关于循环流化床锅炉热平衡

关于循环流化床锅炉热平衡、灰平衡问题
一、前言
循环流化床燃烧技术是在泡床技术上自七十提代发展起来的一种新的燃烧技术，循环流化床锅炉〔CFB炉〕亦被称为第二代沸腾炉，它克服了沸腾炉燃烧效率低，埋管磨损严重等缺点，增加了物料循环系统。

由于CFB炉上具有燃用料种类宽，负荷调整范围大，以及在炉内加石灰石〔白云石〕可直接脱硫和降低NOX的排放等优点，在国外得到迅猛发展。

目前300t/h、400 t/h容量的CFB炉已相继投入运行，更大容量的锅炉正在安装和研制中，可以说，国外CFB炉燃烧技术是成熟的。

我国尽管对沸腾炉的研究曾经到达了相当高的水平，并在运行方面积累了较丰富的经验，但对CFB炉的研究相对国外起步较晚，第一台35T t/h CFB炉于1998年才投入运行。

然而，国内近几年35 t/h、75 t/h CFB炉却供不应求。

发展很快，尤其热电联产的地方中小型热电厂大多采用CFB炉，仅辽宁省已投运的就达9台，正在安装建设的28台，拟建的23台，外加容量220 t/h的3台，总计达60多台。

锅炉制造厂家由最初的几家，现已发展到十几家。

由于我国对CFB 炉的研究起步晚，在设计、制造、安装、运行等方面经验不多，致使已投运的35TLH、75T／H、CFB炉较普遍存在：出力不足，磨损严重以及炉内结焦等问题，给使用单位带来了很大的困难，如果这些问题不能得到尽快解决，势必影响我国CFB炉技术的发展。

本文针对上述问题提出热平衡、灰平衡的概念，并加以讨论，供设计、制造、
使用单位参考。

二、热平衡：
循环流化床锅炉燃烧室内温度一般在8500C－9500C之间，当燃料进入燃烧室后，在一定的烟气流速下，较粗的颗粒落入下部，细小颗粒悬浮于中部，微小的颗粒被烟气带入上部，各粒径的燃料在上、中、下部燃烧放热。

热平衡就是：燃料在燃烧室内沿高度上、中、下各部〔1〕所释放出热量与受热面吸收热量〔含炉墙散热量〕的平衡。

只有到达这种平衡，炉内才有一个较均匀、理想的温度场，一般来说，CFB炉燃烧室内温度差〔纵向、横向〕在200C左右，最大不超过500C 〔2〕只有在一个较理想的温度场下，炉内各部才能保证实现设计的放热系数，工质才能吸收一定的、所需的热量，从而到达各部的热量平衡，保证锅炉的出力，且不会发生局部过热、物料结焦等现象。

如何到达炉内的热量平衡？首先在设计时必须确定进入燃烧室内的燃料在下、中、上各部的燃烧份额。

如果在燃料各部位的燃烧份额分配的不合理，某处过大、或某处过小，就必然造成局部物料温度过高直至结焦以及局部温度太低，受热面吸收不到所需的热量，从而影响锅炉的出力。

目前，已投运的CFB炉在运行中发生结焦和达不到额定负荷的一个主要原因，正是锅炉设计时燃料燃烧份额分配的不尽合理或燃料种类、粒径发生变化后，运行中燃烧调整不当，致使燃料燃烧份额分配未到达设计要求所造成的。

例如：某台早期的CFB炉设计时燃料燃烧份额的分配是按沸腾炉推算而来的。

炉内下部密相区燃料燃烧份额70％，而当锅炉投运后实地测试其燃烧份额应不大于67％，
加之煤种的变化和燃煤颗粒较粗，实际运行下部密相区燃料燃烧份额已大大超过了设计值。

这样锅炉下部燃料燃烧时放出的热量不能很快地或不能完全被受热面〔工质〕所吸收、带走，〔同时又无其它的调节手段〕，锅炉下部密相区就出现温度过高超过灰融点温度而结焦。

运行中为防止结焦，往往采用减少给煤量或增大一次风量的方法，前者，给煤量的减少，必然使锅炉负荷降低，出力不足，后者增大一次风量〔即增大炉内风、烟速度〕一是受风机出力的限制，二是加剧了受热面的磨损。

因此，燃烧份额确实定直接影响着炉内热量的平衡。

而这种燃料燃烧时放出的热量及返回物料携带的热量与受热面在各处工质吸热量之平衡是CFB炉的一个重要的特征，只有在设计时和运行中保持这种平衡，锅炉才能安全、经济、稳定运行。

三、灰平衡：
为了更进一步地了解CFB炉内物料与传热及锅炉负荷之间的关系，引出“灰”平衡的概念。

显然这里所说的“灰”是指炉内物料，对于不同类型，不同容量的CFB炉物料的组成成份颗粒特性也有所不同，甚至差异很大。

这主要与燃料特性，脱硫剂及炉内传热系数〔A〕、循环倍率〔K〕的大小等因素有关。

与煤粉相比，CFB炉内灰的浓度是煤粉炉的几十倍，甚至更高。

可以说对于不同类型的CFB 炉对灰的要求即：灰量、灰的浓度梯度、灰的颗粒特性不是不同的，而对每台CFB炉，在各负荷下对灰的“要求”也有所不同。

灰平衡，简单地说就是炉内灰与锅炉负荷的平衡。

〔3〕灰平衡的概念包括三个含义：
灰量与锅炉的负荷的平衡；
灰的浓度梯度与负荷之间的平衡；
灰的颗粒特性与负荷的平衡。

上述三个含义，缺一不可。

对于CFB炉，每一负荷工况下，均对应着一定的灰量，炉内灰量的减少和增加，必然影响炉内灰的浓度，从而影响物料的传热系数，即影响锅炉的负荷；如果仅仅灰量与负荷到达了平衡，但灰在炉内浓度的分布〔梯度〕不合理。

如：大多聚集在炉内的下部或上部或某一处，而其它部位的灰量很小，也必然影响炉内温度场的均匀和热量的平衡。

另外，既使上述两个条件满足，但灰的颗粒特性达不到设计要求〔或者说锅炉本身的要求〕也很难实现负荷的稳定调整。

反过来说，在灰的颗粒与特性与负荷不平衡的条件下到达灰量和浓度的分布的平衡是很难的，有时是不可能的，如果仅仅用改变一、二次风比的方法来调整灰的浓度分布，必然影响炉内的动力特性。

另外，不容无视的是灰的颗粒大小对炉内传热系数也有一定的影响。

因此，对CFB炉来说，当然用的燃料、流化速度、灰的组成成份确定后，锅炉负荷〔X〕与灰〔Y〕之间应有如下函数关系：Y1＝f(X)
Y=f (X) Y2=f(X)
Y3=f(X)
(Y1 Y2 Y3 分别表示灰平衡中三个含义)
即：CFB炉的任一负荷都对应着一个：“灰”而这个“灰”应满足三个条件：灰量〔Y1〕灰的浓度梯度〔Y2〕和灰的颗粒特性〔Y3〕与
负荷都具有一一对应的函数关系。

这就是灰平衡的概念。

四、实现热平衡、灰平衡的方法：
循环流化床锅炉热平衡，灰平衡的概念不难理解，应用这一概念可以解释CFB炉在运行中出现的许多问题。

除上文提到的炉内结焦,受热面磨损，以及出力不足外，还有，如：〔1〕当燃用同一种燃料时，仅把燃料粒径由大变小后，锅炉负荷变就可升高，〔2〕燃用含灰量较大的燃料与燃用含灰量较小的燃料，锅炉负荷变化较大，前者负荷提高，后者负荷减少，〔3〕、当回料阀堵塞后，锅炉负荷骤减，而当回料阀畅通后负荷又突升；〔4〕、调整一、二次风比和调整下层二次风与煤粉炉相比对负荷影响大得多等等。

这些问题的原因可以归结到燃烧份额和灰对CFB炉的影响问题。

如何实现热平衡、灰平衡，保证锅炉安全、经济、稳定运行是目前CFB炉亟待解决的问题。

应当说明，热平衡、灰平衡不仅相互联系，也相互作用，相互影响。

根据作者赴德国、法国、苏兰三国对CFB炉考察以及国内35t/h、75 t/h CFB炉运行实践的了解提出建议如下：
加强对CFB炉内传热、动力特性的基础研究，建立中试基地，尽量减少和防止“商品锅炉”在投产后出现不应出现的设计技术问题。

设计时应充分表达出CFB炉适应燃料广的优点，锅炉应可燃用无烟煤至褐煤等多种燃料，且能保证其经济，稳定出力。

确定合理的燃料颗粒特性曲线，注重燃料制备系统的设备选型，这是实现热平衡、灰平衡、保证锅炉安全、经济、运行的一个重要的因素
〔另文详述〕。

增加飞灰循环系统，以使燃用含灰量较低的燃料〔与设计值相差较大〕时，采用飞灰回送，到达灰平衡，保证锅炉出力。

采用烟气再循环，烟气再循环作为一次风送入，不仅可以在低负荷满足一次“风”量的需求，而且可控制炉内下部密相区燃料燃烧份额〔过量空气系小于1〕。

在运行中应根据煤种和负荷的变化调整一、二次风比，使炉内温度场和浓度场更趋合理。

根据燃用燃料特点，可增加炉渣筛选返送系统或加砂，使炉内到达灰平衡，保证特料的循环倍率。

五、结束语
尽管热平衡、灰平衡问题对CFB炉至关于重要，国内有的文章也曾谈到过其有关内容，但并未引起人们的重视，本文综合国内CFB 炉出现的问题，参考国外的技术和经验，提出自己的粗浅看法，与同行计论，使我国CFB炉技术更趋成熟和完善。

注：1．〔1〕、〔3〕本文所提出的热平衡、灰平衡概念、不是绝对的，狭义的平衡〔相等〕含义，而是内在数理关系。

2．〔2〕对于低倍率的CFB炉有时温差可能大于500C。