【正文】 電、動力、化工等工業(yè)和生活中起著重大的作用，同時 沒得燃燒也 引起了一系列環(huán)境問題。 一方面我國對電量的需求逐漸 增 大；另一方面我國煤炭 的不斷開采，煤炭 質(zhì)量 降低，劣質(zhì)煤所占的 比重 必然 上升。 我國煤矸石和巖石的年排放量大約在 113 億 t 以上 , 截至 2021 年底 , 全國矸石累計堆存量 35 億 t , 占地約 114 萬 h ㎡ [4]。燃用劣質(zhì)煤造成爐膛燃燒溫度低、燃燒不穩(wěn)定、受熱面磨損泄露嚴重、 飛灰含碳量高及鍋爐熱效率低等一系列問題，嚴重影響著工業(yè)鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。從地下挖出來的煤矸石利用后又回到了地下，做到了物盡其用。循環(huán)流化床以其高效環(huán)保的優(yōu)勢可以很好的滿足這些要求，使之成為煤矸石發(fā)電技術(shù)中的越來越有前途的燃燒技術(shù)。 與煤粉鍋爐 、 鏈條爐相比 循環(huán)流化床 鍋爐有以下的優(yōu)點： 1. 燃料適應(yīng)性廣。 2. 燃燒 效率高。在這個溫度范圍內(nèi)， 空氣中的氮 氣 一般不會 轉(zhuǎn)化為 氮氧化物 ； 另外 爐內(nèi) 分段燃燒，抑制了燃料中的氮轉(zhuǎn)化為氮氧化物， 爐內(nèi)還原性氣氛 還 可以還原 爐內(nèi)的 氮氧化物。 因此，它 具有良好的負荷調(diào)節(jié)能力 ，可以調(diào)節(jié) 30%~120%負荷的變化 。 無論是建造新電站還是改造舊電站， 循環(huán)流化床 鍋爐在環(huán)境方面和能源利用效率方面都有著很大的優(yōu)勢，因此 循環(huán)流化床 鍋爐的利用得到了很大的發(fā)展。 我國燃煤工業(yè)鍋爐設(shè)計效率一般在72%~80%，但實際運行熱效率大多在 60%~65%[8]。 循環(huán)流化床 鍋爐 圖 35t/h的中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐額定蒸汽壓力為 ，額定蒸汽溫度450℃ 。高溫旋風(fēng)分離器分離效率較高，但體積較大 ，占地面積較大 。第二級分離器為低溫上排氣旋風(fēng)子分離器，分離下來的細灰經(jīng)流化密封送灰器返回床內(nèi)循環(huán)燃燒。鍋爐的主要特點有：臥式水冷旋風(fēng)分離器與鍋爐本體整裝，密相區(qū)內(nèi)設(shè)有埋管。 循環(huán)流化床鍋爐 圖 為低參數(shù) 10t/h 的前置分離器循環(huán)流化床鍋爐。 該循環(huán)流化床主床內(nèi)沒有布置埋管 。 副床布置于懸浮室之后、燃盡室的下面用來燒灰。 下排氣旋風(fēng)分離器循環(huán)流化床鍋爐 圖 為中 參數(shù)下排氣旋風(fēng)分離器循環(huán)流化床鍋爐。 返料換熱型循環(huán)流化床工業(yè) 鍋爐 返料換熱型循環(huán)流化床工 業(yè) 鍋爐 是 重慶大學(xué)鍋爐燃燒 環(huán)保研究 室 獨 自 設(shè)計的 一種帶外置式返料換熱器的新型 循環(huán)流化床 工業(yè)鍋爐。 其結(jié)構(gòu)圖 [12~13]如下： 運行時，煤由煤斗經(jīng)螺旋給煤機送入流化著的熾熱料層中，由于床料粒子間的混合和熱交換非常強烈，因而新鮮燃料一進入就被迅速烘干、預(yù)熱、著火燃燒。 鍋爐用水經(jīng)水處理設(shè)備凈化后進入水池、水泵、鑄鐵省煤器、鋼管省煤器、上汽包、下汽包、下降管、埋管、上升管、導(dǎo)汽管 、上汽包、產(chǎn)生的汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離后、蒸汽送至生產(chǎn)車間。 由于 循環(huán)流化床 燃煤技術(shù)對煤在爐內(nèi)的 停留 時間有一定要求， 一般 要求 停留時間 至少 達到 秒， 因此要求循環(huán)流化床 鍋爐爐膛 有一定的 高度。 我國循環(huán)流化床燃燒技術(shù)起步較晚 、 發(fā)展時間太短，人們還沒有熟悉的了解它的特性，在設(shè)計、制造等方面還有很多不完善之處。 ——爐內(nèi)燃燒時間不足。 ——熱面磨損 嚴重 。 在運行過程中， 循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐 因蒸發(fā)吸熱面 經(jīng)常磨損， 水冷壁 吸熱量減少 ，導(dǎo)致 爐膛溫度 偏高 ， 爐膛 結(jié)焦 。 —— 除塵設(shè)備投資較高。因此， 各廠家和研究機構(gòu)對 12MJ/kg 以上的燃料研究較多，而對 12MJ/kg 以下的 劣質(zhì)燃料研究較少。 隨著 燃料發(fā)熱量 的 降低，燃料在密相區(qū)產(chǎn)生的熱量 減少 ， 煤燃燒 產(chǎn)生的熱量有可能僅僅維持自己的燃燒而不能 將 循環(huán)灰 加熱 到 850℃以上 。 無論從創(chuàng)新性還是從工業(yè)應(yīng)用上來講，作者所做的工作是非常必要 的 。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 10 圖 帶隔墻循環(huán)流化床示意圖 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐原則性方案 循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐燃燒低熱值燃料時 ， 由于燃料發(fā)熱量較低， 燃料在密相區(qū)產(chǎn)生的熱量 會很少 ， 甚至還有可能發(fā)生產(chǎn)生的熱量僅僅能夠維持自己的燃燒而不能加熱循環(huán)灰的問題。 低熱值煤矸石循環(huán)流化床鍋爐面臨的第二個問題，就是燃煤灰分高，排渣量大，從而帶來極大的灰渣物理熱損失問題。 原理示意圖見圖 。 鍋爐熱平衡 鍋爐熱平衡與熱損失 在對循環(huán)流化床鍋爐進行設(shè)計時，首先需要熟悉的就是鍋爐熱平衡。 式（ 1）兩邊同時除以 rQ ，即得到鍋爐熱平衡方程的百分比表達式： %1 0 0qqqqqq 654321 ?????? ……………………………..() 鍋爐熱效率與熱平衡 鍋爐熱效率為鍋爐有效利用熱與鍋爐輸入熱量之比。 表 煤的成分 名稱 C H O N S OH2 A dafV ar,Q inQ 含量 5000 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 12 表 項 目 數(shù) 值 蒸汽流量 /t 在本文中，作者利用 實驗室的發(fā) 明 專 利復(fù)合式冷渣器 技術(shù)，用于回收鍋爐排渣的物理熱，并將回收的熱量全部送回鍋爐，以降低灰渣物理熱損 失 。 當(dāng)爐 膛密 相區(qū)溫 度高于 950℃ 時 ， 爐 膛 容易 發(fā) 生 結(jié)焦現(xiàn) 象 ，嚴 重影 響鍋爐 的運 行； 當(dāng)爐 膛密 相區(qū)溫 度低于 850℃ 時 ，煤的機械不完全燃 燒損 失 4q 比 較 大，甚至不能燃 燒 ，造成 鍋爐 燃 燒 的 穩(wěn) 定性 變 差。因此， 爐 膛出口的 溫 度也 應(yīng) 控制在 800℃ 以上。 循環(huán)流化床物料平衡 循環(huán)流化床“一進二出”的物料系統(tǒng)是循環(huán)流化床的核心概念，也是理解循環(huán)流化床 物料平衡的關(guān)鍵。 鍋爐灰 平衡原理 見 下 圖 。它 不僅 影 響著爐 膛燃 燒 ，也影 響著傳熱 。 當(dāng) 循 環(huán)灰 量很大 時 ， 爐 膛、分離器和返料 裝 置中的高 溫 灰量很大，因此 會產(chǎn) 生很 嚴 重的磨 損問題 。特 別 是煤 質(zhì) 下降 時 ， 溫 度的控制 變 得尤 為 重要。當(dāng)給 煤 產(chǎn) 生的 熱 量多，煤自身燃 燒 的 溫 度比 較 高 時 ，循 環(huán)灰從 隔 墻 右 側(cè)進 入隔 墻左側(cè)來 冷 卻 煤燃 燒 ，以防止密 相區(qū)發(fā) 生 結(jié) 焦 問題 ； 當(dāng) 煤燃 燒產(chǎn) 生的 熱 量比 較 少 時 ，煤燃 燒產(chǎn) 生的灰 從 隔 墻左側(cè)進 入隔 墻 右 側(cè)，來 加 熱 循 環(huán)灰 ； 當(dāng) 煤燃 燒產(chǎn) 生的 熱 量在某一 個 值 時 ，循 環(huán)灰 不 從 隔 墻 右 側(cè)進 到左 側(cè)，煤 燃 燒產(chǎn) 生的灰也不 從左 側(cè)進 入右 側(cè)，這就 是 我們 需要找的平衡 點 ，也是 我們設(shè)計 的 平衡點 工 況 。密 相區(qū) 的 溫 度很大程度 上決定著 燃 燒 是否充分， 當(dāng) 密 相區(qū)溫 度高于 950℃ 時 ， 容易 造成密 相區(qū) 超 溫 、 結(jié) 渣 ， 不利于燃 燒、脫硫 率低 等情 況 ；當(dāng) 密 相區(qū)溫 度低于 850℃的情 況 下，煤 顆 粒 著 火困 難 甚至不能燃 燒 ，燃 燒 不 穩(wěn) 定。 ? —— 一次風(fēng)所占的比率； n—— 循環(huán)倍率 —— 冷空氣焓值 3q 、 4q 、 6q 分別為化學(xué)不完全燃燒損失、物理不 完全燃燒損失、 灰渣物理損失 通過（ ）式我們可以看出，影響密相區(qū)溫度的主要因素為：燃料發(fā)熱量、密相區(qū)燃燒份額、返料灰溫度、循環(huán)倍率等因素。 密相區(qū)的溫度按下表 和表 步驟計算。 煤種發(fā)生變化時 ，我們同樣可以 計算 各種 煤種下的爐膛密相區(qū)溫度 。 這時， 通過前面提到的在爐膛密相區(qū)加入隔墻才能解決該問題。例如當(dāng)灰分變?yōu)?x 時， arC 的含量則相應(yīng)的變?yōu)椋? arC*).516100( )100( ?? x………………………………………………………() 其他成分依次對該成分按照式 進行變化 通過對灰分的改變，我們在上述計算 方法 對密相區(qū)溫度 進行計算，得出了灰分不同 時 爐膛密相區(qū)溫度的變化。 這主要是因為：當(dāng)灰分增加時，煤種發(fā)熱量會降低，而鍋爐蒸發(fā)量等其它參數(shù)不變，耗煤量相應(yīng)的增大 、 返料灰量增多； 雖然 最終 返料灰的溫度升高 、 外置床傳熱量增大， 但其返料量 更多； 另外 煤燃燒產(chǎn)生的熱量降低 。當(dāng)煤種灰分大于 70%時，不加爐膛隔墻的循環(huán)流化床密相區(qū)溫度低于 850℃ ，不能 穩(wěn)定 燃燒，因此在爐膛密相區(qū)需要加入隔墻。 表 煤種特性 煤的收到基成分（ %） 名稱 C H O N S OH2 A dafV ar,Q inQ 含量 5000 當(dāng)我們按照表 灰分為 %的煤種進行計算時，我們 通過計算發(fā)現(xiàn)，其耗煤量為 22 噸 左右 ，這 時 如果再采用循環(huán)倍率為 6 的情況下，循環(huán)灰的量則達到 136 噸。 在上述外置床面積下，均需要加入隔墻。因此 ，可以選擇 的外置床面積 小于25 ㎡。 這主要是因為循環(huán)倍率增大時， 循環(huán) 灰 增大很多 ； 在 外置床面積一定的情況下返 料灰溫增大 ， 而燃燒方面煤產(chǎn)生的熱量相同，整體上使得密相區(qū)溫度很高。因此，密 相區(qū) 的入 爐熱 量 變 化很大，密 相區(qū)溫 度 變 化相 應(yīng) 也很大。經(jīng)過計算，劣質(zhì)煤燃燒時， 只加熱煤自身的情況下， 密相區(qū)燃燒份額 也 不應(yīng)低于 。 由計算得知，在循環(huán)倍率為 燃燒份額變?yōu)? 時， 煤自身產(chǎn)生的熱量只能將自己加熱到 717℃，不能將煤燃燒。因此循環(huán)倍率也不應(yīng)該過高，優(yōu)化的循環(huán)倍率應(yīng)該在 2~3 左右。密相區(qū)燃燒份額為 、灰分為 %、外置床面積為 20 ㎡時，不同循環(huán)倍率下密相區(qū)的溫度變化 ，計算 結(jié)果見表 ， 如 圖 所示 。因為我們也要保證爐膛出口煙溫不至于過低。 這 時 我們計算，循環(huán)倍率為 密相區(qū)燃燒份額 、煤種灰分為 %的情況時，不同外置床面積下的密相區(qū)溫度 見表 ， 如 圖 所示 ： 表 不同外置床面積下的密相區(qū)溫度 序號 外置床面積（㎡） 密相區(qū)溫度（℃） 1 15 844 2 20 821 3 25 800 4 30 782 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 22 由圖 得知，其它條件不變，外置床面積增大時，爐膛密相區(qū)溫度降低；外置床面積為 15 ㎡時， 密相區(qū)溫度為 844℃ ；當(dāng)外置床面積 為 30 ㎡ 時，密相區(qū)溫度 782℃ ，低于 800℃ 。 由此我們可以計算不同外置床面積下密相區(qū)的溫度，從而 確定最優(yōu)的 外置床面積。 當(dāng)煤種灰分小于 70%時，爐膛密相區(qū)不需要加入隔墻。 在循環(huán)倍率為 密相區(qū)燃燒份額為 、外置床換熱面積為 20 ㎡的情況下 ，我們 計算 得出 了 不同灰分下密相區(qū) 的 溫度 見表 ， 如 圖 所示 ： 表 灰分 變化時， 密相區(qū) 的溫度變化 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 20 灰分對密相區(qū)溫度的影響0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100灰分（%）密相區(qū)溫度（℃）變灰分密相區(qū)溫度 圖 灰分對密相區(qū)溫度的影響 序號 灰分（ %） 密相區(qū)溫度（℃） 1 2 3 4 5 6 7 8 通過 表 和 圖 我們看出，其它條件不變 、 煤種灰分增加時，密相區(qū)溫度降低。 不同灰分對爐膛密相區(qū)溫度的影響 當(dāng) 灰分不同 時 ，燃料 的發(fā)熱 量也 會發(fā) 生 變 化， 對爐內(nèi) 燃 燒 有很大影 響 。 造成密相區(qū)溫度過低的原因就是燃料本身發(fā)熱量很低，很多時候僅 僅能夠維持自己的燃燒。()ashc? kJ/kg 查表 B8 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 低熱值循環(huán)流化床工業(yè)鍋爐方案設(shè)計論證 18 6 外置床平均灰 溫 ()ashc? ℃ 7 外置床流化風(fēng)量（返料風(fēng)） N3 3/mh 8 熱返料煙溫 2at ℃ 9 熱返料煙氣焓 值 2haI kJ/kg 查表 B8,應(yīng)為理論煙氣量的 15%（ G253） 10 冷返料風(fēng)風(fēng)焓 值 2laI kJ/kg 冷風(fēng)溫度為 20℃ 11 1 公斤燃料對應(yīng)的燃燒放熱量 oQ kJ/kg 入爐煤量 X(（外置床燃燒份額 減爐膛漏風(fēng)） X（ 100q3q4)q6)/(100q4) 12 外置床放熱量 foQ KW 返料放熱 +燃燒放熱 13 埋管的傳熱系 數(shù) K 2/(Wm?℃ ) 選取 350 14 埋管的受熱面 積 imH ㎡ 選取 15 埋管計算傳熱 量 Q KW KHmΔT 16 外置床傳熱計 算誤差 ΔQ % fo fo100 * Q Q / Q?（ ） 表 序號 名稱 符號 單位 來源或計算公式 數(shù)