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循环流化床锅炉结焦原因分析及预防措施 摘要 随着世界洁净煤技术的发展,循环流化床燃烧技术已基本成熟,制造和运行成本都较低,在保证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物的排放,可以满足目前世界上最严格的环保标准。虽然流化床锅炉是一种洁净煤燃烧技术,但是在实际运行中,锅炉的结焦事故是危害循环流化床锅炉安全运行原因之一。本文论述了循环流化床锅炉的技术特点,对循环流化床锅炉结焦进行了分析,介绍了结焦应该采取的对策和措施以及注意事项。 关键词：循环流化床；锅炉结焦；原因分析 目录 前言…………………………………………………………………1 1.1循环流化床锅炉简介……………………………………………………1 1.2循环流化床锅炉结构……………………………………………………2 1.3循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点…………………………………3 1.4循环流化床锅炉的优点…………………………………………………4 第二章 结焦原因分析………………………………………………………6 2.1循环流化床锅炉结焦可能原因分析……………………………………6 2.2超温的原因导致结焦可能原因分析……………………………………9 2.3导致低温结焦可能原因分析……………………………………………10 2.4导致渐进式结焦可能原因分析…………………………………………10 第三章 结焦的预防措施……………………………………………………12 3.1循环流化床锅炉结焦的预防措施………………………………………12 第四章 总结…………………………………………………………………15 参考文献………………………………………………………………………16 致谢……………………………………………………………………………17 前言 循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。 1.1循环流化床锅炉简介 循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉技术的基础上发展起来的新炉型，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，因此称作快速循环循环床锅炉。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固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程，称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其炉子称为流化床锅炉。 它与鼓泡床锅炉的最大区别在于炉内流化风速较高(一般为4～8m/s)，在炉膛出口加装了气固物料分离器。被烟气携带排出炉膛的细小固体颗粒，经分离器分离后，再送回炉内循环燃烧。循环流化床锅炉可分为两个部分：第一部分由炉膛(快速流化床)、气固物料分离器、固体物料再循环设备和外置热交换器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与其它常规锅炉相近。 循环流化床锅炉燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷壁用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。 (1)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。 (2)临界流化速度 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。 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。 1.2循环流化床锅炉结构 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，四周有膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、密相床、悬浮段，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，前部竖井用敖管炉墙，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温床。 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。 1.3循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点 (1)低温的动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程;同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程,反复循环地组织燃烧。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般850℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区)内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高，通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达95～99%以上。 (2)高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程 循环流化床锅炉内的固体物料(包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等)经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在炉膛内部因壁面效应还存在着内循环，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运行的动态过程中逐步完成的。 (3)高强度的热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。 1.4循环流化床锅炉的优点 (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。【1】 第二章 结焦原因分析 循环流化床锅炉结焦一般分为高温结焦、低温结焦和渐进性结焦 3 种。低温结焦就是当床层整体温度低于灰渣的变形温度，由于局部超温或低温烧结引起的结焦，常在起动和压火时的床层中发生，并有可能发生在高温旋风分离器的灰斗内，以及外置换热器和返料机构内。高温结焦是指床层整体温度水平较高而流化正常时所形成的结焦现象。其特点是面积大，甚至波及整个炉床，而且从高温焦块表面上看是熔融的，冷却后呈深褐色，质地坚硬，并夹杂少量气孔。渐进性结焦是运行中较难察觉的一种结焦形式，主要因布风系统设计和安装质量不好、给煤颗粒度超出设计值、运行参数控制不当、风帽错装或堵塞等所致。炉内结焦是由于高温结焦、低温结焦、渐进性结焦和油煤混燃时间较长以及流化不正常引起的结焦，这 3 种结焦类型并不是明显分离的，不论是哪种类型的结焦，一旦渣块在床料中存在并随着时间的推移，焦块将越来越大，造成流化困难，结果会堵塞排渣管，最后甚至被迫停炉。 2.1循环流化床锅炉结焦原因分析 循环流化床锅炉结焦的主要原因是床料局部或整体温度超过灰熔点或烧结温度，以及炉内流化工况不良等。 A、生产运行中结焦可能原因分析： (1）燃料的影响 若煤的灰熔点低，当煤颗粒在床温较低水平下无法充分燃烧或在炉膛内较高温度下熔化成液态或软化状态时，相互黏结，且自身燃烧放出的热量无法及时传出，就会产生结焦。其次，运行中给煤量过大，使料层中含煤量过多，料层温度升高，燃烧气氛更加趋于还原性气氛，煤的灰粒容易达到熔融及软化状态而结焦。另外，煤种变化太大，燃料制备系统选择不当，煤粒度太大，或粗颗粒份额较多也会严重影响床层的流化，导致密相区超温而结焦。 (2）运行参数的影响 运行中一次风量太小或减风至流化极限以下，会造成料层流化不好而出现局部温度过高的情况，一旦局部出现结焦就会黏结周围的颗粒而使结焦扩大。这种情况主要发生在起动过程中，因为起动时料层太低，风量较小，整个料层未能均匀地达到较好的流化状态。另外，料层差压是一个反映燃烧室料层厚度的参数，在锅炉运行中，料层厚度大小会直接影响锅炉的流化质量，启炉时料层过簿或过厚，如料层厚度过大，有可能引起流化不好造成炉膛结焦或灭火。 (3）返料影响 返料风过小，或返料器突然由于耐火材料的塌落而堵塞，或因料层差压高放循环灰外泄失控等原因，返料无法正常返至炉内，都会造成床温过高而结焦。若此时再通过加煤来维持压力及汽温，则床温在返料未回炉膛及加煤的双重作用下会急剧上升而导致床上结焦。若运行中返料温度过高，可能会造成返料器内结焦。 (4）结构方面的影响 布风板设计不良，流化风量偏低，常时间流化不良。一次风量过小，低于临界流化风量，物料流化不好。炉底风压过低，布风板阻力较低，(一般布风板阻力应为整个料层阻力的25～30％)，布风不均，致使炉内流化不良，在床层内出现局部吹穿，而其它部位供风不足，床温偏高，物料产生粘结，从而形成焦块。风帽布置不合理或风帽损坏，造成布风板布风不均，会造成部分料层不流化而产生结焦。另外，返料阀设计不当，返料风可能导致阀体内可燃物的燃烧，从而使返料温度升高造成返料器内结焦。 (5)运行操作人员问题的影响 人为的误操作，增减负荷操作不当。先加煤而后加风；不观察风室静压而随便调节风量。压火时操作不当，冷风进入炉内。操作技术差，点火阶段：流化试验未做好；两侧油枪出力不等；投煤过早，操作不及时。运行阶段：风煤比长时间失调；风量与煤量调节幅度大。床温测量装置故障，床温表失准，造成运行人员误判断或对某一单点床温偏高束手无策。操作注意力不集中，未观察床温涨跌情况；运行人员对床温监视不严造成超温。根据一些文献资料介绍，实际颗粒的温度比床温测点测得温度要高150～200℃，可知虽然床温测点反映的温度不高，但实际温度已达1000℃多度，部分颗粒产生粘黏，形成焦块，并逐步长大。当出现燃烧故障时，循环流化床锅炉床温的变化是非常快的。由于炉膛内的物料很多，热容积大，床温如不能及时控制，极易产生结焦。未注意炉膛料层差压；没有注意冷渣机是否已堵。交接班不清，对锅炉燃烧状况不了解锅炉长期超负荷运行或负荷增加过快；未讲清设备存在的而未解决的问题。【2】 B、工艺方面结焦可能原因分析： 一、点火时料层升温速率过快。1、一次风量偏大；2、下煤量过快。 二、炉膛温度过高，约≥1100℃，超过煤的灰熔点。1、超负荷运行。 三、料层（密相区）过厚。1、下灰次数少。 四、料层太薄。1、放渣过多。 五、流化不良。1、一次风量小；2、下煤量瞬时增大；3、大颗粒或铁器沉底。 六、燃烧不充分。1、风煤比失调；2、二次风量不足。 七、返料不及时，致使床温过高。1、返料器内结焦；2、返料风量小。3、返料风机跳闸会使返料风量瞬间减少甚至为零，返料量大为减少，从而无法带走炉膛中料层的热量而引起料层超温，控制不当就会引起料层结焦。 返料风机跳闸，应及时启动备用风机运行；保证返料正常。所有返料风机都故障，返料中止，造成床温急剧升高、料层差压下降、炉膛差压减少；要大量减煤，加大一次风，返料器放灰；迅速降低锅炉出力运行。返料风机短时间不能及时恢复运行的，锅炉作压火处理。 防止返料系统结焦应及时放返料灰，为防止炉膛结焦应及时减煤或停止给煤并加大一次风，并注意调整排渣速度，减小二次风减负荷，如返料风机一时不能恢复启动，应作压火处理，如有一次风联络阀应将联络阀打开用一次风进行返料，但要相应降低负荷运行。 八、局部温差大。1、料层铺设不均匀；2、两条下煤管下煤量不均匀；3、播煤风过小。 九、长时间单条皮带给煤。 十、床温不稳定。1、风量不稳；2、给煤量不稳；3、仪表指示不准确；4、仪表安装位置不精确，致使监测数据不准。 C、设备方面结焦可能原因分析： 一、炉膛风帽脱落。 二、风帽质量差。1、风孔大小不一；2、风帽耐高温性差；3、风孔易堵塞。 三、风机故障。1、一次风机跳闸；1）设备跳闸；2）电气跳闸。2、二次风机跳闸；1）设备跳闸；2）电气跳闸。3、返料风机跳闸。1）设备跳闸；2）电气跳闸。 四、风管泄漏，风量不足。 五、油枪雾化效果差。1、油管进口总阀不动作或不灵敏；2、给油泵不打量。1）油管堵塞；2）油枪喷孔过大或过小；3）油压低 六、调风挡板开度不到位。1、异物卡住；2、自调装置失灵；3、档板摇杆脱落。 七、炉墙倒塌。炉内浇注料大面积塌落，造成局部流化不良，过热而结焦。 八、返料器工作不正常。1、浇注料脱落或堵塞；2、返料风机故障；3、返料器内风帽脱落；4、返料器内风帽堵塞。 九、放渣管堵塞。1、放渣口风帽配置太少；2、密封不严，造成管内结焦。原料方面： 十、运行过程中由于给煤机运行不正常，给煤量测量不准而给煤过多，造成床层局部超温或长时间给风等也是造成结焦的原因。 D、燃煤方面结焦可能原因分析： 一、粒度不均。1、没有进行分筛。 二、煤粒直径过大。1、机械加工不到位。 三、煤质较差。1、灰熔点低；2、固定碳含量少。 四、煤质突变。 五、煤湿度比较大。 六、煤矸石粒度大。 七、煤配比不当 2.2超温的原因导致结焦可能原因分析 高温结焦是指床层整体温度水平较高而流化正常时所形成的结焦现象。当床料中含碳量过高，如不及时调整风量或返料量来控制床温，床温将急剧上升，超过灰熔点，便会产生高温结焦 超温的原因：燃料在燃烧室内燃烧，释放热量，循环灰由回料器进入燃烧室与燃料混合后吸收热量并将热量带出燃烧室，正常情况下它们之间的关系是平衡的，燃烧室温度会维持定值。只有在热量不能被及时带出时，燃烧室温度才会升高。 超温结焦可分为三种情况： （1）局部温度超高，仪表指示温度正常。燃烧室内物料局部物料流化不正常，循环灰与燃料混合不好或未混合，燃料释放的热量不能被及时带走。料层内温度场不均匀（即便是流化正常，料层内各点温度也是有差别的，只不过更接近平均值，日常运行中仪表指示温度也不是完全一致的），流化不正常的部位距离温度元件相对较远，不能如实反映局部温度实际情况。 （2）局部超温，仪表指示超温。燃烧室内物料局部物料流化不正常，循环灰与燃料混合不好或未混合，燃料释放的热量不能被及时带走。超温或结焦点正好在测温元件部位，温度指示，可以如实反映实际温度情况。这种结焦现象很少会独立出现，因为监盘的工作人员不会坐等温度升高至规定值。所以，此种情况一般是由低温结焦逐渐恶化，焦块延伸至测温元件附近引起的。温度元件被焦块包围时，开大一次风就指示温度快速下降或下降极为缓慢，关小一次风时，温度指示快速上升或上升极为缓慢