循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器

1、淺析循環(huán)流化床外置式換熱器學(xué)院:*班級(jí):*學(xué)號(hào):*姓名:*摘要:循環(huán)流化床鍋爐大型化過程中,外置式換熱器是一個(gè)不可回避的問題。此論文中論述了循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器發(fā)展現(xiàn)狀、特性及其必要性,通過對(duì)當(dāng)今循環(huán)流化床鍋爐大型化進(jìn)程中外置式換熱器的分類介紹,總結(jié)了各個(gè)種類外置式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).介紹了循環(huán)流化床鍋爐外置式換熱器流動(dòng)及傳熱的研究現(xiàn)狀及成果.提出了外置式換熱器流動(dòng)和傳熱研究過程中需要注意的幾個(gè)問題。關(guān)鍵詞:循環(huán)流化床外置式換熱器引言循環(huán)流行化床鍋爐技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)高效低污染清潔燃燒枝術(shù)。國際上這項(xiàng)技術(shù)在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物處理利用等領(lǐng)域已得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用,并向幾十萬

2、千瓦級(jí)規(guī)模的大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展;國內(nèi)在這方面的研究、開發(fā)和應(yīng)用也逐漸興起,已有上百臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行或正在制造之中。未來的幾年將是循環(huán)流化床飛速發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期。在循環(huán)流化床鍋爐問世之初,世界上主要有兩大循環(huán)流化床技術(shù)流派,即魯奇型和奧斯龍型,而二者主要區(qū)別在于前者在燃燒室外設(shè)置了外置式換熱器。所謂外置式換熱器就是將爐內(nèi)的一部分受熱面移至爐外,布置在循環(huán)流化床灰循環(huán)回路上的一種熱交換裝置。外置換熱器的功能是將部分或全部循環(huán)灰(取決于鍋爐的運(yùn)行工況和蒸汽參數(shù)載有的一部分熱量傳遞給一組或數(shù)組受熱面,同時(shí)兼有循環(huán)灰回送功能。其通常是由一個(gè)灰分配室和一個(gè)或若干個(gè)布置有浸埋受熱面管束的床室組

3、成。這些管束按灰的溫度不同可以是過熱器、再熱器或蒸發(fā)受熱面。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入外置式換熱器和返料裝置的循環(huán)物料流量的比例,實(shí)現(xiàn)對(duì)床溫控制和汽溫的控制。與不帶外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐相比,外置式換熱器使燃燒和傳熱分開,大大提高了床溫、汽溫調(diào)節(jié)和鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性。他尤其有利于鍋爐受熱面的布置,特別是再熱器的布置,易于循環(huán)流化床鍋爐的大型化。但外置式換熱器使循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制系統(tǒng)復(fù)雜化,投資增加,因此它在中小容量循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用并不占優(yōu)勢。一、外置式換熱器的發(fā)展及現(xiàn)狀在循環(huán)流化床鍋爐研制初期,一些有遠(yuǎn)見的研究者就提出了在分離器與爐膛之間裝置熱交換器的設(shè)想,其目的是為了更好地控制床

4、溫。世界上最早的商用循環(huán)流化床鍋爐,1982年投運(yùn)的德國魯奇公司的50t/h 循環(huán)流化床鍋爐就裝備了外置式換熱器,并且它后來成為魯奇型循環(huán)流化床鍋爐最具特色和個(gè)性的部分。但是,初期的魯奇型循環(huán)流化床鍋爐因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高而缺乏市場競爭力。就外置式換熱器而言,它要求回料閥具有灰量調(diào)節(jié)能力。高難度的回料系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了用戶對(duì)其可靠性的擔(dān)憂。并且,由于外置式換熱器置于爐外,它對(duì)鍋爐膨脹和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都提出了新的要求。二十世紀(jì)八十年代中后期,芬蘭奧斯龍公司在循環(huán)流化床領(lǐng)域異軍突起,它針對(duì)初期魯奇型循環(huán)流化床鍋爐存在的問題,推出了Pyflow型循環(huán)流化床鍋爐。它的特點(diǎn)是取消了外置式換熱器,回料灰全部直接

5、進(jìn)入爐膛,在爐膛上部布置有輻射式受熱面。Pymflow型循環(huán)流化床鍋爐以其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、性能可靠而迅速打開了市場,并成為20世紀(jì)80年代中期至90年代初循環(huán)流化床鍋爐市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。同時(shí),德國拔伯葛(Babcock公司推出了以中溫分離和低倍率循環(huán)為主要特征的Ciofluid型循環(huán)流化床鍋爐,它同樣也取消了外置式換熱器。以Pyroflow型為代表的低成本循環(huán)流化床鍋爐(無外置式換熱器,在中小型燃煤鍋爐的市場中已具有一定的優(yōu)勢。但是,在大型化過程中,這種循環(huán)流化床的結(jié)構(gòu)面臨難以克服的困難,這些困難主要是:蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面平衡布置的困難;床溫難以控制;再熱汽溫缺乏調(diào)節(jié)手段;燃料適應(yīng)性范圍不

6、廣等。這些困難有一些是可以克服的,但是在克服其中一些困難的同時(shí),另一些問題變得更加難以解決。與此同時(shí),采用魯奇公司技術(shù)的法國ALSTOM公司、原美國ABB-CE公司為了適應(yīng)循環(huán)流化床鍋爐大型化的需要,對(duì)外置式換熱器的技術(shù)完善化作了不懈的努力。美國福斯特惠勒公司在其大型鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)上,獨(dú)立發(fā)展了循環(huán)流化床鍋爐,在大型化過程中,參照了各方經(jīng)驗(yàn),并收購了奧斯龍公司后,也對(duì)外置式換熱器作了很多研究和改進(jìn)。1995年11月,由法國ALSTOM公司制造的250MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐在普羅旺斯Gardanne電廠正式投入商業(yè)運(yùn)行,在該機(jī)組中裝備了4個(gè)外置式換熱器。ALSTOM公司還計(jì)劃在6001V研機(jī)組

7、中使用6個(gè)外置式換熱器,并將外置式換熱器大型化。所有這些無疑預(yù)示著外置式換熱器在大型循環(huán)流化床鍋爐中的美好前景。二、發(fā)展外置式換熱器的必要性1、有利于受熱面布置、磨損低隨著鍋爐容量的增加,爐膛水冷壁受熱面面積與爐膛容積之比將減小,當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐的容量超過220t/h時(shí),單靠在爐膛內(nèi)布置水冷壁就很難保證合理的爐膛出口溫度。對(duì)此,Pymflow型鍋爐的做法是在爐膛上部(即煤粉爐屏式受熱面的位置布置附加受熱面。但是,布置于爐膛上部的受煙氣和粒子流沖刷的附加受熱面成為鍋爐內(nèi)磨損最嚴(yán)重的區(qū)域。為減少磨損,Pymflow型鍋爐不得不采用價(jià)格極其昂貴的異型管(即所謂“Q管”從而失去了其價(jià)格優(yōu)勢。并且,附加

8、受熱面管處于熱強(qiáng)度很高的區(qū)域,而吸熱量又是不可控的,這不僅不利于變工況運(yùn)行,而且對(duì)其傳熱量計(jì)算的精確性提出了更高要求。如果使用外置式換熱器,受熱面布置就容易得多了。通過外置式換熱器對(duì)分離灰的冷卻,可有效控制床溫和爐膛出口溫度。外置式換熱器其實(shí)是一個(gè)弱流化床,它的流化速度很低(0.5m/s以下,粒子較細(xì)(平均粒徑300m500m,所以它不存在嚴(yán)重的磨損問題。2、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好,利于污染物排放控制沒有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐在降低負(fù)荷時(shí),只能通過減少燃料量和進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行。但是,此時(shí)爐膛水冷壁的吸熱量不可能按比例減下來。相對(duì)較多的吸熱量會(huì)使床溫下降,導(dǎo)致燃燒反應(yīng)和脫硫反應(yīng)不完全,效率下降。另外,過

9、熱蒸汽溫度也不易保持。而帶有外置式換熱器的系統(tǒng),在降低負(fù)荷時(shí),在減少燃料量和進(jìn)風(fēng)量的同時(shí),可適當(dāng)減少通過外置式換熱器的循環(huán)灰量,使回灰溫度上升,從而補(bǔ)償了此時(shí)爐膛水冷壁相對(duì)較多的吸熱量,使床溫相對(duì)穩(wěn)定。因此,它在低負(fù)荷時(shí)仍然有良好的運(yùn)行工況。穩(wěn)定的床溫和燃燒工況對(duì)穩(wěn)定控制N0 S0 、C0、CH 等污染物的排放也是極其重要的。3、良好的汽溫調(diào)節(jié)性能大型鍋爐的蒸汽溫度,尤其是再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)性能是衡量鍋爐性能指標(biāo)的重要方面。以l'ym.floW為代表的沒有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐,在爐膛出口處附加受熱面的吸熱是不可控的,因此,汽溫調(diào)節(jié)只能在煙氣溫度相對(duì)較低的尾部煙道完成,調(diào)節(jié)的靈敏

10、度較低。而在帶有外置式換熱器的系統(tǒng)中,可分別在外置式換熱器內(nèi)布置過熱器和再熱器,通過控制流過其中的循環(huán)灰量調(diào)節(jié)過熱汽溫和再熱汽溫。它的調(diào)節(jié)方式簡單靈敏度高、操作性能好。可以認(rèn)為,帶有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐具有良好的汽溫調(diào)節(jié)性能。4、燃料適應(yīng)性好對(duì)于任何燃料,包括常規(guī)燃燒方式難以燃燒的燃料,都可以進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐的特殊設(shè)計(jì),使之有效燃燒,并滿足鍋爐的各項(xiàng)性能參數(shù)。而一旦一臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)完成,因受受熱面布置方式的限制,它的燃料是有限的,它只能燃燒與設(shè)計(jì)燃料相同或相近的燃料,否則,鍋爐的出力和汽溫難以保證。因此,如何在一臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐上提高其燃料適應(yīng)性仍是一個(gè)要不斷探索的課題。帶有外

11、置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐在燃料變化時(shí),可以通過改變外置式換熱器的吸熱量來調(diào)整鍋爐輻射吸熱和對(duì)流吸熱的比例,從而在維持最佳床溫的條件下達(dá)到鍋爐出力和汽溫等參數(shù)的要求。因此,可以說,帶有外置式換熱器的循環(huán)流化床鍋爐具有良好的燃料適應(yīng)性。5、傳熱性能好在外置式換熱器內(nèi),幾乎充滿了900左右的高溫粒子,因此熱強(qiáng)度極大,傳熱效果很好。根據(jù)ABBCE的資料介紹,與爐膛上部屏式受熱面相比,外置式換熱器的受熱面積可減少3/4以上。6、耐腐蝕性好在燃燒腐蝕性燃料,特別是城市垃圾和工業(yè)垃圾時(shí),在某一溫度區(qū)段(金屬管壁溫度在500左右會(huì)發(fā)生HCI氣體腐蝕。因此,這類鍋爐面臨的最大難題是無法提高蒸汽參數(shù)。而采用外置

12、式換熱器就可以很好地解決這個(gè)問題,因?yàn)橥庵檬綋Q熱器內(nèi)的受熱面不與腐蝕性煙氣接觸,可將金屬壁溫在腐蝕性區(qū)段的受熱面安置在其內(nèi),從而避免腐蝕性氣體對(duì)受熱面的侵害。三、外置式換熱器設(shè)計(jì)運(yùn)行中的幾個(gè)問題1、鍋爐過熱器噴水容量的影響對(duì)于依靠過熱器外置床來調(diào)節(jié)床溫的循環(huán)流化床鍋爐,為了滿足鍋爐過熱和再熱蒸汽參數(shù)的要求,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,過熱器受熱面必須具有一定的裕度,也就是說在鍋爐設(shè)計(jì)工況下過熱器要有一定量的噴水。這個(gè)裕度的選取要根據(jù)燃用的設(shè)計(jì)燃料、校核燃料和設(shè)計(jì)單位對(duì)爐膛傳熱計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)情況來進(jìn)行合理選取。裕度過大,對(duì)爐膛溫度、傳熱的調(diào)節(jié)能力越大,但噴水管路系統(tǒng)成本增加,鍋爐大量噴水,尾部對(duì)流受熱面流量減小,

13、傳熱效果降低和受熱面成本增加,同時(shí)排煙溫度高,對(duì)流受熱面壁溫升高。因此,在設(shè)計(jì)中要統(tǒng)籌兼顧,合理選擇。2、外置床受熱面布置的影響依靠過熱器外置床對(duì)床溫的調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)范圍是有限的,對(duì)于現(xiàn)代大型的循環(huán)流化床鍋爐,要求鍋爐對(duì)煤種的變化有較好的適應(yīng)性,同時(shí)要求鍋爐具有良好的調(diào)峰。因此,在外置式換熱器中同時(shí)布置過熱器受熱面,再熱器受熱面和蒸發(fā)、預(yù)熱受熱面(省煤器受熱面,可以使鍋爐各部分受熱面的吸熱量通過外置床進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)。從理論上分析,只要這三種受熱面在外置床中合理地分配,鍋爐可以在靈活調(diào)節(jié)床溫的同時(shí),過熱器和再熱器都無須噴水就能夠滿足汽溫參數(shù)要求。 更具有意義的是， 如果外置床中布置有一定份額的蒸發(fā)

14、受熱面或省煤器受 熱面， 則鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可通過減少蒸發(fā)受熱面的吸熱來提高低負(fù)荷運(yùn)行 時(shí)的床溫， 并使再熱蒸汽和過熱蒸汽參數(shù)滿足汽機(jī)要求，增強(qiáng)鍋爐低負(fù)荷定壓運(yùn) 行的能力。特別是循環(huán)流化床鍋爐在燃用無煙煤、貧煤等著火性能差的燃料時(shí)， 可大大提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的能力。 3、外置式換熱器熱量分配的影響 關(guān)于每個(gè)外置床中布置多少份額吸熱量的問題，國際上不同流派根據(jù)爐型 的不同而有所不同。 經(jīng)過計(jì)算分析認(rèn)為，每個(gè)外置床合理的熱量分配要根據(jù)設(shè)計(jì) 者所預(yù)想的床溫調(diào)節(jié)范圍、 分離器的數(shù)量和每個(gè)分離器的循環(huán)灰流量以及回料器 的設(shè)計(jì)等因素來綜合考慮。當(dāng)鍋爐只在外置床中布置過熱器和再熱器受熱面時(shí)， 那么鍋爐只

15、有通過調(diào)節(jié)外置床中過熱器的吸熱量才能調(diào)節(jié)床溫， 在調(diào)節(jié)過程中還 要兼顧過熱蒸汽溫度的要求， 此時(shí)調(diào)節(jié)床溫的范圍主要受到過熱器受熱面的裕度 和減溫噴水系統(tǒng)余量的限制。 在這種情況下，即使外置床換熱器中過熱器的熱量 分配再大， 床溫的調(diào)節(jié)能力受制于過熱器受熱面的裕度，對(duì)床溫的調(diào)節(jié)幅度也是 有限的。另外，外置床中受熱面的熱量分配還要充分考慮以下因素：分離器的數(shù) 量和被分離的循環(huán)物料流量； 回料器安全可靠運(yùn)行的范圍；灰控制閥的調(diào)節(jié)范圍 和調(diào)節(jié)能力。 由于灰控制在調(diào)節(jié)循環(huán)物料進(jìn)入 EHE 的過程中，對(duì)灰的調(diào)節(jié)作用除受到自 身開度的影響外， 還要受到能夠被分離器分離的循環(huán)物料流量， 回料器結(jié)構(gòu)尺寸、 回料

16、器立管料位和爐膛運(yùn)行壓力等諸多因素的影響， 因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮占 多少份額的循環(huán)灰能夠順暢地通過灰控制閥進(jìn)入 EHE，并且在調(diào)節(jié)床溫的變化 過程中，灰控制閥始終都能起到好的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)進(jìn)入 EHE 灰量在最大時(shí)，分 離器也能有足夠的循環(huán)物料量來滿足回料器正常工作， 使?fàn)t膛煙氣不返竄。 此外， 在設(shè)計(jì)中還需要認(rèn)真考慮旋風(fēng)分離器偏離設(shè)計(jì)效率的情況。 根據(jù)上海鍋爐廠的經(jīng) 驗(yàn)，進(jìn)入每個(gè) EHE 的物料在設(shè)計(jì)工況下為進(jìn)入該 EHE 的分離器物料流量的 2040是比較合理的， 太大和太小均會(huì)影響灰控制閥的調(diào)節(jié)性能。上海鍋爐 廠有限公司 200MW 循環(huán)流化床鍋爐，在 BMCR 工況下，EHE 再熱器吸

17、熱量占 再熱熱的 50左右，EHE 過熱器吸熱量占過熱熱的 30左右，進(jìn)入再熱器和過 熱器，EHE 灰量份額均為 27左右。 四、外置式換熱器發(fā)展趨勢分析 外置式換熱器的一個(gè)總體的發(fā)展趨勢：物料循環(huán)方面由傳統(tǒng)的機(jī)械閥控制 向氣動(dòng)控制發(fā)展， 材質(zhì)組成方面由傳統(tǒng)的厚耐火材料向膜式壁加薄耐火材料發(fā)展， 安裝方式方面由傳統(tǒng)的支承方式到懸吊方式再進(jìn)一步發(fā)展到現(xiàn)在的燃燒室、 外置 床一體的結(jié)構(gòu)。 對(duì)于國內(nèi)的情況，由于存在很多小機(jī)組改造成 CFBB 的問題和 CFBB 在工 業(yè)鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用問題， 使我們不光要研究外置式換熱器在大型 CFBB 上的應(yīng)用， 還要關(guān)注外置式換熱器在小型工業(yè)鍋爐及老舊鍋爐改造領(lǐng)域

18、的應(yīng)用。 1、外置式換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式：機(jī)械閥控制冷、熱灰比例的機(jī)械式外置 式換熱器(LurgiCE 型外置式換熱器；氣動(dòng)控制冷、熱灰比例的非機(jī)械式的外 置式換熱器。 2、當(dāng)前對(duì)于外置式換熟器的研究存在的幾點(diǎn)問題：外置式換熱器內(nèi)顆粒的 定向流動(dòng)問題：傳熱管束換熱的均勻性問題；不同受熱面的傳熱控制問題；不同 負(fù)荷下，過熱汽溫、再熱汽溫及床溫的協(xié)調(diào)控制問題 3、外置式換熱器灰量控制方式分為機(jī)械閥控制和氣動(dòng)控制。而現(xiàn)今的發(fā)展 趨勢是向著氣動(dòng)方向發(fā)展 外置床中的灰量流動(dòng)方式有溢流式與底流式，不同公 司根據(jù)自己不同的理念，同一公司根據(jù)用途的不同有不同的設(shè)計(jì)要求。另外，外 置式換熱器發(fā)展創(chuàng)新的過程中存在幾點(diǎn)問題，這些問題有基礎(chǔ)性的研究問題，有 運(yùn)行中的應(yīng)用問題，并且這些問題都有待我們?nèi)ミM(jìn)一步探討和驗(yàn)證 4、未來的外置式換熱器將是：輕型、氣動(dòng)、與爐膛一體式連接 五、結(jié)束語 外置式換熱器雖然已在循環(huán)流化床鍋爐上得到廣泛的應(yīng)用但對(duì)其運(yùn)行規(guī) 律、漏節(jié)與控制機(jī)理還不完全了解，設(shè)計(jì)仍然依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)。由于涉及到技術(shù) 機(jī)密， 國外很少有公開發(fā)表的外置式換熱器的研究成果，在國內(nèi)有美舶研究和開 發(fā)也起步。 面扶已投運(yùn)的外露式換熱器來看， 也出現(xiàn)過結(jié)焦、 密損、 受熱新超溫、 結(jié)構(gòu)破壞等問題，以至影響