的大型化，所以在這個過程中會遇到很多問題，如加大爐膛尺寸以增加燃煤，但一次風和二次風卻無法將其充分吹起、爐膛的深度受剛性梁強度的限制、一次風和二次風風口的位置如何布置、分離器尺寸的大小和位置的布置以及熱交換器內(nèi)受熱面的大小和布置方式的問題等，這些都需要進行深入的研究思考。

東北設(shè)計電力院工程師郭兆君[1]認為，大型化過程主要面臨問題有三個：一是爐內(nèi)受熱面面積不足，二是爐膛沖刷磨損嚴重，三是能否顯著提高燃燒效率。當增大鍋爐的容量時，就意味著需要提高鍋爐底渣的處理能力，處理能力越強，大型化后鍋爐的效率也就越高。此外，如何提高爐膛的傳熱和脫硫效率也是需要值得注意的問題。

3 分離器的優(yōu)化

目前，一些公司在CFB鍋爐大型化過程中提出眾多優(yōu)化措施如下表：

FW型CFB鍋爐和Alstom型CFB鍋爐都從受熱面布置方面著手解決大型化的問題，而Pyroflow型CFB鍋爐則采用了高溫旋風分離器，通過高溫灰循環(huán)運行的方式提高燃燒效率，這種改進分離器的方式是本文論述的重點。

3.1 分離器的布置

通常情況下，CFB鍋爐只有一個旋風分離器，但當將其大型化后，爐膛的容積增大，單個的分離器已經(jīng)無法達到所要求的分離效率，所以有的地方就采用多個分離器布置方式來提高效率，如Al-stom公司采用六分離器的左右墻對稱布置，而美國FW公司則在布置方式上采用緊湊式分離器來提高分離效率。

3.2優(yōu)化方案

大部分分離器的最大筒體直徑一般設(shè)計在7m～8m之間，超過這個范圍時，分離效率就會被降低，對此大都會采用上面說到的多個分離器的布置方案來解決這個問題。

CFB鍋爐大型化后，在運行過程中從爐膛吹進分離器的顆粒溫度很高，所以在進入分離器的人口管道處需要鋪設(shè)隔熱耐磨很好的材料，但運行一段時間后，這些材料很快就會脫落，這樣不僅會導(dǎo)致運行效率降低，也極大地增加了成本。為解決這個問題，國內(nèi)外都采用了不同的方法：（1）美國FW公司將水冷壁布置在了分離器的筒體四周[9]，通過這種水冷的方式放棄了傳統(tǒng)的管道布置，然而這種方式的制造工藝十分復(fù)雜，成本較高；（2）我國通過將研究生產(chǎn)出的方形分離器布置在鍋爐上的方式，不僅降低了工藝制造的復(fù)雜程度，也提高了鍋爐和分離器的緊湊性。這種方形分離器將圓筒體改成了方筒體并且緊貼爐膛布置，與爐膛共用一個水冷壁，不僅保證了更好的氣密性，而且在布置水冷系統(tǒng)時變得更加方便。

除上述提到的優(yōu)化方案，目前世界各國改進分離器的方式主要有兩種：一是改進分離器人口處的幾何結(jié)構(gòu)和大小；二是改進整個分離器的幾何結(jié)構(gòu)和布置的位置[10]，比如美國FW公司使用的緊湊式分離器、Lurgi型CFB鍋爐配置的熱分離器以及清華大學設(shè)計的“水冷異性分離器”都是基于這兩點進行的改造。

3.3 優(yōu)化后可能出現(xiàn)的問題

當煙氣高速流進高溫旋風分離器時，由于在分離器人口處的截面積突然增大，導(dǎo)致流場發(fā)生改變，對人口處下方的拐角處造成磨損，從水平煙道流出的高流速的煙氣，使得顆粒撞擊在正對分離器入口處的筒壁上，容易造成筒壁的撞擊磨損。

4 結(jié)語

在CFB鍋爐大型化的研究中我們可以看出，爐膛、分離器和外置式換熱器都是研究的重點，但分離器是整個研究中的核心部分，通過優(yōu)化分離器的幾何機構(gòu)和入口處的形狀大小，來獲得更好的分離器設(shè)計方案，這將是未來發(fā)展的趨勢，同時也會有更多問題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，所以針對CFB鍋爐大型化的研究需突破現(xiàn)存的技術(shù)難點且勢在必行。

參考文獻：

[1]郭兆君，秦鵬《大型化循環(huán)流化床鍋爐爐型和主要輔助系統(tǒng)的改進設(shè)計》[J].吉林電力，2003，（6）：19-20.

[2]程樂鳴，周星龍等《大型循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展》[J].動力工程，2008，18（6）：818-819.

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[10]邢偉，宮克勤《循環(huán)流化床鍋爐大型化要點分析》[J].科教前沿，2008，（24）：18.