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流化床鍋爐二次風布置設計理念探索
時間:2019-08-27 10:46:41

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在循環流化床鍋爐設計中,二次風所在平面距離流化床鍋爐布風板距離的理論文獻很少,二次風的合理布置影響到循環流化床鍋爐的燃燒份額分布、NOx排放量、鍋爐負荷、風機能耗、密相區的流動及燃燒等。在循環流化床鍋爐設計中,二次風所在平面位置直接影響著密相區的流化速度,因此,循環流化床鍋爐二次風布置平面距布風板的高度要適當,二次風所在平面距離布風板的高度對爐膛內循環灰濃度及外循環灰濃度都有一定影響,如果二次風口與布風板距離太高,二次風平面以下流化速度比稀相區流化速度就會低很多,容易造成流化床流化不良和鍋爐帶不了負荷;反之,如果二次風口與布風板距離太低,二次風所在平面以下流化速度過高,會造成爐膛及旋風分離器內部循環物料量增加,運行控制不好,很容易造成旋風分離器溫度過高而結渣。二次風口的高度在布置上應根據鍋爐容量的大小而定,鍋爐容量大,高度距布風板的距離大,反之則小。

1二次風的設計理論分析

1.1密相區概念及二次風分層設計理論密相區是從布風板開始直到當地運行風速小于某些顆粒的終端沉降速度時,這些顆粒開始向下運動,進行爐內返混那一位置為止的一個固體顆粒濃度很大且顆粒在其內部進行強烈的擾動、燃燒的區域。

在型循環流化床鍋爐設計中部分大型循環流化床鍋爐布置三層二次風,其余布置兩層二次風,中型循環流化床鍋爐為保證次風的穿透深度、縮小中心貧氧區的范圍,一般布置兩層二次風,小型循環流化床鍋爐基于上述因素可考慮布置一層二次風,如圖1。

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1.2循環流化床鍋爐椎體段模型的設計理念循環流化床鍋爐送入的空氣一般分為一次風和二次風(有的循環流化床還設計有三次風),密相區一般都做成錐形擴口,否則密相區的流化速度就會降低,特別在鍋爐低負荷時,鍋爐會出現流化停止及床料結焦現象,同時由于密相區流化速度降低,鍋爐密相區析出的顆粒物減少,鍋爐帶負荷能力也會下降,所以循環流化床鍋爐的密相區總是采用較小的橫截面積。

在設計循環流化床鍋爐錐體的截面收縮可以采用兩種不同的方法:第一種方法是流化床下部區域采用較小的截面積,在二次風口送入位置采用漸擴的錐形擴口,擴口角度小于45°,具體的設計如圖2。

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第二種方法是在爐膛布風板上部就呈錐形擴口,這有助于提高布風板附近流化風速,以減少床內分層和大顆粒沉底的可能,具體的設計如圖3。

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1.3二次風設計關鍵數據確定

影響二次風所在平面距離布風板位置高低的影響因素很多,主要包括流化床錐體段深度、錐體段容積、循環流化床鍋爐錐體兩端面積大小及比值、煤質、料程高度、一二次風比率、煤質粒度分布、流化速度、布風板開孔率,外循環倍率、內循環倍率等,下面簡單介紹一下二次風布置影響因素之間的關系及設計理論。

1.3.1流化床一二次風率的確定及錐體段設計從考慮脫硝和降低廠用電方面考慮,二次取大值為好,但是不宜過大,因為二次風率過大,密相區的截面積就必須做的很小才能保證密相區的流化速度,這是設計循環流化床鍋爐所不允許的,同時因為錐體段截面積做的很小會導致鍋爐燃燒不穩定;從燃燒份額方面考慮,循環灰及冷的二次風都是從密相區加入,所以密相區必須有一定的燃燒份額,才能保證循環流化床鍋爐的穩定燃燒,如果一次風量取得過低,可能導致循環流化床鍋爐析出顆粒物濃度下降,鍋爐循環倍率降低,帶負荷能力下降,同時會導致大顆粒物無法燃盡,鍋爐排渣含碳量增加。綜合考慮,對于揮發份高、易燃優質煤種,一次風率一般取低值,一般取40%~60%;對于難燃、低揮發份劣質煤種,一次風率取高值。但是,每個鍋爐公司設計的一二次風率都不盡相同,因為,每個鍋爐廠家選擇的流化風速不同,密相區與稀相區各自的流化風速也不同,煤質的顆粒分布也不相同,這就導致了不同的鍋爐廠家,對于相近的煤質,選擇的一二次風率比不同,但所有鍋爐廠家總的設計理念都是保持密相區流化均勻,密相區與稀相區熱量分布均勻,表1給出了幾家鍋爐公司給出的一次風率,可供設計參考。

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在確定一二次風比率后,要根據煤質的不同考慮流化速度,流化速度確定以后,就確定了鍋爐錐體以上部分的橫截面積,然后再根據鍋爐蓄熱、料程、密相區燃燒等確定錐體體積。

一二次風率比及錐體體積確定以后,根據密相區與稀相區流化速度的數值來計算二次風的高度或者根據二次風的高度來反推錐體底部的面積大小,但都遵循原則是在到達二次風平面的流化速度與整體流化速度相差不多(密相區的流化速度略小于稀相區的流化速度),具體根據煤質好壞和煤粒分布作適當調整,保證錐體良好流化,熱量分布均勻。

1.3.2流化床密相區、稀相區流化速度的確定及對二次風的影響

循環流化床鍋爐流化速度的確定是鍋爐設計中最關鍵的問題之一,影響循環流化床鍋爐流化速度的影響因素很多,主要包括煤質、煤質粒徑、煤質平均粒徑等。流化床流化速度的設計包括密相區流化速度和稀相區流化速度,Pyroflow型循環流化床鍋爐密相區流化速度一般設計為4.0m/s~4.5m/s,稀相區流化速度一般為4.5m/s~5.5m/s,早期流化床鍋爐的流化速度取值較高,但是考慮到循環流化床鍋爐水冷壁的磨損,現在取值沒那么高了。

2流化床二次風位置設計的具體計算

2.1流化床二次風位置設計循環流化床錐體段(密相區)設計的核心理念是保證密相區流化良好及密相區與稀相區燃燒放熱分配均勻,并且燃燒穩定。流化床錐體段的具體結構計算如圖4、5。

對循環流化床鍋爐的錐體相關參數做以下假設:

1)流化床鍋爐錐體錐角分別為:α、β。

2)流化床鍋爐低部(布風板)長、寬:amm×bmm。

3)第一層二次風距離布風板距離:h1/mm。

4)第二層二次風距離布風板距離:h2/mm。

5)流化床錐體最大擴口處長寬:a3mm×b3mm。

循環流化床鍋爐布風板面積計算如下:

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循環流化床鍋爐第一層二次風所在平面面積計算如下:

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循環流化床鍋爐第二層二次風所在平面面積計算如下:

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循環流化床鍋爐稀相區橫截面積計算如下:

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循環流化床鍋爐稀相區橫截面積與布風板及兩層二次風所在平面的面積比計算如下:

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假設循環流化床鍋爐設計風量:一次風量為Q1,二次風量為Q2。

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D1-一次風率比;D2-二次風率比。D1=40%~60%,根據煤質的不同取不同值,對于難燃、低揮發份劣質煤D1取高值,對于易燃、高揮發份煤D1取低值,具體的設計值參考1.3.1的設計原則及數值。假如二次風兩層布置,第一層二次風量為Q3,那么,第二層二次風量為Q2~Q3,一般情況下第一層二次風量與第二層二次風量大致相等。

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D3-第一層二次風率比;D4-第二層二次風率比。D3,D4的取值要根據煤質、鍋爐運行穩定、蓄熱能力、流化速度等進行確定。一次風量、一次風量加第一層二次風量與總風量的比,具體計算如下:

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假設密相區的流化風速為V1,稀相區的流化速度為V2。

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具體V1、V2的設計值參考1.3.2。X的值小于1,因為密相區的流化速度一般低于稀相區流化速度,不同的設計者設計數值不同。

風量與面積比:

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F1、F2的取值范圍為95%~100%。

2.2 h1、h2取值的分析及影響

2.2.1 h1、h2取值的分析

對于揮發份高易燃煤種h1、h2取高值,對于揮發份低難燃劣質煤種h1、h2取低值。對于平均煤粒徑較小的煤種h1、h2取高值,對于平均煤粒徑較大的煤種h1、h2取低值。

在鍋爐調試過程中,假如在滿足鍋爐負荷及煙氣含氧量情況下,一次風比率高于額定值,那么可以通過減小h1、h2的取值,來降低一次風比率,相反,在滿足鍋爐負荷及煙氣含氧量情況下,一次風比率低于額定值,那么可以通過增大h1、h2的取值,來提高一次風比率,從而使鍋爐設計更加合理。

2.2.2 h1、h2取值過大、過小的影響

如果h1、h2取的值過高,會導致密相區流化速度過低導致流化不良,密相區析出細顆粒較少,密相區燃燒份額增加,稀相區的燃燒份額下降,循環物料量降低,鍋爐帶不起負荷。

如果h1、h2取的值過低,會導致密相區流化速度過高,一次風機能耗增加,同時密相區的燃燒份額下降,密相區燃燒溫度降低,鍋爐運行不穩定,鍋爐磨損增加。

密相區合理的流化速度是整個循環流化床熱量分布均勻的前提,是循環流化床經濟運行的核心。

3結論

煤質對循環流化床鍋爐二次風的設計至關重要,密相區和稀相區的熱量分布與循環流化床鍋爐的一二次風率比及鍋爐的流化速度密切相關。

1)對現有循環流化床鍋爐入爐煤質在發生較大變化時,為能滿足鍋爐設計負荷,可以從以下幾方面考慮改造鍋爐:a)燃燒揮發份高、易燃、灰分低的煤種時,循環流化床應降低一次風率,提高二次風率,為滿足密相區流化要求,可以縮小錐體段橫截面積或者適當降低二次風布置平面到布風板的距離。b)燃燒揮發份低、難燃、灰分高的煤種時,循環流化床應加大一次風率,降低二次風率,使鍋爐的熱量分布均勻。密相區溫度過低或鍋爐運行不穩定時,可以適當增加二次風布置平面到布風板的距離,以保證密相區蓄熱增加,運行穩定。

2)對于設計循環流化床鍋爐,為了使鍋爐密相區與稀相區燃燒穩定,可以通過所提的公式對設計參數進行適當調整,使循環流化床鍋爐設計更加合理,密相區與稀相區溫差在設計范圍內,鍋爐煙氣含氧量在設計范圍內(3%~5%)。


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