热能与动力工程专业毕业论文(循环流化床锅炉)

题 目：循环流化床锅炉运行分析以及脱硫技术

姓 名 那广峰 层学 号 1123205631 专班 级 热升1292

校内指导老师：刘早宿 校外指导老师：刘东明

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次 专升本

业 热能与动力工程

摘 要

循环流化床锅炉是八十年代发展起来的高效率、低污染和良好综合利用的燃煤技术，由于它在煤种适应性和变负荷能力以及污染物排放上具有的独特优势，使其得到迅速发展。循环流化床锅炉的原理及其脱硫工艺等加工技术的发展，带来了社会效益和经济效益。

关键词：循环流化床 锅炉 加工分析

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目录

1引言??????????????????????????????3 2循环流化床锅炉的特点??????????????????????3 3循环流化床内的燃烧加工过程???????????????????4 3.1循环流化床内煤的燃料着火???????????????????4 3.2循环流化床内煤的破碎特性???????????????????4 4循环流化床锅炉发展中存在的一些问题及加工剖析??????????5 4.1国内目前已运行的循环流化床锅炉遇到的主要问题?????????5 4.2锅炉调试及运行中的控制重点??????????????????5 4.2.1流化不良的预防方法?????????????????????5 4.2.2超温结焦的预防控制方法???????????????????5 4.2.3两床失稳预防控制??????????????????????6 4.2.4堵煤预防控制与启动调试???????????????????6 5循环流化床锅炉脱硫技术?????????????????????7 5.1 脱硫技术概述?????????????????????????7 5.2 炉内喷入石灰石脱硫技术 ???????????????????8 5.3湿式石灰石--石膏法脱硫工艺 ?????????????????11 5.4半干法烟气脱硫工艺 ?????????????????????16 6结束语?????????????????????????????19 参考文献?????????????????????????????19

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1 引言

循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，是介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固

定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用。循环流化床锅炉是一种国际公认的洁净煤燃烧技术，以其燃料适应性广、脱硫效果好、NOx排放量低、负荷调节性能好等优点在我国燃煤电站中方兴未艾。我国循环流化床锅炉技术已步入世界先进水平，循环流化床锅炉总装机容量也居世界第一位，但是，我国锅炉的脱硫现状还不很乐观，脱硫系统的可用率、锅炉脱硫效率不高，因此循环流化床锅炉的应用加工还存在不少问题，离国际先进水平有一定差距。

2 循环流化床锅炉的特点

由于循环流化床内气、固两相混合物的热容量比单相烟气的热容量大几十倍

甚至几百倍，循环流化床锅炉中燃料的着火、燃烧非常稳定。在床内沿炉膛高度所进行的燃烧和传热过程，基本上是在十分均匀的炉膛温度下(一般为850℃～900℃)进行的，从而可使循环流化床锅炉达到98%～99%的燃烧效率。在钙与燃料中的硫摩尔比为115～215的情况下可以达到90% 以上的脱硫效率。由于循环流化床锅炉是低温燃烧，而且燃烧过程是在整个炉膛高度上进行的，所以可以方便地组织分级燃烧，因而可以有效地抑制NOx的生成，降低NOx的排放。由于炉内气、固两相流对受热面的传热是在整个炉膛内进行的，不需在床内布置埋管受热面，因而完全避免了埋管的磨损问题。而布置在炉膛出口外的高效分离器可将大部分固体颗粒从烟气中分离出来，大大减少了尾部烟道中烟气的粉尘浓度，减少了尾部受热面的磨损。

①燃料适应性强，由于循环流化床中的燃料仅占床料的1%－3%，不需要辅助燃料而燃用任何燃料，可以燃用各种劣质煤及其它可燃物，特别包括煤矸石、高硫煤、高灰煤、高水分煤、煤泥、垃圾等，可以解决令人头疼的环境污染问题。②燃烧效率高，循环流化床比鼓泡床流化床燃烧效率高，燃烧效率通常在97%以上，基本与煤粉相当。③脱硫率高，循环流化床的脱硫方式是最经济的方式之一，其脱硫率可以达到90%。④氮氧化物排放低，这是循环流化床另外一个非常吸引人的特点，其主要原因是：一低温燃烧，燃烧温度一般控制在850－900℃之间，空气中的氮氮一般不会生成NOx；二分段燃烧，抑制氮转化为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，负荷调节范围大，调节速

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度快。⑥易于实现灰渣综合利用，由于其灰渣含炭量较低，属于低温烧透，有着更大的利用价值。⑦燃料预处理系统简单，其燃料的粒度一般小于12mm， 破碎系统比煤粉炉更为简化。

3 循环流化床内的燃烧加工过程

循环流化床锅炉的脱硫原理是在燃烧中加入适当比例和颗粒度的石灰石与燃料一起进行循环燃烧，加入的石灰石在炉内循环时间长，使石灰石磨得非常细的时候才会从分离器中飞到后面去。循环流化床锅炉的燃烧温度是900 ℃左右，这一温度既能抑制二氧化硫的生成，又使石灰石能充分分解。

煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热，首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发份析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥发份析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。这些灼热的床料成为煤颗粒的加热源，在加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千之几，而煤粒在10 秒钟左右就可以燃烧（颗粒平均直径在0～8mm），所以对床温的影响很小。

3.1 循环流化床内煤的燃料着火

流化床内燃料着火的方式，固体质点表面温度起着关键作用，是产生着火的点灶热源，这类固体近质点可以是细煤粒，也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。当固体质点表面温度上升时，煤颗粒会出现迅猛着火。另外，颗粒直径大小对着火也有很大的影响，对一定反应能力的煤种，在一定的温度水平之下，有一临界的着火粒径，小于这个颗粒直径，因为散热损失过大，燃料颗粒就不能着火，逸出炉膛。

3.2循环流化床内煤的破碎特性

煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。煤粒进入流化床内时，受到炽热床料的加热，水份蒸发，当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发份反应，对于高挥发份的煤种，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，颗粒内部产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎；对低挥发份煤种，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出，因此颗粒内部也会产生较高的压力，另外，由于高温颗粒群的挤压，颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力，这种热应力都会

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引起煤颗粒破碎。煤粒破碎后会形成大量的细小粒子，特别是一些可扬析粒子会影响锅炉的燃烧效率。细煤粒一般会逃离旋风分离器，成为不完全燃烧损失的主要部分。破碎分为一级破碎和二级破碎，一级破碎是由于挥发份逸出产生的压力和孔隙网络中挥发份压力增加而引起的。二破碎是由于作为颗粒的联结体——形状不规则的联结“骨架”（类似于网络结构）被烧断而引起的破碎。煤的破碎发生的同时也会发生颗粒的膨胀，煤的结构将发生很大的变化。一般破碎和膨胀受下列因素的影响：挥发份析出量；在挥发份析出时，碳水化合物形成的平均质量；颗粒直径；床温；在煤结构中有效的孔隙数量；母粒的孔隙结构等。

4 循环流化床锅炉发展中存在的一些问题及加工剖析

由于循环流化床锅炉炉膛没有设置埋管，不存在磨管现象。也不存在点火时

有一部分热量被水冷系统带走的问题，点火启动，停炉都比较方便。冷炉状态20分钟炉子就可以点着，热炉状态只用5到6分钟，一般压火24小时没有问题，环境污染小。由于循环流化床锅炉的低温燃烧特性，二氧化硫和氮氧化物排放浓度非常低(氮氧化物的生成温度约为1000 ℃，其排放浓度可控制在200PPM以下)，是链条炉和煤粉所不容易实现的。由于循环燃烧使它的炉渣几乎不含碳，呈黄褐色小颗粒，可以作为水泥制品的掺和料。并相对减少了总出渣量。

4.1国内目前已运行的循环流化床锅炉遇到的主要问题有：

①炉蒸发量不到设计的额定值；②高温分离器和物料返送器内结焦；③耐火材料和受热面磨损；④锅炉排烟温度偏高。

4.2 锅炉调试及运行中的控制重点：

4.2.1 流化不良的预防方法：

①必需保证布风板风帽小孔的畅通，这就要求在加床料之前把风帽小孔及床面清理干净；②运行后一次风量必需大于临界流化风量；③升温升压过程中，控制升温速度，防止炉内耐磨耐火材料脱落堵塞风帽；④原煤粒度控制在6～10mm之间，避免因为原煤粒度过大流化不良；⑤控制燃煤中矸石及铁块的含量，定期将大颗粒物料排除，确保流化良好。⑥在升负荷及调整过程中，加煤和调风不能猛增猛减。

4.2.2 超温结焦的预防控制方法：

①控制合理的床压，防止燃煤直接接触风帽造成燃煤堆积爆燃超温结焦。②点火启动阶段，控制合理油枪配风，保证燃油完全燃烧，避免未燃尽油雾沾附在煤粒上造成结焦。

4.2.3 两床失稳预防控制：

①运行中给煤、返料量、排渣控制合理，保证两侧床压一致。②给煤量调整

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时应将各点给煤均匀，使燃煤在整个床面分布均匀，如一侧给煤量减少时，应立即减少另一侧给煤量，控制炉膛两侧床压偏差小于2.5kPa。③炉膛两侧外置床返料量调整基本一致，避免因为返料量偏差而产生床温床压偏差。④调整炉膛两侧风量及给煤量，使两侧床温及一次风量均衡。

4.2.4 堵煤预防控制与启动调试：

①循环流化床锅炉无煤粉制备系统，粗、细碎煤机将原煤破碎成6～8mm的煤粒后进入原煤斗，再通过给煤机直接进入炉内。由于破碎后的煤粒表面积增大，水分、内水分增高，因此极易在碎煤机、原煤斗、给煤机落煤口等部位发生堵煤现象。堵煤时将直接危及锅炉的稳定运行，主要故障有：a原煤破碎设备堵塞：原煤破碎设备堵塞是指原煤粘在破碎机出口及入口管道上，导致下煤不畅输煤中断，或原煤粘在破碎机内部导致破碎机堵塞；b原煤斗堵煤：原煤斗堵煤是由于破碎后的煤粒在原煤斗内受到挤压，导致在原煤斗内搭桥下煤不畅；且原煤斗设计为方形，原煤和煤斗之间的接触面积增大，下煤阻力增大导致原煤斗堵煤；c落煤口堵煤：进入落煤口的煤粒由于受到回灰的加热，导致煤粒中外水分大量蒸发，上升水蒸汽在落煤口聚集并冷凝成水滴，最终导致煤粒搭桥堵塞落煤口。d运行中不但要加强给煤设备的监视及维护，还要注意以上区域是否堵煤，如发生堵煤应及时疏通，在给煤恢复后应注意燃烧及汽温的控制。②启动调试的主要内容：a风量测量装置的标定。锅炉燃烧风量是运行人员调整燃烧的的重要依据，其测量的准确性直接影响到锅炉的经济安全运行。安装在锅炉风道上的风量测量装置，往往由于安装位置管道直段不能满足设计要求、装置加工误差等原因使流量系数偏离设计值，为锅炉运行的需要，我们对锅炉主要的风量进行了测量。按等截面布置测量点，标准测速元件采用毕托管，压差信号用电子微压计读取。由于风量测量装置厂家的设计数据在试运期间多次修改，根据厂家最后提供的数据，DCS上显示风量与实测值基本相符。b风量调节挡板检查。风门挡板检查在冲管结束后进行，通过实地检查及在全关、全开状态下风量测量及管道压力判断风门能否关严，并检查判断与指示开度位置、DCS显示是否一致。要通过多次反复检查，锅炉风系统如有较多的风门挡板实际位置与DCS显示不符的问题已解决，单多数调节挡板全关状态下关闭不严，仍需进一步解决。c冷渣器布风板阻力试验及风室间窜风情况检查。冷渣器布风板阻力试验由于冷却风量小、波动大，数据可靠性差，由此计算出的风量值不可靠，因此无法整理出合理的风量与布风板阻力的关系曲线。冷渣器风室间窜风将会影响冷渣器内物料的流化，特别是在炉膛排渣量较大时，选择室的流化质量更难保证，最后导致冷渣器堵塞，冷渣器风室间窜风检查非常必要，热工调试内容包括：热工信号及连锁保护校验、热工信号逻辑及报警系统试验、锅炉炉膛安全监控系统试验、负责DCS端子排以外的热控装置的二次调整、锅炉各种自动及保护的投运等。

5 循环流化床锅炉的脱硫技术

5.1 脱硫技术概述

SO2控制技术的研究，从20世纪初至今已有百年的历史。自20世纪60年代起，一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中SO2等污染物的排放，这一措施极大地促进了SO2控制技术的发展。目前世界各国开发、

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研制、使用的SO2控制技术已超过200种，这些技术概括起来可以分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫以及燃烧后脱硫。

⑴ 燃烧前脱硫技术主要是指煤炭选洗技术，应用物理方法、化学法或微生物法去除或减少原煤中所含的硫分和灰分等杂质，从而达到脱硫的目的。这种方法投资大、运行成本高，因此仅在对煤质要求高的领域才用到。

⑵ 燃烧中脱硫，是在煤燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂，在燃烧时脱硫剂将SO2脱除。在煤的燃烧过程中加入石灰石（CaCO3）或白云石（CaCO3或MgCO3)粉作脱硫剂，CaCO3、MgCO3，受热分解生成Ca0、MgO，与烟气中SO2反应生成硫酸盐，随灰渣排出，从而达到脱硫目的。在我国，燃烧中脱硫的方法主要有型煤固硫、循环流化床燃烧脱硫、水煤浆燃烧技术和炉内喷钙等。

⑶ 燃烧后脱硫，即烟气脱硫，是在烟道处加装脱硫设备，对烟气进行脱硫的方法，它是目前大规模商业化应用最多的脱硫方法。燃烧后脱硫即烟气脱硫( Flue Gas Desulfurization, FCD)，被公认为最有效也是应用最广泛的一项脱硫技术。此外，各类脱硫技术按吸收剂、脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态分为干法、半干法和湿法；按生成物的处置方式分为回收法和抛弃法；按脱硫剂是否循环使用分为再生法和非再生法。

湿法脱硫技术是含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物，该法具有脱硫反应速度快、煤种适应性强、脱硫效率高和吸收剂利用率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等问题。

干法脱硫技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行，该法具有无污水废酸排除、设备腐蚀小，烟气在净化过程中无明显温降、净化后烟温高、利用烟囱排气扩散等优点，但存在脱硫效率低、反应速度较慢、吸收剂消耗量大等问题。

半干法脱硫技术兼有干法与湿法的一些特点，是脱硫剂在干燥状态下脱硫在湿状态下再生或者在湿状态下处理脱硫在干状态下处理脱硫产物的脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物的半干法，以其既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的好处而受到人们广泛的关注。

目前循环流化床锅炉所采用的脱硫技术，主要以燃烧中脱硫和燃烧后脱硫为主，且绝大多数技术可以应用在煤粉锅炉和CFB锅炉中。

课题组根据目前国内外CFB锅炉实际所采用的主要脱硫技术进行了深入和广泛的研究，现将研究的主要脱硫技术进行介绍。

5.2 炉内喷入石灰石脱硫技术 5.2.1 炉内喷入石灰石脱硫工艺原理

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目前国内外CFB锅炉多数采用是传统的炉内喷入石灰石粉脱硫工艺，这是一种在煤燃烧中进行脱硫的工艺。脱硫用石灰石主要成分为CaCO3，喷入炉膛的CaCO3 高温煅烧分解成CaO，与烟气中的SO2 发生反应，生成CaSO4，从而达到脱硫的目的。

石灰石在循环流化床锅炉内的脱硫过程主要分以下三个步骤来完成： ⑴ 石灰石的煅烧分解

在进入炉膛后，当床温超过其煅烧平衡温度时，将发生煅烧分解反应：

CaCO3?CaO?CO2?183kJmol

CaCO3?MgCO3?CaO?MgO?2CO2?486kJmol

石灰石是一种致密的不规则结构，其孔隙容积和比表面积都很小，煅烧后首先生成多孔的CaO，一方面有利于存集反应产物，另一方面可以使反应气体穿透至颗粒内部进行反应。煅烧过程中，石灰石颗粒内孔隙容积不断扩大，比表面积不断增加。

⑵ 硫的析出和氧化

燃料煤中的硫可以分为有机硫、黄铁矿硫、硫酸盐和元素硫四种形式，其中黄铁矿、有机硫和元素硫是可燃硫，硫酸盐硫是不可燃硫，元素硫的含量极少，而黄铁矿硫和有机硫是燃煤中SO2生成的主要来源。

S?O2?SO2?296kJ/mol

有机硫在煤加热至400℃时开始大量分解，黄铁矿硫在300℃时开始失去硫分，在650℃以上开始大量分解，最终在遇氧气等氧化性物质时逐步被氧化生成为SO2。

有关实验表明，煤在被加热并燃烧的过程中，SO2 的析出呈现出明显的阶段性。前期的析出高峰是由于挥发分析出及着火而形成的，析出的时间会因床层温度的升高而不断提前，且SO2的析出速率较高；后期的析出高峰是对应于黄铁矿硫形成的SO2，持续时间可达数分钟，SO2的析出速率相对前期较低。煤中的硫以SO2形式析出的总转化率很高，在1000℃时可达到90～95%。

⑶ 硫酸盐的生成

由于MgO与SO2的反应速度很低，一般情况下可认为是惰性的，CaO将在有富余氧气时与SO2发生如下硫酸盐化反应：

1CaO?SO2?O2?CaSO4?500kJ/mol

2相关实验研究表明：燃烧温若小于800℃时，脱硫反应的速率很低，从而引起床料中石灰石捕获SO2 的效果降低，难以达到有效脱硫；相反，当燃烧温度过高(＞920℃)时，虽然反应速率很高，但脱硫效率反而会下降，原因是温度过高，

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会引起石灰石颗粒的表面孔隙过早堵塞，而内孔物质未得到充分利用；同时，温度过高时，颗粒表面会产生局部低氧和还原气氛，使已经生成的CaSO4，重新分解为CaO并释放出SO2，从而降低脱硫剂的利用率。

大部分石灰石与白云石的孔隙率很低，范围在0.3%~12%内，但经过高温煅烧后Ca0的孔隙率可以高达50%，为脱硫反应创造有利条件；由于炉内强烈的湍流混合与颗粒的冲刷摩擦，使得气固传质和接触吸收反应效率很高．从而达到高的脱硫率。

理论上，硫盐化反应中CaO与SO2按照等摩尔进行，但通常循环流化床的钙利用率只有20%~45%。这是因为脱硫产物CaSO3的摩尔体积（52.16cm3/mol）比CaO(17.26cm3/mol)大，使孔隙堵塞阻止内部CaO的进一步反应。因此，即使经过很长的反应时间，钙利用率仍然很低。

循环流化床锅炉的钙利用率较低，即一半以上的脱硫剂没有参与脱硫反应。为了将循环流化床锅炉烟气中的SO2脱除至90%以上，就需要增加石灰石用量，往往需要更高的钙硫比（2.5左右），有时即使增加钙硫比也难以达到所要求的脱硫率。

为了提高循环流化床脱硫的钙利用率，国内外学者围绕这一目标开展了广泛的研究，主要体现在：对反应后的脱硫剂进行循环再利用，使炉内湍流运动强烈。

5.2.2 炉内喷入石灰石脱硫系统构成

CFB锅炉一般采用向炉内添加石灰石颗粒的方法来脱除SO2，只需要配置将石灰石粉（石灰石粉可以自己制备或外购）加入炉膛的输送给料系统（通常采用气力输送），系统比较简单。典型的石灰石添加系统。石灰石粉仓中储存的石灰石粉，经过两级缓冲仓后，由给粉机控制石灰石的下料量。由空气压缩机产生的压缩空气，通过射流混合器与石灰石粉混合，通过管道进行浓相输送，从锅炉炉膛二次风口附近或回料管位置，送入炉膛。

5.2.3 影响炉内喷入石灰石脱硫工艺的因素

影响脱硫率的因素很多，主要因素是石灰石活性、床层温度、钙硫比和石灰石的粒度，此外还有床层高度、流化速度、石灰石性能、机械强度、含水量以及煤种、烟气含氧量等。这些因素的综合影响决定了脱硫率的大小．不同的情况，主导导因素也不同。

⑴ 吸收剂的反应活性与脱硫反应性能实验室评价

吸收剂的反应活性简单的讲，是指吸收剂与二氧化硫进行表面化学反应的难易程度，受石灰石成分和内部微观结构等的影响。研究表明，煅烧后具有大的平均孔径和大的比表面积，往往意味着更好的脱硫性能。大的孔径可以延缓孔隙的堵塞，延长反应时间，而大的比表面积意味着更多的参与反应的面积。其中，大

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