有关CFB锅炉流动问题的讨论.docx

1、有关CFB锅炉流动问题的讨论研究生课程（论文类）试卷2 014 /2 015学年第 一 学期课程名称： 高等流体力学 课程代码： 11000117 论文题目： 有关CFB锅炉流动问题的讨论 学生姓名： 葛铭 专业学号： 热能工程 142360050 学院： 能源与动力工程学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期： 年 月 日课程（论文）题目：有关CFB锅炉流动问题的讨论内容：有关CFB锅炉流动问题的讨论Discussions of CFB Boiler Flow Problem葛铭（上海理工大学能源与动力学院，上海 200093）摘要循环流化床（CFB）燃烧技

2、术因为广泛的燃料适应性、较低的污染物排放、良好的脱硫效率、优越的负荷调节性能等优点成为新一代洁净煤燃烧技术。但CFB锅炉的大型化也带来了许多问题：分离器数量不断增多，使得分离器布置困难，进入各个分离器的烟气量相差较大；炉膛容积增大，导致二次风穿透性不佳，布风均匀性差等。从CFB锅炉结构形式布置、物料分离系统等方面入手，通过CFD数值模拟，可以找到合适的解决方案。关键词： CFB锅炉 流动特性 循环系统ABSTRACT The circulating fluidized bed (CFB) combustion technology with the advantages of extensiv

3、e fuel flexibility, low NOx emission, high desulfuring efficiency and good load adjustable capability and so on, has become the new generation clean coal combustion technology. Current large CFB boiler usually uses the structural arrangement that several separators are laid around one or two furnace

4、s. So the main problems we faced are as the number of separators of a large CFB boiler increases more and more, the arrangement of separators becomes more difficult. And the flow rate of flue gas to each separator is very different. Also, larger furnace can result in bad penetration of the Second Ai

5、r. Start with CFB boiler structural arrangement 、the material separation system and other aspects, through CFD numerical simulation, a right solution can be found. Key Word: CFB Boiler Flow Characteristics Circulation System 1、循环流化床锅炉结构形式由于循环流化床锅炉还处于发展阶段，结构形式繁多。目前，世界上较有代表性的循环流化床锅炉炉型为：德国 Lurgi 型，芬兰 P

6、yroflow 型，美国 FW 型，德国 Circofluid 型和内循环(IR)型，见图 1。Lurgi 型。炉膛布置膜式水冷壁受热面，采用工作温度与炉膛燃烧温度（870左右）相近的高温旋风分离器。其主要技术特点是在循环灰回路上设置有外置式流化床换热器。此种炉型最早是由 Lurgi 公司推出。Pyroflow 型。采用绝热高温旋风分离器，膜式水冷壁炉膛内布置管屏和分隔墙受热面。由于无外置式换热器，固体物料循环回路中的吸热靠膜式水冷壁和分隔墙受热面来保证。这种型式的循环流化床锅炉由芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司生产，并被定名为 Pyroflow 循环流化床锅炉。FW 型。其特点是采用汽冷式

7、高温旋风分离器和整体式再循环换热器INTREX (INTREX, Integrated Recycle Heat Exchanger)。INTREX 实际上是一个利用非机械方式使固体转向的外置鼓泡流化床。这种型式的循环流化床锅炉因由美国的福斯特惠勒（Foster Wheeler, FW）公司制造而得名。Circofluid 型。炉膛运行气速相对较低。炉膛上部布置过热器和高温省煤器，炉膛烟气出口温度约为 450，因而采用体积较小，耐温及防磨要求较低的中温旋风分离器。此种炉型由德国拔柏葛（Babcock）公司研制而成。内循环(IR)型。在炉膛出口处布置一级 U 型分离元件，分离下来的烟灰沿炉墙后墙

8、向下流动，形成内循环（Internal Recirculation），故称内循环(IR)型。这种形式的循环流化床锅炉结构简单，外形与常规煤粉炉相似，比较适合于现有煤粉锅炉的改造。图1 循环流化床锅炉的主要形式国内在 CFB 锅炉基础研究及工程应用方面起步较晚，至今还没有完全自主知识产权的循环流化床锅炉布置方案，但在某些设备部件方面，具有自主知识产权的新技术主要有：下排气旋风分离器循环流化床锅炉。这种锅炉由华中科技大学煤燃烧国家重点实验室与武昌锅炉容器厂共同开发。该锅炉的主要特点是采用了华中科技大学的专利技术：下排气旋风分离器。该分离器布置在锅炉水平烟道与尾部竖井烟道相连接的换向室，将水平烟道与

9、尾部竖井烟道整装为一体，使锅炉具有典型的“”型布置。锅炉深度小，结构紧凑，占地面积小。下排气旋风分离器布置在过热器之后，属于中温分离器，与高温分离器相比，有体积小，耐火层薄，重量轻，点火启动时间短等优点。中温分离避免了循环系统高温结渣，影响安全连续运行的问题。方形水冷分离器循环流化床锅炉。方形水冷分离器循环流化床锅炉由清华大学和四川锅炉厂联合开发。该锅炉有如下特点：1）采用了一个膜式壁构成的方形水冷上排气旋风分离器。该分离器与燃烧室整装为一体，结构紧凑。2）分离器与燃烧室由膜式水冷壁组装成一体，较好的解决了膨胀密封问题。3）与外置高温分离器相比，耐火层薄，重量轻，锅炉启动时间不受分离器加热时间

10、的限制。4）与 Pyroflow 方形水冷分离器相比，它采用了进口加速段结构，提高了分离效率。2、循环流化床锅炉的物料循环系统图2 CFB锅炉物料循环系统图与其它传统锅炉（煤粉锅炉、层燃锅炉）相比，CFB 锅炉在结构布置上的最大特点，就是存在高温循环灰的循环系统。CFB 锅炉循环系统由炉膛、分离器、立管、回料器等部件串联组成，较煤粉炉或火床炉等单一的燃烧设备远为复杂。在循环系统中，飞出炉膛的较粗的、可燃的固体颗粒通过分离器捕集下来，经立管、返料器后送回炉膛实施反复燃烧，从而可以获得较高的燃烧效率。不需磨制煤粉，依靠固体颗粒的多次循环而将煤燃净，这是 CFB 锅炉循环系统的基本特征。循环系统的工

11、作过程可以这样来描述，煤进入炉膛后其中一部分在密相区燃烧，另一部分随气流向上进入稀相区燃烧。其中一部分物料进入分离器，在分离器中较细的颗粒随烟气进入尾部烟道形成飞灰，被排出循环系统；而颗粒较大的物料经分离器分离下来，通过回料器送回炉膛实施反复燃烧。逸出系统的飞灰将由进入系统的燃煤补充，系统将处于周而复始的循环运行状态。图 2 是 CFB的物料循环系统。CFB 锅炉循环系统稳定而可靠的运行必须满足燃烧、流动和传热等多方面的要求：必须满足循环系统对动力的要求。通常根据系统的总阻力选择合适的鼓、引风机来达到。CFB 循环系统是一种固体颗粒的质量循环，必须满足固体质量连续定律。循环系统在运行中应确保具

12、有稳定的循环物料量，这是 CFB 循环系统设计、炉膛传热和燃烧设计的基础。必须满足燃烧的要求。应充分利用和发挥反复燃烧的优点，保证系统有满意的燃烧效率。必须满足传热的要求。与具有普通燃烧设备的锅炉一样，CFB 锅炉炉膛中应布置恰当的受热面，传递与炉膛蒸发量相应的热量。CFB 锅炉循环系统炉膛存在密相区与稀相区，炉膛中应具有合适的温度和温度分布，系统在可能的各种运行工况下燃烧温度必须限制在允许的范围内，不至于发生系统超温甚至引起结渣或温度过低而影响燃烧。3、分离器发展概述循环流化床锅炉高温循环灰的分离装置是循环流化床锅炉循环系统中的关键部件之一，其主要作用是将大量的高温固体物料从烟气中分离出来，

13、送回燃烧室，维持燃烧室内较高的固体颗粒浓度，并保证燃料和脱硫剂多次循环和反复燃烧。从运行机理上来说，只有当分离器完成了含尘气流的气固分离并连续地把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，才能保证炉内燃烧的稳定与高效；对系统结构而言，分离器设计、布置的是否合理直接关系着锅炉系统制造、安装、运行、维修等各方面的经济性与可靠性。虽然分离器是 CFB 锅炉必不可少的关键环节，但其又具有相对的独立性和灵活性，在结构与布置上回旋余地很大。CFB锅炉燃烧技术的发展也取决于气固分离技术的发展，分离器结构与布置上的差异标志着不同的 CFB 锅炉技术流派。分离器的性能在很大程度上影响着锅炉的灰循环倍率，燃烧

14、效率，脱硫效率等关键参数。目前大型循环流化床锅炉广泛采用高温旋风分离器，其必须满足下列要求：能够在高温下正常工作，不仅能承受高温，而且还能消除由于温度变化引起的胀差并能避免由于高温环境导致碳粒燃烧而产生的结焦等现象。能够满足极高浓度含尘烟气流的分离，并能抵抗由于极高固体颗粒浓度烟气冲刷带来的磨损。具有低阻特性。具有较高的分离效率。与锅炉整体上适应，使锅炉结构紧凑。采用炉外高温分离技术的循环流化床锅炉在煤种适应性及锅炉热效率等方面具有明显的优势，已成为大型循环流化床锅炉的基本结构形式。高温旋风分离器的结构形式主要有：第一代绝热旋风筒式分离器。德国公司较早地开发了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身

15、的高温绝热式旋风分离器，分离器入口烟温在 850左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉。有 80%左右的 CFB 锅炉采用了高温绝热旋风分离器。高温旋风分离器通过一段烟道与炉膛连接，根据锅炉结构差异及分离器数量的多少，有的布置于炉室后侧，有的布置于前墙或两侧墙，但布置于炉后的较多。高温旋风分离器内烟气、物料温度高，甚至在分离器内继续燃烧，另外物料在分离器内高速运转，故分离器内衬有较厚的高温耐火材料，外设保温层隔热。这种分离器优点是具有相当好的分离性能；缺点主要是旋风筒体积庞大、钢耗较高、占地较大、旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、锅炉造价高、启动时间长、密封和

16、膨胀系统复杂，尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的煤种时，旋风筒内的燃烧导致分离下来的物料温度上升，引起旋风筒内或回料阀内的超温结焦。这些问题在我国 CFB 锅炉实际运行条件下显得更为突出。 图3 汽冷式旋风分离器 图4 紧凑型旋风分离器第二代水（汽）冷旋风分离器。应用水（汽）冷分离器的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉。该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消了绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面，其内侧布满销钉，并涂有一层较薄的高温耐磨浇注料（见图 3）。由于水（汽）冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度就不会上升，甚至略有下降，较好地解决了旋风筒内侧结焦问题。这样

17、高温绝热型旋风分离的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW 式水（汽）冷旋风分离器存在的问题是制造工艺复杂、生产成本过高。水（汽）冷方形分离器。为克服汽冷旋风筒制造成本高以及锅炉膨胀的问题，芬兰 Ahlstrom 公司创造性地提出了 Pyroflow Compact 设计构想，图 4 是紧凑型旋风分离器结构图。Pyroflow Compact 循环床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质无差别，壳体仍采用水（汽）冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固

18、分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间不需设置热膨胀节。同时方形分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环流化床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。此外，方形分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，这使得分离器起到传热表面的作用，并使锅炉启动和冷却速率加快。在国外，方形分离器技术的紧凑型循环流化床锅炉已有多台运行，最长时间已有五年，均比较成功。300MW 和 600MW 容量的紧凑型循环流化床锅炉已完成设计。在我国，清华大学于 1993 年在实验室对国外的方形分离器进行了验证实验，并在实验的基础上开发出了适合我国国情的 75t/h 的紧凑型循环流化床锅炉，并获得成功。目前该

19、型号的锅炉已有十几台左右在运行，效果都很好。220t/h、410t/h中大型锅炉采用方形分离器的循环流化床锅炉设计已完成。循环灰分离装置的选型与设计是循环流化床锅炉设计的一个重要组成部分。原则上，分离器的选型应进行综合经济技术比较，得出最佳方案。可以根据分离器的运行条件，特别是循环倍率和系统能耗的要求来确定所选用分离器的类型。对于较高的循环倍率或较小的颗粒粒度，往往需要采用合适的旋风分离器方能满足循环倍率对分离效率的较高要求，这时不得不以增加分离器的阻力或系统能耗为代价。在旋风分离器运行中，考虑三部分颗粒：进入、捕集和排放。总分离效率可简单的用旋风分离器捕集的颗粒质量与进入颗粒的质量的比值来计

20、算。由于分离器的总分离效率受进口物料颗粒粒度大小及粒度分布影响很大，以总分离效率作为性能评价指标缺乏一般性。旋风分离器的分离性能最好用所谓的分级效率曲线来表征，它是指某一给定粒径或粒径范围（小范围）的分离效率。更能真实的反映分离器本身的特性。研究表明，分级分离效率在工程应用范围内可以表示成对应于 50%分离效率的颗粒粒径d50和对应于 99%分离效率的颗粒粒径d99的函数，因此，d50和d99是分离器分离效率的标志，d50 称为切割粒径，d99称为临界粒径。整个旋风分离器的压降p ，正比于或者近似地正比于体积流量的平方，这与所有具有湍流流动的工艺设备中的情况相同。为了描述给定旋风分离器的压降特

21、性，经常把压降表示为无量纲的形式： (式1)式中，为气体密度。v 是旋风分离器筒体中的平均轴向速度，即体积流量除以旋风分离器筒体的横截面积。具体采用哪一个速度来定义是无关紧要的。实验室中普遍采用平均轴向速度来定义。而很多工程师们则喜欢用进口速度或者升气管的平均速度来计算，因为商家和设计人员常常在总结分离器的综合性能时给出这两种速度。为了提高分离器的性能，人们对影响分离器分离效率和压力损失的因素做了大量的研究，主要是旋风分离器的结构参数，粉尘的物理性质和分离器的运行参数（切向进口风速，切向进口宽度和进口形式，中心管长度和直径，进口颗粒浓度及烟气温度等）。对于圆筒形旋风分离器，在工业过程中通常按照

22、一定的几何尺寸比例进行设计，按这种比例设计的旋风分离器能保持相近的性能。由于方形旋风分离器在制造成本和结构布置上的优势，使得人们对其关注程度大为增加。国内外对方形旋风分离器的研究很多，主要集中在分离器的结构、尺寸对分离器性能的影响。但是对于方形分离器结构尺寸的工业设计还没有形成比较一致的观点。对旋风分离器中流场、压降和分离效率的预测，除了广泛使用的旋风分离器模型外，还有另外一种方式，即用计算流体力学（CFD）模型来预测。目前CFD 的主要能力在于能揭示出分离器内的一些流动特征，而不在于用来预测旋风分离器的分离性能。由于分离器内的气体流动为湍流，需要使用湍流模型。各种湍流模型（如雷诺应力模型，代

23、数应力模型等）对分离器内部强旋转流动计算结果的影响是目前人们关注的重点。而对于颗粒运动的模拟，有两种方法：一是拉格朗日颗粒跟踪法，它通过求解在气体流场中颗粒运动方程，来模拟颗粒运动。利用这种方法能直接分析气体对颗粒的影响，但模拟过程中很难考虑颗粒对气体流态的影响。二是欧拉法，它是把颗粒看成是渗透在气体中的“流体”，且存在相互作用。但是到目前为止，欧拉颗粒模型成功的很少。4、外置式换热器概述在循环流化床锅炉研制初期，一些有远见的研究者就提出了在分离器与炉膛之间装置外置式换热器（EHE）的设想，其目的是为了更好的控制床温。世界上最早的商用循环流化床锅炉，如 1982 年投运的德国鲁奇公司的 50t

24、/h 循环流化床锅炉就装备了外置式换热器。并且它后来成为了鲁奇型循环流化床锅炉最具特色和个性的部分。但初期的鲁奇型循环流化床锅炉结构复杂，造价高而缺乏市场竞争力。就 EHE 而言，高难度的回料系统设计增加了用户对其可靠性的担忧。并且，由于 EHE 置于炉外，它对锅炉膨胀系统和密封结构的设计、安装都提出了新的要求。80 年代中后期，芬兰奥斯龙公司推出的 Pyroflow 型循环流化床锅炉，德国拔伯葛推出的以中温分离和低倍率循环为主要特征的Circofluid型循环流化床锅炉都取消了 EHE。但是在大型化过程中，这种锅炉的结构面临着如蒸发受热面和过热受热面的平衡布置困难，床温难以控制，燃料适应范围

25、不广等困难。与此同时，法国 Ahlstom 公司，美国 ABB-CE 公司，美国 Foster-Wheeler 公司为了适应循环流化床锅炉大型化的需要，对外置式换热器的技术完善作了不懈的努力。外置式换热器已广泛应用于大型循环流化床锅炉中，它有利于锅炉受热面的布置，易于循环流化床锅炉的大型化。带有外置式换热器循环流化床锅炉的实际运行证明，循环流化床锅炉具有以下优点：可加大炉膛温度的调节范围。不布置外置换热器的 CFB 锅炉通过调节一、二次风比例的变化调节炉膛温度，其调节的范围有限且存在时间上的延迟现象。采用外置式换热器的 CFB 锅炉可以通过调节进入外置换热器的灰流量调节回到炉膛的灰温，从而可以

26、在较宽范围内调节炉膛温度。增强锅炉燃料的适应范围。当 CFB 锅炉燃料改变后，炉内燃烧工况和颗粒循环倍率往往会发生较大变化。采用外置式换热器，可以方便地使炉内燃烧与传热工况重新达到最佳。更好的低负荷汽温特性。通过外置式换热器的灰流量调节可以使过热器或再热器在低负荷下的汽温调节性能更加稳定，并减少减温水量，甚至不投减温水即可控制汽温。避免在炉内布置大量受热面。将一部分受热面布置在外置式换热器内，可以减少炉膛内布置的部分受热面，并减少由此带来的受热面磨损和检修工作量。有利于再热器的保护。将布置在炉膛内的再热器布置在外置式换热器内，可以避免炉膛启动时的“干烧”现象，从而保证了再热器的安全。外置式流化

27、床热交换器实际上是一个或多个仓室构成的非燃烧细粒子鼓泡流化床，布置在高温循环灰回路中，位于分离器下方。高温循环灰经分离器分离后，在分流装置的作用下，一部分经返料装置以高温灰形式返回炉膛；另一部分流经外置式流化床热交换器，与布置在其中的受热面完成热交换后，以中、低温灰形式返回炉膛。外置式换热器的关键技术在于高温循环灰的流量控制，其本身也在不断的发展之中。以下介绍几种典型的外置式换热器结构形式。图5中A是Lurgi/CE循环流化床锅炉的外置式流化床热交换器结构示意图。从高温旋风分离器分离下来的高温循环灰，被分成两路：一路采用流动密封阀将高温循环灰直接送回炉膛；另一路通过水冷锥形机械阀将高温循环灰送

28、入外置式流化床换热器中，冷却后再送回炉膛。在这种方案中，外置式流化床换热器本身也兼作回送装置。固体物料进入外置式换热器的流量采用一个水冷锥形机械阀来控制。图5 几种典型外置式换热器FW公司开发了一种称为“一体化返料换热器（INTREX-Integrated Recyde Heat Exchanger Bed）”的外置式流化床换热器。它可以紧靠后墙布置，与炉膛连为一体，也可以独立布置，同时具有回料阀和外置式流化床换热器的双重作用。当这种外置式流化床换热器与炉膛连为一体时，也有两种布置方式，一种称为“底流式”布置方式，一种称为“溢流式”布置方式。图5中B是“底流式”INTREX 流化床热交换器结构

29、布置示意图。这种形式的外置床主要用于采用方形分离器的紧凑型循环流化床锅炉。从方形分离器下部回料密封阀溢流出的高温循环灰，进入“底流式”INTREX 流化床热交换器布置有换热管束的冷却室，向下流过换热管束，然后通过冷却室下部隔墙上的多个开口，进入呈流化状态的上行通道返回炉内。通过控制上行通道的流化风速，就可控制流过换热管束的循环灰流量。其余的高温循环灰则通过冷却室上部的溢流口，经上行通道的顶部，从炉膛后墙的开口进入炉膛。这种结构不仅可以冷却高温分离器分离下来的高温循环灰，还可以冷却部分炉内高温床料。图5中C是“溢流式”INTREX 流化床换热器结构布置示意图。这种流化床换热器在结构上由不布置受热

30、面的进料通道和布置了受热面的冷却室以及一个共用的返料通道组成。进料通道与冷却室并排布置，返料通道则布置在炉膛与进料通道和冷却室之间。每个进料通道对应一根回料立管。在进料通道和冷却室之间的隔墙下部开有床料通道。在“溢流式”INTREX 流化床换热器中，从“J”阀返料管来的高温循环灰落入 INTREX 流化床换热器的进料通道中。高温循环灰通过进料通道与冷却室之间隔墙下部的开口进入冷却室。冷却室中布置有过热器管束或再热器管束。进入冷却室的循环灰上行流过换热管束，并溢流进入呈流化状态返料通道。最后，返料通道中的循环灰，通过返料通道上设置的若干个返料口进入炉膛下部区域。西安热工研究院开发了紧凑式分流回灰

31、换热器，见图5中D。该外置式换热器采用气动控制原理调节循环灰的分流比例，且为整体化结构。其工作原理是在立管下的灰分配室将循环灰分成两部分，分流比例可调节，一部分流向高温回灰管直接返回炉膛，另一部分则流向布置有受热面的换热床，然后流入低温回料室，低温灰颗粒通过低温回料管返回炉膛。外置式换热器内换热室处于鼓泡流化状态，正是由于气泡的运动，加速了相间的颗粒运动以及颗粒与气体的剧烈混合，使床层具有良好的传热性能。影响鼓泡床埋管受热面换热系数的主要因素有：流化风速，颗粒直径，系统压力，床层温度，流化气体和颗粒物性等。5、循环流化床锅炉中的气固流动形式循环流化床锅炉及其辅助设备中包括了多种气固流动状态，因

32、此有必要在经典的流态化的基础上，了解更多的气固流动状态特性。垂直上升气固流动系统中包含了一个较为完整的气固流动体系，在这一范围内的气固流态化现象也是比较复杂的。目前，我们只知道各种形式的气固流态化主要受气体流速，颗粒特性，流体特性等的影响。随着流化速度的增加，一个垂直上升气固系统会依次呈现以下几种状态：固定床。此时由固体颗粒组成的床层静止于一个多孔的网格上，气体通过这个多孔网格上行，床料基本不随气体运动，固体颗粒之间没有相对运动。这种床称为固定床。当气体流经固体颗粒时，对颗粒产生曳力，因此气体流经床层时会产生压力损失。移动床是与固定床的气固流动特性基本相同的一种流化床。在移动床中，床层固体颗粒整体相对于器壁产生运动，但床层颗粒之间没有相对运动。鼓泡流化床。如通过固定床的气体流量增加，气体通过固定床而产生的压降会持续增大，直至达到一个临界值-最小流化风速。在气流速度达到临界流化风速后，若继续增大流化风速，则根据不同的颗粒特性和流化床结构，床内有可能出现以下三种流态化状态的一种：1）鼓泡流化床。超过临界流化风速的空气以气泡形式通过床层，床内存