循環流化床鍋爐若干參數的設計選擇

一、循環流化床鍋爐的容量及負荷分配
在循環流化床鍋爐中．燃料燃燒產生的熱量一部分由布置在固體顆粒循環回路中的受熱面吸收，其余部分由高溫煙氣帶至尾部受熱面。
1、鍋爐容量對循環流化床鍋爐整體布置的影響
由于爐膛容積隨著鍋爐容量的增加成比例增加，而爐膛表面積并不隨容積成正比增加，當鍋爐容量增大時，能布置水冷壁的爐膛表面積相對減少。鍋爐容量越大，爐膛表面積相對減少的矛盾越突出．為維持爐膛的熱平衡，護膛內需要布置更多的受熱面。譬如，過熱器管屏、再熱器管屏、蒸發管屏、雙面水冷壁等。對于采用外置流化床換熱器的循環流化床鍋滬，則可將這些受熱面布置在該換熱器內。可參見本章第六節的討論。
2、蒸汽參數對各部分受熱面吸熱量的要求
蒸汽參數變化時，工質加熱、蒸發、過熱,再熱的吸熱量分配比例。一般的，當鍋爐容量增加時，蒸汽的壓力和溫度隨之提高，給水溫度也提高。此時，加熱和過熱所需熱量的比例提高，而蒸發吸熱量比例下降。當達到臨界壓力時，蒸發吸熱量降低到零。在鍋爐各受熱面中，工質的加熱吸熱主要在省煤器內完成，蒸發吸熱主要通過水冷壁承擔．而過熱吸熱則在過熱器和再熱器完成。
由于不同參數的循環流化床鍋爐工質吸熱量分配比例不同，受熱面布置考慮的問題也不盡相同。對于中參數鍋爐，工質蒸發吸熱量與爐內受熱面的吸熱量大致相當，除爐內布衛水冷壁外，無需像低壓鍋爐那樣，布置大量的對流管束．因此，中壓鍋爐大都采用單汽包結構，加熱吸熱量由省煤器承擔，當爐內受熱面的吸熱量不能完全滿足蒸發吸熱量的要求時，可使省煤器部分沸騰；對于高壓鍋爐，工質加熱和過熱吸熱量比例增加，蒸發吸熱量比例減少。同時，由于蒸汽溫度提高，為獲得足夠的傳熱溫差，有必要將一部分過熱器受熱面布置在爐膛內。常規做法是在爐膛內布置頂棚過熱器和屏式過熱器；對于超高壓鍋爐，蒸發吸熱量只有30寫，則固體顆粒循環回路中必須布置更多的過熱或再熱受熱面，以使煙氣帶走熱量維持40%-44％的比例。通常在爐膛內布置屏式過熱器，或者采用外置式流化床熱交換器。
3 ．燃燒室內的熱量平衡
正如所知，循環流化床鍋爐燃燒室內溫度一般在850-950℃之間。當燃料進入燃燒室后，在一定的煙氣流速下，較粗顆粒落人下部，細小顆粒懸浮于中部或被夾帶到較高處，微小顆粒則可能多次循環，依次通過下、中、上部。總之，各種粒徑的燃料在上、中、下部燃燒放熱。所謂熱量平衡就是燃料在燃燒室內沿高度上、中、下各部所釋放出的熱量與受熱面吸收熱量（含爐墻散熱量）之間的平衡。只有達到熱量平衡，爐內才有一個較均勻、理想的溫度場。一般來說，循環流化床鍋爐燃燒室內溫度差（縱向、橫向）在20℃左右，最大不超過50℃。只有在一個較理想的溫度場下，才能保證爐內各部分達到設計的放熱系數，工質才能吸收到所需的足夠熱量，保證鍋爐的出力，且不會發生局部過熱、結焦等現象．要達到爐內的熱量平衡，首先在設計時必須確定進人燃燒室內的燃料在下、中、上各部的燃燒份額。如果在燃料各部位的燃燒份額分配不合理，過大或過小，就必然會造成局部物料溫度過高甚至結焦，或者局部溫度太低，受熱面吸收不到．所需的熱量，從而影響鍋爐的出力。目前，已投運的循環流化床鍋爐在運行中發生結焦和達不到額定負荷的主要原因之一，正是鍋爐設計時燃料燃燒份額分配得不盡合理，或燃料種類、粒徑發生變化后，運行中燃燒調整不當，致使燃料燃燒份額分配未達到設計要求。譬如，某臺循環流化床鍋爐由于煤種的變化和燃煤顆粒較粗，一、二次風配比也不合理，以致燃料燃燒份額分配不當，下部密相區燃料燃燒份額的實際運行值大大超過了設計值，從而造成鍋爐下部燃料燃燒放出的熱量不能很快地或不能完全被受熱面（下質）所吸收、帶走，加上又無其他調節手段，導致鍋爐下部密相區溫度過高而結焦。運行中為避免結焦，不得不采用減少給煤量或增大一次風量的方法。顯然，前者必然使鍋爐負荷降低，出力不足；而后者既受風機出力的限制難使床溫降低，又會強化密相床層的燼燒．使該部分燃燒份額更大。因此，燃燒份額的確定直接影響著爐內的熱量平衡。
燃料燃燒時放出的熱量及返回物料攜帶的熱量與各受熱面工質吸熱量之間的平衡關系，是循環流化床鍋爐的一個重要的特征。只有在設計時考慮到并在運行中保持燃燒室的熱量平衡，循環流化床鍋爐才能安全、經濟、穩定運行。
4 ，熱量平衡的主要影響因素
( l ）受熱面的布置方式
受熱面的布置方式決定了循環流化床鍋爐的熱量分配。目前，在循環流化床鍋爐固體顆粒循環回路中布置受熱面的方式主要有三種：一是在爐膛內布置水冷壁受熱面或水冷壁隔墻（在早期的容量較小、參數較低的循環流化床鍋爐中經常采用）；二是在爐膛內布置較多的過熱器受熱面，以彌補僅在尾部受熱面布置過熱器而造成的過熱及再熱吸熱的不足；三是在固體顆粒循環回路上布置外置式流化床熱交換器，如Lurgi爐型。目前，上述受熱面布置的方式均有大量實際運行經驗，證明是可行的。
應該指出．上述第二種和第三種受熱面布置方式各有利弊，可根據不同的情況選用。譬如，在爐內布置屏式過熱器等必須注意磨損問題，還有，由于在負荷變化時只能調節風速或固體顆粒循環物料量以改變這些受熱面的傳熱系數，這可能會增加控制上的困難，但這種布置方式結構比較簡單。采用外置流化床換熱器結構上比較復雜，而且由于冷、熱物料的循環必須單獨控制，帶來系統控制的復雜性，但這種方案控制比較靈活，而且燃燒與傳熱分離，可以單獨調節，使二者均達到最佳；如將再熱器布置在流化床換熱器中，汽溫調節比較靈活，甚至無須噴水減溫。
( 2 ）燃料特性
首先，燃料性質決定著燃燒室最佳運行工況的選擇。髻如，若燃用高硫燃料，如石油焦、高硫煤時，燃燒室運行溫度可取850℃，以利于最佳脫硫和脫硫劑的應用；若燃用低硫、低反應活性的燃料，如無煙煤、貧煤等，燃燒室應運行在較高的床溫或較高的過量空氣下，或二者均較高，以利于達到最佳燃燒狀態。其次，煤的元素成分、揮發分含量與燃燒室運行工況相結合，決定著循環流化床鍋爐燃燒系統（燃燒室和外里式流化床換熱器等組成的主循環回路）和尾部受熱面的熱量分配。臂如，煤的發熱量高、揮發分低、灰分少，則單位質量燃料在主循環回路中的有效放熱量就大；反之，在主循環回路中的有效放熱量就小。不同種類僻料所對應的最佳燃燒室運行溫度、燃燒室出口煙氣帶出熱量和輸人熱量的比值．
由于燃料中的水分、氫含量均會對主循環回路中的放熱份額產生影響，從煤的燃燒反應可知，每1kg碳燃燒需8.89m³理論空氣量，生成8.89m³的理論煙氣量，每1kg 氫燃燒需要26.5m³，的理論空氣量，生成32.lm³的理論煙氣量。當尾部對流受熱面進口煙氣溫度和排煙溫度一定時，對于折算氫、水分低的煤種，主循環回路中的有效放熱量就增大。對于劣質燃料，如廢木片，則應有約60％的熱量需帶至尾部對流受熱面，而對于優質燃料如煙煤等，則只有40 ％的熱量帶至尾部對流受熱面。對于不同燃料，主循環回路與尾部對流受熱面的吸熱量的分配。從圖中可以看出，當燃料質量變差時，尾部對流受熱面的吸熱量增加，主循環回路的吸熱量下降。
譬如，對于常規的次高壓鍋爐，蒸發受熱面吸熱量約占50%-60%，煙氣帶走的熱量對于煙煤和無煙煤約為40%-44%，這就要求在鍋爐尾部布置一部分蒸發受熱面，一般采用流化床換熱器。
設置外置流化床換熱器可以調節主循環回路的吸熱量而不影響燃燒室的燃燒工況，當然，如果無外置流化床換熱器時，也可以通過調節燃燒室的運行工況來調節主循環回路的吸熱量。譬如，當燃料水分提高時，需要降低主循環回路的吸熱量，此時可以采用下述方法中的一個或幾個來實現：改變床層濃度（調節一、二次風比例或床內物料量）, 降低床層溫度或增加過量空氣等．但這會影響燃燒室的燃燒工況。
實際上，影響熱量分配的因素很多，如何合理實現熱量平衡，保證鍋爐安全、經濟、穩定運行是目前循環流化床鍋爐亟待解決的問題。