摘 要 流化床、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是國際80年代在鍋爐上得到成功應(yīng)用的清潔煤燃燒技術(shù)。提高可靠性、經(jīng)濟(jì)性和文明生產(chǎn)程度貫穿了流化床、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的發(fā)展歷史。圍繞分離器的形式和整體布置，循環(huán)床燃燒技術(shù)已經(jīng)歷了三代的發(fā)展，作者認(rèn)為冷卻型緊湊布置的循環(huán)床燃燒技術(shù)是未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 流化床 循環(huán)流化床鍋爐 分離器 發(fā)展方向
0 引 言
流化床、循環(huán)流化床鍋爐(CFB)燃燒技術(shù)是一項(xiàng)近20年來發(fā)展起來的燃煤技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。自流化床、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)出現(xiàn)以來，流化床、循環(huán)流化床鍋爐已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，大容量的循環(huán)流化床電站鍋爐已被發(fā)電行業(yè)所接受。世界上最大容量的250MW循環(huán)流化床鍋爐已在1997年投運(yùn)，多臺200～250MW大容量循環(huán)流化床鍋爐也已投產(chǎn)。我國集中于中型CFB的研制與開發(fā)，目前已完全商業(yè)化。到1998年底，我國已投運(yùn)及訂貨的35t/h以下的循環(huán)流化床鍋爐共計(jì)約600臺，已開始走向電力市場，并且開始大型CFB的研制工作。
主循環(huán)回路是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵，其主要作用是將大量的高溫固體物料從氣流中分離出來，送回燃燒室，以維持燃燒室的穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng)，以提高燃燒效率和脫硫效率。主循環(huán)回路不僅直接影響整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐的總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布置，而且與其運(yùn)行性能有直接關(guān)系。分離器是主循環(huán)回路的主要部件，因而人們通常把分離器的形式，工作狀態(tài)作為循環(huán)流化床鍋爐的標(biāo)志。
1 循環(huán)流化床的發(fā)展現(xiàn)狀
氣固分離器是CFB系統(tǒng)的核心部件之一。其之所以關(guān)鍵，從運(yùn)行機(jī)理上來講，只有當(dāng)分離器完成了含塵氣流的氣固分離并連續(xù)地把收集下來的物料回送至爐膛，實(shí)現(xiàn)灰平衡及熱平衡，才能保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定與高效；就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，分離器設(shè)計(jì)、布置得是否合理直接關(guān)系著鍋爐系統(tǒng)制造、安裝、運(yùn)行、維修等各方面的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。雖然分離器是CFB必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但它又具有相對的獨(dú)立性和靈活性，在結(jié)構(gòu)與布置上回旋余地很大。從某種意義上講，CFB鍋爐燃燒技術(shù)的發(fā)展也取決于氣固分離技術(shù)的發(fā)展，分離器設(shè)計(jì)上的差異標(biāo)志著不同的CFB技術(shù)流派。
1.1 第一代循環(huán)流化床燃燒技術(shù)--絕熱旋風(fēng)分離循環(huán)流化床鍋爐
旋風(fēng)分離器在化工、冶金等領(lǐng)域具有悠久的使用歷史，是比較成熟的氣固分離裝置，因此在CFB領(lǐng)域應(yīng)用最多。
德國Lurgi公司較早地開發(fā)出了采用保溫、耐火及防磨材料砌裝成筒身的高溫絕熱式旋風(fēng)分離器的CFB鍋爐［1］。分離器入口煙溫在850℃左右。應(yīng)用絕熱旋風(fēng)筒作為分離器的循環(huán)流化床鍋爐稱為第一代循環(huán)流化床鍋爐，目前已經(jīng)商業(yè)化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技術(shù)轉(zhuǎn)移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等公司設(shè)計(jì)制造的循環(huán)流化床鍋爐均采用了此種形式。這種分離器具有相當(dāng)好的分離性能，使用這種分離器的循環(huán)流化床鍋爐具有較高的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前除中國大陸外，有78的CFB全部采用了高溫絕熱旋風(fēng)分離器，但這種分離器也存在一些問題，主要是旋風(fēng)筒體積龐大，因而鋼耗較高，鍋爐造價(jià)高，占地較大，旋風(fēng)筒內(nèi)襯厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、費(fèi)用高，見圖1；啟動(dòng)時(shí)間長、運(yùn)行中易出現(xiàn)故障；密封和膨脹系統(tǒng)復(fù)雜；尤其是在燃用揮發(fā)份較低或活性較差的強(qiáng)后燃性煤種時(shí)，旋風(fēng)筒內(nèi)的燃燒導(dǎo)致分離后的物料溫度上升，引起旋風(fēng)筒內(nèi)或回料腿回料閥內(nèi)的超溫結(jié)焦。這些問題在我國的實(shí)際生產(chǎn)條件下顯得更為突出。
Circofluid的中溫分離技術(shù)在一定程度上緩解了高溫旋風(fēng)筒的問題，爐膛上部布置了較多數(shù)量的受熱面，降低了旋風(fēng)筒入口處的煙氣溫度和體積，旋風(fēng)筒的體積和重量有所減小，因此相當(dāng)程度上克服了絕熱旋風(fēng)筒技術(shù)的缺陷，使其運(yùn)行可靠性提高，但爐膛上部布置有過熱器和高溫省煤器等，需要采用塔式布置，爐膛比較高，鋼耗量大，使鍋爐造價(jià)提高。同時(shí)，它的CO排放及檢修問題在一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展。
1.2 第二代CFB燃燒技術(shù)--水(汽)冷分離循環(huán)流化床鍋爐
為保持絕熱旋風(fēng)筒循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效地克服該爐型的缺陷，F(xiàn)osterWheeler公司設(shè)計(jì)出了堪稱典范的水(汽)冷旋風(fēng)分離器［2］，其結(jié)構(gòu)如圖2。應(yīng)用水(汽)冷分離器的循環(huán)流化床鍋爐被稱為第二代循環(huán)流化床鍋爐。該分離器外殼由水冷或汽冷管彎制、焊裝而成，取消絕熱旋風(fēng)筒的高溫絕熱層，代之以受熱面制成的曲面及其內(nèi)側(cè)布滿銷釘涂一層較薄厚度的高溫耐磨澆注料。殼外側(cè)覆以一定厚度的保溫層，內(nèi)側(cè)只敷設(shè)一薄層防磨材料，見圖3。水(汽)冷旋風(fēng)筒可吸收一部分熱量，分離器內(nèi)物料溫度不會上升，甚至略有下降，較好地解決了旋風(fēng)筒內(nèi)側(cè)防磨問題。該公司投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐從未發(fā)生回料系統(tǒng)結(jié)焦的問題，也未發(fā)生旋風(fēng)筒內(nèi)磨損問題，充分顯示了其優(yōu)越性。這樣，高溫絕熱型旋風(fēng)分離循環(huán)床的優(yōu)點(diǎn)得以繼續(xù)發(fā)揮，缺點(diǎn)則基本被克服。
當(dāng)然，任何一種設(shè)計(jì)都難以盡善盡美，F(xiàn)W式水(汽)冷旋風(fēng)分離器的問題是制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本過高，缺乏市場競爭力，這使其商業(yè)競爭力下降，通用性和推廣價(jià)值受到了限制［3］。
1.3 水冷方形分離器
為克服汽冷旋風(fēng)筒制造成本高的問題，芬蘭Ahlstrom公司創(chuàng)造性地提出了PyroflowCompact設(shè)計(jì)構(gòu)想［4，5］，圖4是PyroflowCompact型循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖。
PyroflowCompact循環(huán)床鍋爐采用其獨(dú)特專利技術(shù)的方形分離器，分離器的分離機(jī)理與圓形旋風(fēng)筒本質(zhì)上無差別，殼體仍采用FW式水(汽)冷管壁式，但因筒體為平面結(jié)構(gòu)而別具一格。這就是第三代循環(huán)流化床鍋爐。它與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的最大區(qū)別是采用了方形的氣固分離裝置，分離器的壁面作為爐膛壁面水循環(huán)系統(tǒng)的一部分，因此與爐膛之間免除熱膨脹節(jié)。同時(shí)方形分離器可緊貼爐膛布置從而使整個(gè)循環(huán)床鍋爐的體積大為減少，布置顯得十分緊湊。此外，為防止磨損，方形分離器水冷表面敷設(shè)了一層薄的耐火層，這使得分離器起到傳熱表面的作用，并使鍋爐啟動(dòng)和冷卻速率加快。
從國內(nèi)許多已投入運(yùn)行的流化床鍋爐來看，普遍都存在有床內(nèi)的燃燒工況組織不好、床溫偏高以及旋風(fēng)分離器內(nèi)CO和殘?zhí)己笕荚斐蓴?shù)十度甚至上百度溫升的現(xiàn)象，加上流化床中的結(jié)焦溫度比較低，因此結(jié)焦的可能在運(yùn)行中始終是一個(gè)很大的隱患。如果采用有冷卻的旋風(fēng)筒，分離器內(nèi)的溫度就可以得到控制，從而消除了結(jié)焦的危險(xiǎn)。
水冷或汽冷的方形旋風(fēng)分離器與不冷卻的鋼板卷成的旋風(fēng)筒制造成本基本相當(dāng)，考慮到前者所節(jié)省的大量的保溫和耐火材料，最終的實(shí)際成本有所下降。此外它還減少了散熱損失，提高了鍋爐效率。另外由于保溫厚度的減少，可以提高啟停速度，啟停過程中床料的溫升速率不再取決于耐火材料，而主要取決于水循環(huán)的安全性，使得啟停時(shí)間大大縮短。以一臺高溫絕熱旋風(fēng)筒的75t/h鍋爐為例，采用兩根油槍床下點(diǎn)火，一般設(shè)計(jì)每小時(shí)耗油量為600kg左右，啟動(dòng)時(shí)間8h以上，如果將分離器做成汽冷或水冷，只要2～3h就足夠了，這樣每次啟動(dòng)都可以節(jié)省2～3t的輕柴油。
2 循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展方向分析
Ahlstrom公司的方形分離器緊湊型設(shè)計(jì)推出之后，立即引起了廣泛的重視，人們對該技術(shù)一直持觀望態(tài)度。但經(jīng)過5年的多臺鍋爐運(yùn)行實(shí)踐，已被人們所接受，其標(biāo)志為：在1999年5月第15屆國際流化床燃燒會議上，該專利持有人Timo榮獲唯一的ASME貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。Fosterwheeler公司和Ahlstrom公司合并后即將方形分離器循環(huán)流化床鍋爐作為大型化方向予以重點(diǎn)發(fā)展。時(shí)至今日，F(xiàn)osterWheeler公司采用方形分離器技術(shù)的緊湊型循環(huán)流化床鍋爐已有68t/h至410t/h多臺鍋爐成功運(yùn)行，150MW機(jī)組正在建設(shè)中，300MW和600MW容量的緊湊布置CFB已經(jīng)完成設(shè)計(jì)。圖5給出了方形分離器循環(huán)流化床鍋爐單臺容量的發(fā)展歷史。采用方形分離器的緊湊型布置循環(huán)床鍋爐的市場份額逐年增加，該技術(shù)在FosterWheeler的定單總數(shù)與其它形式的技術(shù)比較見圖6。
目前各循環(huán)流化床鍋爐制造廠家和研究機(jī)構(gòu)都十分重視循環(huán)流化床鍋爐的大型化，方形分離器在大型化方面具有很大的優(yōu)勢。1993年清華大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室對國外方形分離器專利進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其分離效率并非如國外公司宣傳的那么好，特別是在200～400mm的粒徑范圍存在一個(gè)低效區(qū)。經(jīng)分析表明這個(gè)低效區(qū)是由于分離器進(jìn)口顆粒加速不良造成的，為此改進(jìn)了入口段設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明此改進(jìn)是完全正確的，這個(gè)改進(jìn)最終取得了中國專利--“水冷異型分離器”。為進(jìn)一步優(yōu)化分離器的效果和驗(yàn)證改進(jìn)可靠性，在實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)實(shí)驗(yàn)、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用到75t/h完善化循環(huán)流化床鍋爐上，并取得成功。
該分離器是四周用膜式水冷壁組成的方形分離器，但煙氣入口和水冷壁管彎制成圓弧形段，這一結(jié)構(gòu)使分離器的造價(jià)降低，有效地克服了絕熱旋風(fēng)筒的后燃結(jié)焦問題和圓形汽(水)冷旋風(fēng)筒的制造成本問題，被認(rèn)為達(dá)到了90年代國際先進(jìn)水平。采用方形分離器的循環(huán)流化床鍋爐市場發(fā)展情況見圖7。
清華大學(xué)等單位已對幾種不同當(dāng)量尺寸的方形分離器進(jìn)行了一些卓有成效的試驗(yàn)和較為深入的研究，取得了許多有價(jià)值的結(jié)果［6］。對這些成果進(jìn)行較全面的分析、整理和比較，可以更多的了解方形分離器的放大性能，有助于開發(fā)研制大型化分離器和解決循環(huán)流化床鍋爐大型化所面臨的難題。這些研究結(jié)果表明，方型分離器的放大性能要優(yōu)于圓形旋風(fēng)分離器，至少絕不遜于后者，特征尺寸在10m以內(nèi)的方型分離器大型化的前景相當(dāng)樂觀［7］。清華大學(xué)在該方面的研究成果得到國際同行的充分肯定和高度評價(jià)，在15屆FBC國際會議上被評為最佳論文［8］。采用方形分離器的220t/h、410t/h循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)已完成。
3 結(jié) 論
采用第三代技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐除了具有常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、鋼耗量小、制造成本低、分離器內(nèi)無磨損等突出優(yōu)點(diǎn)，因此第三代循環(huán)流化床鍋爐將成為燃燒技術(shù)發(fā)展的主流，并且在大型化方面將發(fā)揮其優(yōu)勢。
日常使用家用燃?xì)忮仩t需注意的事項(xiàng)
