循环流化床锅炉外置式换热器

浅析循环流化床外置式换热器

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摘要：

循环流化床锅炉大型化过程中，外置式换热器是一个不可回避的问题。此论文中论述了循环流化床锅炉外置式换热器发展现状、特性及其必要性，通过对当今循环流化床锅炉大型化进程中外置式换热器的分类介绍，总结了各个种类外置式换热器的结构特点．介绍了循环流化床锅炉外置式换热器流动及传热的研究现状及成果．提出了外置式换热器流动和传热研究过程中需要注意的几个问题。

关键词：

循环流化床外置式换热器

引言

循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。

在循环流化床锅炉问世之初，世界上主要有两大循环流化床技术流派，即鲁奇型和奥斯龙型，而二者主要区别在于前者在燃烧室外设置了外置式换热器。所谓外置式换热器就是将炉内的一部分受热面移至炉外，布置在循环流化床灰循环回路上的一种热交换装置。

外置换热器的功能是将部分或全部循环灰（取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数）载有的一部分热量传递给一组或数组受热面，同时兼有循环灰回送功能。其通常是由一个灰分配室和一个或若干个布置有浸埋受热面管束的床室组成。这

些管束按灰的温度不同可以是过热器、再热器或蒸发受热面。通过调节进入外置式换热器和返料装置的循环物料流量的比例，实现对床温控制和汽温的控制。与不带外置式换热器的循环流化床锅炉相比，外置式换热器使燃烧和传热分开，大大提高了床温、汽温调节和锅炉负荷调节的灵活性。他尤其有利于锅炉受热面的布置，特别是再热器的布置，易于循环流化床锅炉的大型化。但外置式换热器使循环流化床锅炉的结构和运行控制系统复杂化，投资增加，因此它在中小容量循环流化床锅炉中的应用并不占优势。

一、外置式换热器的发展及现状

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热交换器的设想，其目的是为了更好地控制床温。

世界上最早的商用循环流化床锅炉，1982年投运的德国鲁奇公司的50t／h 循环流化床锅炉就装备了外置式换热器，并且它后来成为鲁奇型循环流化床锅炉最具特色和个性的部分。

但是，初期的鲁奇型循环流化床锅炉因结构复杂、造价高而缺乏市场竞争力。就外置式换热器而言，它要求回料阀具有灰量调节能力。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，由于外置式换热器置于炉外，它对锅炉膨胀和密封结构的设计都提出了新的要求。

二十世纪八十年代中后期，芬兰奥斯龙公司在循环流化床领域异军突起，它针对初期鲁奇型循环流化床锅炉存在的问题，推出了Py~flow型循环流化床锅炉。它的特点是取消了外置式换热器，回料灰全部直接进入炉膛，在炉膛上部布置有辐射式受热面。Pymflow型循环流化床锅炉以其结构简单、造价低、性能可靠而迅速打开了市场，并成为20世纪80年代中期至90年代初循环流化床锅炉市场的主导产品。

同时，德国拔伯葛(Babcock)公司推出了以中温分离和低倍率循环为主要特征的Ci~ofluid型循环流化床锅炉，它同样也取消了外置式换热器。

以Pyroflow型为代表的低成本循环流化床锅炉(无外置式换热器)，在中小型燃煤锅炉的市场中已具有一定的优势。但是，在大型化过程中，这种循环流化床的结构面临难以克服的困难，这些困难主要是：蒸发受热面和过热受热面平衡

布置的困难；床温难以控制；再热汽温缺乏调节手段；燃料适应性范围不广等。这些困难有一些是可以克服的，但是在克服其中一些困难的同时，另一些问题变得更加难以解决。

与此同时，采用鲁奇公司技术的法国ALSTOM公司、原美国ABB-CE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化作了不懈的努力。美国福斯特惠勒公司在其大型鼓泡床锅炉的基础上，独立发展了循环流化床锅炉，在大型化过程中，参照了各方经验，并收购了奥斯龙公司后，也对外置式换热器作了很多研究和改进。

1995年11月，由法国ALSTOM公司制造的250MW机组循环流化床锅炉在普罗旺斯Gardanne电厂正式投入商业运行，在该机组中装备了4个外置式换热器。ALSTOM公司还计划在6001V研机组中使用6个外置式换热器，并将外置式换热器大型化。所有这些无疑预示着外置式换热器在大型循环流化床锅炉中的美好前景。

二、发展外置式换热器的必要性

1、有利于受热面布置、磨损低

随着锅炉容量的增加，炉膛水冷壁受热面面积与炉膛容积之比将减小，当循环流化床锅炉的容量超过220t／h时，单靠在炉膛内布置水冷壁就很难保证合理的炉膛出口温度。对此，Pymflow型锅炉的做法是在炉膛上部(即煤粉炉屏式受热面的位置)布置附加受热面。但是，布置于炉膛上部的受烟气和粒子流冲刷的附加受热面成为锅炉内磨损最严重的区域。为减少磨损，Pymflow型锅炉不得不采用价格极其昂贵的异型管(即所谓“Q管”)从而失去了其价格优势。并且，附加受热面管处于热强度很高的区域，而吸热量又是不可控的，这不仅不利于变工况运行，而且对其传热量计算的精确性提出了更高要求。

如果使用外置式换热器，受热面布置就容易得多了。通过外置式换热器对分离灰的冷却，可有效控制床温和炉膛出口温度。外置式换热器其实是一个弱流化床，它的流化速度很低(0．5m／s以下)，粒子较细(平均粒径300~m～500~m)，所以它不存在严重的磨损问题。

2、负荷调节性能好，利于污染物排放控制

没有外置式换热器的循环流化床锅炉在降低负荷时，只能通过减少燃料量和进风量进行。但是，此时炉膛水冷壁的吸热量不可能按比例减下来。相对较多的吸热量会使床温下降，导致燃烧反应和脱硫反应不完全，效率下降。另外，过热蒸汽温度也不易保持。而带有外置式换热器的系统，在降低负荷时，在减少燃料量和进风量的同时，可适当减少通过外置式换热器的循环灰量，使回灰温度上升，从而补偿了此时炉膛水冷壁相对较多的吸热量，使床温相对稳定。因此，它在低负荷时仍然有良好的运行工况。

稳定的床温和燃烧工况对稳定控制N0 S0 、C0、CH 等污染物的排放也是极其重要的。

3、良好的汽温调节性能

大型锅炉的蒸汽温度，尤其是再热蒸汽温度的调节性能是衡量锅炉性能指标的重要方面。以l'ym．floW为代表的没有外置式换热器的循环流化床锅炉，在炉膛出口处附加受热面的吸热是不可控的，因此，汽温调节只能在烟气温度相对较低的尾部烟道完成，调节的灵敏度较低。而在带有外置式换热器的系统中，可分别在外置式换热器内布置过热器和再热器，通过控制流过其中的循环灰量调节过热汽温和再热汽温。它的调节方式简单灵敏度高、操作性能好。可以认为，带有外置式换热器的循环流化床锅炉具有良好的汽温调节性能。

4、燃料适应性好

对于任何燃料，包括常规燃烧方式难以燃烧的燃料，都可以进行循环流化床锅炉的特殊设计，使之有效燃烧，并满足锅炉的各项性能参数。而一旦一台循环流化床锅炉设计完成，因受受热面布置方式的限制，它的燃料是有限的，它只能燃烧与设计燃料相同或相近的燃料，否则，锅炉的出力和汽温难以保证。因此，如何在一台循环流化床锅炉上提高其燃料适应性仍是一个要不断探索的课题。

带有外置式换热器的循环流化床锅炉在燃料变化时，可以通过改变外置式换热器的吸热量来调整锅炉辐射吸热和对流吸热的比例，从而在维持最佳床温的条件下达到锅炉出力和汽温等参数的要求。因此，可以说，带有外置式换热器的循环流化床锅炉具有良好的燃料适应性。