【文章內(nèi)容簡介】 。 第一章 緒論 鍋爐是電廠重要的機組之一。 鍋爐是將煤炭、石油或天然氣等所儲存的化學能轉(zhuǎn)化為水或蒸汽的熱能的重要動力設(shè)備。高溫水或蒸汽的熱能可以直接應(yīng)用在生活和生產(chǎn)中 ,為房屋采暖、空氣調(diào)節(jié)、紡織、化工、造紙等工業(yè)應(yīng)用 ,也可以轉(zhuǎn)化為其他形勢的能 ,如電能、機械能等。隨著水和蒸汽的熱能應(yīng)用范圍日益擴大 ,隨著市場經(jīng)濟體制不斷發(fā)展和完善 , 節(jié)能的經(jīng)濟效益越來越被人們重視。向鍋爐要經(jīng)濟效益和社會效益是全社會一個重要工作。鍋爐又是具有爆炸危險的特種設(shè)備， 鍋爐設(shè)備能否安全，經(jīng)濟運行直接關(guān)系著整個機組的安全性和經(jīng)濟性； 鍋 爐的安全運行對保障人民生命財產(chǎn)安全，維護社會穩(wěn)定，具有重要意義；因此調(diào)節(jié)好鍋爐運行是 重中之重的事情。 但是隨著 鍋爐 大量的投產(chǎn)與長 時間的應(yīng)用，許多電廠發(fā)生了嚴重 的鍋爐事故。 為了減少人生傷害及經(jīng)濟損失，研究與分析鍋爐事故刻不容緩。同時，鍋爐事故分析 與處理也是電廠熱能動力工程個一個重要的研究課題，對鍋爐事故的分析與對策的探索、對鍋爐事故的預防和鍋爐改進有著重要意義。 第二章 循環(huán)流化床鍋爐的概況 流化床鍋爐的研究與應(yīng)用 流化床燃燒技術(shù)的研究最早可追溯到 1921 年，當時 Fritz Winkler 建立了一個小型流化床燃燒試驗臺，用于流態(tài)化技術(shù)的試驗研究； 60 年代第一臺常規(guī)流化床鍋爐投入運行，由于常規(guī)流化床鍋爐飛灰大未完全燃燒損失較大，燃燒效率不高，于是能夠收集飛灰進行再循環(huán)燃燒的循環(huán)流化床技術(shù)便應(yīng)運而生。 新一代的循環(huán)流化床真正得到應(yīng)用始于七十年代末八十年代初。 1979 年，芬蘭奧斯龍（ Ahlsltrom）公司開發(fā)的世界首臺 20t/h 商用循環(huán)流化床鍋爐投入運行，隨后， 1982年，德國魯奇（ Lurgi）公司開發(fā)的世界上首臺用于產(chǎn)汽與供熱的循環(huán)流化床（ 84MWth）建成投運。至此，循環(huán)流化床技術(shù)開始迅速發(fā)展。 2020 年，即發(fā)展到 460MW 超臨界參數(shù)鍋爐?？梢娺@種技術(shù)的巨大經(jīng)濟效益、環(huán)保效益，以及各國政府對此項技術(shù)的重視。 我國對循環(huán)流化床鍋爐的研究方面，雖然起步較晚，但政府高度重視，所以，發(fā)展非常迅速。 1987 年，中科院工程熱物理所與原開封鍋爐廠聯(lián)合，生產(chǎn)出中國第一臺循環(huán)流化床鍋爐，并在原開封中藥廠（現(xiàn)在的天地藥業(yè)）投入運行，取得了循環(huán)流化床鍋爐在中國零的突破。 20 多年后的今天，該臺鍋爐還在穩(wěn)定運行，對該企業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。 1987 年之后，幾乎所有與熱工程有關(guān)的科研院校，如清華大學、浙江大學、華中理工大學、西安交通大學和西安熱工研究院等，都投入到循環(huán)流化床鍋爐額研發(fā)當中，各鍋爐制造廠先后開發(fā)出 20t/h、 35t/h、 65t/h、 75t/h、 130t/h 及 220t/h 等中、小型循環(huán)流化床鍋爐，通過多 年的發(fā)展，我國在中、小型循環(huán)流化床技術(shù)方面已經(jīng)相當成熟。并相繼開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 100MW、 135MW、 150MW 及 200MW 等級的循環(huán)流化床鍋爐，并在全國范圍內(nèi)大量投運。 從中可以看出，循環(huán)流化床鍋爐，是中國鍋爐行業(yè)的循環(huán)流化床趨勢，其他類型的鍋爐，必將被循環(huán)流化床鍋爐所取代。 流化床鍋爐的特點 爐膛底部是大量的熾熱灰粒和煤?；旌衔?，燃燒所需空氣經(jīng)爐膛底部的布風板 均勻進入流化床，在流化床中氣流上升速度約為 2～ 5m/s,氣流將大部分粒子托起，成沸騰狀，粒子上下運動，摻混非常強烈，這種現(xiàn)象被稱流化。煤由給媒機送入爐膛，剛進入爐膛的煤粒很快就與床溫床料混合，是煤粒迅速加熱，干燥著火燃燒。在流化床內(nèi)平均停留十幾～幾十分鐘后有放渣口排出爐膛。由于流化床容量大，摻混強烈，粒子停留時間長等因素，流化床鍋爐不但能燃高熱之煤，而且其他爐型（如鏈條爐、煤粉爐）不能燃燒的低熱值、低揮發(fā)分、高灰分的劣質(zhì)燃料。如劣質(zhì)煙煤、無煙煤、煤石、油頁石、造汽爐渣也能在流化床鍋爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒。流化床鍋爐還 有環(huán)保方面的優(yōu)點，通過向爐內(nèi)添加石灰石或白云石能大大降低煙氣中的二氧化硫，方法簡便、經(jīng)濟、高效地解決了高硫造成的大氣污染問題。而一般的鏈條鍋爐、煤粉爐的尾氣脫硫技術(shù)費用昂貴，難于推廣，幾乎不可能用于中小型的工業(yè)鍋爐。流化床鍋爐的燃燒溫度 900～1000℃，較鏈條鍋爐、煤粉爐都低，抑制了 NOX 的生成，煙氣中 NOX 含量少，有利于保護環(huán)境。 我國用于燒劣質(zhì)煤的沸騰爐以有上千臺，但他們都是屬于鼓泡床技術(shù)，對于這種鼓泡床鍋爐，由于較大的上升煙氣速度將相當多的未燃盡細小煤粒帶出爐膛，造成燃燒效率下，煙氣含量大，特別是燃 燒高灰分的劣質(zhì)燃料是更為嚴重。因為絕大多數(shù)的煤粒是在煤粒是在流化床中燃燒放熱，在流化床中設(shè)置了大量的埋管受熱面，物料的強烈沖刷使埋管磨損相當嚴重，一般只能使用六個月左右，爐子的可靠性差。另外，風機的電耗高，向大型化發(fā)展困難，脫硫劑利用率低等使得它被局限于燒煤石、爐渣等劣質(zhì)燃料的場合。 外循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是國際上八十年代初發(fā)展起來的鍋爐燃燒技術(shù)，它不僅具有鼓泡床流化燃燒的技術(shù)特點，而且具有更新的技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)一出現(xiàn)就以其特有的特點，受到國內(nèi)有關(guān)部門和專家的關(guān)注，被認為是鍋爐燃燒技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，其顯著特 點有： （ 1） 燃料適應(yīng)性廣 在外循環(huán)流化床鍋爐中按重量計，燃料進展床料的 1％～ 3％，其余的是不可燃的固體顆粒，如脫硫劑、灰渣，循環(huán)流化床鍋爐的特殊流體動力特性，使得氣～固和固～固混合非常好，因此燃料進入爐膛后很快與大量床料混合，燃料被迅加熱之高于著火溫度，而同時床溫沒有明顯降低。只要燃料的熱值大于加熱燃料本身和燃料所需的空氣至著火溫度所需的熱量，上述優(yōu)點就可以使得外循環(huán)流化床鍋爐不許輔助燃料而燃用任何燃料。外循環(huán)流化床鍋爐即可以燃用優(yōu)質(zhì)煤，也可以燃用鏈條鍋爐不能燃燒的各種劣質(zhì)燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高 水分煤、煤矸石、煤泥、以及油頁石。 （ 2） 燃燒效率高 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率要比鼓泡流化床鍋爐、鏈條鍋爐高，燃燒效率通常在 ％～ ％范圍內(nèi)，可與煤粉爐相比媲美，循環(huán)流化床鍋爐能在較寬范圍內(nèi)保持較高的燃燒效率，甚至燃用細分含量高的燃料時也是如此，而鼓泡流化鍋爐、鏈條鍋爐則不可能有此優(yōu)點。 （ 3） 有效脫硫 循環(huán)流化床鍋爐的脫硫效率比鼓泡床流化床鍋爐更加有效，典型的循環(huán)流化床鍋爐達到 90％脫硫效率時所需的脫硫劑化學當量比為 ～ ，鼓泡流化床鍋爐達到 90％脫硫效率時則需要脫硫劑化學當量比為 ～ 3，甚至更高。有時即使鈣硫比再高，也不能達到 90％的脫硫效率。因此，無論是脫硫劑的利用率還是二氧化硫的脫除率，循環(huán)流化床鍋爐流化床鍋爐優(yōu)越，鏈條鍋爐不可能在爐內(nèi)進行脫硫。 （ 4） 氧化物排放低 氮氧化物排放是外循環(huán)流化鍋爐另一個非常吸引人的特點。實踐表明，外循環(huán)流化床鍋爐的氮氧化物排放在 50～ 150PPM。外循環(huán)流化床鍋 爐 NOX 排放低是由于以下兩個原因：一是低溫燃燒，此時空氣中的氮一般不會生成 NOX,二是分段燃燒，抑制燃料中的氮轉(zhuǎn)化為 NOX，并使已生成的 NOX 得到還原，鼓泡（內(nèi)循環(huán)）流化床鍋爐、鏈條鍋爐無此特點。 （ 5） 燃燒強度高，爐膛截面小 爐膛單位截面積的熱負荷高是外循環(huán)流化床鍋爐的主要特點之一，循環(huán)流化床鍋爐的截面熱負荷約為 ～ ,接近或高于煤粉爐，同樣熱負荷下鼓泡流化床鍋爐需要的爐膛截面積要比外循環(huán)流化鍋爐達 2～ 3 倍。 （ 6） 給煤點少 循環(huán)流化床鍋爐的截面積小，同時良好的混合和燃燒區(qū)域的擴展使所需的給煤點數(shù) 大大減少，如熱功率為 100MW 的循環(huán)流化床鍋爐只需一個給煤點，而相同容量的鼓泡流化床鍋爐則需 20～ 30 給煤點。 （ 7） 燃料與處理系統(tǒng)簡單 循環(huán)流化床鍋爐的給煤粒度一般小于 12mm，因此與煤粉爐相比，燃料的制備系統(tǒng)大為簡單。此外，循環(huán)流化床鍋爐能直接用高水分煤（水分的達 30％以上），當燃用高水分煤時也不需要專門的處理系統(tǒng)。 （ 8） 易于實現(xiàn)灰渣的綜合利用 循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程屬于低溫燃燒，同時爐內(nèi)優(yōu)良的燃盡條件使得鍋爐的灰渣燃燒充分，因此含碳量極低，易于灰渣的綜合利用，可做水泥攙合料和建筑材料。 （ 9） 負荷調(diào)節(jié)范圍大 當負荷變 化時，只需調(diào)節(jié)給煤量、空氣量和物料循環(huán)量，不必像鼓泡流化床 爐那樣采用分床壓火技術(shù)。一般而言，外循環(huán)流化床鍋爐的負荷調(diào)節(jié)比可達 1：4，而鏈條鍋爐、鼓泡流化床鍋爐的負荷調(diào)節(jié)僅為 70％，此外，由于截面風速和吸熱控制容易，循環(huán)流化床鍋爐的負荷調(diào)節(jié)速度也快，一般可達每分鐘 5％。 （ 10） 床內(nèi)不布置埋管受熱面 循環(huán)流化床的床內(nèi)不布置埋管受熱面，因而不存在鼓泡流化床鍋爐的埋管受熱面易磨損的問題。此外，由于床內(nèi)沒有埋管受熱面，啟動、停爐、結(jié)焦處理時間短，同時可長時間壓火。 （ 11） 故障率低、運行周期長 循環(huán)流化床鍋爐 本體范圍內(nèi)設(shè)有兩臺螺旋給煤機，避免了鏈條鍋爐設(shè)備故障而經(jīng)常造成停爐的缺陷。此外，外循環(huán)流化床鍋爐具有故障率低、運行周期長的特點。 （ 12） 司爐工勞動強度大 由于循環(huán)流化床鍋爐的燃燒方式為循環(huán)流化燃燒，司爐工僅看儀表就可進行控制，調(diào)解。而鏈條鍋爐則需不斷通過關(guān)火門觀察燃燒狀況，并且還要不時的用火鉤、火耙摟火，因此司爐工的勞動強度大、工作環(huán)境惡劣。 流化床鍋爐主要優(yōu)缺點 （ 1)對燃料的適應(yīng)性好 只要所用燃料的熱值足以把燃料和空氣升溫到穩(wěn)定燃燒所需溫度，該燃料就能在CFBB 中穩(wěn)定燃燒。當燃料熱值大于 CFBB 所需最低熱值時，可以通過改變一、二次風量分配和返料量來控制爐床的吸熱份額，從而達到穩(wěn)定運行的要求。 CFBB 既能燒高揮發(fā)份及高熱值的優(yōu)質(zhì)煤，也能燒高灰份、低熱值的劣質(zhì)煤，甚至還可以燒煤矸石及垃圾。 (2)燃燒效率高 常規(guī)工業(yè)鍋爐和普通流化床鍋爐燃燒效率不高，僅為 85％－ 90％。循環(huán)流化床鍋爐由于采用飛灰再循環(huán)燃燒，其鍋爐燃燒效率可達 95％－ 99％。燃燒劣質(zhì)煤時，燃燒效率比煤粉爐高 5%。 （ 3） 燃 燒熱強度高 采用飛灰再循環(huán)燃燒，提高了鍋爐的爐膛截面熱強度和容積熱負荷。常規(guī)流化床鍋爐的截面熱強度和爐膛容積熱強度分別為 1－ 3MW/m2和 － ，而 CFBB 的截面熱強度和爐膛容積熱強度分別為 3－ 8MW/m2和 － ，大約是煤粉爐的 10倍。 (4)脫硫效果好 由于石灰石脫硫的最佳反應(yīng)溫度在 850℃左右，而 CFBB 爐床溫度一般控制在 850℃－ 900℃之間，加上飛灰再循環(huán)可進一步提高脫硫效率，故當 Ca/S 為 － 時， CFBB脫硫率可達到 85%－ 90%。 (5)NOX排放量低 由于 CFBB 采取分段低溫燃燒方式，爐膛溫度一般控制在 800℃－ 900℃之間， NOX生成量明顯減少， 排放濃度一般為 100－ 200ppm，遠低于常規(guī)煤粉爐 排放量 500－ 600ppm。 (6)負荷調(diào)節(jié)性能好 鍋爐需要改變負荷時，可通過調(diào)節(jié)給煤量、一次風量、二次風量、流化風速及返料量來實現(xiàn)。一般情況下， CFBB 熱負荷變化范圍為 25％－ 100％，其變化速率可達到 5％－ 10％ /min； 同樣， CFBB 也存在一些缺點，主要有： （ 1） 風機電耗大 返料所需高壓風機的風壓大，電耗高。 （ 2） 熱慣性大 高溫旋風分離器和返料裝置具有笨重的耐火材料內(nèi)砌體，冷熱慣性大，給機組快速啟停帶來困難。 （ 3） 漏灰嚴重 由于 CFBB 爐 內(nèi)采用微正壓燃燒，高溫旋風分離器也采用局部正壓，因此漏灰嚴重。 第三章 循環(huán)流化床鍋爐的工作原理 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程圖 圖 31 循環(huán)流化床鍋爐工藝流程圖 除塵器煙囪二次風機一次風機暖風器暖風器引風機爐 膛床層J閥空氣預熱器分離器上二次風下二次風給煤機煙道省煤器低溫過熱器高溫過熱器汽包冷渣器高壓風機熱風冷風排渣一次風點火器點火助燃風流化風播煤風石灰石給料機石灰石給料風給水圖1 循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)圖典型循環(huán)流化床鍋爐流程 如圖 31 所示，其基本流程為：煤和脫硫劑進入爐膛后，迅速被大量惰性高溫物料包圍，著火燃燒，同時進行脫硫反應(yīng)，并在上升煙氣流的作用下向爐膛上部運動，對水冷壁和爐內(nèi)的布置的其他受熱面放熱。粗大粒子進入懸浮區(qū)域后在重力及外力作用下偏離主氣流，從而貼壁下流。氣固混合物離開爐膛后進入高溫旋風分離器，大量固體顆粒（煤粒、脫硫劑）被分離出來回送爐膛，進行循環(huán)燃燒。未被分離出來的細粒子隨煙氣進入尾部煙道，以加熱過熱器、省煤器、和空氣預熱器，經(jīng)除塵器排至大氣。 循環(huán)流化床鍋 的系統(tǒng)組成 盡管循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但其系統(tǒng)組成也基本相同， 圖 31 和圖 33為 典型的循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)圖。循環(huán)流化床鍋爐由布風裝置、密相區(qū)、稀相區(qū)、爐內(nèi)受熱面、氣固物料分離裝置、固體物料再循環(huán)裝置 (返料裝置 )、尾部受熱面及床外熱交換器等部分組成。煤和石灰石通過給料裝置送入爐膛內(nèi)，與從布風板下部送入的一次空氣和從爐膛中上部送入的二次空氣進行燃燒反應(yīng)。燃燒產(chǎn)物及顆粒較小的未燃物質(zhì)隨氣流攜帶進入氣固分離裝置，顆粒較大的未燃物質(zhì)則在床層上面上、下運動，與床料一起成沸騰狀態(tài)，構(gòu)成循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)。密相區(qū)上面的 爐膛空間即為稀相區(qū)。爐膛排出的氣固混合物經(jīng)上部煙道進入氣固分離裝置，經(jīng)分離裝置分離后的氣體進入尾部煙道。分離器出來的固體物質(zhì)有的經(jīng)返料裝置直接進入爐膛再次燃燒，有的還要經(jīng)過床外換熱器冷卻后再進入爐膛進行燃燒，以達到調(diào)節(jié)床溫的目的。循環(huán)流化床鍋爐爐堂內(nèi)一般都布置爐內(nèi)受熱面，以吸收燃料燃燒所釋放的熱量。為了進一步吸收煙氣熱量及降低排煙溫度，與煤粉爐一樣，循環(huán)流化床鍋爐尾部布置有過熱器、省煤器及空氣預熱器等尾部受熱面。另外，有的循環(huán)流化床鍋爐還設(shè)置有床外熱交換器。 循環(huán)流化床鍋爐的工作原理 圖 33 循環(huán)硫化床鍋爐工作原理圖 循環(huán)流化床燃煤鍋爐基于 循環(huán)流態(tài)化 的原理組織煤的燃燒過程，以攜帶燃料的大量高溫固體顆粒物料的循環(huán)燃燒為重要特征。 爐膛內(nèi)的顆粒物料處于攜帶速度和氣力輸送狀態(tài)之間的流化區(qū)間，煙氣速度大大高于鼓泡流化床，沒有鼓泡流化床那樣清晰的床層上表面，氣泡不再存在，同時具有湍流流化和快速流化的特征，固體顆粒充滿整個爐膛，處于懸浮并強烈摻混的燃燒方式。但與常規(guī)煤粉爐中發(fā)生的單純懸浮燃燒過程比較，顆粒在循環(huán)流化床爐膛內(nèi)的濃度遠大于煤粉爐，但小于鼓泡流化床，并且存在顯著的顆粒成團和床料的顆粒回混，顆粒與氣體間的相對速度大，這一點顯然與基于氣力輸送方式的煤粉懸浮燃燒過程完全不同。 經(jīng)過預熱的一次風（流化風）通過風室由爐膛底部穿過布風板送入爐膛 ，爐膛內(nèi)的固體處于快速流化狀態(tài)，燃料在充滿整個爐膛的惰性床料中燃燒；爐膛下部為顆粒濃度較大的密相區(qū)，上部為顆粒濃度較小的稀相區(qū)；較細小的顆粒被氣流夾帶飛出爐膛，并由飛灰分離裝置收集，經(jīng)回料管和反料器送回爐膛循環(huán)燃燒；燃料在燃燒系統(tǒng)內(nèi)完成燃燒和高溫煙氣向管內(nèi)工質(zhì)的熱量傳遞過程。煙氣和未被分離器捕集的細顆粒排入尾部煙道，繼續(xù)與受熱面進行對流換熱，最后排出鍋爐。 循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)高速流動的煙氣與其攜帶的湍流擾動極強的固體顆粒密切接觸，燃料的燃燒過程發(fā)生在整個固體循環(huán)通道內(nèi)。在這種燃燒方式下，燃燒室內(nèi)，尤其是密相 區(qū)的溫度水平受到燃煤過程中的高溫結(jié)渣和最佳脫硫溫度的限制，必須維持在850℃左右。盡管溫度較低，但由于爐內(nèi)顆粒的濃度較大，爐內(nèi)受熱面的傳熱條件優(yōu)于常規(guī)的煤粉鍋爐。由于采用高溫固體顆粒物料的循環(huán)燃燒方式，爐內(nèi)溫度分布十分均勻，爐內(nèi)的熱容量很大，因此循環(huán)流化床鍋爐對燃料的適應(yīng)性優(yōu)于常規(guī)煤粉鍋爐，燃燒效率也基本相當。 第四章 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu) 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu) 圖 41 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)圖 1 風室 2給煤機 3燃燒室 4主蒸汽出口集箱 5過熱器 6蒸發(fā)管束 7旋