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沸腾床燃烧锅炉的设计和运行

沸腾床燃烧锅炉的设计和运行
引  论
    荷兰从七十年代中期就着手进行流化床燃烧的研究和]『发。197G年,FCCL研究所和斯托克(Stork)锅炉公司签定了一个许可协议,并存荷兰Enschcde的脱温特(Twente)工业大学建立了一套试验装置。在该试验装置(图1)交付使用的最初几年问,对床内埋管的传热和利用石灰石来脱硫的研究是试验研究的主要课题。自从1982年荷兰政府批准对这个常压沸腾床的研究提供财政资助以来,各种煤在沸腾床内的燃烧特性一直为其主要研究课题之一。
   给出了燃烧、烟囱排放物与再循环流量的一些代表性试验结果。在给定的试验期间,床温控制在845℃±7℃之间,床高l,.06米,流化速度为2.lm/s。为脱硫,把石灰石加入床内.,其钙/硫比为3±0.3.
    图4示出:波兰3号煤,在无飞灰再循环时所达到的燃烧效率为91,8%。当有旋风分离器灰布袋除尘器灰再燃烧时,随着再循环流量的增加,其燃烧效率可增加至98.5%,
    在初期试验期间(燃用波兰2号煤),仅进行旋风分离器灰的再循环,这时燃烧效率可从91,.2%增加到97%。以后的试验表明:当把布袋除尘器中含碳量最低的灰排出再燃时,其燃烧效率还能进一步提高到99.2%。
    当燃用弗吉尼亚煤时,随着旋风分离器和布袋除尘器飞灰再循环量的增加,其燃烧效率可从87.7%增加到97.4%。再进一步增加再循环流量.其效果就不明显了。显然,弗≠i尼亚煤的活性要:比波兰煤来得小。
  2.  床内和器潭段鄞份的燃烧
  通过分别测量在床部分和悬浮段部分的蒸汽产量,就可以计算出床部分和悬浮段部分的热平衡。根据该热平衡,就可推出在悬/q'段和床部分燃烧韵百分比。一蝉结果汞手
波兰3号壤进行旋风分离器和徐尘器飞灰再燃时,在悬浮段和床内的燃烧率。
图5中。
    在燃用波兰3号煤时,在’床内部分的燃烧率几乎为91%.且随着再循环流量的增加而稍有增加。悬浮段的燃烧率从0.7增加到5.9%。从这一结果可以推论出:飞灰中相当大部份酌再燃碳是在悬浮段内进行燃烧的。图6对其做出了进一步的说明,该图揭示了
    在所有试验期间,已对氧气、二氧化硫、一氧化碳、氧化氮的浓度进行了连续的测量。图7给出了一些测量结果。CO浓度随着再循环流量的增加(和悬浮段燃烧率)而增加,而Oz浓度却随之减少(在宅气/燃料比为恒值时_,、整个燃烧效率增加)。尽管燃用其它煤种时已经观察到不同的特性,然而可能因为隧f着再循环流量的增加,使CO、C和SOz浓度轻微降低而造成NO.n叮下降。’N04浓度急刷地降军-,J9-O"pp由。    一
    1981年12月,斯托克锅炉公司收到了一份为荷兰Hengelo的AKZO Zout Chemie设计、建造和投运一台工业流化床锅炉的订货。这台装置将生产115t/h压力为102bar、蒸汽温度为525℃的蒸汽。将燃用不同的煤种、褐煤、石油焦炭和天然气。这台装置试运始于1986年1月,1986年6月进行了验收试验。装置的设计参数概括在下表:
1.  设计参数
蒸汽产量:115t/h
蒸汽压力:102bar
蒸汽温度:525 0C
给水温度:145℃
燃    料:煤一一灰份:10-20%
    水份:3 -13%
    挥发份:20-40%
    硫份:0.3-2.5%
    天然气
    褐煤
    石油焦炭  ,性    能:锅炉效率:91.8%
  .j控制范围l 35-110%
    二氧化硫:230g/GJ
    NOx, 190glGJ
    飞  灰l15g/GJ
    所生产的蒸汽被用于发电和作为工业生产用汽。投产后的最初两年运行期问,进{T了专门的示范性试验和测量试验,以研究在燃用各种固态燃料时锅炉的运行特性,以及研究该装置对环境所造成的影响。通过此试验,也对该装置的经济性进行了估价。图8大略地示出了该水管沸腾床锅炉设备的布置简图,它包括有一个床下给料系统,一个飞灰再燃系统和一个烟气/空气热交换器。为了把飞灰的排放量降低至所要求的水平,放在系统内安装有旋风分离器和布袋除尘器。
    1.煤:.  2.百厌石斗  3.破碎叽/干燥札  4.沸睛床j呙p  5.迷.≮I'i  G.上’≯一汹i熙瑟/.床灰冷却器    3.筇一圾空预器  9.榷阀筒  1d.飞灰再燃系;屯  1i.耵袋啥尘嚣    12.烟’e冷却器
    图8  90MW沸腾床锅炉装置
    2.  沸腾床锅炉
    啊9示出了陔沸嗨床锅炉n勺沸嘴床而积为8.989,:0.t7 (11112,冉:膨联铋北j眨力1.fJjm,床内布置蒸发坦管,具有3.5m高的水冷壁悬浮段和内装订一、二级过热嚣、一级Z!气预热器(用其预热用于干燥煤和气力输送煤的一次风)的时流烟道以及省煤‘:』;。
    图10为其水/蒸汽流程图。从该图可见,给水是通过给水泵进入锅炉的,145℃『f0给水流经省煤器、后墙和锅炉顶棚被预热后进入锅炉汽包.膜式水冷壁和水冷分布板属于自然循环回路HJ一鄙份。床内水平埋管由一台循环泵供水。锅炉水冷壁和床内水平蝉管内所生成的饱和蒸汽在汽包内与锅水分离,并在一、二级过热器中被过热。二级过热
    60图9  流化床锅炉
    1~10  水/蒸气系统
器的出口汽温通过一、二级过热器之问的一个减温器来加以控制。
    3.  沸腾床的低负荷运行
    图11是该沸腾床风室的顶视图。可以看出,该风室被分割成许多更小的风室。每个
    61
●一小风室有单独的送风,沸腾床本身未加以分隔,因而可使床料和热量在各床之间自由地进行交换。燃料仅从中心床送入,床内的热量是经过大部份布置在小得多的边床内的蒸发受热面引出。所有这些做法是为了能使锅炉可在部分负荷下运行。通过利用风管道(见图12)中的挡板来关闭向边床的送风,就可使锅炉在部分负荷下运行。这时,边床就会停掉,因而在这部份内对受热面的传热也就停止。这样,就使得仍处于沸腾的那部份床的床温维持在部分负荷运行所要求的水平上。使用这种结构,就可以把沸腾床内的热交换和燃烧作用加以部分地分开,但是,这种分开是不完全的。由于在中心床和边床之间床料的自由交换,煤粒子也可进入边床。但是边床中的煤浓度要比中心床内的要小。流入中心床和边床的风量要与此相适应。另外,不仅在边床内,同样图11  带有煤和飞灰再燃喷咀的风室划分在中心床内也有热交换受热面,其目的是在床内布置足够的管子,以防止中心床和边床之间的温度差异。
    利用大量小边床和仅从中心床引入燃料具有下述优点:一一部分负荷运行简单,给料系统可一直保持运行,只要通过开或关闭空气管道中的挡板就可很容易地把边床停掉和重点火。一一由于有大量的小边床,使沸腾床温度变化小,这样可得到一个灵敏的负荷响应特性。
    4.  空气/烟气系统
    图12为该装置的空气/烟气系统流程图。流化空气在送风机内被压缩并在一个空气预热器内被预热。空气预热器通过一个水循环回路从一个置于烟气流中的烟气冷却器获得其热量。接下来,该空气被分成13股气流:3股至中心床,8股至边床和2股作为悬浮段中的燃尽空气。流化空气经11个风箱和一个水冷分布板进入床底。燃尽空气通过悬浮段水冷壁中几个空气喷咀进入悬浮段。在床内,空气与燃料接触,燃料开始燃烧。烟气从床的上部离开并进入悬浮段,在这里进行最后的燃烧,并将被夹带的床料返回到床内。为了使悬浮段温度为最佳值,部份悬浮段水冷壁衬以耐火材料。
    图12  空气/烟气系统粗的粒子将从烟气气流中被分离出来。
    烟气经布袋除尘器进行末级除尘之后,将经过烟气冷却器,引风机和烟囱离开系
统。
    5.  煤/石灰石供料系统
    原煤和粒度为1.5~2.5mm的石灰石贮存在两个煤仓和一个具有两个料斗的石灰石仓内,见图13。
    图13  煤/石灰石供料系统
    从煤仓出来的煤经过刮板式给煤机进入2个改型E型磨煤机。在E型磨煤机内,通过在磨环之间旋转的磨煤钢球,把煤破碎成小于8mm的煤粒。被粉碎后的煤由一次热风
    63进行干燥。一次风在一次风机内被压缩,并在位于锅炉对流烟道中的一次风预热器中进行部分预热,然后通过在磨煤环底部的四周间隙进入磨煤机。磨过的煤粒子被空气流携走,并通往磨煤机的扬析分离区。较大粒子被分离出来并落回到磨煤机的磨煤区。煤和空气的混合物通过扬析分离区时,小于8mm的煤粒子离开磨煤机并进入磨煤机回转头。在磨煤机回转头中,向煤粉流中加入石灰石,然后,煤粉/石灰石/空气混合物通过6个回转头的出口均匀地离开回转头。混合物经六条输煤管路,进入可把混合物等分成3股粉流的分配器。再经过2×18= 26个煤喷咀,将煤/石灰石/空气混合物引至沸腾:床的底部。
    6.  天然气点火系统
    为了启动和确保燃烧备用燃料,设置了天然气燃烧系统。四个沸腾床天然气燃烧器安装在中心床空气喷咀之间的分布板上,每个燃烧器由5根带有天然气喷孔的天然气管构成。通过这些燃烧器,可以把天然气引至沸腾床的底部。天然气利用3个位于悬浮段壁内的改型低压点火燃烧器进行点燃。
    7.  飞灰再燃和除灰系统
    旋风分离器和布袋除尘器的飞灰被收集在料斗之内(图14)。经过一个闭锁料斗系统,飞灰被加压并输送到一个飞灰再燃箱。从这个飞灰再燃箱,一定量的可控飞灰经8个荐燃管道被气力输送至沸腾床的底部进行再燃。多余的飞灰气力输送至一个飞灰贮仓。为了能够更好地清除碳含量最低的布袋除尘器飞灰,安装了另一种用于布袋除尘器灰的排放系统。
    图14  飞灰再燃和除灰乐统
    为了维持床位,床料通过一个置于中心床部位的分布板内的排料管予以排出。被排出的床料在一个水冷螺旋输送机内被冷却并经过一个浓相气力输送系统排放到床灰贮仓内。
    64    为了在起动期间或床位太低时,使沸腾床有足够的床料,床料也能从床灰贮盒排至一个气力输送系统,以使床料重新输回到锅炉内。    ~天然气系统

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