摘要：对循环流化床（CFB）锅炉的物料平衡进行了理论分析和研究。CFB锅炉内的物料可分为底渣、飞灰、内循环物料和外循环物料，实现能够进入炉膛上部内循环物料的平衡是CFB锅炉运行的基础，对CFB锅炉内循环物料量多少的判断对实际运行有重要意义。
关键词：循环流化床锅炉；物料平衡
一、CFB锅炉物料平衡的提出
CFB锅炉的设计和运行表明，在正常的运行状态下炉膛中上部的压力按一定规律衰减，同时对炉膛中部的压力值有一定要求以保证足够的物料浓度。对于鼓泡床锅炉，从热量平衡出发，在炉膛下部已经布置了足够的受热面，不需要将大量的热量带到炉膛上部并吸收。对于CFB锅炉，炉膛上部的换热系数取值更大，换热系数的增加很大一部分靠物料的对流换热得到。因此，只有维持了炉膛中上部一定的物料浓度，才能使炉膛下部热量能及时带到炉膛上部以保证炉膛的整体温度分布均匀。
对于CFB锅炉，烟气将炉膛内的热量和物料带到炉膛上部的同时，必然在离开炉膛的同时将循环物料和热量带出炉膛，热量以烟气为热载体通过尾部烟道的受热面吸收，而循环物料需要分离器分离送回炉膛继续参与循环。但是，分离器并不能全部将离开炉膛的循环物料进行分离，总有一部分与烟气一道进入尾部烟道形成飞灰。所以，CFB锅炉需要分离器满足一定的分离效率以保证足够的物料在炉膛内循环。CFB锅炉带分离器的结构造成物料循环上存在两种循环方式：炉膛内的物料内循环和炉膛与分离器组成的物料外循环。炉膛出口结构对CFB锅炉的物料内循环有一定影响，因为带到炉膛上部的循环物料并不全部离开炉膛，有部分会直接返回炉膛，这种物料的内循环现象在试验台上已经有研究，但物料内循环在CFB锅炉上有多大的影响，内循环量在实际的CFB锅炉运行中有多大?还未见具体的研究报道。
按CFB锅炉的设计方法，炉膛换热系数一旦确定，在炉膛截面、温度、循环物料粒径等参数确定的条件下必然对应一定的物料浓度分布要求。定性的分析，CFB锅炉的物料平衡就是在炉膛内形成一定量的物料动态平衡，提供燃料的同时也是不断维持该部分物料量的过程。随着煤质和各种运行参数的变化，物料量的多少对应着不同的稳定过程。当这部分物料量无法稳定到一定量的程度时，CFB锅炉也就无法正常运行。这种对炉内物料浓度分布或物料量的要求可以理解为CFB锅炉正常运行对物料平衡的要求。
如果燃料带入的灰在一定的时间内无法破碎到可带入炉膛上部的可能，最终将以底渣的形式离开炉膛；同时，燃料带入的灰过细，分离器无法有效的分离，很快以飞灰形式离开炉膛。已有的CFB锅炉物料平衡分析认为，CFB锅炉内的物料可分为底渣、飞灰、内循环物料和外循环物料，实现能够进入炉膛上部的内循环物料的平衡是CFB锅炉运行的基础，对CFB锅炉内循环物料量多少的判断对实际有重要意义。因此，CFB锅炉物料平衡的设计重点就是研究燃料带入的灰是否满足运行对炉膛中上部的物料量要求。
二、循环物料平衡实现的方法在
CFB锅炉的物料回路中，按物料的分布位置和作用可以分为三个区域：炉膛下部区域、炉膛中上部区域、外循环区域。在这三个区域存在着不同的物料平衡分布特征。炉膛下部区域为物料高浓度区域，物料主要为粒径较大的物料颗粒和人炉燃料。炉膛中上部区域为可扬稀夹带的循环物料，物料在炉内的流动方式为核一环方式。外循环区域内的物料是由气离开炉膛携带出的，由于分离器的分离作用，大量的物料能够分离下来，并在分离器立管内形成料封，防止炉膛烟气通过回料阀进入分离器。由于循环物料在参与内循环的同时有一部分由于烟气的作用进入物料外循环，要保证物料平衡的实现，分离器的分离效率是一个重要的参数。如果分离器的分离效率低于一定的值．人炉补充的循环物料无法弥补物料的损失，物料平衡难以实现，循环物料粒径将变粗，CFB锅炉表现出鼓泡床运行状态，锅炉出力不足，即使运行空床速度为满负荷设计值甚至更高。
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一般条件下，对灰份在20～40％之间的燃料，通过分离器的分离作用可以积累实现物料平衡所需要的物料量。在不额外添加循环物料的条件下。循环物料来源于燃料自身的灰，因此循环物料与燃料成灰特性有密切关系。就目前的研究水平看，要准确的预测入炉燃料在炉内的灰粒径分布是不可能的。但是将物料在炉内的分布分为两个区域后，从循环物料的平衡实现出发，可以通过底渣份额大致判断出燃料的成灰特征。例如有些燃料尽管灰份很大，但破碎程度很差，需要很长的时间形成循环物料。而实际运行中，当炉膛（或风室）压力到一定值后就需要排渣，这样大部分灰份在形成循环物料以前就以底渣形式离开炉膛。因此，燃料的灰含量并不是评判循环物料平衡是否能够实现的惟一参数。
对一些高挥发份低灰份燃料，往往需要定期添加一定的循环物料以维持CFB运行方式所需要的物料平衡。对高灰份燃料，如果物料破碎性能较差，底渣份额很高，循环物料往往需要较长时间的积累，当积累的速率小于分离器的逸出率，则炉内的物料浓度将维持到较低的水平，CFB锅炉往往以鼓泡床方式运行。如果高灰份燃料的破碎性能很好，则炉内的整体物料粒径减小，炉膛下部粗颗粒份额降低；对小型试验台，由于燃烧室的截面积很小，当底渣平均粒径减小到一定程度，燃烧室下部较难形成稳定的密相区，这时往往采用排放循环灰来控制燃烧室内的物料量。从以上分析可看出，CFB锅炉炉膛内的物料平衡实际是炉膛下部和炉膛中上部的物料平衡，对宽筛分燃料尤其如此。炉膛下部的物料平衡通过控制炉膛下部的压力平衡就容易实现。对炉膛中上部物料的物料平衡，在一定的运行条件下，CFB锅炉所需要的循环物料量（即炉内贮存的循环物料量）是一定的，CFB锅炉物料平衡的调节就是调节锅炉中上部的循环物料量。炉膛下部的底渣排放是控制循环物料量的有效手段之一，循环物料的添加也是非常有效的方法，控制人炉燃料粒径对循环物料量的调整也有一定的作用。
三、讨论
对低灰分燃料，设计中所选择的换热系数能够控制在运行可调的范围内。在满负荷设计时，如果换热系数取值过大，则需要增加可循环的物料投入率。随着机组负荷的降低，为了调整炉膛内的物料分布，有可能会适当增加当量灰分量，即投入的循环物料量并随燃料量等比例减小。
对CFB锅炉设计而言，烟气的物料携带率是一定的，满足CFB锅炉定态设计的条件。但实际运行的结果表明：烟气的物料携带率应该由飞灰份额和分离器效率确定，而飞灰份额和分离器效率又与分离器的结构设计、燃料特性、运行工况等密切相关。对一些特殊燃料，如果燃料中的灰极易破碎到分离器无法进行有效分离的程度，则分离器分离效率会有所降低，这时也是需要添加部分循环物料的。对运行技术人员而言，尽管实际添加的可循环物料量无法定量确定和测量，但可以根据炉膛中部压力的多少来进行控制。对一些灰分较低的燃料，尽管不必添加循环物料，由于循环物料积累较慢，在锅炉启动初期添加以前的循环灰是使锅炉尽快带满负荷的一种有效方法。
结论：
CFB锅炉内的物料平衡可以用底渣、飞灰、内循环物料和外循环物料的平衡进行研究分析。其中，内循环物料平衡特别是炉膛上部的物料平衡对CFB锅炉的运行有重要意义。物料在炉内的平均停留时间可用底渣和飞灰的平均停留时间表征。
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论文作者:张利勋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：物料论文; 炉膛论文; 锅炉论文; 燃料论文; 分离器论文; 粒径论文; 流化床论文; 《电力设备》2019年第4期论文;