[科普中国]-循环流化床锅炉

循环流化床锅炉采用的是工业化程度最高的洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉采用流态化燃烧，主要结构包括燃烧室（包括密相区和稀相区）和循环回炉（包括高温气固分离器和返料系统）两大部分。与鼓泡流化床燃烧技术的最大区别是运行风速高，强化了燃烧和脱硫等非均相反应过程，锅炉容量可以扩大到电力工业可以接受的大容量（600MW或以上等级），循环流化床锅炉已经很好的解决了热学、力学、材料学等基础问题和膨胀、磨损、超温等工程问题，成为难燃固体燃料（如煤矸石、油页岩、城市垃圾、淤泥和其他废弃物）能源利用的先进技术。1

简介循环流化床锅炉采用的是工业化程度最高的洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉采用流态化燃烧，主要结构包括燃烧室（包括密相区和稀相区）和循环回炉（包括高温气固分离器和返料系统）两大部分。循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉（沸腾炉）的基础上发展起来的，因此鼓泡床的一些理论和概念可以用于循环流化床锅炉。但是又有很大的差别。早期的循环流化床锅炉流化速度比较高，因此称作快速循环流化床锅炉。快速床的基本理论也可以用于循环流化床锅炉。鼓泡床和快速床的基本理论已经研究了很长时间，形成了一定的理论。要了解循环流化床的原理，必须要了解鼓泡床和快速床的理论以及物料从鼓泡床→湍流床→快速床各种状态下的动力特性、燃烧特性以及传热特性1。

锅炉结构锅炉采用单锅筒，自然循环方式，总体上分为前部及尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周由膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、密相区、稀相区，尾部烟道自上而下依次为高温过热器、低温过热器及省煤器、空气预热器。尾部竖井采用支撑结构，两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部联接回送装置及灰冷却器。燃烧室及分离器内部均设有防磨内衬，前部竖井用敷管炉墙，外置金属护板，尾部竖井用轻型炉墙，由八根钢柱承受锅炉全部重量。

锅炉采用床下点火（油或煤气），分级燃烧，一次风比率占50—60%，飞灰循环为低倍率，中温分离灰渣排放采用干式，分别由水冷螺旋出渣机、灰冷却器及除尘器灰斗排出。炉膛是保证燃料充分燃烧的关键，采用湍流床，使得流化速度在3.5—4.5m/s，并设计适当的炉膛截面，在炉膛膜式壁管上铺设薄内衬（高铝质砖），即使锅炉燃烧用不同燃料时，燃烧效率也可保持在98—99%以上。

高温分离器入口烟温在800℃左右，旋风筒内径较小，结构简化，筒内仅需一层薄薄的防磨内衬（氮化硅砖）。其使用寿命较长。循环倍率为10—20左右。

循环灰输送系统主要由回料管、回送装置，溢流管及灰冷却器等几部分组成。

床温控制系统的调节过程是自动的。在整个负荷变化范围内始终保持浓相床床温850-950℃间的某一恒定值，这个值是最佳的脱硫温度。当自动控制不投入时，靠手动也能维持恒定的床温。

保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率，最佳的环保特性以及广泛的燃料适应性，特别是对劣质燃料的适应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势1。

烟风系统循环流化床锅炉系统通常由流化床燃烧室（炉膛）、循环灰分离器、飞灰回送装置、尾部受热面和辅助设备等组成。循环流化床锅炉系统通常由燃烧系统和汽水系统所组成，燃料在锅炉的燃烧系统中完成燃烧过程，并通过燃烧将化学能转变为烟气的热能，以加热工质；汽水系统的功能是通过受热面吸收烟气的热量，完成工质由水转变为饱和蒸汽，再转变为过热蒸汽的过程。

循环流化床锅炉的烟风系统是循环流化床锅炉的风（冷风和热风）系统和烟气系统的统称。循环流化床锅炉的风系统主要由燃烧用风和输送用风两部分组成。前者包括一次风、二次风、播煤风（也称三次风），后者包括回料风、石灰石输送风和冷却风等。

流态化当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。

对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为“散式”流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为“聚式”流态化。循环流化床锅炉属于“聚式”流态化。

固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。

临界速度1.对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然解锁，床层压降降至床层的静压。如果床层是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉一般的流化风速是2-3倍的临界流化速度。

2.影响临界流化速度的因素：

（1）料层厚度对临界流速影响不大。

（2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。

（3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。

（4）流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小2。

节能改造① 加装燃油节能器；

经燃油节能器处理之碳氢化合物，分子结构发生变化，细小分子增多，分子间距离增大，燃料的粘度下降，结果使燃料油在燃烧前之雾化、细化程度大为提高，喷到燃烧室内在低氧条件下得到充分燃烧，因而燃烧设备之鼓风量可以减少15%至20%，避免烟道中带走之热量，烟道温度下降5℃至10℃。燃烧设备之燃油经节能器处理后，由于燃烧效率提高，故可节油4.87%至6.10%，并且明显看到火焰明亮耀眼，黑烟消失，炉膛清晰透明。彻底清除燃烧油咀之结焦现象，并防止再结焦。解除因燃料得不到充分燃烧而炉膛壁积残渣现象，达到环保节能效果。大大减少燃烧设备排放的废气对空气之污染，废气中一氧化碳（CO）、氧化氮（NOx）、碳氢化合物（HC）等有害成分大为下降，排出有害废气降低50%以上。同时，废气中的含尘量可降低30%—40%。安装位置：装在油泵和燃烧室或喷咀之间，环境温度不宜超过360℃。

② 安装冷凝型燃气锅炉节能器；

燃气锅炉排烟中含有高达18%的水蒸气，其蕴含大量的潜热未被利用，排烟温度高，显热损失大。天然气燃烧后仍排放氮氧化物、少量二氧化硫等污染物。减少燃料消耗是降低成本的最佳途径，冷凝型燃气锅炉节能器可直接安装在现有锅炉烟道中，回收高温烟气中的能量，减少燃料消耗，经济效益十分明显，同时水蒸气的凝结吸收烟气中的氮氧化物，二氧化硫等污染物，降低污染物排放，具有重要的环境保护意义。

③ 采用冷凝式余热回收锅炉技术；

传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%。而冷凝式余热回收锅炉，它把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，提升了热效率；冷凝水还可以回收利用。

④ 锅炉尾部采用热管余热回收技术；

余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的58%。

安全事项1.发生爆燃的几种情况

锅炉爆燃是由于炉膛内可燃物质的浓度在爆燃极限范围内，遇到明火或温度达到了燃点发生剧烈爆燃，燃烧产物在瞬间向周围空间产生快速的强烈突破。以下介绍几种循环流化床锅炉易发生爆燃的情况。

1.1 扬火爆燃

如果压火时燃料加得多或停的晚，使压火后床料内燃料的含量过多，这时燃料中的碳在缺氧状况下不充分燃烧产生大量的CO，同时燃料在炉内高温干熘挥发出甲烷、氢等可燃性气体。由于压火后床料表面温度降低，这些可燃性气体遇不到明火，便在锅炉炉膛内积聚。扬火时，随着风机的启动，床料开始流化，高温的床料从下面翻出，这时可燃性气体与明火接触，瞬间发生燃烧，如果可燃物的浓度在爆燃极限范围内，就会发生爆燃。个别司炉工在扬火时怕床温降得过快造成灭火，在启风机前先加入少量的燃料，新进入炉膛的燃料不但会挥发出可燃性气体，同时会有大量的煤粉参与燃烧，这样不但会增大产生爆燃的机率，还会加剧爆燃的强度。

1.2 大量返料突入爆燃

循环流化床锅炉都有物料循环系统。循环流化床锅炉运行时，大量固体颗粒在燃烧室、分离器和返料装置等组成的循环回路中循环，一般循环流化床锅炉的循环倍率为5~20，也就是说有5~20倍给煤量的返料灰需要经过返料装置返回燃烧室再次燃烧，循环物料是直径在0.1mm左右的细灰，有很好的流动性，在返料风的吹送下，连续不断地进入炉膛。运行中如果返料风过小，返料器内的物料就会停止流化或流动，从而造成返料器堵塞，细灰会在返料器内堆积，当细灰积累到一定时，细灰在自身重量的作用下产生流动或者由于操作调整增大风量使物料再次流化，这时成吨的细灰在短时间内进入炉膛。由于细灰的表面积大，此时返料风与空气快速混合充满炉膛，且细灰中一般含有20%左右的碳，在炉内高温环境下极易发生爆燃。

1.3 油气爆燃

流化床锅炉一般采用柴油点火，点火过程中因为油中的杂质、点火风的调配、油压太低等因素常会发生油枪灭火。灭火后，如果没及时发现、关闭油阀，被雾化的燃油会继续喷进炉膛内，这样从炉膛到尾部烟道甚至到烟囱出口都充满了油雾。这时如果再次点火或遇到其它明火，就会产生整个系统的爆燃。

2000年8月19日5点14分，平煤集团公司一自备电厂的35t/h循环流化床锅炉开始点火，油压在1.2~1.6MPa时，两支点火油枪雾化着燃油喷燃进入炉膛，450~500mm厚的底料开始流化预热，5点24分，即点火10min后，发现床温开始下降，司炉工检查发现两支点火枪已熄火，立即又用火把再次点火，随后就发生了炉膛内及燃烧系统爆燃和炉门窜出火舌伤人的事故。

事后检查发现，锅炉保温少部分振脱，密封与膨胀缝部分发生泄漏，由于正压大的作用尾部烟道的麻石块振掉，造成烟风系统短路，需进行停炉处理。

事后分析产生爆燃的原因有以下几方面：

（1）司炉工责任心不强。点火前没有认真试验点火枪的雾化情况，在发生点火中断的情况下，没进行认真检查处理而再次点火，是造成炉膛内超标的油烟浓度遇到明火发生爆燃事故的直接原因。

（2）点火风的调配不适与油压太低，造成喷油中断灭火，灭火后没有及时发现或发现后没有采取措施再次点火而发生爆燃的原因。

（3）油枪雾化不良，喷咀堵塞，油燃烧不充分，炉膛内有大量的油蒸汽。

所以，这次爆燃是由油枪供油中断灭火，大量油气充满燃烧于烟风系统中，可燃气体温度达到了燃点，遇到明火发生的剧烈爆燃。

1.4 烟道内可燃物再燃

在循环流化床锅炉运行中，有时可能发生烟道内可燃物再燃事故，这时会出现以下现象：排烟温度急剧增加，一、二次风出口温度也随之升高，烟道内及燃烧室内的负压急剧变化甚至变为正压；烟囱内冒黑烟，从引风机壳体不严处向外冒烟或向外喷火星等。

出现这种问题的原因主要有：燃烧调整不当，配风不合理，导致可燃物进入烟道；炉膛负压过大，将未燃尽的可燃物抽入烟道；返料装置堵灰使分离器效率下降，致使未燃尽颗粒填接进入烟道。

2.锅炉爆燃的预防

针对以上几种常见爆燃发生的原因，循环流化床锅炉操作中应采取下列措施防止爆燃。

（1）扬火时一定要先启动引风机通风5min后再启动送风机，以保证炉内积聚的可燃性气体排出，防止遇到明火。

（2）锅炉压火时一定要先停止给煤。当床温趋向稳定或稍有下降趋势时，再停送风机，防止压火后床料内煤量太多，产生大量可燃性气体及干燥的煤粉。

（3）压火后，扬火前尽量避免有燃料进入炉内，不可在扬火时先给燃料后启风机。

（4）当运行中发生返料堵塞存灰较多时，通过放灰系统将灰放掉。

（5）点火过程中如果发生油枪灭火，应先关闭油阀，保持风机运行通风5min后，再次点火。

（6）点火过程中，如果油枪喷咀堵塞，油枪雾化不良，导致床温上升困难，达不到加煤温度，应停止点火，对油枪喷咀进行清洗或更换后再点火。

（7）点火过程中，一定要控制好加煤量，一般总加煤量不能超过床料量的20%。

（8）如发现烟温不正常升高时，应加强燃烧调整，使风煤比调整到合适的范围内；若是由于返料装置堵灰造成的应立即将返料装置内的堵灰放净；若烟道内可燃物再燃烧使排烟温度超过300℃以上，应立即压火处理，严密关闭各人行孔门和挡板，禁止通风，然后在烟道内投入灭火装置或用蒸汽进行灭火，当排烟温度恢复正常时可再稳定一般时间，然后再打开人行孔检查、确认烟道内无火源并经引风机通风约15min后方可启动锅炉2。

注意事项循环流化床锅炉采用了高效、节能、低污染的外循环流化床锅炉燃煤新技术，它具有燃料适应性广、燃烧效率高、高效脱硫、NOX排放低、结构简单、操作方便等诸多优势。

循环流化床锅炉过热器是该锅炉的一个重要部件，其安全运行直接关系到锅炉的使用寿命和生产成本，保证过热器长期的安全运行具有十分重要的意义，在锅炉操作过程中需要注意一下几个方面：

1.煮炉期间必须保证中低水位，煮炉时，药液不得进入过热器，以免悬浮物在蛇形管中沉淀而造成堵塞。煮炉结束后，应停炉防水，彻底清理过热器内壁的附着物和残渣，试运行前用软水冲洗过热器2小时左右。

2.点火前必须打开过热器排气阀和疏水阀，到压力上升时，关闭排气阀同时打开分气缸进气阀和疏水阀。汽包压力达到规定数值时，关小疏水阀直到10%左右的流量时，关闭疏水阀。

3.运行中如炉温高时，应打开减温水流量，此时疏水阀应关闭，应关小减温水流量同时打开疏水阀。

4.在锅炉运行中，如减温水已增至最大时，过热器蒸汽温度还是很高，可通过以下方法降低蒸汽温度：

(1)增加锅炉的循环灰量，减少给煤的颗粒度。

(2)适当减少给煤量，降低炉温。

(3)在氧气许可的条件下，可适当减少二次风。

5.如减温水已关闭，过热器蒸汽温度仍然偏低，可通过以下方法提高蒸汽温度：

(1)放掉一些循环灰，提高炉膛的出口烟气温度。

(2)可适当增加二次风量。

6.时刻检查过热器和锅筒的压差，如压差比平时突然变化，可采取如下措施：

(1)压差增大，甚至大于10%的额定压力，说明过热器内部有堵塞现象，应停炉对过热器内壁进行冲洗。

(2)压差突然减少，应立即停炉检查过热器是否有爆管现象发生，如有，应更换过的热器管子，再启动锅炉运行。

7.锅炉给水对过热器的安全运行具有十分重要的意义，锅炉的水质应符合GB1576-2001《工业锅炉水质》的要求。

(1)严格控制锅炉锅水的含盐量和碱度，测定氯盐比。将含盐量控制在≤3000mg/L，总碱度≤14mg/L。

(2)PH值控制在标准要求的范围内(10~12)。建议最好控制在10.8~11.3以内。

(3)锅水碱度过高会使水面泡沫层增厚，分离效果大大下降，也是造成蒸汽带水的重要原因。同时水随蒸汽进入过热器，使盐分沉积在管壁上阻碍传热，对锅水相对碱度应控制在0.2以下。

8.锅炉运行前对锅筒内件仔细检查，要求锅筒内件焊缝严密，无泄漏点。

9.严格控制燃烧高硫煤，防止过热器出现高温腐蚀现象。

10.定期检查高温过热器的防磨，脱落的护瓦要即使焊补，磨穿的护瓦要即时更换，转向的护瓦要即时校正。

11.锅炉在运行过程中要加强排污操作，连续排污不能中断，定期排污每班不能少于一次。

12.对有过热器的锅炉，锅炉运行时不能长时间的低负荷运行，特别是低压力高流量的运行，使得过热蒸汽密度降低，流量增大，过热器管子中的蒸汽速度大大增加，热偏差增大，蒸汽阻力增加，传热恶化，传热量低的管子容易发生爆管现象，所以，锅炉严禁长期低压运行，建议运行压力不低于80%的额定负荷，如确实需要低压运行，需要对流量进行相应折算，计算出一定压力下对应一事实上的安全流量2。

优点(1)燃料适应性广

这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3%，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。

(2)燃烧效率高

循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，通常在95～99%范围内，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气固混合良好；燃烧速率高，其次是飞灰的再循环燃烧。

(3)高效脱硫

由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫率可达85～90%。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到85～90% ，钙硫比要达到3～4，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。

(4)氮氧化物(NOX)排放低

氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明，循环流化床锅炉的NOX排放范围为50～150ppm或40～120mg/MJ。循环流化床锅炉NOX排放低是由于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的氮一般不会生成NOX ；二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为NOX ，并使部分已生成的NOX得到还原。

(5)燃烧强度高，炉膛截面积小

炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.5～4.5MW/m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2～3倍。

(6)负荷调节范围大，负荷调节快

当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。也不象煤粉锅炉那样，低负荷时要用油助燃，维持稳定燃烧。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达(3～4)：1。负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4%。

(7)易于实现灰渣综合利用

循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低(含炭量小于1%)，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用，如作为水泥掺和料或做建筑材料。同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。

(8)床内不布置埋管受热面

循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间压火等。

(9)燃料预处理系统简单

循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。

(10)给煤点少

循环流化床锅炉的炉膛截面积小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。既有利于燃烧，也简化了给煤系统。便携式里氏硬度计的使用原理除湿机原理疏水阀的类型和工作原理无堵塞泵叶轮的结构形式及特点坩埚的用途不锈钢管的种类2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学