循環流化床鍋爐運行特性的研究

李志強

（陽泉煤業化工集團有限責任公司， 山西 太原 030006）

引言

我國是目前煤炭生產和消耗的第一大國，且在未來很長一段時間內煤炭依然在我國能源結構中占據主導地位。煤炭利用最廣泛的方式為將其燃燒利用其熱能，但是煤炭在燃燒過程中會產生大量的硫化物、氮氧化合物、碳氧化合物以及碳氫化合物等，嚴重污染環境，給可持續發展帶來了隱患[1]。針對此問題，在煤炭的利用中采用潔凈燃煤發電技術，主要包括有循環流化床燃燒、增壓流化床燃燒、聯合循環以及整體煤氣化聯合循環等。本文針對循環流化床鍋爐的運行特性進行研究。

1 450 t/h循環流化床的概述

450 t/h的循環流化床鍋爐目前被應用于某電場，是我國目前設計容量最大的循環流化床鍋爐，其關鍵技術參數如表1所示。

表1 450 t/h循環流化床鍋爐的關鍵技術參數

450 t/h循環流化床鍋爐主要有物料循環與燃燒系統、風煙系統、汽水系統。其中，物料循環與燃燒系統包括燃燒室、汽冷式旋風分離器、J閥回料器、冷渣器。物料循環與燃料系統是450 t/h循環流化床鍋爐的關鍵部分，與其他鍋爐有很大有的區別，因此在建模并對該型循環流化床的運行特性進行分析時，需在模型中精確體現設備內部各個主系統和輔助系統之間的相互關系。

2 循環流化床鍋爐仿真模型的搭建

為在模型中正確反映循環流化床鍋爐各個分系統之間的相互關系，針對各個分系統的仿真建模應從以下幾個方面著手。

2.1 汽水系統

循環流化床過濾汽水系統仿真模型的搭建，需從水循環系統的汽包、水冷壁以及閥門等部件，給水系統的主管路、閥門等部件，以及過熱蒸汽系統的包墻、過熱器、減溫器和閥門等[2]部件入手，要求所建立汽水系統的模型可正確反應如下問題：

1）能夠準確反應汽水系統在各工況下主汽溫度、壓力以及水位等參數的動態變化情況；

2）能夠準確反應汽水系統各受熱面能量、質量貯存能力對其運行過程參數的影響；

3）能夠準確反應風量、煤量以及閥口開口大小對汽水系統中溫度的影響；

4）能夠準確反應分系統中存在泄露時對整個系統所造成的影響；

5）能夠準確反應結垢、渣等會對系統導熱性能造成的影響。

2.2 風煙系統

風煙分系統中分為風系統和煙氣系統。其中，風系統的主要部件包括送風機、羅茨風機、增壓風機、空氣預熱器以及擋板等設備。煙氣系統的主要部件包括引風機、除塵器、煙道以及煙囪等。要求所建立的風煙系統滿足如下要求：

1）要求風煙風系統中風系統的部件設備滿足其暫態特性和揚程流量等特性；

2）要求風系統中的暖風出口溫度隨加熱蒸汽參數的動態變化而變化并與實際情況相符；

3）要求系統在不同工況下運行時其溫度、壓力以及燃燒工況與實際相符。

2.3 物料循環與燃燒系統

物料循環與燃燒系統作為循環流化床鍋爐的核心系統，包括燃油系統、給煤系統、燃燒系統和石灰石系統等[3]。要求所建立的物料循環與燃燒系統滿足如下要求：

1）要求所建立的模型能夠準確反應不同石灰石的投放量及流化床溫度對脫硫過程的影響；

2）要求分系統在啟動或者停爐工況下能夠準確反應油槍投停對循環流化床鍋爐內燃燒特性的影響；

3）要求所搭建模型能夠真實反應渣量、床料量等對循環流化床鍋爐內燃燒及流動工況的影響。

根據上述模型搭建的要求，由于篇幅原因僅列出燃燒分系統的仿真模型，具體如圖1所示：

圖1 450 t/h循環流化床鍋爐燃燒分系統仿真模型

3 循環流化床鍋爐運行特性的仿真分析

本節將從流化效果、流化風量、床層壓力、床溫分布特性、床溫動態特性以及汽溫特性進行分析。

3.1 流化效果

在設備僅供一次風的情況下，當鍋爐內床料全部流化后，立即停止系統的所有風機，并對流化床床面料層的平整程度進行觀測。經實踐觀測可知，在整個流化床層面上的物料表面處于平整狀態，且床面上物料的分布十分均勻[4]。通過分析可證實，當煤料被投入鍋爐內燃燒后其燃燒狀態是十分穩定的，其在燃燒過程中不會出現結焦的現象。

3.2 流化風量

在實際應用中，循環流化床鍋爐的最小流化風量為24 m3/s，小于其設計的最小風量值31 m3/s，而且當設備處于帶負荷運行的狀態時，通過調節流化風量可實現對流化床溫度的控制和調節[5]。具體變化趨勢為：隨著鍋爐載荷的不斷增加和投入鍋爐內煤料量的增加，其對應的流化風量也在不斷增加。

3.3 床層壓力

在實際應用中，為了保證鍋爐的流化效果，對鍋爐內料層的厚度提出了要求。然而，在實際燃燒過程中無法準確找出物料層密集處和稀松處的分界線。因此，在實際應用常通過對物料層密度和壓差的實時數據及所排放處的煤渣量來反應流化床上物料的厚度。

鍋爐在不同負載狀態下流化床物料層之間的壓力差值與布風板高度的關系如圖2所示：

圖2 不同負荷下循環流化床鍋爐內壓力隨距離布風板高度的變化趨勢

如圖2所示：當鍋爐負荷較小時，其對應的鍋爐內的壓力反而較大；不論在負荷為70%還是80%的情況下，鍋爐內壓力的變化趨勢隨爐膛高度的變化趨勢是一致的，均是先減小后增大最后緩慢降低的趨勢；當距離布風板高度為0時，鍋爐壓力最大；當距離布風板高度為3.6 m時，鍋爐壓力為第二峰值。

4 結論

1）循環流化床鍋爐在燃燒煤炭過程中的流化效果良好，無結焦現象；

2）循環流化床鍋爐內流化風量隨著設備負荷和投煤量的增加而增加；

3）循環流化床鍋爐內壓力隨著爐膛高度的增加呈現先減小后增大最后緩慢趨于穩定的變化趨勢。