CFB锅炉特点和类型介绍

循环流化床锅炉的特点及类型介绍【摘要】简要介绍目前典型的循环流化床锅炉的结构及特点。

【关键词】循环流化床锅炉1．CFB锅炉发展概述循环流化床锅炉燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术。

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；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。

由于CFBB具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点，自问世以来世界各国对循环流化床技术非常重视并大力推广，在石油、化工、能源、环保等工业领域得到了广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉也已被发电行业所接受。

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-400吨级的循环流化床锅炉在现场成功投运。

2．CFB锅炉特点2．1 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）210~2502．2 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图1 循环流化床锅炉系统图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。

2．3 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。

C、高强度的热量、质量和动量传递过程在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变循环物料量的多少并且还可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。

在这种方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀，运行实践也充分证实了这一点。

3．循环流化床锅炉的主要优缺点3．1循环流化床锅炉与常规锅炉相比具有如下优点：对燃料的适应性好只要所用燃料的热值足以把燃料和空气升温到稳定燃烧所需温度，该燃料就能在CFBB中稳定燃烧。

当燃料热值大于CFBB所需最低热值时，可以通过改变一、二次风量分配和返料量来控制炉床的吸热份额，从而达到稳定运行的要求。

CFBB既能烧高挥发份及高热值的优质煤，也能烧高灰份、低热值的劣质煤，甚至还可以烧煤矸石及垃圾。

燃烧效率高常规工业锅炉和普通流化床锅炉燃烧效率不高，仅为85％－90％。

循环流化床锅炉由于采用飞灰再循环燃烧，其锅炉燃烧效率可达95％－99％。

燃烧劣质煤时，燃烧效率比煤粉炉高5%。

燃烧热强度高采用飞灰再循环燃烧，提高了锅炉的炉膛截面热强度和容积热负荷。

常规流化床锅炉的截面热强度和炉膛容积热强度分别为1－3MW/m2和0.1－0.2MW/m3，而CFBB的截面热强度和炉膛容积热强度分别为3－8MW/m2和0.16－0.32MW/m3，大约是煤粉炉的10倍。

脱硫效果好由于石灰石脱硫的最佳反应温度在850℃左右，而CFBB炉床温度一般控制在850℃－900℃之间，加上飞灰再循环可进一步提高脱硫效率，故当Ca/S为1.5－2.0时，CFBB脱硫率可达到85%－90%。

NO X排放量低由于CFBB采取分段低温燃烧方式，炉膛温度一般控制在800℃－900℃之间，NO X的生成量明显减少，其排放浓度一般为100－200ppm，远低于常规煤粉炉的排放量500－600ppm。

负荷调节性能好锅炉需要改变负荷时，可通过调节给煤量、一次风量、二次风量、流化风速及返料量来实现。

一般情况下，CFBB热负荷变化范围为25％－100％，其变化速率可达到5％－10％/min。

3．2CFBB存在的缺点风机电耗大返料所需高压风机的风压大，电耗高。

热惯性大高温旋风分离器和返料装置具有笨重的耐火材料内砌体，冷热惯性大，给机组快速启停带来困难。

漏灰严重由于CFBB炉膛内采用微正压燃烧，高温旋风分离器也采用局部正压，因此漏灰严重。

4．循环流化床锅炉系统组成尽管循环流化床锅炉结构形式多种多样，但其原理相差不大，系统组成也基本相同，图1为一种典型的循环流化床锅炉系统图。

循环流化床锅炉由布风装置、密相区、稀相区、炉内受热面、气固物料分离装置、固体物料再循环装置(返料装置)、尾部受热面及床外热交换器等部分组成。

煤和石灰石通过给料装置送入炉膛内，与从布风板下部送入的一次空气和从炉膛中上部送入的二次空气进行燃烧反应。

燃烧产物及颗粒较小的未燃物质随气流携带进入气固分离装置，颗粒较大的未燃物质则在床层上面上、下运动，与床料一起成沸腾状态，构成循环流化床锅炉的密相区。

密相区上面的炉膛空间即为稀相区。

炉膛排出的气固混合物经上部烟道进入气固分离装置，经分离装置分离后的气体进入尾部烟道。

分离器出来的固体物质有的经返料装置直接进入炉膛再次燃烧，有的还要经过床外换热器冷却后再进入炉膛进行燃烧，以达到调节床温的目的。

循环流化床锅炉炉膛内一般都布置炉内受热面，以吸收燃料燃烧所释放的热量。

为了进一步吸收烟气热量及降低排烟温度，与煤粉炉一样，循环流化床锅炉尾部布置有过热器、省煤器及空气预热器等尾部受热面。

另外，有的循环流化床锅炉还设置有床外热交换器。

4．1布风装置布风装置由布风板、一次风室及风帽组成。

一次风经过空气预热器加热后进入一次风室，然后通过布风板上的小孔和风帽进入炉床上面，与给煤及返料混合、燃烧。

床料以布风板为支撑，一次风通过布风板对床料、燃料及石灰石产生向上的推动力，建立流化状态，使床料、燃料、石灰石在床层上强烈掺混，进行剧烈的燃烧及传热过程。

另外，一次风还提供燃料初期燃烧所需的空气。

布风装置是循环流化床锅炉的重要组成部分。

流化状态的建立、流化质量的好坏及燃烧工况稳定与否都与布风装置的结构有很大关系。

4．2密相区布风板上部床层下部的炉膛空间称为密相区。

密相区中煤及石灰石的浓度很大，燃料与空气的反应主要发生在密相区。

为了达到脱硫效果，密相区的温度一般控制在850℃－900℃。

由于密相区中只送入部分助燃空气，故该区燃烧反应处于还原性气氛中。

燃料中的大颗粒物质在重力的作用下在密相区进行上、下往返运动，不断地与空气发生反应。

当颗粒尺寸减小到一定程度时，气流对颗粒的气动力大于颗粒的重力及运行阻力，颗粒进入稀相区继续燃烧。

4．3稀相区床层上部的炉膛空间称为稀相区。

炉膛中的细颗粒在床层表面被气流夹带进入稀相区。

二次风在稀相区送入炉膛，使燃料在炉膛内形成强烈的气旋运动，气固两相流混合充分，燃料和空气发生强烈的燃烧反应。

在稀相区送入二次风，可以保证循环流化床锅炉内燃料后期燃烧完全。

燃烧放出的热量与炉膛中的换热面进行热量交换，使换热面中的工质逐步升温以满足要求。

炉膛中除布置有水冷壁外，有的循环流化床锅炉在稀相区还布置有各种对流及辐射受热面。

4．4炉内受热面炉内受热面包括膜式水冷壁和过热器，是CFBB吸收燃烧放热并把水变成蒸汽的主要环节。

不同形式的CFBB其炉内受热面的数量及布置方式不完全相同。

4．5气固分离装置从CFBB炉膛出来的烟气中含有大量未燃煤颗粒，若不把这些未燃燃料从烟气中分离出来，不仅影响燃烧效率，而且会对尾部烟道及尾部受热面造成十分严重的磨损。

因此，CFBB在常规流化床锅炉的基础上增加了气固分离装置及返料装置，以把未燃颗粒从烟气中分离出来并送入炉膛继续燃烧。

气固分离装置是CFBB的关键部件之一，它的形式及数量决定了锅炉整体布置的形式和紧凑性。

它的性能对燃烧室的气动特性、传热特性、循环倍率、燃烧效率及锅炉出力等参数都有重要影响。

同时，气固分离装置的分离效果也直接影响CFBB负荷的调节范围。