循环流化床锅炉选择性排渣冷却系统研究
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摘要
大型CFB锅炉技术的发展十分迅猛，技术已较为成熟，且已成为我国劣质燃料高效清洁利用的主要途径。然而在大容量化、高参数化的发展和应用过程中仍然存在一些问题，其中以底渣系统故障、底渣热量回收利用问题和炉内受热面磨损问题最为突出，严重制约了我国CFB锅炉的可用率和运行可靠性。出现这些问题的本质是我国CFB锅炉在大量燃用劣质燃料后炉内床料粒度分布大大偏离了设计值，影响锅炉的正常运行。而调节炉内床料粒度分布最有效、最直接、最灵活的方式恰为通过选择性排渣来实现。因此，在研究CFB锅炉床料粒度分布的形成机理及其调节优化方法的基础上，研发新一代的冷渣器和排渣装置，以及探讨底渣热量回收系统的经济性、冷却能力和回收效率等问题，有非常重要的意义。
为此，本文首先从理论上探讨了CFB锅炉炉内床料粒度分布的形成机理及其调节方法，并研究了锅炉底渣热量回收利用的冷却能力、经济性等相关问题。其次针对现有底渣系统存在的问题提出了对宽筛分底渣进行分选并按粒径分级冷却的思路，开发出了带颗粒粒径分选思想的流化床冷渣器系列专利及与之配套的相关专利技术。然后分别对所提出的专利技术“排渣分选装置”和“复合式冷渣装置”进行了可行性研究。最后对复合式冷渣装置进行了半工业的冷态试验和工业应用研究。本文的主要研究内容及创新点是：
①通过建模研究了选择性排渣和排循环灰对炉内床料粒度分布的调节作用
探讨了CFB锅炉炉内床料粒度分布的形成机理及其发生变化后产生的影响，并通过分析总结得出采用选择性排渣是调节炉内床料粒度分布最佳的方法。之后通过建立的物料平衡一维静态模型分别对不回收、回收底渣细颗粒和排放循环灰三种工况进行了计算，计算结果表明，选择性排渣和排放循环灰对炉内床料粒度分布的调节作用恰好相反，选择性排渣可以使得炉内床料粒度变细，而排放循环灰将使炉内床料粒度变粗。
②首次系统地研究了底渣热量回收时的能力限制、对机组经济性的影响等问题
建立了分别采用纯水冷式“滚筒冷渣器”和风水联合冷却式“流化床冷渣器”两种不同底渣冷却方式回收底渣物理热时对机组热经济性的影响模型。选取了三种具有代表性的不同容量等级的CFB锅炉凝汽式发电机组（150MWe、300MWe、600MWe）作为研究对象，在定功率条件下采用热平衡法计算得出了不种底渣热量回收方式时的机组热经济性指标，并对结果进行了对比分析。此外，详细探讨了不同热量回收方式的底渣余热回收效率问题、不同冷却介质的冷却能力问题及适宜的风水冷比例问题等，并给出了相关意见建议。
③首次提出了一种在顺利排放底渣同时能实现底渣粗细分选的排渣分选装置针对具有自主知识产权的“一种排渣分选装置”进行了冷模试验研究，验证了技术可行性，并对该装置内的气固流动特性尤其是排渣分选特性进行了试验研究，得到了流化风速、分选隔墙高度、初始床料粒径分布等因素对分选效果的影响，以及颗粒分选效果较好时分选室与主床间的风速匹配关系。
④首次提出了对宽筛分底渣进行分选并按粒径分级冷却的新思路根据对宽筛分底渣按粒径分级冷却的思路，开发出了带颗粒粒径分选思想的流化床冷渣器系列专利，包括“复合式冷渣装置”、“双分选式流化床冷渣器”、“双喷动床流化床冷渣器及与之配套的回风系统”等，同时开发了多种与之配套的专利技术，均获得了我国国家发明或实用新型专利授权。
针对复合式流化床冷渣器的研发，首先通过小型试验台的冷模试验和数值模拟研究验证了结构设计和技术的可行性；然后在一半工业试验台上针对复合式流化床冷渣器的分选特性和回灰特性进行了冷态试验研究；最后在试验研究的基础上设计了出力分别为15t/h和30t/h的复合式流化床冷渣器，并先后在攀枝花某150MWe CFB锅炉机组和安徽某300MWe CFB锅炉机组上进行工业示范验证和应用研究。工业应用结果表明复合式流化床冷渣器粗细颗粒分选分离效果明显、底渣颗粒粒度适应性和流动性较好、冷却能力较强，各项参数能够达到设计要求。复合式流化床冷渣器可作为未来大型CFB锅炉冷渣器的发展方向之一。
The large-scale circulating fluidized bed (CFB) boiler technology has been rapidlydeveloped and more mature in recent years, and becomes the main way to achieve thehigh efficiency and clean utilization on the low grade fuel in China. However, there areseveral problems during the large-scale process of development and application. Thefunctional failure of the bottom ash treatment system, the bottom ash heat recovery andthe abrasion of heating surface in furnace are the three most prominent problems, whichseverely restrict the availability factor and operational reliability of CFB boilers. Theessence of the problems is that the particle size distribution (PSD) of bed materialdeviates the scope of design after the boiler combusting a great amount of low gradefuel. Moreover, the selective discharging on bottom ash is the most efficient, direct andflexible way to regulate the PSD of bed material. Consequently, based on studying theformation mechanism and regulating method of the bed material PSD in CFB boilers,it’s very important to develop a new fluidized bed bottom ash cooler or dischargingdevice and investigate the thermal economy, cooling capacity and recovery efficiency ofthe bottom ash heat recovery system.
In the present work, the formation mechanism and regulating method of the bedmaterial PSD was firstly discussed. Then the thermal economy, cooling capacity andrecovery efficiency of the bottom ash heat recovery system were studied. Furthermore,the thinking of particle separation and stepped cooling for the wide distribution bottomash was introduced, and a series of invention patents about fluidized bed bottom ashcooler and matching technologies were applied. Finally, the technical feasibility of theselective ash discharging device (SAD) and the compound fluidized bed ash cooler(CFBAC) were investigated, as well as the experimental study and application of theCFBAC. The main works and innovations can be list as follows:
①Modeling study on the regulating effect of the selective discharging of bottomash and exhausting the circulating material on the PSD of the bed material
It was concluded that the selective discharging ash was the best method to regulatethe PSD by analyzing the formation mechanism and regulating method of the bedmaterial. Based on the one-dimensional static model established for the mass balance ofa CFB boiler, three conditions (unreturning the fine particles in the bottom ash,returning the fine particles and dishcharging the circulating material) were calculated. The results indicated that selective discharging on bottom ash and exhausting thecirculating material have just the opposite regulating effects.
②Systemic research on the thermal economy, cooling capacity and recoveryefficiency of the bottom ash heat recovery system
The unit thermal economic indicators of three CFB power plants in China (150MWe,300MWe and600MWe) were derived based on heat balance calculation andanalysis on the principled thermal system in turbine heat acceptance condition, takingthe influence of two different bottom ash heat recovery modes into account. In addition,the heat recovery efficiencies of different recovery modes, the cooling capacities ofdifferent cooling medium and the proper proportion of water and air were investigated,and some related suggestions have been made.
③Experiment study on a selective bottom ash discharging device for CFB boilers
The selective bottom ash discharging device can be used to achieve the selectivedischarge on the bottom ash. Through the experiments about the gas-solid flowcharacteristics conducted in a visible cold test rig, it was concluded that fluidzingvelocity, separation partition height, initial PSD of the test bed material could influencethe separation effect. The fluidizing velocity matching relationship of main bed andseparation chamber was also obtained.
④Development of the particle separation and stepped cooling thinking for thewide distribution bottom ash
A series of patent technologies about fluidized bed ash cooler with the thinking ofparticle separation and stepped cooling were applied, such as “CFBAC”,“doubleseparating fluidized bed ash cooler” and “double spouted-bed fluidized bed ash coolerand its return air system”. Especially, for developing the CFBAC, experimental studyand numerical simulation about the gas-solid flow characteristics were conducted in asmall scale visible cold test bed and a semi-industrial cold test rig, respectively.According to the experiment results, the CFBACs were industrially applied in a150MWe CFB unit and a300MWe CFB unit, respectively. The application results showedthat the CFBAC had a well separation effect, an excellent adaptability on particle sizeand a strong cooling capacity, all parameters could meet the design requirements. TheCFBAC could be one direction of the future CFB boiler bottom ash cooler.
为此，本文首先从理论上探讨了CFB锅炉炉内床料粒度分布的形成机理及其调节方法，并研究了锅炉底渣热量回收利用的冷却能力、经济性等相关问题。其次针对现有底渣系统存在的问题提出了对宽筛分底渣进行分选并按粒径分级冷却的思路，开发出了带颗粒粒径分选思想的流化床冷渣器系列专利及与之配套的相关专利技术。然后分别对所提出的专利技术“排渣分选装置”和“复合式冷渣装置”进行了可行性研究。最后对复合式冷渣装置进行了半工业的冷态试验和工业应用研究。本文的主要研究内容及创新点是：
①通过建模研究了选择性排渣和排循环灰对炉内床料粒度分布的调节作用
探讨了CFB锅炉炉内床料粒度分布的形成机理及其发生变化后产生的影响，并通过分析总结得出采用选择性排渣是调节炉内床料粒度分布最佳的方法。之后通过建立的物料平衡一维静态模型分别对不回收、回收底渣细颗粒和排放循环灰三种工况进行了计算，计算结果表明，选择性排渣和排放循环灰对炉内床料粒度分布的调节作用恰好相反，选择性排渣可以使得炉内床料粒度变细，而排放循环灰将使炉内床料粒度变粗。
②首次系统地研究了底渣热量回收时的能力限制、对机组经济性的影响等问题
建立了分别采用纯水冷式“滚筒冷渣器”和风水联合冷却式“流化床冷渣器”两种不同底渣冷却方式回收底渣物理热时对机组热经济性的影响模型。选取了三种具有代表性的不同容量等级的CFB锅炉凝汽式发电机组（150MWe、300MWe、600MWe）作为研究对象，在定功率条件下采用热平衡法计算得出了不种底渣热量回收方式时的机组热经济性指标，并对结果进行了对比分析。此外，详细探讨了不同热量回收方式的底渣余热回收效率问题、不同冷却介质的冷却能力问题及适宜的风水冷比例问题等，并给出了相关意见建议。
③首次提出了一种在顺利排放底渣同时能实现底渣粗细分选的排渣分选装置针对具有自主知识产权的“一种排渣分选装置”进行了冷模试验研究，验证了技术可行性，并对该装置内的气固流动特性尤其是排渣分选特性进行了试验研究，得到了流化风速、分选隔墙高度、初始床料粒径分布等因素对分选效果的影响，以及颗粒分选效果较好时分选室与主床间的风速匹配关系。
④首次提出了对宽筛分底渣进行分选并按粒径分级冷却的新思路根据对宽筛分底渣按粒径分级冷却的思路，开发出了带颗粒粒径分选思想的流化床冷渣器系列专利，包括“复合式冷渣装置”、“双分选式流化床冷渣器”、“双喷动床流化床冷渣器及与之配套的回风系统”等，同时开发了多种与之配套的专利技术，均获得了我国国家发明或实用新型专利授权。
针对复合式流化床冷渣器的研发，首先通过小型试验台的冷模试验和数值模拟研究验证了结构设计和技术的可行性；然后在一半工业试验台上针对复合式流化床冷渣器的分选特性和回灰特性进行了冷态试验研究；最后在试验研究的基础上设计了出力分别为15t/h和30t/h的复合式流化床冷渣器，并先后在攀枝花某150MWe CFB锅炉机组和安徽某300MWe CFB锅炉机组上进行工业示范验证和应用研究。工业应用结果表明复合式流化床冷渣器粗细颗粒分选分离效果明显、底渣颗粒粒度适应性和流动性较好、冷却能力较强，各项参数能够达到设计要求。复合式流化床冷渣器可作为未来大型CFB锅炉冷渣器的发展方向之一。
The large-scale circulating fluidized bed (CFB) boiler technology has been rapidlydeveloped and more mature in recent years, and becomes the main way to achieve thehigh efficiency and clean utilization on the low grade fuel in China. However, there areseveral problems during the large-scale process of development and application. Thefunctional failure of the bottom ash treatment system, the bottom ash heat recovery andthe abrasion of heating surface in furnace are the three most prominent problems, whichseverely restrict the availability factor and operational reliability of CFB boilers. Theessence of the problems is that the particle size distribution (PSD) of bed materialdeviates the scope of design after the boiler combusting a great amount of low gradefuel. Moreover, the selective discharging on bottom ash is the most efficient, direct andflexible way to regulate the PSD of bed material. Consequently, based on studying theformation mechanism and regulating method of the bed material PSD in CFB boilers,it’s very important to develop a new fluidized bed bottom ash cooler or dischargingdevice and investigate the thermal economy, cooling capacity and recovery efficiency ofthe bottom ash heat recovery system.
In the present work, the formation mechanism and regulating method of the bedmaterial PSD was firstly discussed. Then the thermal economy, cooling capacity andrecovery efficiency of the bottom ash heat recovery system were studied. Furthermore,the thinking of particle separation and stepped cooling for the wide distribution bottomash was introduced, and a series of invention patents about fluidized bed bottom ashcooler and matching technologies were applied. Finally, the technical feasibility of theselective ash discharging device (SAD) and the compound fluidized bed ash cooler(CFBAC) were investigated, as well as the experimental study and application of theCFBAC. The main works and innovations can be list as follows:
①Modeling study on the regulating effect of the selective discharging of bottomash and exhausting the circulating material on the PSD of the bed material
It was concluded that the selective discharging ash was the best method to regulatethe PSD by analyzing the formation mechanism and regulating method of the bedmaterial. Based on the one-dimensional static model established for the mass balance ofa CFB boiler, three conditions (unreturning the fine particles in the bottom ash,returning the fine particles and dishcharging the circulating material) were calculated. The results indicated that selective discharging on bottom ash and exhausting thecirculating material have just the opposite regulating effects.
②Systemic research on the thermal economy, cooling capacity and recoveryefficiency of the bottom ash heat recovery system
The unit thermal economic indicators of three CFB power plants in China (150MWe,300MWe and600MWe) were derived based on heat balance calculation andanalysis on the principled thermal system in turbine heat acceptance condition, takingthe influence of two different bottom ash heat recovery modes into account. In addition,the heat recovery efficiencies of different recovery modes, the cooling capacities ofdifferent cooling medium and the proper proportion of water and air were investigated,and some related suggestions have been made.
③Experiment study on a selective bottom ash discharging device for CFB boilers
The selective bottom ash discharging device can be used to achieve the selectivedischarge on the bottom ash. Through the experiments about the gas-solid flowcharacteristics conducted in a visible cold test rig, it was concluded that fluidzingvelocity, separation partition height, initial PSD of the test bed material could influencethe separation effect. The fluidizing velocity matching relationship of main bed andseparation chamber was also obtained.
④Development of the particle separation and stepped cooling thinking for thewide distribution bottom ash
A series of patent technologies about fluidized bed ash cooler with the thinking ofparticle separation and stepped cooling were applied, such as “CFBAC”,“doubleseparating fluidized bed ash cooler” and “double spouted-bed fluidized bed ash coolerand its return air system”. Especially, for developing the CFBAC, experimental studyand numerical simulation about the gas-solid flow characteristics were conducted in asmall scale visible cold test bed and a semi-industrial cold test rig, respectively.According to the experiment results, the CFBACs were industrially applied in a150MWe CFB unit and a300MWe CFB unit, respectively. The application results showedthat the CFBAC had a well separation effect, an excellent adaptability on particle sizeand a strong cooling capacity, all parameters could meet the design requirements. TheCFBAC could be one direction of the future CFB boiler bottom ash cooler.
引文
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