循环流化床锅炉硕士论文

关于中小型循环流化床锅炉飞灰含碳量偏高问题的讨论论文

摘要：本文介绍了循环流化床锅炉的发展历史，并针对现阶段中小型循环流化床锅炉运行中突出的飞灰含碳量高的问题展开讨论，提出一些降低飞灰含碳量的措施。

关 键 字：中小型循环流化床锅炉 飞灰含碳量偏高

0 循环流化床锅炉发展概况

循环流化床燃烧技术是国内外公认的一种洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉具有煤种适应性广、燃烧效率高、环境性能好、符合调节范围大和灰渣综合利用等优点，近十年来在工业锅炉、电站锅炉、旧锅炉改造和燃烧各种固体废弃物等领域得到迅速的发展。我国是以煤为主要一次能源的国家，燃用的煤种最为齐全。近十几年来，我国循环流化床技术发展迅速。

1981年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，清华大学与中国科学院工程热物理研究所分别率先开展了循环流化床燃烧技术的研究，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。到2005年4月为止，我国运行的循环流化床锅炉CFBB已超过100台，已经投运的最大机组是安装在四川内江、从奥斯龙公司进口的410t/h（100WM）循环流化床高压电站锅炉，由于运行台数较少，各方面的经验还有待积累。

另外，我国正在引进一台Alstom公司的1025t/h的常压循环流化床锅炉及相应的关键配套设备，在四川白马电厂建立300MW循环流化床示范工程；国家电力公司热工研究院夜设计了300MW循环流化床锅炉方案标志着我国循环流化床锅炉将朝着大型化方向发展。现在，我国已成为世界上CFB机组数量最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家。

1 循环流化床锅炉目前存在的问题

但是这种超常规的循环流化床锅炉的发展速度使循环流化床锅炉运行出现了一些问题。诸如：①炉膛、分离器以及回送装置及其之间的膨胀和密封问题。特别是锅炉经过一段时间运行后，由于选型不当和材质不合格，加上锅炉的频繁起停，导致一些部位出现颗粒向炉外泄漏现象。②由于设计和施工工艺不当导致的磨损问题。炉膛、分离器以及返料装置内由于大量颗粒的循环流动，容易出现材料的磨损、破坏问题。一些施工单位对循环流化床内某些局部部位处理不当，出现凸台、接缝等，导致从这些部位开始磨损，然后磨损扩大，导致炉墙损坏。③炉膛温度偏高以及石灰石选择不合理导致的脱硫效率降低问题。早期设计及运行的循环流化床锅炉片面追求锅炉出力，对脱硫问题重视不够，炉膛温度居高不下，石灰石种类和粒度的选择没有经过仔细的试验研究，导致现有循环流化床锅炉脱硫效率不高，许多锅炉脱硫系统没有投入运行，缺乏实践经验的积累。④灰渣综合利用率低的问题。一般认为，循环流化床锅炉的灰渣利于综合利用，而且利用价值很高，但由于各种原因，我国循环流化床锅炉的灰渣未能得到充分利用，或者只进行了一些低值，需要进一步做工作。⑤飞灰含碳量高的问题。这些问题的存在影响了循环流化床锅炉的连续、安全、经济运行，还带来了维修工作量大、运行费用高等问题。就中小型循环流化床锅炉来说，飞灰含碳量高是一个比较普遍的问题。

2 飞灰含碳量的影响因素及应采取的措施

影响循环流化床锅炉飞灰含碳量的主要因素如下：

1、 燃料特性的影响。循环流化床锅炉煤种适应性广，但对于已经设计成型的循环流化床锅炉，只能燃烧特定的煤种（即设计煤种）时才能达到较高的燃烧效率。由于煤的结构特性、挥发份含量、发热量、水分、灰份的影响，循环流化床锅炉的燃烧效率有很大差别。我国主要按煤的干燥无灰基挥发分含量对煤进行分类，按照挥发分含量由低到高的顺序将煤分成无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤等。挥发分含量的大小实际上反映了煤形成过程中碳化程度的高低，与煤的年龄密切相关。不同煤种本身的物理组成和化学特性决定了它们在燃烧后的飞灰具有不同的形态和特性。东南大学收集了山西大同烟煤、广西合山劣质烟煤和福建龙岩无烟煤等几种典型煤种在电站锅炉中燃烧生成的飞灰，制成样品，用扫描电镜进行了微结构分析。收到基灰发分含量为10%的广西合山劣质烟煤所生成的飞灰大部分是较密实的灰块，表面不光滑，没有熔融的玻璃体形态存在，大部分粒子的孔隙率都较小，仅有少数球状空心煤胞出现，但孔隙率也不大，壁面较厚，表面粗糙。该飞灰形态表明，该煤种燃尽率不高，取样分析其飞灰含碳量为10%左右。福建龙岩无烟煤挥发分含量较低，只有4%左右，属典型难燃煤种，表现为着火延迟、燃尽困难。虽然发热值高，燃烧时火焰温度可达1500℃以上，但燃尽率低，生成的球状煤胞中绝大多数为无孔或少孔，虽然也出现多孔薄壁球状煤胞，但数量极少。无孔或少孔的球状煤胞表面很光滑，有熔融的玻璃体形态存在，对燃尽是极为不利的。从煤粉锅炉种采取飞灰样，分析其含碳量在10%以上。山西大同烟煤飞灰中虽然也发现有极少部分少孔的密实球状煤胞，但绝大部分为多孔的疏松空心煤胞和骨质状疏松结构煤胞，这两种煤胞的孔隙率很大，这样就形成了很大的反映表面积，对煤粉的燃尽十分有利，因而这种烟煤的飞灰含碳量很低。

2、 入炉煤的粒径和水分的影响。颗粒过大，一方面床层流化不好，另一方面，碳粒总表面积减少，煤粒的扩散阻力大，导致反应面积小，延长了颗粒燃尽的时间，颗粒中心的碳粒无法燃尽而出现黑芯，降低了燃烧效率，同时造成循环灰量不足，稀相区燃烧不充分，出力下降。另外，大块沉积，流化不畅，局部结焦的可能性增大，排渣困难。颗粒过小，床层膨胀高，易燃烧，但是易造成烟气夹带，不能被分离器捕捉分离而逃逸出去的细颗粒多，对燃尽不利，飞灰含碳量高。通过实验发现：颗粒太小，由于煤粉在炉内停留时间过短，燃不尽，飞灰含碳量就大。相对而言，燃用优质煤，煤颗粒可粗些；燃用劣质煤，煤颗粒要细些。所以对于不同的煤质要调整二级破碎机的破碎能力来调整煤的粒度。煤中水分过大不仅降低床温，同时易造成输煤系统的堵塞，故对于水分高的煤进行掺烧。

3、 过量空气系数的影响。一次风作用是保证锅炉密相区料层的流化与燃烧，二次风则是补充密相区出口和稀相区的'氧浓度。调整好一二次风的配比，有效地降低飞灰、灰渣含碳量，是保证锅炉经济燃烧的主要手段。运行中适当提高过量空气系数，增加燃烧区的氧浓度，有助于提高燃烧效率。但炉膛出口过量空气系数超过一定数值，将造成床温下降，炉膛温度下降，总燃烧效率将下降，风机电耗增大。所以在符合变化不大时，一次风量尽量稳定在一个较合适的数值上，少作调整，主要靠调整二次风比例来控制密相区出口和稀相区的氧浓度。一二次风的配比，与锅炉负荷、煤种等有关，通过进行燃烧调整试验可建立锅炉不同负荷与一二次风量配比的经验曲线或表格，供运行调整时参考。

4、 燃烧温度的影响。和煤粉锅炉炉膛温度高达1400~1500℃相比，循环流化床运行温度通常控制在850~900℃之间，属低温燃烧，在此条件下煤粒的本正燃烧速率低得多，加上流化床内颗粒粒径比煤粉炉内煤粉粗得多，所需的燃尽时间长得多。提高燃烧温度，飞灰含碳量低；相反，燃烧温度低，飞灰含碳量高。

5、 分离器分离效率的影响。分离器分离效率高，切割粒径小，飞灰含碳量低；相反，分离器分离效率低，切割粒径大，飞灰含碳量高。经过20年的发展，目前我国循环流化床锅炉使用的高效分离器有三种：上排气高温旋风分离器、下排气中温旋风分离器和水冷方形分离器。

6、 飞灰再循环倍率的影响。飞灰再循环的合理选取要根据锅炉炉型、锅炉容量大小、对受热面和耐火内衬的磨损、燃煤种类、脱硫剂的利用率和负荷调节范围来确定。

7、 锅炉蒸发量的影响。锅炉蒸发量大，相应的燃烧室温度高，一次通过燃烧室燃烧的粒子（分离器收集不下来的粒子）燃烧时间长，燃尽度较高，飞灰含碳量低；相反，飞灰含碳量高。

8、 除尘灰再循环燃烧的影响。对难燃尽的无烟煤，采取分离灰循环燃烧之后，飞灰含碳量仍比较高。为了进一步降低飞灰含碳量，一个比较有效的措施是采用除尘灰再循环燃烧。德国一台循环流化床锅炉，当分离灰再循环倍率为10~15时，飞灰含碳量仍有23%左右。为了降低飞灰含碳量，采用了除尘灰再循环燃烧。当除尘灰再循环倍率为时，飞灰含碳量降低到了10%左右；除尘灰再循环倍率为时，飞灰含碳量降低到了4%。

3 结论

降低飞灰含碳量的措施有多种，应根据实际情况选择最经济最实用的措施。我厂四台循环流化床锅炉也存在飞灰含碳量高的问题，我们会借鉴前人的经验，尝试一些措施以降低飞灰含碳量。

参考文献：

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锅炉采用单锅筒，自然循环方式，总体上分为前部及尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周有膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、浓相床、悬浮段、蒸发管、高温过热器、低温过热器及高温省煤器。尾部竖井采用支撑结构，由上而下布置低温省煤器及管式空气预热器。两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部联接回送装置及灰冷却器。燃烧室及分离器内部均设有防磨内衬，前部竖井用敖管炉墙，外置金属护板，尾部竖井用轻型炉墙，由八根钢柱承受锅炉全部重量。 锅炉采用床下点火（油或煤气），分级燃烧，一次风率占50—60%飞灰循环为低倍率，中温分离灰渣排放采用干式，分别由水冷螺旋出渣机、灰冷却器及除尘器灰斗排出。炉膛是保证燃料充分燃烧的关键，采用湍流床，使得流化速度在—,并设计适当的炉膛截面，在炉膛膜式壁管上铺设薄内衬（高铝质砖），即使锅炉燃烧用不同燃料时，燃烧效率也可保持在98—99%以上。 分离器入口烟温在450度左右，旋风筒内径较小，结构简化，筒内仅需一层薄薄的防磨内衬（氮化硅砖）。其使用寿命较长。循环倍率为10—15左右。 循环灰输送系统主要由回料管、回送装置，溢流管及灰冷却器等几部分组成。 床温控制系统的调节过程是自动的。在整个负荷变化范围内始终保持浓相床床温860度的恒定值，这个值是最佳的脱硫温度。当自控制不投入时，靠手动也能维持恒定的温床。 保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率。最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势。

【1】学士学位论文：基于相关系数辨识法的PID自整定算法及其应用指导教师：孙德敏、吴刚、吴福明，获中国科学技术大学自动控制专业工学学士学位【2】硕士学位论文：基于多元逐步回归分析的丙烯腈反应器在线优化控制指导教师：孙德敏教授，获中国科学技术大学自动控制理论及应用专业工学硕士学位【3】博士学位论文：典型工业过程的先进控制与优化指导教师：孙德敏教授，获中国科学技术大学控制科学与工程专业工学博士学位教学工作：【1】计算机控制（专业基础课，课程编号：01018601）教材：李嗣福编著，计算机控制基础（第2版），合肥：中国科学技术大学出版社，【2】最优化方法（本硕贯通课程，课程编号：本01060701，硕CN04132）教材：孙德敏编著，工程最优化方法及应用（修订版），合肥：中国科学技术大学出版社，学术论文：【1001】薛美盛，白东进，张毅，何丹玉. 基于相关分析法的PID控制回路的模型验证. 控制工程，已录取.【1002】陈根杰，魏衡华，薛美盛. 带Smith预估器的预测PID控制器的设计. 电子技术，已录取.【1003】薛美盛，白东进，王川. 基于Pade近似一般形式的IMC-PID控制器设计. 控制工程，已录取.【1004】樊弟，薛美盛，魏衡华. 多变量系统的广义预测控制解耦设计. 控制工程，已录取.【1005】王川，薛美盛，白东进. 基于子空间辨识的多变量预测控制器设计. 控制理论与应用，已投稿.【1006】薛美盛，苏阳，祁飞，张毅. 一种评估PI控制回路的LQG基准. 控制理论与应用，已投稿.【0901】胡志宏，郝卫东，薛美盛. 运行优化降低燃煤锅炉NOx排放的试验研究. 电站系统工程，2009，25（1）：41-43.【0902】李自强，薛美盛. 用于闭环PID参数自动整定的性能指标仿真研究. 自动化与仪表，2009，24（2）：30-33.【0903】白东进，祁飞，薛美盛. 基于动态矩阵控制的比值控制新算法. 化工自动化及仪表，2009，36（2）：23-28.【0904】崔宇，薛美盛. 基于局部学习方法的火电锅炉飞灰含碳量LSSVM软测量. 仪表技术，2009（5）：62-64.【0905】李祖奎，Marianthi Ierapetritou，薛美盛. 过程工业不确定条件下的计划与调度优化. 化工进展，2009，28（7）：1122-1128+1133.【0906】薛美盛，祁飞，张毅，王川，白东进. 控制回路性能评估综述. 控制工程，2009，16（5）：507-512.【0907】薛美盛，陶呈纲，郑涛. pH控制策略研究. 化工自动化及仪表，化工自动化及仪表，2009，36（5）：7-12+17【0801】张毅，薛美盛，王伟. 带前馈的PID控制回路的控制器性能评估. 化工自动化及仪表，2008，35（1）：20-23.【0802】王伟，薛美盛，张毅，刘云松. 丙烯腈流化床反应器先进控制. 化工自动化及仪表，2008，35（3）：58-61+66.【0803】鲍茂潭，赵春江，薛美盛，王成. 用于农产品信息管理的RFID读写器设计. 电子技术应用，2008，34（3）：68-71.【0804】李晋，秦琳琳，岳大志，吴刚，薛美盛等. 试验温室温度系统建模与仿真. 系统仿真学报，2008，20（7）：1869-1875.（EI20081811232440）【0805】吕旭涛，薛美盛. 正交试验优化在算法效率评价中的应用. 电子技术，2008，45（7）：53-55.【0806】何德峰，俞立，薛美盛. 丙烯聚合装置牌号切换的在线操作指导. 2008年中国过程控制年会（CPCC2008）论文集，，北京：339-342.【0807】李祖奎，Marianthi Ierapetritou，薛美盛. 过程工业不确定条件下的计划与调度优化. 2008年过程系统工程年会（PSE2008）论文集，，上海：313-320.【0808】陈多刚，周广，张毅，相天成，薛美盛. 基于相关分析法的PID控制回路性能评估. 2008年工业自动化与仪表装置应用学术交流会论文集，，青岛：140-148.【0809】何德峰，薛美盛，季海波. 约束非线性系统构造性模型预测控制. 控制与决策，2008，23（11）：1301-1304+1310.（EI20085111797520）【0701】陈薇，秦琳琳，吴刚，薛美盛，王俊. 硝酸根离子选择电极建模. 传感技术学报，2007，20（1）：14-17.【0702】张庆武，吴刚，薛美盛，王嵩，何德峰，祁飞. 聚乙烯装置模块多变量在线操作指导. 信息与控制，2007，36（1）：79-85+92.【0703】张庆武，吴刚，薛美盛，沈之宇，孙德敏. 氨合成塔温度先进控制. 信息与控制，2007，36（1）：108-114.【0704】秦琳琳，吴刚，薛美盛等. 网纹甜瓜营养液深液流栽培管理与环境调控. 中国科学技术大学学报，2007，37（2）：195-201.【0705】王俊，成荣，薛美盛，吴刚，秦琳琳，胡振华. 温室环境测控系统的设计与运行. 控制工程，2007，14（2）：195-197.【0706】陈祥，薛美盛，王俊，吴刚，秦琳琳，成荣. 基于Zigbee协议的温室环境无线测控系统. 自动化与仪表，2007，22（3）：39-41+50.【0707】陈杰，何晓红，薛美盛. 基于MA的智能建筑实时远程监控系统. 合肥工业大学学报（自然科学版），2007，30（4）：436-439.【0708】沈之宇，阎镜予，薛美盛，孙德敏. 中小型氮肥合成氨生产系统操作条件优化. 化工学报，2007，58（4）：963-969.（EI20072110613706）【0601】薛美盛，祁飞，张庆武等. 一种全新的精馏塔回流罐液位控制系统. 化工自动化及仪表，2006，33（2）：57-60.（EI2006229913058）【0602】薛美盛，祁飞，吴刚，孙德敏. 丁烯-1精馏装置在线节能优化的研究. 化工自动化及仪表，2006，33（3）：17-21.（EI2006279980837）【0603】刘长远，薛美盛，孙德敏，王磊. 阶梯式广义预测控制在浮法玻璃窑中的应用. 自动化博览，2006，23（3）：62-63.【0604】阎镜予，沈之宇，薛美盛等. 用于过程优化的改进模式识别方法及其应用. 模式识别与人工智能，2006，19（3）：342-348.（EI20063310069117）【0605】薛美盛，李祖奎，吴刚，孙德敏. 油品调合调度优化问题的分步求解策略. 中国科学技术大学学报，2006，36（8）：834-839.【0606】张庆武，吴刚，凌青，金辉宇，罗国娟，沈之宇，薛美盛. 并列电站锅炉主蒸汽温度先进控制. 中国科学技术大学学报，2006，36（8）：840-844.【0607】薛美盛，霍敏端，吴刚，石春. 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