循环流化床锅炉大型化问题研究Word格式.docx
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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景和意义1
1.2国内外循环流化床锅炉的发展现状2
1.2.1国外发展现状2
1.2.2中国发展现状4
1.3本文的主要内容6
第2章大型CFB锅炉设备设计主要问题7
2.1循环流化床锅炉放大原则7
2.2炉膛放大的结构设计8
2.2.1炉膛高度8
2.2.2炉膛截面的宽深比9
2.3受热面布置12
2.3.1受热面布置问题12
2.3.2解决方案14
2.4紧凑型分离器17
2.4.1几种典型分离器的特点比较17
2.4.2方形旋风分离器（紧凑型分离器）19
2.5布风装置的设计20
第3章大型CFB锅炉运行的主要问题23
3.1循环流化床翻床现象23
3.1.1双支腿结构CFB锅炉的翻床现象23
3.1.2翻床的原因及处理方法24
3.2循环流化床锅炉磨损26
3.2.1循环流化床锅炉磨损机理26
3.2.2循环流化床锅炉本体的易磨损部位27
3.2.3防磨的主要技术措施29
第4章超临界CFB锅炉关键技术问题32
4.1超临界锅炉32
4.1.1概述32
4.1.2超临界参数的基本特性33
4.2超临界CFB锅炉的可行性34
4.3超临界CFB锅炉的关键技术问题35
4.3.1超临界CFB锅炉的水冷壁结构35
4.3.2超临界CFB水动力特性研究38
全文总结42
参考文献43
致谢44
第1章绪论
1.1课题背景和意义
随着中国经济的快速增长，一次能源的消耗量不断增加，2006年，一次能源消费总量为24.6亿吨标准煤，其中煤炭在一次能源中所占的比例为69.4%。
在未来的50年中，煤炭仍然是中国的主要一次能源。
中国煤炭资源的特点是难选煤多，高灰、高硫煤比重大，以煤炭为主导地位的能源生产和消费结构，造成大量污染排放物的产生，对环境的污染严重。
采用高效低排放的洁净燃煤技术，满足日益严格的环境保护要求已经十分紧迫。
洁净煤技术是煤炭开发和利用中减少污染和提高效率的煤炭加工、转化和污染控制等新技术，主要包括煤炭使用前的净化技术、煤炭高效燃烧及先进发电技术、烟气净化技术、煤炭转化技术。
其中，煤炭高效燃烧及发电技术中的循环流化床燃煤锅炉是洁净煤技术中一项已投入燃煤发电运营的成熟技术，发展迅速，在洁净煤发电领域处于优先发展地位。
循环流化床锅炉燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术，于普通锅炉的主要区别在于其燃烧处于流化状态下，其特点是燃烧效率高、通过燃料和脱硫剂多次循环易于实现低污染清洁燃烧、煤种适应性强、能使用低热值劣质煤、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。
自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。
截至20世纪末，世界上已投运的最大容量的循环流化床锅炉是法国普罗旺斯250MWe的锅炉。
目前，世界上最大容量循环流化床锅炉是2009年7月投运的波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉。
与煤粉锅炉相比，循环流化床锅炉在容量上尚有相当的差距。
目前，世界各主要工业国家电网中的主力机组是300～600MWe级的煤粉锅炉机组和核电机组。
为提高热效率，各国都正积极采用超临界甚至超超临界参数的大容量火电机组。
譬如，早在1985年，美国勃鲁斯电站就有两台1120MWe超临界机组投运，可用率达94%；
20世纪80年代初期，美国超临界机组投运了170台，占当时总装机容量25%，单机最大容量为1300MWe。
截至1999年底，中国300MWe级煤粉锅炉机组有215台，500MWe级有7台，600MWe级有16台，800MWe级有两台，其中超临界机组12台；
上海石洞石二厂的两台600MWe超临界机组1992年投运，利用率达到91.47%。
可以预计，发展600MWe及以上的超临界、超超临界大容量发电机组，将是21世纪中国火电机组发展的首选方向。
显然,循环流化床锅炉要能在电力工业中起较大作用，必须解决大型化问题,积极发展300、600甚至1000MWe级才能与煤粉炉竞争。
因此，循环流化床锅炉大型化问题及解决方案研究，对于循环流化床的发展，进而对于国家能源发展战略有重大意义。
1.2国内外循环流化床锅炉的发展现状
1.2.1国外发展现状
第一台20t/h循环流化床锅炉于1979年问世。
上世纪80年代末完成了100MWe等级循环流化床锅炉的研发，90年代后期完成了250MWe级循环流化床锅炉的开发。
现已进行400～600MWe级、超临界压力参数的超大型循环流化床锅炉的研发，并取得了显著的成果。
循环流化床锅炉大型化是循环流化床锅炉技术趋于成熟的标志。
在全世界循环流化床锅炉的开发与应用热潮中，形成了几个技术流派，不同的技术流派在不同容量等级的分布情况有所不同。
在200～300MWe等级循环流化床锅炉，主要技术流派为：
（1）鲁奇（Lurgi）技术流派，代表为法国的Stein公司与美国ABB-CE公司，特点为采用绝热旋风分离器带外置换热器的循环流化床技术；
（2）奥斯龙（Ahlstrom）技术流派，代表为福斯特惠勒（FosterWheeler，FW）公司，特点是采用绝热旋风分离器及炉内布置翼形或屏式受热面；
（3）FW技术流派，特点是采用汽冷旋风分离器及紧凑式外置换热器，即带INTREX的循环流化床锅炉。
100MWe等级的循环流化床锅炉，除上述几个技术流派外，还有以美国FW公司为代表的紧凑式方形旋风分离循环流化床技术，以德国EVT为代表的采用绝热旋风分离器及炉内布置屏式受热面的循环流化床锅炉技术。
50MWe及以下容量的循环流化床锅炉，除上述技术流派外，还有以德国Babcock公司为代表的采用塔式布置中温旋风分离循环流化床技术，美国B&
W公司（Babcock&
WilcoxCompany）采用两级分离的循环流化床技术。
二十世纪九十年代中期以来，世界上多台200MWe以上等级的循环流化床锅炉投入商业运行，如：
1995年11月，采用德国鲁奇（Lurgi）循环流化床燃烧技术，由法国通用电气阿尔斯通斯坦因工业公司（GASI）设计制造的法国普罗旺斯（Provence）电站250MWe循环流化床锅炉投入商业运行，普罗旺斯电站的成功投运成为大型循环流化床锅炉发展史上的一个里程碑；
它不仅解决了循环流化床锅炉大型化过程中的很多技术问题，更重要的是它为大型化奠定了基础。
目前，美国ABB-CE公司、福斯特惠勒（FW）公司等主要循环流化床锅炉制造商都完成了200～250MWe等级的产品研发，分别在韩国东海（Tonghe）电厂和波兰图鹿（Turow）电厂投运，运行状况良好。
随着行业竞争过程，到目前为止，仅存在两个大的集团公司生产250MWe等级以上容量的循环流化床锅炉，它们是法国通用电气阿尔斯通集团公司和美国福斯特惠勒公司。
国外约有60台100MWe以上循环流化床锅炉，其中已经投产运行的为40余台。
它们大多数主要在欧美，约有20%在亚洲。
单台连续运行最高记录为13个月，可用率达到98%。
循环流化床检验规程和安全规程已经列入美国ASME标准，这是其技术成熟及标准化的重要标志。
循环流化床技术的国际发展趋势是继续开发300MWe等级以上的大型电站循环流化床锅炉。
国外循环流化床锅炉制造公司认为，目前制造600MWe循环流化床锅炉在技术已基本成熟，研究开发的一个重要方向是超临界参数循环流化床锅炉。
由于超临界技术及大型化循环流化床技术均已掌握，因此将二者结合成的超临界循环流化床锅炉会在效率和环保上实现双突破，完全有可能形成一种在IGCC、PFBC、PC+FGD之外的清洁煤技术，当前一些著名的循环流化床锅炉公司都非常关注这一点。
国外循环流化床锅炉技术研究开发的先进性主要有以下几点：
（1）投入大、基础工作扎实：
在循环流化床锅炉的设计中，利用相应的计算软件并进行冷态、热态实验，对燃料进行试烧等。
另外，国外在较低容量级的循环流化床锅炉上进行1～2年的性能测试，掌握全部的特性曲线，建立相应的数学模型，这样就保证了较大容量循环流化床锅炉的安全、可靠和经济运行，例如Stein公司开发600MWe容量循环流化床锅炉是在对250MWe循环流化床锅炉进行长达两年的实测数据分析及模化的基础上进行的；
（2）锅炉岛的可用率高：
国外循环流化床锅炉岛的可用率已达到90%以上，由于国外锅炉制造公司不但提供锅炉本体，而且常常提供整个锅炉岛，因此系统配套性较好，配套设备、辅机系统等的可靠性高，因此锅炉岛的连续运行时间较长，利用率较高；
（3）自控水平高：
在较大容量的循环流化床锅炉上均实现了闭环自动控制，参数调整及时、迅速，运行操作简单。
目前国外著名的循环流化床锅炉技术开发的工作重心为加紧研究因锅炉容量的放大所带来的技术问题，特别集中在：
通过内部燃烧过程的合理组织，进一步降低污染物的生成与排放，降低脱硫脱硝运行成本，满足日益严格的环保标准；
加强燃料种类的适应性，包括难燃煤种的燃尽问题；
加强运行可靠性和经济性；
采用超临界参数的超大型技术等等。
这是国际上这项技术的发展趋势和研究前沿。
1.2.2中国发展现状
中国循环流化床燃烧技术的发展相对较晚但是进步很快。
从20世纪80年代起，许多科研机构和高等院校先后研究开发了一些各具特色的循环流化床锅炉，并从实验室研究走向了工业应用。
中国科学院工程热物理研究所、清华大学、浙江大学、西安交通大学等与锅炉制造厂合作研究和开发出多种技术的中压至次高压的循环流化床锅炉。
1987年9月，中科院工程热物理研究所与开封锅炉厂联合开发的10t/h循环流化床锅炉投入试运行，1988年4月通过签订并获得国家专利；
1989年11月，该所与济南锅炉厂联合开发的第一台35t/h的循环流化床锅炉在山东明水电站投入运行；
1990年，该所与杭州锅炉厂合作开发了75t/h循环流化床锅炉并投入运行，这台锅炉的特点是采用了包括一级百叶窗分离和二级旋风分离的两级分离装置。
清华大学与1989年与福斯特惠勒公司和日本石川岛播磨重工业公司联合开发、由江西锅炉厂制造生产了20t/h循环流化床锅炉；
同年，还有由四川锅炉厂制造出4台35t/h的示范循环流化床锅炉，75t/h循环流化床锅炉已在运行。
清华大学循环流化床锅炉技术的特点是采用两级分离-柱板惯性分离器加S型平面流分离器。
浙江大学自1989年5月以来与杭州锅炉厂共同设计了35t/h烟煤循环流化床锅炉，35t/h煤矸石、石煤型循环流化床锅炉和75t/h循环流化床锅炉，其中矸石型35t/h循环流化床锅炉已建成投运。
1987年，东南大学与无锡锅炉厂合作，共同开发出针对无烟煤、贫煤等低活性难燃煤种的35t/h中温分离低饲回然飞灰循环流化床锅炉，先后在河南焦作演马电厂、北京王平村煤矸石电厂等投运。
1993年，西安交通大学和哈尔滨锅炉厂共同开发的35t/h循环流化床锅炉在陕西白水兴能公司电厂投运，该锅炉采用了大型锅炉的设计思想。
开发循环流化床锅炉的主要机构还有哈尔滨工业大学、东北电力学院、华中科技大学和西安热工研究院有限公司等。
由于国家大力推广和发展循环流化床锅炉技术，中国循环流化床锅炉技术研究和开发虽然起步较晚，但其商业应用已很普及，现已投运或在建的循环流化床锅炉达千台之多，循环流化床锅炉发电机组的装机总容量已占全国总装机容量的8%。
循环流化床锅炉的数量和总容量位居世界之冠。
主要生产厂家有哈尔滨锅炉厂有限责任公司（HG）、上海锅炉厂有限公司（SG）、东方锅炉股份有限公司（DG）、无锡华光锅炉股份有限公司（UG）、济南锅炉（集团）有限公司（YG）、武汉锅炉股份有限公司（WG）和杭州锅炉集团有限公司（NG）等。
目前，国产220t/h及以下容量的循环流化床锅炉已在国内获得广泛的工业推广应用，实现了商品化；
中国自主开发的410t/h高压循环流化床锅炉和一批通过引进吸收和消化国外技术与自主开发相结合的440～465t/h超高压一次再热循环流化床锅炉已开始投入商业运行。
其中，440t/h循环流化床锅炉已达148台。
数量更多的135MWe级超高压再热循环流化床锅炉正在建设中。
另外，国家还将100MWe循环流化床锅炉的辅机国产化，引进了300MWe循环流化床锅炉设备和技术并直接参与设计与开发，尽快形成300MWe循环流化床锅炉机组装备能力，作为当前循环流化床技术开发的目标；
中国于2003年4月与法国GEC阿尔斯通公司签订了引进200～350MWe级循环流化床锅炉制造技术和电站设计技术。
2005年，完成了拥有自主知识产权的200MWe级循环流化床锅炉技术开发并相继建立了示范工程。
2006年2月，首台引进法国阿尔斯通公司的300MWe循环流化床锅炉在四川白马循环流化床锅炉示范电厂实现满负荷运行；
2006年5月，安装在内蒙古华电乌达热电公司的由无锡华光锅炉股份有限公司生产的480t/h超高压再热循环流化床锅炉通过专家签定，是中国首台具有自主知识产权的国产化大容量、高参数循环流化床锅炉；
同年6月，哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的引进法国阿尔斯通公司技术，参考普罗旺斯加登电站250MWe炉型设计的300MWe循环流化床锅炉在云南开远电厂通过了168h的运行考核；
同年7月，西安热工研究院研发设计的国产首台210MWe循环流化床锅炉机组，在江西分宜第二发电厂有限公司顺利通过96h试运行；
同年10月，中国首次在热电厂中安装的秦皇岛热电厂三期扩建两台300MWe循环流化床锅炉供热机组投运。
2009年2月23日，由东方电气自主开发设计的世界首台最大容量的四川白马600MW超临界循环流化床示范工程主机设备采购合同签字仪式。
该合同的签署，标志着中国在自主研制低煤耗、低成本污染控制的洁净煤燃烧技术走在了世界的前列，对国家重大装备制造企业全面掌握600MW循环流化床原始设计技术，提高自主创新和自主开发能力具有重要意义。
1.3本文的主要内容
循环流化床锅炉大型化面临问题较多，本文主要在这三个方面进行研究：
大型循环流化床锅炉设备的设计主要问题：
炉膛结构、受热面和分离器的布置、布风装置的设计；
大型循环流化床锅炉运行中存在的翻床、磨损主要问题；
超临界CFB锅炉关键技术问题：
水冷壁结构，水动力特性。
第2章大型CFB锅炉设备设计主要问题
本章着重阐述在进行大容量循环流化床锅炉设计时碰到的主要问题,如炉膛断面变大导致二次风射程不足造成中心缺氧问题、容量增大后由于放热和吸热的不平衡增长而导致的受热面的布置问题等,并介绍国内外锅炉制造公司及研究机构对这些问题的处理办法。
2.1循环流化床锅炉放大原则
循环流化床锅炉的放大过程是建立在已经成功运行的循环流化床锅炉的经验基础上的放大，该过程中需尽量减少因缺少工程参考而带来的放大风险。
尽管已有研究者建立了各种模化理论和准则来描述循环流化床的放大规律，如Glicksman（1984）及Horio（1989）的放大准则，这些准则只强调了气固流动特性，但由于工程设计中的各种影响因素较多，热力特性往往会成为更重要的影响因素，同时由于气固两相流动的复杂性，完全依靠理论来进行放大设计还很不现实。
因此，工程设计通常更注重按照经验进行放大，但对影响因素进行分析是必不可少的，对于超出经验范围的新的设计内容，可借助CFD流体学设计软件进行必要的数值模拟研究
图2-1所示为孙献斌（2007）提出的中国CFB锅炉从50MW到800MWCFB锅炉的放大过程总体示意。
在300MW以下容量，可采用M型或H型炉型，当容量增大到600MW时，从总体布置的合理性而言，CFB锅炉的炉型必然地要采用H型布置，锅炉须采用6个直径8.5m的分离器，分置于炉膛两侧，炉膛截面为400m2，炉膛高度55m，此时锅炉的结构可视为两个M型300MW的CFB锅炉炉膛及分离器组成的模块结构，也可视为在H型300MWCFB锅炉的基础上增加一组分离器和一个炉膛模块，因此M型及H型CFB锅炉发展到600MW时趋于相同。
总之，利用模块式的放大方法，充分借签已运行的CFB锅炉的炉膛、分离器和外置换热等关键部件的经验，是行之有效的放大设计方法，并已成为目前CFB锅炉设计的基础理论。
值得注意的是，CFB锅炉的放大并不是简单的几何尺寸的模块放大，而是以模块放大原理为基础，根据已有工程经验而进行的放大和优化设计，需要同时考虑热力特性、流动均匀性、燃烧特性等技术问题。
2.2炉膛放大的结构设计
炉膛放大是CFB锅炉放大设计的重要内容，需要充分研究炉内过程特性的变化规律和可能出现的问题，必要时在最为接近的实际锅炉的炉膛上开展测试和试验研究，进行数值模拟以预测更大尺寸的炉膛的流动及热力特性。
下面对炉膛放大的主要几何特点问题进行分析：
2.2.1炉膛高度
炉膛高度是CFB锅炉的关键参数之一，不仅与锅炉的燃烧效率、石灰石的脱硫效率、炉膛内部受热面的布置、尾部烟道受热面的布置等因素有关，还与锅炉的制造成本等因素有关，而且这些因素之间存在相互矛盾。
随着锅炉容量的增加，炉膛高度存在一定程度的增加，见表2-1。
锅炉容量在100～300MW之间时，炉膛在30.5～42.5m的范围内。
已有的CFB锅炉放大经验表明，CFB锅炉的放大在炉膛高度方向有少量增加，以保证放大后的CFB锅炉的炉膛压力分布、炉内换热特性接近成功运行的CFB锅炉。
西安热工院根据现有的CFB锅炉设计、运行经验，对于100～300MW容量等级绝热旋风分离器CFB锅炉，得到如下合理炉膛高度计算模型：
Hf=30+△H（Rc）
式中：
Hf为炉膛总高度，m；
△H（Rc）为由燃料燃尽特性（燃尽指数Rc）决定的炉膛特性尺寸，m。
表2-1典型CFB锅炉的炉膛高度
电厂名称
锅炉容量（MW）
炉膛高度（m）
技术来源
美国Vask
100
30.5
美国FW
美国Nisco热电厂
120
34.1
法国EmileHuchet
125
33
法国ALSTOM
河南豫联电厂
135
34.3
ALSTOM-CE
加拿大Nova
157
35
江西分宜发电厂
210
36
西安热工研究院
波兰Turow电站
235
42.5
法国Gardanne电厂
250
37
白马示范电站
300
35.5
美国JEA电厂
波兰Lagisza电厂
460
48
事实上，CFB锅炉炉膛高度的选择还与锅炉容量有很大的关系。
锅炉容量较小时，较低的炉膛高度就可以满足水冷壁受热面布置的需要了，片面增加炉膛高度以取得好的燃尽效果会增加很大的投资成本；
锅炉容量达到100MW以上容量后，炉膛高度增加除了满足水冷壁受热面布置的需要外，还应考虑由于锅炉炉膛截面尺寸增大带来的二次风穿透问题，这会导致细颗粒燃尽所需要的燃烧行程和停留时间增大，从而需要适当增加炉膛高度。
从根本来讲，CFB锅炉炉膛高度的选择，除了根据受热面布置的需要以外，其根本出发点是保证一次通过炉膛的燃料颗粒有足够的燃尽时间。
燃料燃尽特性不同，即使颗粒粒径相同燃尽所需要的时间不同，炉膛高度设计也应该不一样，炉膛高度设计也应有所差别；
锅炉容量增大后，炉膛中心供氧能力变差，一次通过炉膛颗粒燃尽所需要的停留时间也增长，炉膛设计高度也应当增加。
2.2.2炉膛截面的宽深比
大型化CFB锅炉炉膛的关键技术是炉膛断面变大后带来的相关技术难点，其中深度增加导致二次风射程不足造成中心缺氧问题是最为明显，对难燃的煤种，为获得更佳的燃烧效率，裤衩褪炉膛是值得研究和选择的结构。
2.2.2.1炉膛宽深比的确定
CFB锅炉的炉内存在大量床料，对水冷壁有一定程度的磨损，控制水冷壁磨损的主要参数是炉内烟气流速，一般控制在5.5m/s以下。
因此，CFB锅炉的容量一旦确定，炉膛的横截面积基本确定。
目前，大型循环流化床锅炉采用矩形截面，四周为水冷壁，其宽深比主要根据以下几个因素影响：
（1）炉膛内能否布置足够的受热面。
一般除了大容量锅炉可能需布置屏式受热面尽量不在炉膛下部布置似埋管的受热面等。
（2）二次风在炉膛
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