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论循环流化床锅炉燃烧效率与热量损失摘要：循环流化床锅炉具有煤种适应性广、燃烧效率高、利于环保排放等优点，被大多数热电企业和自备电厂所应用。
尤其是近二十年，随着循环流化床技术的日益成熟和国家宏观政策调控的影响，循环流化床锅炉大型化已成趋势。
这对运行生产人员的业务理论和操作技能提出更高要求。
作者根据十几年的工作经验结合相关理论对提高循环流化床锅炉燃烧效率进行了综合论述，仅供参考。
关键词：排烟热损失；化学不完全燃烧热损失；机械不完全燃烧热损失；散热损失；灰渣物理热损失循环流化床燃烧技术作为一种新型的高效低污染清洁煤技术，具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节快等优点，在国内外都得到了迅速发展。
随着理论研究的不断创新和实际应用技术的日益完善，循环流化床燃烧技术必将发挥出更大的作用。
1 循环流化床锅炉燃烧效率与热量损失的关系循环流化床锅炉的燃烧效率一般采取反平衡法，先分析出锅炉的各项热量损失，后根据热平衡方程计算出来。
即：ηgl=[1-(q2+q3+q4+q5+q6)]×100% ηgl:锅炉效率；q2:排烟损失；q3:化学不完全燃烧损失；q4:机械不完全燃烧损失；q5:散热损失；q6:灰渣物理热损失；要提高循环流化床锅炉燃烧效率，充分保证燃料的利用率，就要努力将各种热损失降至最低。
下面我们做详细论述。
2 各种热量损失及降低措施2.1 排烟热损失q2排烟热损失为锅炉各项热损失中最大的一项，影响排烟热损失的主要因素有排烟温度、排烟量。
2.1.1 正常运行中，排烟温度不得高于设计值，排烟温度每升高15～20℃，排烟热损失将增加1%。
但排烟温度并非越低越好，排烟温度过低，烟气中部分硫分与水蒸气结合会对空气预热器及除尘器产生酸性腐蚀，故建议排烟温度尽量不要低于90℃。
2.1.2 排烟量大小取决于锅炉的总风量和锅炉的漏风量。
⑴一定的锅炉负荷对应一定的总风量。
在保证流化和床温的情况下一般用二次风机来加强燃烧。
关于循环流化床锅炉设计的主要热力参数确定摘要：文章主要对循环流化床锅炉在设计过程中所遇到的几个主要的热力参数的确定进行了分析，为其高效、节能的运行提供了一定的参考。
关键词：循环流化床热力参数确定循环流化床锅炉的基本作用是将燃料的化学能转换成蒸汽的热能，转换过程中采用了循环流化床这种气固接触燃烧方式。
最主要目的是要达到高效和低污染，但同时还要求满足经济及安全等要求。
但从研究的透彻程度讲，其发展尚处于初级阶段。
在循环流化床锅炉的设计中，经验尚是占主导地位的，对于同一种燃料，不同设计者、不同制造厂家可能采用完全不同的炉型，当然这些炉型都有可能达到一般的设计要求。
但评价一台锅炉的优劣，不仅仅是达到满足用户的设计要求，而且要求达到高效、低污染、锅炉制造费用较低、运行可靠、不需经常维修、运行费用较低等目标。
故本文主要从循环流化床主要热力参数的确定方面进行分析，为高效、节能的设计提供参考。
一、燃料特性的影响燃料特性对循环流化床锅炉的设计及运行会有很大的影响。
燃料的发热量对给料装置尺寸的确定、燃烧室、颗粒分离设备等的尺寸大小产生影响，对燃烧室、尾部受热面的热量分配产生影响；燃料的灰分对燃料颗粒尺寸的确定、排渣装置的确定及选型有较大的影响；挥发分与固定碳的含量决定了给料方式；燃料中的含硫量确定了石灰石给料系统以及灰处理系统，对床层温度的确定亦有很大的影响；灰的特性对床运行时的最高温度等有决定性的作用，床层只能在灰变形温度以下运行。
根据上述简单的讨论可知，除了一些尺寸的确定外，燃料特性对循环流化床的影响主要有二：首先，燃料性质决定了燃烧室最佳运行的工况，若燃用高硫燃料，如石油焦、高硫煤时，燃烧室运行温度可取850℃，以利于最佳脱硫和脱硫剂的应用。
若燃用低硫、低反应活性的燃料，如无烟煤、石煤等，燃烧室应运行在较高的床温或较高的过剩空气量下，或二者均较高，以利于最佳的燃烧。
第二，煤的元素成分，挥发分的高低与燃烧室的运行工况相结合，决定了循环燃烧系统（燃烧室和外置式流化床换热器等组成的主循环回路）和尾部受热面的热量分配，煤的发热量高、挥发分低、灰分少，则单位质量燃料在主循环回路中的有效放热量就大。
循环流化床锅炉炉膛热力计算引言循环流化床锅炉燃烧效率高，污染排放低，燃料适应性广，被广泛应用于蒸汽生产中。
随着循环流化床锅炉的发展，其容量和规模都在增大。
目前美国在建的300 MWe循环流化床锅炉即将投入运行，600 MWe容量的循环流化床锅炉也已在设计中。
利用国内技术生产的35 t/h、75 t/h循环流化床锅炉有大量运行，目前国内投入运行的最大循环流化床锅炉是高温高压420 t/h容量的锅炉，高温高压450 t/h循环流化床锅炉也已在建，但运用的是国外技术。
在循环流化床锅炉的开发与发展过程中，各设计单位和锅炉制造厂家开发出各种炉型，针对各自不同的炉型采用各自的热力计算方法，即使是相同的炉型设计方法也可能不同，各有特点。
这与煤粉锅炉和鼓泡流化床锅炉在设计过程中有统一的热力计算方法[1]可供参考不同。
有关循环流化床锅炉热力计算方法在文献中也少见发表。
本文结合作者在循环流化床锅炉传热和设计理论研究及实践的基础上，建立了一种简单的循环流化床锅炉炉膛热力计算方法[2-9]。
与一般沸腾燃烧鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉类型较多，炉型不同，其热力计算方法有所不同。
本方法针对采用高温分离装置的循环流化床锅炉，提出的计算方法可用于一般高温分离的循环流化床锅炉的设计计算，其余炉型可在此基础上根据具体炉型特点修改使用。
典型的高温分离器型循环流化床锅炉采用高温立式旋风分离器，安置在锅炉炉膛上部烟气出口处。
离开炉膛的大部分颗粒，由高温分离器所捕集并通过固体物料再循环系统从靠近炉膛底部的物料回送口送回炉膛。
经高温分离器分离后的高温烟气则进入尾部烟道，与布置在尾部烟道中的受热面进行换热后排出。
计算中未考虑添加石灰石的影响，若添加石灰石，则入炉热量、灰浓度和烟气量等有变化，需修正。
2 循环流化床锅炉炉膛几何尺寸的确定2.1 炉膛横截面积循环流化床锅炉炉膛一般由膜式水冷璧构成，其传热面积以通过水冷璧管中心面的面积计算。
若炉膛由轻型炉墙或敷管炉墙构成，则需考虑角系数的影响。
循环流化床锅炉设计与计算研究循环流化床锅炉是一种高效、节能的锅炉形式，广泛应用于工业领域。
设计和计算循环流化床锅炉需要考虑多个方面，包括系统参数、燃料选择、循环流化床高度的确定、排渣和排烟等问题。
本文将重点介绍循环流化床锅炉设计与计算的主要内容。
首先，设计和计算循环流化床锅炉需要确定系统参数。
包括锅炉的额定蒸发量、额定蒸汽压力和温度、循环流化床高度、床料流量等。
其中，额定蒸发量是指在规定的额定工况下锅炉能够产生的蒸汽量。
额定蒸汽压力和温度是指锅炉在额定工况下产生的蒸汽的压力和温度。
循环流化床高度是指循环流化床内的固体床料的高度，它的大小直接影响床上颗粒的停留时间和热交换效果。
床料流量是指循环流化床内床料的流量大小，它的大小与床内颗粒的停留时间和循环流化床的稳定性有关。
其次，燃料选择是设计和计算循环流化床锅炉需要考虑的另一个重要因素。
不同燃料的特性不同，对循环流化床锅炉的设计和计算有着不同的要求。
燃料的热值、含水量、灰分等参数都会对锅炉的燃烧效率和排放物的排放量产生影响。
因此，在设计和计算循环流化床锅炉时，需要对燃料进行详细的分析和选取合适的燃料。
另外，循环流化床锅炉的循环流化床高度的确定也是设计和计算的重点。
循环流化床高度的大小直接影响循环流化床内颗粒的停留时间和燃烧效率。
通常情况下，循环流化床高度应根据燃料的特性、锅炉的额定蒸发量和额定蒸汽压力等参数来确定。
一般而言，循环流化床高度较小，颗粒的停留时间较短，燃烧效率相对较低，但运行稳定性良好。
循环流化床高度较大，颗粒的停留时间较长，燃烧效率相对较高，但运行稳定性较差。
因此，在设计和计算循环流化床锅炉时，需要综合考虑这些因素，确定合适的循环流化床高度。
最后，设计和计算循环流化床锅炉还需要考虑排渣和排烟等问题。
循环流化床锅炉的特点是床内颗粒可以循环使用，但床表面会聚集一定的灰积，需要及时清除。
因此，设计和计算循环流化床锅炉时，需要考虑灰积的处理和排渣系统的设计。
第四章循环流化床锅炉炉内传热计算循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程，传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量，从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。
正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一，也是区别于煤粉炉的重要方面。
随着循环流化床燃烧技术的日益成熟，有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。
许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作，有的已经形成商业化产品使用的设计导则。
但由于技术保密的原因，目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉膛传热计算方法，因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。
清华大学对CFB锅炉炉膛传热作了深入的研究，长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对CFB锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。
根据已公开发表的文献报导，考虑工程上的方便和可行，本章根椐清华大学提出的方法，进一步分析整理，作为我们研究的基础。
为了了解CFB锅炉传热计算发展过程，也参看了巴苏的传热理论和计算方法，浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。
4.1 清华的传热理论及计算方法4.1.1 循环流化床传热分析CFB锅炉与煤粉锅炉的显著不同是CFB锅炉中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度C p 大大高于煤粉炉，而且炉内各处的浓度也不一样，它对炉内传热起着重要作用。
为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度C p，此处浓度可由外循环倍率求出。
而炉膛不同高度的物料浓度则由内循环流率决定，它沿炉膛高度是逐渐变化的，底部高、上部低。
近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势，使边壁下降流减少了辐射换热系数；水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换，同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致，综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强，总辐射换热系数明显提高。
在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用不同的计算式。
・电源建设・循环流化床锅炉燃烧系统热力计算探讨崔 敏(国电华北电力设计院工程有限公司,北京市,100011)[摘 要] CFB 锅炉有2大突出特点:一是流化状态燃烧;二是可燃烧劣质煤。
压力高是循环流化床风机的特点,压力高使风机温升高。
因此,风机温升和石灰石脱硫是CFB 锅炉燃烧系统热力计算的2个基本特点。
在对风机温升的计算公式进行推导后,结合考虑石灰石脱硫,产生2种热力计算方法,即混合燃料计算法和燃煤修正计算法。
根据推导的风机温升计算公式,将理论计算结果与风机生产厂提供的技术数据进行比较,两者误差较小。
并用2种计算方法对CFB 锅炉燃烧系统进行了热力计算。
[关键词] CFB 锅炉 燃烧系统 热力计算 风机温升 石灰石脱硫中图分类号:TK 212 文献标识码:A 文章编号:1000-7229(2002)09-0008-05Inquire into Thermal Calculation of Combustion System for CFB BoilersCui Min(SP North China Electric Power Design Engineering Limited Company ,Beijing ,100011)[K eyw ords] CFB boiler ;combustion system ;thermal calculation ;temperature rise of fans ;limestone desulfurization 目前,循环流化床(CFB )燃烧技术发展非常迅速,在国内得到了广泛的应用。
CFB 锅炉有2大突出特点:流化状态燃烧;燃料适应性好,能燃用泥煤、褐煤、低热值烟煤和煤矸石等劣质煤。
上述2个特点使得CFB 锅炉燃烧系统的热力计算与普通煤粉炉存在差异。
因此,有必要对CFB 锅炉燃烧系统热力计算进行探讨。
1 高压力风机对热力计算的影响1.1 CFB 锅炉风机压力的特点CFB 锅炉的燃烧特点是炉膛内的物料成流化状态燃烧。
CFB 锅炉燃烧所需空气分别由一、二次风机提供,一、二次风机的压力需足够高才能使炉膛内的物料成流化状态。
许多CFB 锅炉的一次风机选用压力20kPa 左右,二次风机选用压力10kPa 左右。
因此,压力高是循环流化床风机的特点。
1.2 风机温升及影响压力增大,温度会升高。
CFB 锅炉风机的压力高,压缩比大,气流在风机内流程长,会引起风机进、出口较大的温升。
风机各点温升可高达19～20℃,因此,要考虑温升对燃烧系统热力计算的影响。
1.2.1 对锅炉输入热量的影响在锅炉的热平衡中,输入热量等于燃料热量加上其他向锅炉输入的热量,如雾化蒸汽的热量、空气进入锅炉前外热源加热的热量(如暖风器)等。
风机温升影响燃烧系统的许多参数,如燃煤量和烟风量。
锅炉的输出热量是定值,增加了外来热源,使所需燃料热量减少,即锅炉燃料消耗量减少,使炉膛进口风量及烟气量发生变化。
风机带来的外来热量可按(1)式计算:Q w =C k (t out -t in )q (1)式中 Q w ———风机带来的外来热源,kW ; C k ———空气容积比热容,k J /(m 3・℃); t in ———风机进口温度,℃; t out ———风机出口温度,℃; q ———通过风机的气体流量,m 3/s 。
风机的气体体积流量为:q =αB j V 0(2)式中 α———与一、二次风比例有关的常数; B j ———锅炉燃煤计算消耗量,kg/s ; V 0———燃烧燃料需要的理论空气量,m 3/kg 。
CFB 锅炉的一次风率占总风量的60%～70%。
收稿日期:2002-04-27作者简介:崔敏(1967-),女,工程师,从事火电厂热力系统的设计与研究。
・8・第23卷 第9期2002年9月电 力 建 设Electric Power ConstructionVol.23 No.9Sap ,2002 因一次风机的压力比二次风机高,所引起的温升较高,由风机温升带来的外来热量较大。
计算风机带来热量时,可按一、二次风的比例加权平均求得。
这部分热量与炉膛总输入热量之比接近0.8%。
1.2.2 风机温升对暖风器选择的影响为避免空预器的冷端腐蚀,在寒冷地区,需要提高空预器的进风温度。
提高进风温度有2种方法:采用热风再循环或加装暖风器。
对CFB锅炉,风机压力高,使用热风再循环不经济,一般用暖风器。
风机温升直接影响锅炉暖风器的选择。
风机温升使出口温度升高,暖风器进风温度升高,而暖风器出口温度不变,则可以减少暖风器的换热面积,可更准确地确定暖风器型号和加热蒸汽的耗量。
如果风机出口空气温度能够达到空气预热器进风的温度要求,则没有必要使用暖风器。
1.3 风机温升的理论分析及计算风机温升应包括气体压缩引起的温升和风机各种损失引起的温升。
1.3.1 气体压缩引起的温升气体的压缩是导致温升的主要原因,温升如公式(3)所示。
△t1=T out-T in=[(P out P in)(n-1)/n-1]T in(3)式中 T in、T out———分别为风机进、出口的温度,K;P in、P out———分别为风机进、出口的压力,Pa; n———多变指数,1<n<k,对于空气:k=1.4。
由于空气在风机中的速度较高,又有隔音保温材料,散热较小,n可近似按绝热指数k=1.4取值。
1.3.2 风机损失引起的温升风机的各种损失,可分为机械损失,容积损失和流动损失,各种损失对温升的影响分析如下。
1.3.2.1 机械损失(1)轴与轴承、轴与轴封会产生摩擦损失,摩擦会产生热量,一般占1%～3%;(2)叶轮圆盘摩擦损失,此项损失几乎全部转变成气体的内能。
1.3.2.2 容积损失叶轮转动时,气体在高压作用下返回到低压侧,形成再循环,造成能量损失。
容积损失的能量全部由气体吸收,增加气体的内能。
1.3.2.3 流动损失包括流动阻力损失和冲击损失。
这两项均消耗一部分机械能,并转变成热能传给流体使温度升高。
1.3.2.4 风机损失引起温升的计算风机的各种损失除1%～3%的热量散失,其余转变为气体内能,使气体温度升高。
可计算出由风机损失引起的温升:△t2=(0.98-η)p1000ηC kv(4)式中 △t2———由风机损失引起的温升,℃; p———风机全压,Pa; η———风机的效率; C kv———空气平均容积比热容,k J/(m3・℃)。
式(3)和(4)相加得总的温升:△t=[(P out P in)(n-1)/n-1]T in+(0.98-η)p1000ηC kv(5) 1.4 温升公式的验算某电厂的2台220t/h CFB锅炉,每台锅炉配一次风机、二次风机、引风机各1台。
表1为根据原始数据及上述公式计算一次风机温升的结果与厂家提供的风机数据的比较。
二次风机温升计算相类似,略。
表1 原始数据及一次风机温升计算结果与厂家数据的比较数据属项参数工 况T.B BMCR ECR75%ECR 原始数据压力/Pa21970169001540012900流量/(m3・s-1)44.66737.22235.55626.111进口温度/℃20202020厂家数据效率/%85.4071.7063.7052.20出口温度/℃39.8838.5839.2039.86上升温度/℃19.8818.5819.2019.86一次风机温有效功率/kW981.327629.056547.556336.833升计算结果轴功率/kW1149.094877.344859.585645.275损失功率/kW167.768248.288312.029308.441转换功率/kW144.786230.741294.838295.536压缩温升/℃16.94913.24212.12410.237损失温升/℃2.6775.1196.8479.346总温升/℃19.62518.36118.97219.584误差/%1.281.181.191.39・9・第9期循环流化床锅炉燃烧系统热力计算探讨 由表1得知:(1)由公式(5)计算出的风机温升与厂家数据的误差在2%以内;(2)压力越大,由压缩引起的温升增大,风机在TB点的压缩温升最大;(3)负荷降低时,效率下降,损失增加,由损失引起的温升升高,TB点和75%ECR工况点,一次风机效率由85. 4%下降到52.2%,损失温升由2.7℃增加到9.3℃;(4)在燃烧系统的计算工况点BMCR点,效率损失引起的温升在5℃以上,计算时不能忽略。
风机效率的损失转变成气体的热能,所以,风机效率高、损失低,由损失引起的温升就越小。
2 炉内脱硫对热力计算的影响CFB锅炉添加石灰石到炉膛,煤在CFB锅炉燃烧时,硫被转化为SO2,再和石灰石分解后生成的生石灰反应生成硬石膏随灰排出,从而使烟气中的SO2大为减少,达到脱硫的目的。
煤在循环流化床炉膛内燃烧是一个非常复杂的物理化学反应过程,包括如下的燃烧、脱硫反应: C+O2→CO2(6) 2H+1/2O2→H2O(7) S+O2→SO2+296k J/mol(8)CaCO3→CaO+CO2-183k J/mol(9)CaO+SO2+1/2O2→CaSO4+486k J/mol(10)其中,最后2个反应式是CFB锅炉特有的脱硫反应,将导致氧化SO2需要消耗更多空气;石灰石煅烧将增加烟气中的CO2排放;CaO和CaSO4的生成增加炉膛的灰渣排放;化学吸热反应和放热反应将引起燃料热值发生变化。
上述情况是CFB燃烧系统的热力计算与普通煤粉炉不同之处。
脱硫反应的复杂性还表现在不是所有的CaO和SO2都能完全参加反应。
石灰石中Ca摩尔数与煤中S摩尔数之比,称为钙硫摩尔比,用Ca/S表示,钙硫摩尔比大于1。
CFB锅炉中,有少部分SO2未发生脱硫反应就随烟气排出,目前,CFB的脱硫效率能达90%以上。
这些因素在热力计算时需要考虑。
CFB锅炉加石灰石脱硫的热力计算,有下列2种方法可以采用。
2.1 混合燃料计算法计算思路:从CFB锅炉的给料得到钙硫摩尔比,石灰石可以看作掺混到煤中的矿物质,按混煤的方法,折算出混合燃料的各种成分和发热量。
燃烧系统计算时,采用混合燃料的折算值而不是原煤的初始值。
燃料消耗量包含煤和石灰石的总和。
折算时,灰分的考虑尤其关键。
对于煤的灰分,其组成和质量与煤质初始矿物质并不完全相同,煤的灰分应称为煤在一定温度下的灰分产率。
CFB炉膛在850～900℃下,CaCO3煅烧分解为CaO,部分CaO参与脱硫反应生成CaSO4,CaSO4生成物和未反应的CaO残留到灰分中,而S、O的含量应扣除固化到CaSO4中的S和O。
2.1.1 混合燃料中各项成分的折算根据钙硫比,计算石灰石与原煤质量比R:R=mS ar32(11)式中 S ar———收到基硫,%; m———钙硫比。
