循环流化床锅炉机组控制Automation Control in CFBB Unit徐昌荣张小辉2000．5北京和利时系统工程股份有限公司Beijing HollySys Co., Ltd第一章循环流化床锅炉一、前言目前工业世界正在面临三个严重问题：能源(En e rg y)、环境(E nv i ro nm en t)、经济(E c on om y)，即三“E”问题。
流态化燃烧技术正是解决三“E”问题的有力工具。
现在世界各国已认识到采用循环流化床锅炉能经济地解决能源和环境保护问题。
因此各工业发达国家对循环流化床(C F B)锅炉技术的开发、研制都给予很大的重视。
世界各国对环境保护的要求日趋严格，由于煤粉炉对所用燃料品质要求高(发热量和挥发分必须大于一定值，否则难以燃烧)且脱硫装置的投资和运行、费用昂贵(如尾部烟气脱硫装置的投资要占发电机组总投资的15～20%)，传统煤粉燃烧锅炉受到严重挑战。
应运而生的循环流化床锅炉具有两段低温燃烧、强化传热、燃料适应广以及负荷调节范围大能减少NOx（N O、N O2的总称）生成量和加入石灰石脱硫的优点，更适应目前的环保要求。
现在世界已有50多家公司提供循环流化床锅炉产品，对锅炉设计，各个公司和制造厂对循环流化床锅炉制造技术已提供大量的数据资料，而对循环流化床锅炉控制系统设计与运行方面的资料确很少。
至今，国内一些循环流化床锅炉机组由于控制系统设计的缺陷和运行人员对循环流化床锅炉燃烧过程了解不够而造成一些事故和自动投入率低。
另外，还存在因对循环流化床锅炉的控制不够熟悉，而造成启动延迟、水冷壁爆管等问题。
实际上还有许多是由于确乏对运行人员的培训造成的。
循环流化床锅炉是在沸腾炉基础上发展起来的，它完全是一种‘反应器’，其性能与常规煤粉炉不同，其原因之一是它的燃烧室内的床料具有相当大的惰性和蓄热能力，如果采用常规煤粉炉运行经验的控制手段来控制、监视循环流化床锅炉，那就势必会导致事故发生。
故此必须对循环流化床锅炉的控制环节要完全了解，才能确保证循环流化床锅炉机组安全、可靠、经济的运行。
二、循环流化床1、流态化过程当流体流过固体颗粒时，两者之间产生相互作用，即表面力和体积力。
当流体向上穿过原来静止固体颗粒床层时,由于流体与固体颗粒之间的作用力使流体与固体的运动状态发生变化：当流体流速较低时, 静止的固体颗粒保持原来的静止状态，流体只能由固体颗粒间隙通过；当流体流速增加到某一速度值后，固体颗粒重力不再由底板的支持力来平衡，而全部由流体的作用力来平衡，此时对于单个颗粒来讲, 它处于悬浮状态，可在床层中自由运动，就整个床层而言，具有了类似流体的性质，这种状态就被称为固体颗粒流化态，颗粒床层从静止状态转为流态化时流体的最低速度则被称为临界流化速度；当流体的流速大于临界流化速度时，固体颗粒在流体作用下开始向上作变速运动，随着流体流速的变化，固体颗粒床层的状态可分为：固定床、鼓泡床（细粒流态化）、沸腾态（湍流流化态）、密相输送态（快速流化态）、稀相输送态。
图1-1-1从流态化过程来看，随着表面观测到的流速增长，通常出现五种不同的流态化工况，这5种工况的主要特点示于下表：主要形状与特点工况流化速度u（m/s）固定床0≤u≤<u mf气体穿过静止粒子间隙流动细粒流态化u mf≤u≤u mb床均匀平稳膨胀；上界面平整清晰；细粒运动但无聚集倾向，压力波动很小。
鼓泡流态化u mb≤u≤u ms布风板区周期性形成气泡，上界面不平整，床压波动较大且无规律。
弹状流态化u ms≤u≤u k床上形成弹状气泡，床上表面升高且以一定频率规律崩溃，床压波动大而有规律。
湍流床u k≤u≤u tr气泡细小狭窄，空隙率小；粒子束往复形成与破裂，上界面不很清楚，压力振幅小。
快速流态化u≥u tr无气泡出现与存在，无上界面，粒子被输送出床顶部，必须在床底部不断加入颗粒补充替代才不致被吹成空床，颗粒在气流中的滑移速度大于单个颗粒的自由落体速度，在一定的给料速度下，流速增加，床内粒子浓度变稀。
u───流化速度；u m f───最小临界流化速度；u m b───出现气泡表观速度；u m s───出现弹状气泡速度；u k───湍流床开始表观速度；u t r───出现气力输送表观速度。
2、流化床的特点当流体的流速大于临界流化速度，固体颗粒浓度可以区分为密相区和稀相区，此时称为流化床。
流化床有类似流体的性质，主要表现为：(1)在任一高度的静压近似等于在此垂直高度上单位床截面内固体颗粒的重量；(2)无论床层如何倾斜,床表面总是基本保持水平；(3)床内固体颗粒可以象流体一样从底部或侧面的孔口中排出；(4)密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉,密度小的物体会浮在床面上;(5)床内颗粒混合良好,当加热床层时, 整个床层的温度基本均匀。
3、循环流化床的特点当流化床中被流体带走的固体颗粒经过返料装置再返回到流化床中时，便形成循环流化床，循环流化床具有以下特点:(1)不再有鼓泡流化床时清晰的界面,固体颗粒充满整个空间;(2)有强烈的物料返混、扬析现象;(3)颗粒与流体之间的相对速度变大；(4)床层空隙率和颗粒循环流量与流体流速有关;(5)床层压降随气流速度和固体颗粒的质量流量有关;(6)高流速、强烈颗粒返混、良好横向混合使得整个空间内温度分布趋于均匀;一、循环流化床锅炉1、流化床锅炉发展过程随着经济的发展，现代化工业生产对能源的需求量大量增长，由此也导致了环境污染日益严重。
如何解决能源、减少环境污染，是当今世界各国人民面临的难题。
燃煤是当今人类获得能源的主要手段之一，如发电、供热。
而燃煤设备排出的烟气、粉尘是大气污染的主要来源之一，若能尽量减少烟气中有害物质的成分排放量，将有助于降低环境污染。
同时随着煤量的大量利用、煤质越来越差，对高灰分煤、高硫煤、高氮煤、低热值煤的综合利用，是目前解决能源问题的主要方面之一。
循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed Boiler, CFBB)采用低温分段燃烧，可以有效降低NO X的生成量；同时，通过向CFBB床内加入脱硫剂，CFBB烟气中SO2的含量也大大降低；再有，CFBB的物料分离设备及返料设备使固体物料返回炉膛，从而加强了燃烧对燃料的适应性等特点。
因此，CFBB是解决能源、污染问题的主要手段之一。
自问世以来世界国家对CFBB非常重视并大力推广，在工业锅炉（电站锅炉、供热锅炉等）领域得到了广泛应用。
循环流化床燃烧方式由流化床燃烧方式发展而来，流化床燃烧是介于层燃燃烧和煤粉燃烧之间的一种燃烧方式。
层燃燃烧燃烧效率低，煤粉燃烧燃烧效率高，但排放物有害物质含量高。
流化床燃烧克服了二者的缺点，保留了它们的优点，是一种洁净高效的燃烧方式。
流化床燃烧技术的研究最早可追溯到1921年，当时Fritz Winkler建立了一个小型流化床燃烧试验台，用于流态化技术的试验研究；60年代第一台常规流化床锅炉投入运行，由于常规流化床锅炉飞灰大未完全燃烧损失较大，燃烧效率不高，于是能够收集飞灰进行再循环燃烧的循环流化床技术便应运而生；1979年芬兰Ahlstrom公司开发的第一台蒸发量为20t/h的循环流化床锅炉投入运行；1982年德国Lurgi公司的84MW循环流化床锅炉投入运行；1985年德国Babcock公司270t/h循环流化床锅炉投入运行。
至今为止，单机发电能力为250MW的循环流化床锅炉已在法国成功运行，单机容量为300MW-600MW的大容量循环流化床锅炉也在研制之中。
另外，国际上还在发展增压流化床燃烧技术。
我国从八十年代开始进行循环流化床燃烧技术的研究，现已有几百台容量从35t/h至410t/h的循环流化床锅炉在现场成功投运。
2、流化床锅炉特点（1）、循环流化床锅炉的主要运行工作条件：温度（℃）850~950流化速度（m/s）4~6床料粒度（μm） 100~700床料密度（kg/m3）1800~2600燃料粒度（mm）< 12脱硫剂粒度（mm）~ 1床层压降（kPa）11~12炉内颗粒浓度（kg/m3）150~600(炉膛底部)10~40 (炉膛上部)钙/硫比 1.5~4壁面传热系数（W/m2.K）210~250（2）、循环流化床锅炉结构特点循环流化床锅炉大体可分为两个部分：第一部分由炉膛(快速流化床)、气固分离设备、固体物料再循环设备和外置热交换器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成了固体物料循环利用回路。
第二部分为对流烟道,布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等部件组成了一个换热区域，这部分与常规煤粉锅炉燃烧锅炉相近。
图1-2-1为一个典型循环流化床锅炉系统的示意图。
燃烧所需的一次风和二次风分别由一次风机和二次风机经空预器从炉膛的底部布风室和侧墙管道送入炉膛；物料（燃料、石灰石等）由给煤机（一般两级给煤机）从炉膛侧面加入炉膛；返料由高压风机的高压风从炉膛侧面进入炉膛。
炉膛四周则布置有水冷管用于吸收燃烧所产生的部分热量，由高温气流经过尾部烟道的换热器进行热交换，利用热能。
（3）、循环流化床锅炉燃烧基本特点A、循环的低温动力燃烧循环流化床燃烧是炉内高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的密集粉体密切接触，并具有大量粒子成团返混回流的流态化燃烧反应过程，是非常复杂的物理-化学过程; 同时，在炉外将绝大部份高温的固态颗粒捕集,并将它们送回炉内再次参与燃烧过程。
如此反复循环地燃烧，显然燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。
在这种方式下，考虑到脱硫、脱氮的因素，炉内温度一般约850℃左右。
这样的温度水平与普通煤粉炉相比,属低温燃烧水平,在灰熔点温度以下很多, 这就免去了灰熔化带来的烦恼。
这种“低温燃烧”方式，其好处甚多，诸如炉内结渣及碱金属物析出均比煤粉炉中要改善得多，对灰特性的敏感性减低，也毋须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺等。
从燃烧反应动力学角度看，循环床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区)内，循环床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要应取决于化学反应速度，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速度的主导因素。
循环流化床锅炉内燃料的燃烬度很高, 通常性能良好的循环床锅炉燃烧效率可达98~99％以上。
B、高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化过程循环流化床锅炉内的固体物料(包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等)经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。
同时在前面介绍快速流态化的特点时我们也介绍了炉膛内固体物料的内循环, 因此循环流化床炉内的物料参于了外循环和内循环两种循环运动。
为了使炉膛内的物料流动起来，需要高速度的流体，而炉膛内物料参于了外循环和内循环两种循环运动使炉膛内的物料颗粒浓度大，整个燃烧过程是在物料、流体高通量循环运动的动态过程中逐步完成的。
