循环流化床锅炉炉膛热力计算

循环流化床锅炉炉膛热力计算

程乐鸣, 岑可法, 倪明江, 骆仲泱

（浙江大学热能工程研究所，能源清洁利用与环境工程教育部重点实验室，

浙江杭州 310027）

摘要：结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践的基础上，提出一种循环流化床锅炉炉膛的热力计算方法，包括循环流化床锅炉炉膛的几何尺寸确定、炉膛热量平衡和炉膛传热计算。考虑循环流化床锅炉炉型不同，其热力计算方法有所不同，该方法针对采用高温分离装置的循环流化床锅炉，提出的计算方法可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉型可在此基础上根据具体炉型特点修改使用。

关键词：循环流化床锅炉；锅炉设计；热力计算

1 引言

循环流化床锅炉燃烧效率高，污染排放低，燃料适应性广，被广泛应用于蒸汽生产中。随着循环流化床锅炉的发展，其容量和规模都在增大。目前美国在建的300 MWe循环流化床锅炉即将投入运行，600 MWe容量的循环流化床锅炉也已在设计中。利用国内技术生产的35 t/h、75 t/h循环流化床锅炉有大量运行，目前国内投入运行的最大循环流化床锅炉是高温高压420 t/h容量的锅炉，高温高压450 t/h循环流化床锅炉也已在建，但运用的是国外技术。

在循环流化床锅炉的开发与发展过程中，各设计单位和锅炉制造厂家开发出各种炉型，针对各自不同的炉型采用各自的热力计算方法，即使是相同的炉型设计方法也可能不同，各有特点。这与煤粉锅炉和鼓泡流化床锅炉在设计过程中有统一的热力计算方法[1]可供参考不同。有关循环流化床锅炉热力计算方法在文献中也少见发表。本文结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践的基础上，建立了一种简单的循环流化床锅炉炉膛热力计算方法[2-9]。

与一般沸腾燃烧鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉类型较多，炉型不同，其热力计算方法有所不同。本方法针对采用高温分离装置的循环流化床锅炉，提出的计算方法可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉型可在此基础上根据具体炉型特点修改使用。典型的高温分离器型循环流化床锅炉采用高温立式旋风分离器，安置在锅炉炉膛上部烟气出口处。离开炉膛的大部分颗粒，由高温分离器所捕集并通过固体物料再循环系统从靠近炉膛底部的物料回送口送回炉膛。经高温分离器分离后的高温烟气则进入尾部烟道，与布置在尾部烟道中的受热面进行换热后排出。计算中未考虑添加石灰石的影响，若添加石灰石，则入炉热量、灰浓度和烟气量等有变化，需修正。

2 循环流化床锅炉炉膛几何尺寸的确定

2.1 炉膛横截面积

循环流化床锅炉炉膛一般由膜式水冷璧构成，其传热面积以通过水冷璧管中心面的面积计算。若炉膛由轻型炉墙或敷管炉墙构成，则需考虑角系数的影响。

炉膛尺寸的确定主要包括炉膛密相区和稀相区的长、宽、高以及是否有截面收缩等确定。

炉膛横截面积的确定取决于床层运行风速或截面热负荷的选取。密相区的运行风速类似于鼓泡流化床。一般循环流化床锅炉稀相区运行风速在3～7 m/s之间，考虑磨损的危险性和为降低风机能耗，可选取运行风速在4～6 m/s左右。运行风速数值与燃料种类也很有关系。截面热负荷的选择与运行风速的选择是相关的，实际上只要燃料和过剩氧量确定，运行风速与截面热负荷中只要一个参数确定后，另一个参数也随之确定。截面热负荷一般可选择在3～4 MW/m2左右[2]。

2.2 炉膛深度

炉膛横截面积确定后，根据炉膛长宽比确定炉膛的长宽。炉膛的深度一般不超过8 m，以保证二次风的穿透，长宽比以1:1至2:1都是合适的。具体在确定炉膛的长、宽比时，一般还应考虑尾部受热面的布置，使之相适应[2]。

2.3 炉膛密相区高度

若循环流化床锅炉有二次风，则其密相区与稀相区的分界面取二次风入口高度平面。对于没有二次风或三次风的情况，或负荷变化较大时，若H0为静床料高，则其密相区高度H den可通过计算膨胀比R den得到[10]

(1)

R den可用下式计算：

当时，

(2)

当时，

(3)

为颗粒密式中U g为床层运行风速；U t为颗粒终端速度；d p为颗粒平均粒径；r

p

度。

2.4 炉膛高度

循环流化床锅炉炉膛高度是循环流化床设计的一个关键参数。炉膛越高，则锅炉钢架就越高，因而锅炉的造价也会提高。因此，在满足锅炉和炉膛的下述要求下，尽可能地降低炉膛高度。一般地，炉膛高度应满足以下条件：（1）保证分离器不能捕集的细粉在炉膛内一次通过时能够燃尽；

（2）炉膛高度应容纳炉膛能布置全部或大部分蒸发受热面；

（3）炉膛高度应保证返料机构料腿一侧有足够的静压头，从而使循环流化床锅炉有足够的循环物料在循环回路中流动；

（4）炉膛高度应保证脱硫所需最短气体停留时间；

（5）炉膛高度应和循环流化床锅炉的尾部烟道或对流段所需高度相一致；

（6）炉膛高度应保证锅炉在设计压力下有足够的自然循环。

具体设计时，一般可根据常规循环流化床锅炉的炉膛高度确定一个数值，布置受热面是否足够，然后考虑分离器的切割直径，再根据上述（1）的要求考虑固体颗粒的燃尽和其他的要求条件，使之满足上述要求，若条件容许偏高些为好

[2]。

3 循环流化床锅炉循环倍率n

循环流化床锅炉循环倍率是循环物料重量与计算给煤重量的比值，其值的选取比较经验，可参考表1。

表1 锅炉循环倍率

4 密相区和稀相区的燃烧份额d

密相区和稀相区的燃烧份额受燃料粒径、煤种、流化风速、一二次风率、床层温度等诸多因素影响，尤其是煤种的影响较大，如挥发份高易爆的煤在密相区的燃烧份额会降低。在目前缺乏数据的情况下，设计时可以参考有关不同煤种的燃烧特性试验数据取值[2]。一般地，固体颗粒粒径越大，燃烧份额相对增加。如果采用宽筛分燃料，可以采用鼓泡流化床计算标准中推荐的方法并考虑一次风率的影响而求取。

5 炉底排渣量与飞灰量比

炉底排渣量和飞灰量之比受许多因素影响，其中随煤的特性、床内物料粒径、和运行速度的变化较大，其取值相当经验，一般可在0.2-1间。

6 焓温表中炉膛内飞灰焓I fh的计算

在计算焓温表炉膛内的飞灰焓时，对于分离器前部分需考虑循环固体颗粒的影响，其飞灰焓I fh以下式计算：

(4)

式中c h和J h分别为灰的比热和温度；A ar为煤收到基灰分；a fh为飞灰份额；C fh 为炉膛出口飞灰含碳量；q4为机械不完全燃烧损失。计算密相区的飞灰焓时，上式中的C fh和q4应代以密相区出口飞灰含碳量C*fh和密相区机械不完全燃烧损失q

。

4ft

7 密相区和稀相区热量平衡

密相区的入炉热量Q l：