循環(huán)流化床鍋爐爐膛布風(fēng)板漏渣原因分析

循環(huán)流化床鍋爐爐膛布風(fēng)板漏渣原因分析

流量浪費和風(fēng)險箱流量泄漏是循環(huán)流量鍋爐的一個共同問題。在通常情況下,少量漏渣是不可避免的,對鍋爐的正常運行影響不大。但如果出現(xiàn)大量漏渣,需要頻繁停機進行風(fēng)室清渣,則會嚴(yán)重影響鍋爐機組的安全與經(jīng)濟運行。某熱電廠新建450t/h循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板存在比較嚴(yán)重的漏渣現(xiàn)象,而且漏渣嚴(yán)重與否與運行狀況緊密相關(guān),具體表現(xiàn)為:在鍋爐冷態(tài)試驗階段與鍋爐啟動點火投床下油槍階段均沒有明顯漏料;但在停用床下油槍進入投煤熱態(tài)運行后漏渣嚴(yán)重,在較短的時間內(nèi)就在水冷風(fēng)室中積存大量的爐渣,漏渣的顆粒粒徑和組成的分布與排入冷渣器的底渣基本相同,而且,根據(jù)觀察,漏渣的位置并不完全固定。但是,該爐的4臺冷渣器采用同樣的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)和相同的開孔率,卻完全不發(fā)生漏渣。由于該爐布風(fēng)板漏渣嚴(yán)重,必須頻繁停爐進行風(fēng)室清除,是困擾該機組穩(wěn)定運行的主要原因之一。根據(jù)經(jīng)驗分析,爐膛布風(fēng)板工作壓降偏低應(yīng)當(dāng)是造成漏渣的主要原因,解決的主要途徑是增大布風(fēng)板的阻力。但是,對在不同工況下發(fā)生漏渣的差別很大的原因尚不清楚,在缺乏合理解釋的情況下,單純增加布風(fēng)板壓降是不合適的。本文根據(jù)流化床布風(fēng)板穩(wěn)定工作的基本原理,對爐膛布風(fēng)板在不同的工況下漏渣與不漏渣的原因,同樣布風(fēng)板結(jié)構(gòu)的冷渣器不漏渣的原因,進行了理論分析、計算和討論。1布風(fēng)板、爐硫酸鈉的開孔率該鍋爐爐膛寬14.32m,深6.71m,爐膛內(nèi)凈高度35m,下部錐段凈高度為7.447m,前后墻水冷壁與水平面相交角度為83°,下部的流化風(fēng)速設(shè)計為3.7m/s,上部為5.1m/s。爐膛底部由水冷壁彎制圍成水冷風(fēng)室,水冷風(fēng)室上部水冷壁管間布置定向風(fēng)帽(也稱為7字型風(fēng)帽),通過螺栓固定在布風(fēng)板上,并按一定的方向進行排列(圖1)。布風(fēng)板由?φ82.55mm的大口徑內(nèi)螺紋厚壁管水冷壁加扁鋼焊接而成,水冷風(fēng)室設(shè)有較薄的耐火、絕熱材料層。爐膛布風(fēng)板面積約70m2,風(fēng)帽數(shù)量為39×93,定向風(fēng)帽出口內(nèi)徑25.4mm;廠家提供的設(shè)計風(fēng)帽阻力4900Pa,計算的布風(fēng)板開孔率2.67%。冷渣器為風(fēng)水聯(lián)合冷卻,分4個倉室,單個倉室的布風(fēng)板面積為2.09m2,風(fēng)帽結(jié)構(gòu)與爐膛布風(fēng)板相同,布風(fēng)板開孔率2.7%,略高于爐膛布風(fēng)板的開孔率。在額定負(fù)荷下,設(shè)計書提供的預(yù)熱器出口一次風(fēng)量258100Nm3/h,二次風(fēng)量122400Nm3/h。根據(jù)本文計算,設(shè)計煤種的理論空氣量為5.35Nm3/h,按過量空氣系數(shù)1.2,100%負(fù)荷下一次風(fēng)量占總風(fēng)量的50%計算的一次風(fēng)風(fēng)量為193500Nm3/h,在同等條件下,60%負(fù)荷下計算的一次風(fēng)風(fēng)量為116000Nm3/h。鍋爐冷態(tài)試驗時的風(fēng)溫為52℃,投入床下點火油槍時,風(fēng)溫為800℃左右,停用床下點火油槍熱態(tài)運行時熱風(fēng)溫度為188℃。2布風(fēng)板工作壓降偏低、不穩(wěn)定問題分析布風(fēng)板的特性與流態(tài)化的質(zhì)量密切相關(guān),其設(shè)計是否合理是流化操作成敗的關(guān)鍵因素之一。流化床鍋爐的布風(fēng)裝置必須具有均勻分布來流氣流、有助于產(chǎn)生均勻而平穩(wěn)的流態(tài)化和阻力損失比較合理。由布風(fēng)板的設(shè)計原理可知:布風(fēng)板的設(shè)計壓降應(yīng)大于分布?xì)怏w臨界壓降及穩(wěn)定性臨界壓降中數(shù)值較大的一個。分布?xì)怏w臨界壓降與來流分配的均勻度有關(guān),根據(jù)對該鍋爐風(fēng)室內(nèi)流體靜壓分布的詳細(xì)檢測,風(fēng)室內(nèi)流體靜壓分布均勻,風(fēng)室設(shè)計合理,可以排除來流會出現(xiàn)較大不均勻的可能性。因此,布風(fēng)板的工作壓降足以滿足分布?xì)怏w臨界壓降的要求。當(dāng)布風(fēng)板的工作壓降偏低且不滿足穩(wěn)定性壓降時,流化床會運行在不穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2所示,對低阻力的布風(fēng)板,在某一操作氣速下,可能出現(xiàn)3個不同的工作點,導(dǎo)致床層中某些部位的氣體以u2通過,即氣流通過氣泡相發(fā)生短路(溝流),而有些部位的氣體以u1通過(死床),總壓降仍表現(xiàn)為ΔΡ。其原因顯然是由于布風(fēng)板產(chǎn)生的壓降在總壓降中所占的比例太小。對高阻力布風(fēng)板,只存在唯一的穩(wěn)定工作點,任何偏離工作點的擾動都將自動回復(fù)。當(dāng)流化床工作在不穩(wěn)定狀態(tài)時,接近布風(fēng)板的顆粒濃相區(qū)在流化床與固定床兩個狀態(tài)下隨機變換,部分風(fēng)帽在工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)之間變換,導(dǎo)致顆粒的擾動或脈動,極易發(fā)生漏料,但由于整體仍處于流化,并不會造成結(jié)渣。同時,阻力較低的布風(fēng)板,其氣體出布風(fēng)板風(fēng)帽氣流速度也會偏低(局部),不足以托住床料顆粒,也易形成局部漏料。因此,此時布風(fēng)板的工作壓降小于滿足穩(wěn)定性所要求的壓降。3床層密度d/l對穩(wěn)定性臨界壓降值的影響布風(fēng)板穩(wěn)定性臨界壓降的數(shù)值與流化床的床徑/床高的比值D/L密切相關(guān),即,床層面積不變時,穩(wěn)定性臨界壓降隨床層高度的變化而變化;而對床層高度等因素相同的2個流化床,如果床層面積不同,穩(wěn)定性臨界壓降也不同,因此,在流化床的運行中,穩(wěn)定性臨界壓降并不維持在一個固定的數(shù)值。穩(wěn)定性臨界壓降通常用布風(fēng)板壓降與床層壓降的比值來表示,即關(guān)于床徑與床層高度之比D/L對布風(fēng)板的穩(wěn)定性的影響,尚缺乏理論分析結(jié)果,但根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)結(jié)果已經(jīng)整理出穩(wěn)定性臨界壓降比Rsc與流化床徑/高比D/L之間的經(jīng)驗關(guān)系式(2)。該式反映了布風(fēng)板穩(wěn)定性臨界壓降的一般規(guī)律,但在數(shù)量上可能不完全代表該類型的布風(fēng)板,對應(yīng)的曲線見圖3所示?？梢?在床徑/高比小于10的范圍內(nèi),穩(wěn)定性臨界壓降比Rsc隨D/L的增加而增加,在床徑/高比大于10時,穩(wěn)定性臨界壓降比Rsc基本維持不變。根據(jù)流化床的當(dāng)量直徑與當(dāng)時的床層高度,由式(2)可求出穩(wěn)定性臨界壓降比Rsc,再由下式(3)計算出床層壓降:式中Lmf——床層在初始流化狀態(tài)下的高度(或厚度)εmf——床層在初始流化狀態(tài)下的空隙率ρs——床料顆粒的密度ρf——經(jīng)布風(fēng)板送入床層的氣體的密度進而求出對應(yīng)該流化床布風(fēng)板運行工況下的穩(wěn)定性臨界壓降ΔpD,能夠穩(wěn)定操作的流化床布風(fēng)板壓降必須在其所有運行工況下均大于以上計算得到的穩(wěn)定性臨界壓降值。在某一運行工況下,如果布風(fēng)板的實際工作壓降低于布風(fēng)板的穩(wěn)定性臨界壓降,將出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),從而會導(dǎo)致漏料,而在布風(fēng)板的實際工作壓降高于布風(fēng)板的穩(wěn)定性臨界壓降其它運行工況下,將穩(wěn)定工作。4冷渣器布風(fēng)板與爐硫裝置的配合性該循環(huán)流化床鍋爐爐膛流化床布風(fēng)板的當(dāng)量床徑為9.45m,床層高度在0.8~1.3m之間(啟動階段為低值,較高負(fù)荷時為高值),因此,床徑/高比為11.8~7.26(較高負(fù)荷時對應(yīng)為低值)。冷渣器布風(fēng)板的當(dāng)量床徑為1.63m,較爐膛布風(fēng)板面積小得多,床層高度在0.8~1.5m之間,床徑/高比為2.0~1.1,也小得多。因此,在與爐膛布風(fēng)板相同的布風(fēng)板結(jié)構(gòu)、相同床料與床層厚度下,冷渣器布風(fēng)板穩(wěn)定性臨界壓降比小,穩(wěn)定性臨界壓力的數(shù)值也小。因此,布風(fēng)板更容易穩(wěn)定工作。爐膛布風(fēng)板的穩(wěn)定性臨界壓力的數(shù)值大,因此在布風(fēng)板工作壓降相同時,爐膛布風(fēng)板可能不容易保持穩(wěn)定工作。5初始流化溫度對床層阻力特性的影響圖4與圖5分別為根據(jù)運行參數(shù)計算的爐膛布風(fēng)板與冷渣器布風(fēng)板的穩(wěn)定性臨界壓降隨各自床層高度變化的規(guī)律。流化氣體的溫度僅影響到式(3)中的氣體密度,對穩(wěn)定性臨界壓降的影響很小,也認(rèn)為初始流化下的床層空隙率隨溫度基本不變。圖6為該爐膛布風(fēng)板空床阻力特性曲線,其中的冷態(tài)(52℃)為現(xiàn)場實際測量得到的曲線,而180℃的曲線為在此基礎(chǔ)上換算得到的。圖7為該爐冷渣器布風(fēng)板空床阻力特性曲線,其中的52℃為現(xiàn)場實際測量得到的曲線,其余各溫度下的曲線為換算得到的。6流化床在實際床下和爐內(nèi)是否發(fā)生漏渣的問題(1)由圖4與圖6可知:在流化氣體溫度為52℃的冷態(tài)試驗條件下,爐膛床層高度較低,僅為0.7m左右,穩(wěn)定性臨界壓降值約為1.2kPa,額定負(fù)荷風(fēng)量時的布風(fēng)板實際壓降至少為1.5kPa,高于穩(wěn)定性臨界壓降值,布風(fēng)板工作穩(wěn)定,所以,漏渣的可能性較小。在投用床下油槍的工況下,流化氣體溫度達到800℃以上,布風(fēng)板的實際壓降(未繪出)遠大于流化氣體180℃時的壓降,因此也遠高于穩(wěn)定性臨界壓降值,所以不可能出現(xiàn)漏渣。在停用床下油槍后,流化氣體溫度為180℃左右,床層高度提高到1.3m左右,穩(wěn)定性臨界壓降值約為2.2kPa,額定負(fù)荷風(fēng)量時的布風(fēng)板實際壓降也約為2.2kPa,很接近穩(wěn)定性臨界壓降值。在較低負(fù)荷時,布風(fēng)板的實際壓降會進一步降低,出口風(fēng)速也降低,如果仍維持較大的床層厚度,可能會低于穩(wěn)定性臨界壓降的運行工況,因此更增加了發(fā)生漏渣的可能性。(2)布風(fēng)板下風(fēng)溫變化對風(fēng)帽小孔出口速度有明顯的影響,采用氣流攜帶顆粒的臨界直徑計算方法,可近似計算出在相同質(zhì)量流量時,不同溫度氣流攜帶的臨界顆粒粒徑。計算表明:當(dāng)溫度為200℃時,在60%負(fù)荷下,攜帶的臨界直徑為6mm;在800℃時,攜帶的臨界直徑為14mm:在30℃時,攜帶的臨界直徑為4mm。如果考慮部分風(fēng)帽出口流速不均勻,部分區(qū)域的風(fēng)帽出口風(fēng)速明顯偏低,出現(xiàn)漏渣的可能性也是存在的。另外,鍋爐運行一次風(fēng)運行風(fēng)量偏低也是一個原因。(3)由圖5與圖7可知:冷渣器流化床的穩(wěn)定性臨界壓降值大大低于爐內(nèi)流化床的穩(wěn)定性臨界壓降值。所以,在維持接近的布風(fēng)板壓降的條件下,冷渣器流化床更不容易出現(xiàn)漏料,這與實際中冷渣器基本不發(fā)生漏渣的情況是一致的。這也說明,將小尺寸流化床上得到的布風(fēng)板穩(wěn)定運行壓降的數(shù)據(jù)應(yīng)用到大尺寸流化床時需要考慮床徑/高比值對穩(wěn)定性臨界壓降的影響。7布風(fēng)板實際壓降問題布風(fēng)板工作在不穩(wěn)定狀態(tài)下時,即使可以維持流化,也會由于床層狀態(tài)的隨機變化而出現(xiàn)漏渣。布風(fēng)板的穩(wěn)定性臨界壓降數(shù)值與床徑/高度的比值密切相關(guān),布風(fēng)板的實際壓降與流化氣體的溫度有關(guān)。在冷態(tài)試驗工況下,爐膛床層高度較低,布風(fēng)板實際壓降高于穩(wěn)定性臨界壓降值,工作穩(wěn)定,漏渣的可能性很小。在床下油槍點火階段,布風(fēng)板的實際壓降遠高于穩(wěn)定性臨界壓降值,也不可能發(fā)生漏渣。在鍋爐投煤帶負(fù)荷運行時,床層高度提高,