CN103363517A - 一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，包括风室、布风装置、炉膛、一次风系统、二次风系统、水平烟道、数台旋风分离器和外置式热交换器、尾部烟道，所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.22-0.48；所述尾部烟道内设烟气挡板，尾部烟道包含至少两条平行烟道，在一平行烟道内设有低温过热器，在另一平行烟道内设有低温再热器；在一外置式热交换器内设有中温过热器，在一外置式热交换器内设有高温再热器；在炉内设有高温过热器；本发明能有效提高炉内传热强度，将炉内床温达到950℃及以上，可将蒸汽参数达到700℃及以上，从而达到提高煤电机组发电效率与低污染物排放共存的目的，保证设备长期高效运行。

Description

一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉

技术领域

   本发明涉及一种循环流化床锅炉，特别是用于700℃及以上蒸汽参数超超临界发电的循环流化床锅炉。

背景技术

我国现已成为世界第一的能源生产国和消费国，近十年煤炭在能源结构中所占比重一直在70%左右，并预计将持续至本世纪中叶。然而，我国煤炭资源中，高硫份和高灰份的劣质煤所占比重较高，为此，提高机组发电效率，降低污染物排放是电力行业的中心任务。

提高蒸汽参数是获得更高发电效率的最有效方法之一。其实，在600℃等级超超临界发电技术成熟后，美、日、欧等发达国家和地区便已启动700℃及以上蒸汽参数的先进超超临界发电技术研究计划，如欧洲的AD700、美国的760℃超超临界发电研发和日本的A-USC计划等。目前，火电机组以煤粉锅炉为主，且几乎所有涉及700℃蒸汽参数发电技术的研究也都集中在这一领域，然而，煤粉锅炉炉膛内燃烧比较集中，热负荷分布不均，工质热偏差较大，再加上工质温度要达到700℃，因此对水冷壁的冷却能力有很高的要求；此外，煤粉锅炉燃烧温度很高，火焰中心温度可达1500℃甚至更高，若兼顾使蒸汽参数达到700℃及以上，势必大幅提高现有锅炉炉内受热面及各末级过热、再热受热面的材料等级，在材料没有取得突破性进展的前提下，近期这一技术在国内大规模推广应用尚存在一定困难。

循环流化床燃烧技术是近三十年发展起来的在现阶段唯一实现商业化和大型化的低品位燃料高效清洁燃烧利用技术，以其无与伦比的低污染物排放优势，有效解决了节能与环保两方面的问题，代表了当今燃烧技术的一大进步。

目前，循环流化床锅炉在进一步提高机组发电效率方面遇到较大的困难。这是因为，循环流化床锅炉在额定负荷下，炉内正常燃烧温度通常不超过930℃，相对于其它燃烧方式如煤粉锅炉或旋风燃烧炉等锅炉，其燃烧温度偏低，导致在提高炉内床温方面遇到较大的瓶颈；此外，更为重要的是，为使再热蒸汽压力损失不致过大，需要采用较低的蒸汽流速，然而，低蒸汽流速也使蒸汽对受热面管壁的冷却能力非常有限，即受热面管子壁温更接近于管外介质的温度。由于管内蒸汽参数可达700℃或以上，而为实现此蒸汽参数，管外介质温度也会高于现有循环流化床锅炉的相应介质的温度。因此为考虑受热面管子的热承载能力，又不能将蒸汽流速取的过低，二者难以平衡；以上均限制了700℃及以上蒸汽参数在循环流化床燃烧技术上的实施，使循环流化床锅炉机组效率的进一步提高难于实现。

发明内容

 本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足并克服上述700℃及以上蒸汽参数与循环流化床锅炉相结合的难点，提供一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，能有效提高炉膛温度至950℃或更高，以提高蒸汽参数，从而实现700℃及以上蒸汽参数在循环流化床锅炉上的有效实施，达到进一步提高煤电机组发电效率与低污染物排放共存的目的，且保证设备长期高效运行。

为达到上述目的，本发明的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，包括风室、包含布风板和风帽的布风装置、炉膛、一次风系统、二次风系统、水平烟道、至少两台旋风分离器、至少两台外置式热交换器、尾部烟道，炉膛内设有带上、下集箱的水冷壁，其特征在于所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.22-0.48；所述锅炉的尾部烟道采用平行多烟道结构，至少包含两条平行烟道，每条平行烟道内设有烟气调节挡板，在至少一平行烟道内的烟气调节挡板沿烟气流动方向之前设有低温过热器，在至少另一平行烟道内的烟气调节挡板沿烟气流动方向之前设有低温再热器，在所有烟气调节挡板沿烟气流动方向之后的尾部烟道内布置省煤器和空预器；在至少一外置式热交换器内设有中温过热器，在至少一外置式热交换器内设有高温再热器；在炉内设有高温过热器；水冷壁的上集箱、低温过热器、中温过热器和高温过热器通过管路依次连通，低温再热器与高温再热器通过管路连通。

上述炉膛可以为单炉膛，其下部设有一布风板，布风板上设有数个风帽。

上述炉膛也可以采用单炉膛双布风板结构，其下部设有两布风板，每块布风板上设有数个风帽。

上述炉膛也可以为环形炉膛，其下部设有环形的布风板，该布风板上设有数个风帽。

使用时，已有一定过热度的锅炉蒸汽从水冷壁出来后依次流经低温过热器、中温过热器和高温过热器，进入汽轮机高压缸做功；从汽轮机高压缸出来的蒸汽依次流经低温再热器和高温再热器后进入汽轮机的中压缸和汽轮机低压缸做功；

为实现循环流化床锅炉的蒸汽参数达到700℃及以上，需考虑传热强度、受热面布置位置等方面因素：

在炉内传热方面，对于循环流化床锅炉而言，由于承托燃料及床料颗粒的动力来自风机压头，为使风机能耗的增量至少不能超过蒸汽参数达到700℃及以上所节约的能耗量，需要将颗粒浓度维持在合理水平。相比于目前循环流化床锅炉炉膛下部炉膛深度方向的收缩比通常为0.5-0.7，本发明将炉膛下部沿深度方向的收缩比控制为0.22-0.48，在一次风机和二次风机压头变化不大的条件下，对炉内颗粒的拖曳及夹带能力更强，可提高炉膛上部区域的颗粒浓度，从而增加炉膛上部区域气固两相流的对流传热强度，使得汽水侧吸热量得以提高。且炉内颗粒浓度更高，使燃料燃烧更充分，炉膛温度可提高至950℃或以上。颗粒浓度和炉膛温度的双重提高，可满足将蒸汽参数提高到700℃及以上的循环流化床锅炉的需要。此外，大收缩比结构使得一次风量占总风量份额更小，二次风量占总风量份额更大，为二次风的风量调节提供了更宽裕的调节范围。 

在受热面布置方面，由于蒸汽参数达到700℃及以上将对受热面管子的要求大幅提高，因此需要考虑如何分配温度最高的受热面管子（包括汽水侧温度和烟气侧温度）与传热最强的受热面管子（包括汽水侧传热特性及烟气物料侧传热特性）的布置，以此来节约高等级钢材的耗量。为此，低温过热器和低温再热器均设于烟气调节挡板沿烟气流动方向之前的平行烟道内，相对于炉膛，此处颗粒浓度低，因此传热强度和受热面磨损程度也低于炉内，可降低钢材等级，这样，既节约材料成本，又避免在炉内设置过多受热面而大幅拉低炉内局部烟气温度的情况发生，可防止局部烟温降至燃料着火点以下而不利于燃料燃尽的现象出现；通过各组烟气调节挡板可调节烟气量，从而调节低温过热器、低温再热器、省煤器和空预器的吸热份额，使低温再热器内的蒸汽温度达到要求的同时，又保证省煤器和空预器正常工作；中温过热器和高温再热器布置于外置式热交换器内，外置式换热器由于其内部鼓泡流化床的高传热强度特性而使受热面管子温度更接近于颗粒温度，满足对蒸汽加热的需要，综合炉内的高传热强度和外置式热交换器内鼓泡流化床的高传热强度特性，使蒸汽参数达到700℃及以上成为可能。

作为本发明的进一步改进，所述高温再热器的管子内径至少大于低温再热器的管子内径2mm；这是因为，为使再热蒸汽压力损失不致过大，需要采用较低的蒸汽流速。然而，低蒸汽流速也使蒸汽对受热面管壁的冷却能力非常有限，即受热面管子壁温更接近于管外介质的温度，因此为考虑受热面管子的热承载能力，又不能将蒸汽流速取的过低。通过核算受热面管内工质的压力损失与管子所处环境温度以及管子所能承受换热能力等多方面因素，对再热器的管子内径做如上要求，使得两处的蒸汽流速有较为明显差别，可同时满足两方面的需要。

本发明能实现蒸汽参数达到700℃及以上与循环流化床锅炉的有效结合，可在现有大型循环流化床锅炉的基础上将机组效率再提高1.5%-2%；

作为本发明的进一步改进，所述高温过热器可为U型屏式过热器；便于与温度较高的炉膛中心区域的烟气换热，提高换热效率；

综上所述，本发明在不显著增加燃料的情况下能有效提高炉内传热强度，并配合优选的受热面布置方式以实现炉膛内温度可达950℃及以上，将循环流化床锅炉的蒸汽参数提高至700℃及以上，从而达到提高煤电机组发电效率与低污染物排放共存的目的，且保证设备长期高效运行。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为本发明实施例三的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，该实施例为一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，包括风室14、单炉膛11、设有单布风板15和数个风帽（未示出）的布风装置、设有风机16和风管的一次风系统、设有风机17和风管的二次风系统、水平烟道18、两台旋风分离器1、两台外置式热交换器2、尾部烟道3，旋风分离器1连接水平烟道18、尾部烟道3和炉膛11的下部，两台外置式热交换器2的两端分别与各自的旋风分离器1和炉膛11的下部相连，炉膛11的四周及炉顶由带上、下集箱的水冷壁19组成，所述炉膛11下部沿深度方向的收缩比（即图中L1/L2）为0.3；所述尾部烟道3内设有三组百叶窗式的烟气调节挡板12，烟气调节挡板12沿烟气流动方向之前的尾部烟道3包含三条平行烟道20，在烟气调节挡板12沿烟气流动方向之后的尾部烟道3内设有省煤器13和空预器21，在一平行烟道20内设有低温过热器4，在另一平行烟道20内设有低温再热器7，剩下的另一平行烟道20内设置其它换热面；在两外置式热交换器2内设有中温过热器5，在另一外置式热交换器2内设有高温再热器8；在炉膛11内设有高温过热器6；水冷壁19的上集箱、低温过热器4、中温过热器5和高温过热器6通过管路依次连通，低温再热器7与高温再热器8通过管路连通，低温再热器7所采用的管子内径为48mm，高温再热器8所采用的管子内径为52.5mm。

使用时，已有一定过热度的锅炉蒸汽从水冷壁19出来后依次流经低温过热器4、中温过热器5和高温过热器6，进入汽轮机高压缸做功；从汽轮机高压缸出来的蒸汽依次流经低温再热器7和高温再热器8后进入汽轮机中压缸和汽轮机低压缸做功；

循环流化床锅炉炉内颗粒由气体拖曳而起，按照流态化理论及实践证明，炉膛所需风压近似等于炉内颗粒重量，即单位面积上的物料存量，可用压力单位表示，并可通过该区域颗粒浓度来计算。对于循环流化床锅炉而言，炉内传热主要为气固两相流体与受热面间的对流传热，这种对流传热与固体颗粒浓度有关，固体颗粒浓度越高，传热效果越好，传热强度越高。本发明由于需要使蒸汽参数达到700℃及以上，炉内传热量和温度都需要较现有炉膛有所提高，因此需保证炉内较高的传热强度和炉膛内温度，即炉膛上部区域需要有较高的颗粒浓度；同时由于承托物料的动力来自风机压头，而为使风机能耗的增量至少不能超过蒸汽参数达到700℃及以上所节约的能耗量，因此需要将颗粒浓度维持在合理水平。

相比于目前循环流化床锅炉炉膛下部的收缩比为0.5-0.7，本实施例炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.3，可使两风机16、17在压头变化不大的条件下，对炉膛11内颗粒的拖曳效果更明显，在实际工作时可显著提高炉膛上部区域的颗粒浓度，将炉膛出口区域单位高度的压降与炉膛平均单位高度压降（床层压降与炉膛高度之比）的比值（通常在0.2～0.5之间）再提高约0.1，从而增加了炉内的传热强度并可实现炉膛床温达到950℃或更高，以满足炉内受热面内蒸汽参数的需要。

在受热面布置方面，由于蒸汽参数达到700℃及以上将对受热面管子的要求大幅提高，因此需要考虑如何分配温度最高的受热面管子（包括汽水侧温度和烟气侧温度）与传热最强的受热面管子（包括汽水侧传热特性及烟气物料侧传热特性）的布置，以此来节约高等级钢材的耗量，节约制造成本。为此，低温过热器4和低温再热器7均设于烟气调节挡板12沿烟气流动方向之前的平行烟道20内，相对于炉膛11，此处颗粒浓度低，因此传热强度和受热面磨损程度也低于炉内，可降低钢材等级。既节约材料成本，又避免在炉内设置过多受热面而大幅拉低炉内局部烟气温度的情况发生，并可防止局部烟温降至燃料着火点以下而不利于燃料燃尽的现象出现；通过各组烟气调节挡板12可调节烟气量，从而调节低温过热器4、低温再热器7、省煤器13和空预器21的吸热份额，使低温再热器7内的蒸汽温度达到要求的同时，又保证省煤器和空预器正常工作；中温过热器5、高温再热器8均设于外置式热交换器2内，外置式热交换器2由于其内部鼓泡流化床的高传热强度特性可满足对蒸汽参数的需要。

内径较小的低温再热器7使得蒸汽流速较高，可有效冷却该区域受热面管子的温度，内径较大的高温再热器8内蒸汽流速较慢，可将再热蒸汽压力损失维持在很低的水平，使得再热蒸汽的压力和温度均有所保证。与同蒸汽参数的循环流化床锅炉机组相比，本发明可将机组效率再提高1.5%-2%；

实施例二

如图2、图3所示，该实施例与实施例一相比，其差别仅在于:其炉膛26为单炉膛双布风板结构，下部设有两布风板22，两布风板22上各设有数个风帽（未示出），所述炉膛26下部沿深度方向的收缩比（即图中L3/L4）为0.22，在炉膛26两侧各设有三台旋风分离器1和三台外置式热交换器2，在其中的三外置式热交换器2内设有中温过热器5，在另外三外置式热交换器2内设有高温再热器8，低温再热器7所采用的管子内径为46mm，高温再热器8所采用的管子内径为48mm。

本实施例的工作原理与实施例一类似，炉膛26下部沿深度方向的收缩比为0.22，将炉膛出口区域单位高度的压降与炉膛平均单位高度压降（床层压降与炉膛高度之比）的比值（通常在0.2～0.5之间）再提高约0.12，从而实现蒸汽参数达到700℃及以上可在此种炉膛结构的循环流化床锅炉上实现，达到提高煤电机组发电效率与低污染物排放共存的目的，且保证设备长期高效运行。

实施例三

如图4所示，该实施例与实施例二相比，其差别仅在于:炉膛27为环形炉膛，其下部设有环形的布风板，该布风板上设有数个风帽；所述炉膛27下部沿深度方向的收缩比（即图中L5/L6）为0.48，将炉膛出口区域单位高度的压降与炉膛平均单位高度压降（床层压降与炉膛高度之比）的比值（通常在0.2～0.5之间）再提高约0.05，从而增加了炉内的传热强度，可满足受热面蒸汽参数的需要。围绕炉膛27设有六台旋风分离器1和六台外置式热交换器2；其炉内温度、机组效率仍与实施例一相当。

综上所述，本发明通过改变炉膛下部沿深度方向的收缩比，提高炉膛上部区域的颗粒浓度至合理的水平，将炉膛出口区域单位高度的压降与炉膛平均单位高度压降（床层压降与炉膛高度之比）的比值（通常在0.2～0.5之间）再提高约0.05～0.15。在不显著增加燃料的情况下能有效提高炉内传热强度，并配合优选的受热面布置方式提高炉膛床温至950℃及以上，同时通过各级再热器管子内径关系的共同作用以实现蒸汽参数达到700℃及以上可在循环流化床锅炉得以实现，从而达到提高煤电机组发电效率与低污染物排放共存的目的，且保证设备长期高效运行。 

Claims (6)

1.一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，包括风室、包含布风板和风帽的布风装置、炉膛、一次风系统、二次风系统、水平烟道、至少两台旋风分离器、至少两台外置式热交换器、尾部烟道，炉膛内设有带上、下集箱的水冷壁，其特征在于所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.22-0.48；所述锅炉的尾部烟道采用平行多烟道结构，至少包含两条平行烟道，每条平行烟道内设有烟气调节挡板，在至少一平行烟道内的烟气调节挡板沿烟气流动方向之前设有低温过热器，在至少另一平行烟道内的烟气调节挡板沿烟气流动方向之前设有低温再热器，在所有烟气调节挡板沿烟气流动方向之后的尾部烟道内布置省煤器和空预器；在至少一外置式热交换器内设有中温过热器，在至少一外置式热交换器内设有高温再热器；在炉内设有高温过热器；水冷壁的上集箱、低温过热器、中温过热器和高温过热器通过管路依次连通，低温再热器与高温再热器通过管路连通。

2.如权利要求1所述的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，其特征在于所述炉膛为单炉膛单布风板结构，其下部设有一布风板，布风板上设有数个风帽。

3.如权利要求1所述的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，其特征在于所述炉膛采用单炉膛双布风板结构，其下部设有两布风板，每块布风板上设有数个风帽。

4.如权利要求1所述的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，其特征在于所述炉膛为环形炉膛，其下部设有环形的布风板，该布风板上设有数个风帽。

5.如权利要求1至4任一所述的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，其特征在于所述高温再热器的管子内径至少大于低温再热器的管子内径2mm。

6.如权利要求5所述的一种700℃及以上蒸汽参数的高床温循环流化床锅炉，其特征在于所述高温过热器为U型屏式过热器。

Images