【正文】 河北工業(yè)大學2012屆畢業(yè)論文135t/h循環(huán)流化床鍋爐結構設計1 緒論 隨著鍋爐這種將能量的化學能轉化為動能的設備廣泛的應用和發(fā)展，導致環(huán)境嚴重的污染。尤其是燃煤鍋爐燃燒排放出大量的灰渣、二氧化硫等氣固污染物，嚴重影響生態(tài)環(huán)境。再由于煤等化石燃料的燃燒而日益枯竭，高效率、低污染的燃燒方式就顯得格外重要。循環(huán)流化床鍋爐是從上世紀七十年代發(fā)展的清潔燃燒技術，對環(huán)境問題的解決及其重要。循環(huán)流化床燃燒技術對燃煤適應性強。燃燒高硫煤加入石灰石，可以降低脫硫成本，代替成本較高的脫硫設備。燃燒過程中的溫度很低，空氣又分兩級送入，生成的氮氧化物濃度很低，灰渣活性強，便于綜合利用。循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術與鏈條爐和煤粉爐燃燒等常規(guī)燃煤技術相比，最突出的特點是：燃燒溫度比較低，湍流混合強烈、燃燒強度大，負荷調節(jié)性能強等一系列優(yōu)點。由于上述優(yōu)點使得循環(huán)流化床燃燒技術特別適合我國以煤為主的燃燒的國情，在較短的時間內得到了迅速的發(fā)展和應用。 國外、內研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國外循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀國外的先進性表現(xiàn)在：①基礎工作扎實。②鍋爐的再用效率較高[1]。③燃燒效率高。④負荷調節(jié)性好, 自動控制水平高。 目前國外CFBB設計結構特點上主要分為三大流派。①德國魯奇公司為代表的魯奇型CFBB②芬蘭奧斯龍公司的百寶爐型CFBB ③ 美國福斯特惠勒公司的CFBB [2]。 1985年9月德國杜易斯堡的電站級CFB B的運行經驗為其后國際上電站級CFBB的應用起到了先導作用[3]。1995年11月,法國普羅旺斯電站投入商業(yè)運行的250 M W CFBB，成為大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展史上的一個里程碑[4]。目前,由由法國通用電氣阿爾斯通斯坦因工業(yè)公司主導設計的亞臨界CFBB已投入運行。該公司的超臨界CFBB也已設計完成。 國內循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀目前，我國CFBB在飛速發(fā)展過程中存在一些問題：①目前大型CFBB技術基本是從技術品種單一的法國的阿爾斯通公司引進的，存在一定的技術風險。就更遠目標來說，也不利于我國CFBB技術向更良性發(fā)展[5]。②近年來電煤越來越緊張，目前投運的許多中小容量的CFBB所使用的燃料多數(shù)存在不合理使用的現(xiàn)象，從而造成鍋爐磨損嚴重、燃料可用率低等嚴重的運行安全問題[6]和浪費現(xiàn)象。③認為大型循環(huán)流化床鍋爐是劣質燃料利用的設備，這一定位不利于CFBB技術的良性發(fā)展。④對超臨界CFBB的開發(fā)急功近利。 超臨界循環(huán)流化床鍋爐在世界范圍內也是剛剛發(fā)展。我國若想在這尖端領域占有一席之地，必須先對我國燃料和國情與發(fā)展超臨界CFBB的關系進行認真研究論證，這個問題直接關系到超臨界CFBB在我國的市場開拓空間問題[7]。 主要研究內容循環(huán)流化床鍋爐的結構特點，發(fā)展趨勢，應用情況，旋風分離器及對爐膛的設計和排放的控制等進行研究。因為傳統(tǒng)的燃煤鍋爐因其燃煤利用率低、傳熱性差、煤種單一且脫硫脫銷裝置的投資和運行費用高昂而受到挑戰(zhàn)。這樣，作為第一代循環(huán)流化床鍋爐的鼓泡硫化床鍋爐就隨之誕生。它強化了燃燒和傳熱，燃料適應性廣，爐溫低，能減少NOx生成,加入石灰石脫硫的優(yōu)點[8]。尤其最近幾年，第二代CFBB迅猛發(fā)展。它保留了鼓泡床鍋爐的上述優(yōu)點，而又克服了鼓泡床鍋爐的揚析率高、燃燒效率和石灰石利用率低、難以大型化的缺點[9]。 循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)缺點分析循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①煤種適應性廣。它除了燃用一般種類的煤外，還可以燃燒低熱值的煤矸石、煤泥、造氣爐渣、生活垃圾等，從而對處理城市垃圾、能源的綜合利用和減少環(huán)境污染有著非常顯著的經濟效益和社會效益。 ②高效脫硫。由于循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度在850950℃之間，對脫硫非常有利，且分離器效率高，脫硫劑很細，再加上物料循環(huán)使脫硫劑得以循環(huán)利用，石灰石的利用率高，因此脫硫效率高[10]。③燃燒效率高。CFBB燃燒效率高是因為 :空氣和燃料混合充分；燃燒速率高：對粗燃料分離效率高，未燃盡的燃料會被循環(huán)裝置再循環(huán)至爐膛再次燃燒[11]。 ④氮氧化物排放低。循環(huán)流化床鍋爐 的爐膛溫度一般較低，再通過合理配風、組織分段燃燒，可以有 效地減少 的生成。也可易于實現(xiàn)灰渣 的綜合利用[10]。 同時CFBB也存在著一些缺點，具體表現(xiàn)如下：①支持燃料沸騰的一次風由鼓風機從爐膛底部噴入，但受風機功率的限制，影響了鍋爐的出力。②CFBB的運行維護比較煩繁瑣。③循環(huán)流化床更容易結焦。④爐膛密相區(qū)磨損嚴重，密封性差 [11]。 本章小結 通過對循環(huán)流化床鍋爐國內外研究現(xiàn)狀對比分析，了解到國外的目前發(fā)展情況，也給我國沖擊尖高端領域指明方向。在分析了循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)缺點之后，我們更加清楚地認識到對其如何改進，意識到我們的不足，盡力使其達到效率高，污染小，經濟性最佳。2 鍋爐結構與設計簡介 通過對循環(huán)流化床鍋爐的結構了解，在給定參數(shù)的情況下，從而進行設計計算。 循環(huán)流化床鍋爐概述此次設計的CFBB可分為兩個部分。第一部分由爐膛、旋風分離器、物料循環(huán)裝置等組成，形成固體物料循環(huán)系統(tǒng)。第二部分為對流煙道，布置有高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器、空氣預熱器等。循環(huán)流化床鍋爐運行時，給煤機將煤和石灰石送入爐膛下部，一、二次風分別由爐膛的 底部和側墻送入，燃燒主要發(fā)生在爐膛，脫硫劑固定生成的二氧化硫，燃燒產生的熱量被爐膛四周布置的膜式水冷壁吸收。旋風分離器將大部分煙氣帶走的固體物料分離出來，送入返料器返回爐膛。煙氣帶著分離器出來的細顆粒飛灰進入尾部煙道，尾部受熱面吸收余下熱量，通過除塵器由煙囪排入大氣[12]。本次設計為135噸/小時循環(huán)流化床鍋爐。，屬于中壓自然循環(huán)鍋爐。鍋爐爐膛布置膜式水冷壁，以減少漏風。分離器為一個高溫旋風分離器。尾部受熱面中過熱器兩級布置。采用前墻給煤方式，流化風全部由一次風供給，一、二次風各占70%、30%，二次風在布風板以上5m處送入爐膛。 鍋爐基本特性通過對鍋爐的主要技術參數(shù)、燃燒特性等的分析、計算，從而得出鍋爐特性和管子特性。表21鍋爐主要技術參數(shù)名稱符號數(shù)值單位鍋爐蒸發(fā)量 D135t/h額定蒸汽壓力Mpa額定蒸汽溫度450℃給水溫度（省煤器出口溫度）150℃一次風預熱溫度150℃二次風預熱溫度150℃排煙溫度145℃鍋爐設計熱效率85%88%脫硫效率85%鈣硫比—2 燃料特性表22 燃料特性序號名稱符號單位貧煤1碳%2氫%3氧%4氮%5硫%6水分%7灰分%8揮發(fā)分%9低位發(fā)熱量23073注意：設計參數(shù)參閱手冊自行選定表23主要經濟技術指標鍋爐效率,％　排煙溫度℃燃料耗 ㎏/s給水溫度 ℃145150 燃料的燃燒計算 燃燒計算包括指定燃料燃燒所需提供的空氣量、燃燒生成的煙氣量和空氣焓及煙氣焓的計算，是鍋爐設計計算過程中的最基礎部分，這些計算為鍋爐各個部分的熱平衡計算、傳熱計算和通風設備的選擇提供可靠的依據(jù)。 爐膛設計 爐膛設計是循環(huán)流化床鍋爐設計成功的關鍵。屬于爐膛設計的主要內容有：爐膛溫度，爐膛傳熱計算，爐膛深度和爐膛寬度，高度等等[14]。 爐膛溫度，是CFBB設計時的關鍵數(shù)據(jù)之一。它會影響鍋爐的燃燒效率和水冷壁的吸熱量以及吸收劑的利用情況，從而滿足和的排放要求。爐膛溫度的選取，必須綜合考慮燃料燃燒特性和排放控制要求[15]。 爐膛傳熱計算是分段進行的。循環(huán)流化床鍋爐的爐膛由膜式水冷壁構成，保證了良好的氣密性。底部為一次風區(qū)。一次風經布風板上的風帽均勻進入爐膛底部，確保底部流化狀態(tài)，使燃燒粒子充分混合。二次風離底部約5m高處射入爐膛燃燒。回料口及給煤口、啟動點火燃燒器均位于爐膛的下部[16]。 燃燒室截面寬度與深度的設計 爐膛尺寸主要為爐膛深度、寬度、高度和爐膛下部界面收縮部分的尺寸。燃燒室的截面寬度與深度的確定應考慮如下主要因素：①燃燒室受熱面、局部受熱面、分離器的布置等相協(xié)調；②二次風在燃燒室內的穿透深度；③燃料、石灰石及回灰的供給與擴散[17]。 燃燒室高度的設計 燃燒室的高度,是循環(huán)床鍋爐設計的一個重要參數(shù)。高度的確定應綜合考慮幾個方面的要求：①保證燃料流化完全燃燒；②有足夠的空間布置受熱面保證吸熱量；③保證脫硫所需的氣體最短停留時間；④保證足夠的循環(huán)物料正?；厮?；⑤與尾部受熱面布置所需的高度相協(xié)調。本設計鍋爐爐膛內四壁由膜式水冷壁組成,膜式水冷壁采用的無縫鋼管，管節(jié)距為100mm。前墻水冷壁管屏下部與集箱連接，上部過爐頂后與上集箱連接，最后蒸汽由管子引入鍋筒。后墻水冷壁管屏與前墻相似，但不過爐頂。兩側水冷壁管屏下部分別與下級箱連接，上部與上集箱連接，再由管子引入鍋筒。 本章小結 通過對循環(huán)流化床鍋爐的結構分析，我們了解到從給煤到一、二次風，然后水冷壁的分配、布置，旋風分離器的位置，以及尾部煙道的合理分配。從給定的參數(shù)，我們可以進行熱力計算。3 方案論證135噸/小時循環(huán)流化床鍋爐設計，屬水管式中壓自然循環(huán)鍋爐，應以運行的安全性和可靠性為前提。設計過程中，主要考慮的是受熱面的磨擦損失問題；爐膛內的著火穩(wěn)定性及熱流密度的橫向均勻性；合理的煙氣流速和合理的排煙溫度；足夠的傳熱量；煤的燃盡程度；旋風分離器的分離效率，物料的平衡問題及鍋爐的脫硫效率等等。本鍋爐屬于中型中壓鍋爐，受熱面主要為蒸發(fā)受熱面。在尾部煙道中布置有高溫過熱器、低溫過熱器、鋼管式省煤器和管式空氣預熱器?？諝忸A熱器用于預熱燃燒所用的空氣，減少排煙熱損失，減少燃料消耗量，從而提高鍋爐效率?！∮捎阱仩t容量不大，受熱面可以滿足鍋爐的吸熱要求，不布置高溫旋風分離器等其他受熱面，鍋爐本體、旋風分離器和尾部煙道一字排開。循環(huán)流化床鍋爐屬于室燃爐，爐膛設計中應首先確定爐膛的截面熱負荷，確定其截面積，然后確定容積熱負荷，進而確定爐膛高度。而截面熱負荷選擇與運行風速的選擇是息息相關。循環(huán)流化床鍋爐的運行風速一般為，運行風速提高，爐子緊湊，爐膛的截面熱負荷增大，爐膛高度增加，磨損加劇，鍋爐造價、能耗增加。然而運行風速過低則影響循環(huán)流化床鍋爐的效率，因此對每種燃料都具有最佳運行風速。 m/s。截面熱負荷一般在35MW/m2， MW/m2。床溫的選擇要考慮鍋爐結焦，燃燒效率，脫硫效率，NOx的排放等一系列問題。當床溫升高時，NOx排放量上升；當床溫高于900℃時，床溫升高，脫硫效率很快下降，但燃燒效率有所提高。因此床溫應控制在左右，一般不超過950℃。對于本次設計，床溫取918℃。在設計中，鍋爐的排煙溫度和熱空氣溫度是給定的基本參數(shù)。排煙溫度低時，鍋爐排煙熱損失提高，使熱效率提高；但會使得煙氣側與工質側的溫差降低，增加受熱面。同時，排煙溫度過低，會使煙氣中的硫酸蒸汽低于受熱面壁溫，引起受熱面低溫腐蝕[13]。%，鍋爐容量135t/h，排煙溫度選取為145℃。熱空氣溫度的選擇主要應保證燃料在鍋爐內迅速著火。%，較易著火，熱空氣溫度選取為150℃。過量空氣系數(shù)對CFBB的運行有較大影響。如果選擇過小，則燃料不能充分燃燒，使爐膛完全熱燃燒損失增加；如果選擇過大，會增加排煙熱損失。燃燒室中過量空氣系數(shù)一般在之間，因此，在本次設計中，爐膛出口的過量空氣系數(shù)取。在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中，為降低的排放和降低鼓風機的功率，將燃燒用空氣分成一、二次風分別從底部和側墻送入爐內。二次風的送入，對脫硝和降低能耗有利。一次風率過低，不能保證密相區(qū)顆粒正常流化，而且大顆粒燃料無法燃盡。在此次設計中，一、二次風配比為7:3，二次風單層送入，風速為，二次風入口位于距布風板5m處。4 鍋爐結構簡介本鍋爐為室內布置，由前部爐膛及尾部豎井煙道組成。前部爐膛為懸吊結構，爐膛由膜式水冷壁組成，增強鍋爐密封性。自下而上依次為一次風室、密相區(qū)、二次風口、懸浮段、蒸發(fā)管。尾部豎井采用支承結構，布置有高溫過熱器，低溫過熱器，鋼管式省煤器及管式空氣預熱器，爐膛和尾部煙道之間由旋風分離器相連，分離器下部接返料裝置。燃燒室內布置有布風板、膜式水冷壁[13]。 鍋筒及爐內設備 鍋筒內徑，壁厚，筒身長。上鍋筒筒身用20鋼板熱卷冷澆而成，封頭為20鋼沖壓而成的橢圓形封頭，封頭和筒身壁厚都為。 水冷壁 鍋爐爐膛內在保證水冷壁均勻布置的情況下盡可能多的布置水冷壁。對于中壓鍋爐來說，水冷壁的吸熱量占鍋爐總吸熱量的60%以上。水冷壁吸收了大部分爐膛燃燒的輻射熱，保護爐墻免受高溫破壞，使灰渣不易粘結在爐墻上，防止爐膛被過熱沖刷磨損破壞。它是自然循環(huán)鍋爐構成水循環(huán)回路的重要部件。表41鍋爐基本尺寸爐膛寬度爐膛深度鍋筒中心高度鍋爐外形尺寸長寬高單位㎜㎜㎜㎜㎜㎜數(shù)值50005000310002700270031721 燃燒設備循環(huán)流化床鍋爐的燃燒設備包括啟動燃燒器、給煤機、風室、布風板、風口、分離器、回料器等。 布風板布風板作為重要的布風裝置，其在流化床鍋爐中作用有三個：一是支承靜止的燃料層：二是使布風板上具有均勻的氣流速度分布：三是維持流化床層的穩(wěn)定。本鍋爐采用風帽式布風板。 一般來說，風帽上小孔的面積之和遠小于布風板的面積，通過風帽上的小孔的氣流速度很大，高速氣流進入床層的底部，對床層顆粒產生強烈的擾動，氣固質量交換強烈，這對于均勻床層和提高流化質量都是非常重要的[17]。風帽外徑為42mm，內徑28mm，正方形布置，間距，共布置2500只風帽。每只風帽開孔14個，孔徑為5mm。耐火保護層厚度為150mm，花板厚度為20mm。布風板阻力為整個床層阻