第一章引言
循环流化床锅炉技术
能源与环境是当今社会发展的两大课题，我国是产煤大国同时又是用煤大国。目前一次能源消耗中煤炭占76070, IfIJ这些煤炭中又有84%是直接用十燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，我国每年排入大气的8707oSOz和6707oN0、均来源十煤的直接燃烧，可见发展高效低污染的清洁燃烧技术是急需解决的问题。循环流化床锅炉技术是近二十年来迅速发展起来的一项高效率低污染清洁燃烧技术，其主要特点在十燃料及脱硫剂经多次循环反复地进行低温燃烧和脱硫反应，强烈的炉内湍流运动不但能达到低NO、的排放、90%的脱硫效率、与煤粉炉相近的燃烧效率，并具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易十综合利用等优点。因此在国际上得到迅速的商业推广，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，300MW级大型循环流化床锅炉逐渐成熟，通过引进技术和自行研制国内在这方面的研究开发和应用处十中等发展水平。
2循环流化床锅炉特点
作为新一代的洁净煤技术，循环流化床(CFB)燃烧技术已在世界范围内得到广泛应用。循环流化床锅炉的低温燃烧特性(一般在850 0C -9000C之间)使得脱硫过程得以在燃烧区内进行。当Ca/S比为1. 5-}-2. 5时，循环流化床锅炉的脱硫效率可达到90%。循环流化床锅炉不仅燃料适应性很广，Ifu b‘其燃烧效率可以与煤粉炉相媲美。另外，通过分级燃烧，循环流化床锅炉的NOx排放量可控制在50}-150mg/kg(或40-}-120mg/MJ)范围内，其它污染物例如C0, HCl, HF等的排放量也很低。以上这些都是循环流化床锅炉颇具吸引力的特点。
1.2.1循环流化床燃烧技术锅炉具有的优点「42]
(1)燃料适应性广「川
循环流化床锅炉中新加入的燃料比例占的很小，75t/h级CFB中按质量百分比计新加入燃料仅占床料的5%左右，其余是未燃尽焦炭和不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。这些炽热物料为新加入燃料提供了稳定充足的点火热源。循环流化床锅炉特殊的流体动力特性使得气一固和固一固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很快与大量灼热床料混合，燃料被迅速加热至高十着火温度，Ifu床层温度没有明显降低。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料。对给定的循环流化床锅炉，煤种变化虽不会危及燃烧安全，但在与设计煤种偏差很大时，不能达到设计工况参数要求，达不到设计出力的情况较多。首先，当燃料发热量改变时，床内热平衡的改变将影响床温，这不仅会影响燃烧、传热和负荷，也会影响有害气体的排放量，煤种的变化还涉及密相区燃烧份额。从某种意义上讲，循环流化床对煤种变化的敏感度要高十其它燃烧方式。
(2)燃烧效率高
国外循环流化床锅炉，燃烧效率一般高达99%。燃烧效率高的主要原因是煤粒 燃尽率高。循环流化床锅炉的运行特点是:燃料随床料在炉内多次循环，这为燃料 提供了足够的燃尽时间，使飞灰含碳量下降。
但基本事实是:相同煤种条件下，循环流化床的燃烧效率接近十煤粉炉，但略 低，我国早期接触国外循环流化床锅炉，看到国外许多循环流化床锅炉飞灰含碳量 甚低，误以为循环流化床燃烧效率很高，其重要原因是所参观的循环流化床锅炉多 燃用褐煤、高挥发分烟煤、木屑等高活性燃料。这其中也不乏商业宣传的成功。
(3)高效脱硫
流化床低温燃烧的特点是其能够与多数天然石灰石的最佳燃烧脱硫温度相一 致。鼓泡流化床锅炉添加石灰石后有较好的炉内脱硫效果，循环流化床锅炉的脱硫 比鼓泡流化床锅炉更有效。循环流化床锅炉在结构设计合理，运行操作适当以及添 加合适品种和粒度的石灰石等条件下，脱硫剂化学当量比为1. 5-2. 5时，可以达到 90%的脱硫效率，Ifu鼓泡流化床锅炉和其它燃烧方式的锅炉则很难达到该指标。
与燃烧过程不同，脱硫反应的进行比较缓‘漫。为了使氧化钙充分转化为硫酸钙， 烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和尽可能大的反应比面 积。事实上，脱硫剂颗粒的内部还不能完全反应，越小的颗粒越能得到高的利用效 率。鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域的平均停留时间为1-2s，在循环流化床 锅炉中则为3-4s。循环流化床锅炉中石灰石颗粒粒径通常为0. 1-0. 3mm, IfU鼓泡 流化床锅炉中则为0. 5 -1mm o 0. 1mm的反应比表面积是lmm颗粒的数十倍，再加上 石灰石颗粒也参与循环，可反复使用，因此，无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫 的脱除率，循环流化床锅炉都比鼓泡流化床锅炉优越。
对十高硫煤来说，燃烧过程中减少SO:的排放是非常重要的。循环流化床锅炉 中，可在炉内加入石灰石(CaC03)或白云石(CaC03. MgC03)固硫，并目_，脱硫剂随床 料1多次循环，提高了脱硫剂的利用率。需要指出的是，炉内脱硫的最佳反应温度在 8500C左右，正好与流化燃烧温度基本相同。
(4)氮氧化物(NOx)排放低
氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明， 循环流化床锅炉的NOx排放范围为50 -150ppm或40-120mg/MJ。循环流化床锅炉 NOx排放低的主要原因是:一低温燃烧，燃烧温度一般控制在850 -950 0C左右，此时空气中的氮一般不会生成NOx;二分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为NOx，并使部分已生成的NOx得到还原。
(5)燃烧强度高，炉膛截面积小
炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。循环流化床锅炉的截面热负荷约为3- 6MW/m2 ,接近或高十煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2-3倍。
C6)燃料预处理及给煤系统简单
循环流化床锅炉的给煤粒度一般小十 13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤，当燃用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，良好的混合使所需的给煤点数量大大减少。燃料还可以从返料管加入，在进入炉膛前燃料经历一个预热过程，既有利十燃烧，也简化了给煤系统。
C7)负荷调节范围大、调节速}毖陕
当负荷变化时，只要调节给煤量，空气量和燃料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。一般}fu言，循环流化床锅炉的负荷调节比达(3-4): to此外，由十截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4%一5%。
(8)易十实现灰渣综合利用
循环流化床的燃烧过程属十低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含碳量低，低温燃烧的灰渣易十实现综合利用，如灰渣作为水泥掺和料或建筑材料。同时低温燃烧也有利十灰渣中稀有金属的提取。脱硫后含有硫酸钙的灰渣还可以用来制作膨胀水泥。
2. 2循环流化床锅炉存在的问题
经过十多年不断的研究，实践和改进，我国的循环流化床锅炉已经进入稳步发展阶段。早期普遍存在的磨损，结渣，出力不足等问题现在已经基本得到解决。但随着锅炉自身的发展以及锅炉容量的增大，用户对锅炉可靠性，可控性，自动化程度等要求越来越高，同时也出现了一些新的问题。循环流化床锅炉自身的缺点有:
(1)N20排放较高
流化床燃烧技术可有效的抑制NOx, SOx的排放但是又产生了另一个环境问题，即N20的排放问题。N20俗称笑气，是一种对大气臭氧层有着非常强的破坏作用的有害气体，同时具有干扰人的神经系统的作用。近年来的一系列研究结果表明，流化床低温燃烧是产生N20的最大污染源。因此，控制循环流化床锅炉氮氧化物的排放必须同时考虑到NOx和N20 0
(2)厂用电率高
由十循环流化床锅炉独有的布风板、分离器和炉内料层的存在，烟风阻力比煤粉炉大的多，通风电耗也相应较高，因此，循环流化床锅炉厂用电率比煤粉炉高。
(3)设计和施工工艺不当导致的磨损问题
炉膛、分离器、返料装置内由十大量颗粒的循环流动，容易出现材料磨损、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。
(4)飞灰含碳量高的问题
只要循环流化床锅炉燃烧系统设计合理，运行调整良好，其底渣含碳量通常很低。但对十比较难十燃烧的煤种在负荷比较低时飞灰含碳量较高，提高炉膛温度是降低飞灰含碳量的有效手段，但受到石灰石最佳脱硫温度的限制，运行实测飞灰含碳量比设计值要高出很多。
1. 3循环流化床锅炉国内外发展现状
3. 1国内发展现状
经过十多年的研究和实践，国内一批技术实力雄厚、多年从事CFB锅炉技术开发研究的科研院所和高校，已拥有一定的试验设施和试验研究手段，已具备较强的CFB锅炉技术开发能力。国家电力公司热工研究院结合国内实际工程，已进行了CFB锅炉设计、改造、调试、性能考核及多项试验研究。在国内自行开发研制和吸收国外先进技术的基础上，积累了大量的CFB锅炉技术研究成果和实际经验，与国内锅炉制造厂家合作，已生产出了具有自主知识产权的_50MW等级CFB锅炉，并已具备设计100MW等级CFB电站锅炉的能力，目前正在研制具有自主知识产权的100MW等级和125MW级CFB电站锅炉，并拟在消化吸收国外先进技术的基础上，与国内研究、制造单位合作，有所创新地自行研制300MW等级的CFB电站锅炉。
据不完全统计，我国已投运或在建的蒸发量为7 5 t/h以上的CFB锅炉达3_50多台，其中7 5 t/hCFB锅炉有320台;220 t/h级的CFB锅炉约有20台;410t/h级的CFB锅炉约有10台以上，CFB锅炉总台数为世界第一。具有国内自主知识产权的国产220 t/h级CFB锅炉已投入运行，第一台国产410t/hCFB锅炉建在江西分肩{电厂。
目前，我国已投运或在建的CFB锅炉多用十热电厂或大型厂矿企业的自备电站，随着我国CFB锅炉的技术进步和容量等级的提升，国产CFB锅炉将逐步在我国电力生产和环境保护中发挥积极的作用。
国内各主要锅炉生产厂家均很重视CFB锅炉产业的发展。近年来，这些制造部门通过与国内研究单位及国外公司合作，已生产出数百台容量等级从3 5 t/h到410 t/h的CFB锅炉，在CFB锅炉的设计、制造方面取得了丰富的经验。CFB锅炉除需配备高温分离器、回料阀、布风板等部件Ifu不同十常规煤粉炉外，锅炉的构造和加工方法基本相同，并目_这些特殊部件国内也能制作。加工角度来说，我国已具备制造和提供共100MW容量等级CFB电站锅炉的能力。
CFB锅炉在西部大开发中的应用前景:环境保护是我国的基本国策之一，西部大开发建设中的生态环境保护势在必行。采用 CFB锅炉可在付出代价相对较小的前提下满足国家环保标准中对十SO2, NOx有害气体的排放要求，减轻燃煤电站对大气环境的污染，可切实有效地保护西部生态环境。
西部地区动力煤炭资源丰富，几乎包括从无烟煤到褐煤的所有煤种。Ifu这些煤种中有的是高硫高灰煤、有的挥发分很低、有的挥发分高但灰熔点极低，在常规煤粉锅炉上燃用时常出现:SO:排放浓度高;燃烧不稳、易火火放炮;低负荷性能差;燃烧器喷口周围及炉膛内容易结焦、受热面容易积灰等问题。此外，为达到国家“火电厂大气污染物排放标准”中对十SO:排放量的要求指标，多数常规煤粉锅炉需配备价格昂贵的尾部烟气脱硫装置。目前，国内大型煤粉电站锅炉配套的烟气脱硫装置多为从国外进口或采用国外技术制造。采用CFB锅炉不仅可一并解决上述问题，Ifu b_还可使火电厂燃煤锅炉排烟中的另一种污染物NOx气体的排放量减少80%一90070，有效减轻锅炉排烟对大气环境的污染。
由十有脱硫功能，CFB锅炉的初投资和建成后的运行费用要稍高十常规煤粉锅炉，但明显低十配备尾部烟气脱硫装置的煤粉锅炉。
因此，在西部地区新建电厂、老厂改造、城市集中供热、电网调负荷(CFB锅炉可以30070-4007oMCR稳定运行，不需助燃油)等项目中，应积极采用CFB锅炉技术，以便合理利用西部地区的高硫分、高灰分、低挥发分、低灰熔点劣质煤资源。在为西部地区提供新电源的同时，保护人类赖以生存的生态环境。
3. 2国外发展现状
自1979年热功率为1 _5MW的首台商业化循环流化床锅炉在芬兰Pihlava投运以来，循环流化床锅炉得到较快发展。目前，世界上已有超过100台发电功率=100MWe的循环流化床锅炉在商业运行。
由十早期开发CFB锅炉技术的初衷不同，国内外发展CFB锅炉技术的目的有较大的差别。国外工业国家侧重十用流化床燃烧方式减少SO:和NOx的排放，减轻大气污染，进}fu较快地应用十电站锅炉，以满足其严格的环境保护法规，容量和技术的水平提高均较快。Ifu我国在60年代开发研究第一代鼓泡流化床锅炉的主要目的是燃用低质煤或洗计煤。自80年代中期，我国在积累鼓泡床锅炉经验的基础上开始进行循环床锅炉的研究开发，主要目的之一是提高燃用低质煤的效率。先后有一批35-75t/h容量等级的循环床锅炉投入运行。
为了吸收和借鉴国外CFB锅炉的先进技术和成功经验，加快我国电力工业应用CFB锅炉技术的步伐。1987年，电力工业部热工研究院通过研究论证，提出引进国外先进设备，建立我国100MW CFB锅炉示范电站的建议。通过示范电站的实践和相关的消化吸收研究工作，较全面的了解这种技术在电力生产中的实际应用情况，不仅可验证大型CFB电站锅炉的技术经济性和环保性能，为我国电力工业采用煤清洁燃烧技术决策提供参考依据，ifu b‘可为国内研制100MW及更大容量级CFB电站锅炉提供宝贵的技术资料和借鉴经验。引进示范工程建在我国重点高硫煤
地区之一的四川省，四川内江100MW CFB示范锅炉自1996年投运以来，总体运行情况良好，特别是高效低排放的特点、良好的调峰性能和稳定的低负荷运行能力得到了充分的体现，对我国循环流化床锅炉产业的发展起到了积极的示范和推动作用。
为了充分发挥内江100MW CFB锅炉引进机组的示范作用，国家电力公司热工研究院、四川电力试验研究院等国内科研单位对引进的100MW CFB锅炉进行了系统的消化吸收试验研究工作，取得了大量的研究成果，并在研究分析国外34台发电功率)100MW CFB锅炉技术特性的基础上，先后由热工研究院编写完成了约20万字的“大型循环流化床锅炉技术”专著及“消化吸收内江电厂100MW CFB锅炉技术的试验研究”和“100MW CFB锅炉机组系统、辅机及配套系统的开发研制’，两个课题、共计约60万字的技术研究报告。内江100MW CFB锅炉示范工程的建立和消化吸收研究课题的完成，积极的推动了我国CFB锅炉技术进步，为国产CFB锅炉及辅助配套系统设备的研制提供了可以实际应用的大量技术数据和技术资料，为大型CFB电站锅炉的产业化发展和实际应用打下了坚实的基础。
1.3.3技术流派〔75]
目前，世界上循环流化床锅炉的主要炉型为:德国Lurgi型、芬兰奥斯龙公司Pyroflow型、美国FW型、德国Circofluid型等。
C 1) Lurgi型:炉膛布置膜式水冷壁受热面，采用工作温度与炉膛燃烧温度0-8700C )相近的高温型旋风分离器，循环灰回路上布置炉外灰换热器((EHE)，关键部件为控制EHE进灰量的锥型阀。
C2 ) Pyroflow型:采用绝热高温型旋风分离器，膜式壁炉膛内布置抗磨的。管屏或翼墙式受热面。回灰系统采用分叉式自平衡U型回料阀，部分冷烟气再循环。
(3 ) FW型:采用汽冷高温型旋风分离器，整体式INTREX换热器，该公司两台235 MW机纲一在波兰的Turow电厂，容量为66 _5 t/h，参数为137Mpa } 5400C /540 0C o目前单炉的最大容量等级为300Mwe o
C 4 ) Circofluid型:炉膛运行气速相对较低，半塔式布置，炉膛上部布置过热器和高温省煤器受热面，炉膛出口温度约为4_500C，因}fu采用体积较小，耐温及防磨要求较低的中温型旋风分离器。该炉型目前单炉的最大容量等级为80Mwe，由德国Babcock公司生产。
从技术特点看，由十ABB-CE和法国通用电气阿尔斯通斯坦因工业公司的循环流化床技术都是从鲁奇公司引进的，所以有很多相似的地方，如高温热旋风筒、外置式流化床热交换器FBHE)、机械式回灰控制阀等。但是，在循环流化床锅炉大型化的研究过程中，它们也形成了各自的特点，阿尔斯通认为“裤权”结构的下部炉膛对大型化是重要的，必须保证二次风的穿透深度，IfU ABB-CE认为二次风穿透深度无关紧要，如此繁琐的设计没有必要。阿尔斯通的点火方式是床上、床下同时点火，ABB-CE只有床上点火系统。另外，在炉膛拓展受热面布置、再热器调温方式、空气预热器形式、高温旋风分离器只数与布置方式、风帽形式、风机参数等方面，两家公司的技术方案也不相同。
与ABB-CE和法国阿尔斯通斯坦因两家公司相比，福斯特一惠勒公司的循环流化床锅炉另具特色:独特的管道式床下点火装置、汽冷式旋风分离器、整体化换热床、定向风帽等等。但是，福斯特一惠勒的技术成本较高，影响了市场竞争力。福斯特-惠勒公司己经考虑放弃一些价格过高的技术方案设计。
ABB-CE公司采用鲁奇公司的技术，美国德克萨斯州New-Mexico电厂安装两台165Mwe锅炉、韩国东海(Tollghae)电厂的220 MW循环流化床锅炉由该公司生产。1995年10月，福斯特一惠勒公司兼并了芬兰奥斯龙Pyropowe:公司。奥斯龙Pyropower公司在循环流化床锅炉发展初期几乎与鲁奇公司齐名，它在循环流化锅炉技术开发上做出了很大的贡献，占领了很大的市场。福斯特一惠勒将其兼并后，不仅拥有了FW型和Pyropower型两种技术，也成了世界上最大的循环流化床锅炉制造商。阿尔斯通斯坦因工业公司从一开始就致力十大型循环流化床锅炉的产品开发工作，虽然其循环流化床锅炉产品不多。但它走在循环流化床锅炉大型化发展的前列。因此，它在大型循环流化床锅炉的发展中占有重要地位。以上二大循环流化床厂家的市场占有率分别为25%, 37.5%, 25%0
4本论文的研究内容
(1)建立循环流化床炉内密相区和稀相区热平衡数学模型，根据某热电厂100MW 级循环流化床锅炉实测运行数据计算出传热系数，并进行计算验证。
(2)对运行实测数据用SPSS软件包进行因子分析，用最小二乘法理论计算出循 环流化床锅炉的运行特性关系式，指导运行对参数进行有效的调节。
(3)对目前运行的100MW级大型循环流化床存在的问题进行系统总结，指导厂家 对设备、系统改造。
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