CN104279556A - 循环流化床锅炉二次风布风方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能降低污染物排放且易于布置的循环流化床锅炉二次风布风方法，炉膛由炉底布风板、四周水冷壁和顶棚水冷壁组成，二次风喷管与布置在四周水冷壁上的二次风喷口相连，二次风喷口分为常规二次风喷口及处于更高位置的高效二次风喷口，高效二次风喷口的中心与布风板间的距离h同整个炉膛高度H之比在0.1～0.5范围内，且h≥6m；高效二次风喷口通过让管开设；高效二次风的喷管与水平方向所夹锐角在-65°～25°，高效二次风的质量流率M_flux在18kg/(m²﹒s)～70kg/(m²﹒s)。通过上述布置，高效二次风可穿透至炉膛中心区域，能有效抑制氮氧化物生成，且方便易行，尤其适合于大型循环流化床锅炉的新制或改造。

Description

循环流化床锅炉二次风布风方法

技术领域

本发明涉及循环流化床锅炉领域，尤其是一种循环流化床锅炉二次风布风方法。

背景技术

随着循环流化床锅炉向着更高参数、更大容量和更高效率的方向发展，锅炉炉膛截面积显著增加，这使得布置在炉膛侧壁的二次风喷口距炉膛中心的距离可多达数米远，二次风因此很难达到炉膛中心区域，这就造成炉膛中心存在贫氧区域使得燃烧不充分而降低燃烧效率。同时，随着国家对电站锅炉污染物排放要求的愈加严苛，使得具有环保优势的循环流化床锅炉也面临新的挑战。为进一步降低锅炉污染物排放值，需要调节锅炉的燃烧特性，从而力求在源头上深度抑制污染物气体的生成量。二次风作为调节燃烧的重要手段之一，如何在确保穿透性的同时兼顾抑制污染物生成，便成为大型循环流化床锅炉二次风布置急需攻克的关键技术之一。

为此，于2012年8月1日公开的公告号为CN202361365的中国实用新型专利“循环流化床锅炉二次风管”，是通过减少一次风量来避免将颗粒较大的粉尘被带到换热面上而造成的磨损，同时通过减少二次风管数量，来增大二次风的入炉风速和刚度。不过由于其仅设置3～5根风管，因此难于适应大型电站循环流化床锅炉的发展要求。

于2010年8月4日公开的公告号为CN201539856的中国实用新型专利“一种循环流化床锅炉炉膛中心供风装置”，是通过在布风板上加装中心布风装置对大型循环流化床锅炉的炉膛中心贫氧区域直接供风。然而，由于中心布风装置直接穿过布风板，其连接处的密封与膨胀有一定的实施难度。此外，由于中心布风装置的存在，还可造成其所在区域的流化不良等情况出现。

于2008年7月23日公开的公布号为CN101225954A的中国发明专利申请“内凹式循环流化床锅炉二次风供风方法及其装置”，是将炉膛下部二次风喷口附近的壁面向炉内凹入，使二次风供风喷口由离炉膛中心更近的位置向炉内供风，从而改善炉膛燃烧中心区域氧浓度场分布。但该方法结构复杂，同时内凹的二次风口位置将影响炉内气固流动，且实现起来难度较大。

于2010年6月6日公开的公布号为CN101718430A的中国发明专利申请“循环流化床锅炉带二次风喷射的十字受热屏”，是将带二次风喷射口的十字受热屏布置于炉内，并通过弯管结构在炉膛下部区域围城一个可容纳二次风管的空间，并通过弯管来形成二次风喷口。然而，由于炉膛下部区域的固体颗粒浓度较高，容易造成二次风喷口的弯管区域和十字屏弯管处的磨损，同时该结构复杂，实施起来并非易事。

可见，上述方案均未给出结构简单并行之有效的适合大型循环流化床锅炉的二次风布置方案，且未涉及抑制污染物排放内容，从而限制了循环流化床锅炉向着更高参数、更低能耗以及更加清洁的方向发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能降低污染物排放且易于布置的循环流化床锅炉二次风布风方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：循环流化床锅炉二次风布风方法，炉膛由炉底布风板、四周水冷壁和顶棚水冷壁组成，二次风喷管与布置在四周水冷壁上的二次风喷口相连，二次风喷口分为常规二次风喷口和相对于常规二次风喷口处于更高位置的高效二次风喷口，二次风喷管相应分为常规二次风喷管和高效二次风喷管，高效二次风喷口的中心与布风板间的距离h同整个炉膛高度H之比在0.1～0.5范围内，且h≥6m；高效二次风喷口通过让管开设；高效二次风喷管与水平方向所夹锐角在-65°～25°，高效二次风的质量流率M_flux在18kg/(m²﹒s)～70kg/(m²﹒s)。

循环流化床锅炉炉内的气固流动复杂，在炉膛底部，会形成一个由粗颗粒为主，用以提供足够床料量来维持炉膛床压的密相区。在炉膛密相区以上至炉膛出口之间，存在着一个颗粒浓度沿炉膛高度递减的稀相区，物料从密相区表面因气泡破裂而被抛到该区域。

在稀相区下部，气固两相流体扰动剧烈，气固两相混合充分，因此常规二次风喷口和给煤口、回料口等都布置在此区域，以利于气固两相流体混合均匀。

就二次风喷口位置设置而言，若入射位置太低(对应位置的颗粒浓度便会很高)，则二次风很难到达炉膛中心区域补充燃烧所需要的氧，但若二次风喷口入射位置太高，则会抑制炉膛下部的颗粒被抛入炉膛上部并参与循环。同时为了兼顾分级燃烧而进一步降低污染物排放，都需要设置合理的二次风入射位置。

目前，对二次风喷射下循环流化床锅炉气固混合的研究以及定量描述，仍是循环流化床开发研究中非常薄弱的环节之一。加之在测量手段和精度上的困难，关于二次风在其喷口所在炉膛截面喷射特性的研究非常有限。

近年来，随着计算颗粒流体力学的极大发展与商用软件的开发应用，可以通过数值计算的方法来预测炉内的气固流动，成为有效研究二次风布置的方法之一。基于此，以实际锅炉尺寸为研究对象，采用大涡模型描述炉内流场，选用经典的结合Ergun和Wen-yu模型的Gidaspow曳力模型描述气固间的动量传递，可对实际锅炉的炉内气固流动进行模拟计算，从而对设计出的二次风布置方式可能达到的效果进行推断。

为了提高炉膛中心贫氧区域的有效供风量，发明人设想出了通过显著拔高部分二次风喷口来对炉膛中心贫氧区域供风的方法，并通过现有的模拟模型及大量计算，确定了此种布置方式具有更合理的二次风入射位置，可增加二次风的穿透性，使该部分二次风可以达到传统炉膛中心贫氧区，提高该区域的燃烧效率，有助于燃料高效燃烧，通过合理分配常规二次风量和高效二次风量，使得炉内分级燃烧效果更明显，可进一步抑制氮氧化物生成，从源头降低污染物排放。通过大量计算得知，设置高效二次风的喷口距离布风板约为炉膛高度H的1/10-1/2，且h≥6m，其喷管与水平方向的夹角在-65°～25°范围内，高效二次风的质量流率M_flux在18kg/(m²﹒s)～70kg/(m²﹒s)，通常可达到预期的效果。此外，该布置方式通过在固体颗粒浓度更低的区域布置二次风，使得不参与循环的粗颗粒被抛到炉膛中上部的几率减少，可有效降低炉膛内部各类受热面的磨损，通过在更高的位置布置二次风，使得二次风喷口背压降低，有助于减少二次风机压头，从而降低电耗，节约能源。

在高效二次风喷口位置的高度设置方面，需要考虑锅炉运行时的气固流动特性。为保证大型循环流化床锅炉炉膛出口足够的物料浓度以维持主循环回路的物料平衡，需要一定的炉内断面烟气速度将颗粒夹带至炉膛出口。对于现有的大型CFB锅炉而言，在不改变炉膛结构如采用上述中心供风装置、内凹式循环流化床锅炉二次风供风方法以及二次风喷射的十字受热屏等的情况下，需要适当抬高高效二次风的喷口位置，以避开高浓度难穿透的炉底密相区(密相区的高度需要通过计算得到，而并非已知条件)。另一方面，若将高效二次风喷口位置布置的过高，则气固两相混合减弱，且因高效二次风所在高度的颗粒浓度已经很低，则穿透性很强的高效二次风将会起到空气幕的作用，阻碍颗粒被夹带至炉膛出口。基于此，经多个工况的计算，得出高效二次风的喷口距离布风板约为炉膛高度H的1/10-1/2，且h≥6m。

同时，不同煤种的成灰特性不同，有些煤质燃烧后易形成粒径极小的细颗粒，而另一些煤质燃烧后更容易团聚成较粗的颗粒，与粗颗粒相比，细颗粒更容易被夹带至炉膛出口。基于此，通过对不同粒径分布(计算共涉及41档颗粒粒径，对粒径的考虑程度已经远超过通常进行物料平衡计算时所需如10余个粒径档的粒径档数量)的颗粒进行计算，得出高效二次风喷管与水平方向的夹角在-65°～25°范围内时，即可满足绝大部分的已知煤质参数。

此外，为实现高效二次风良好的穿透性，需要保证有足够的动量，根据计算，得出高效二次风的质量流率M_flux在18kg/(m²﹒s)～70kg/(m²﹒s)。

所述高效二次风的风量与锅炉总风量比值在0.15～0.3。在达到穿透效果的同时，兼顾了锅炉整体的物料平衡。这是因为，若高效二次风风量分配太少，则穿透性难以得到保证，而风量过大则会抑制炉膛中上部和炉膛出口的颗粒浓度，因此需要设置合适的风量。

需要说明的是，大型CFB锅炉的物料平衡受多方面因素影响，保证一定炉膛出口颗粒浓度除可满足上述主循环回路的正常物料循环外，颗粒浓度还会显著影响炉膛中上部的传热特性。而为了满足锅炉各部件间合理的物料平衡，需要通过调整拟新建锅炉或改造项目锅炉的上述多个参数共同实现，而难于仅通过一个结构参数的调整即可满足在不破坏物料平衡的前提下，实现高效二次风良好的穿透性和进一步分级燃烧抑制污染物气体如氮氧化物生成的需求。

为避免水冷壁的磨损，尽量设计所述高效二次风的相邻两喷口中心距最小值l₁≥1m，，在高效二次风供风量和质量流速能够达到要求且炉膛尺寸允许的条件下，所述高效二次风的相邻两喷口中心距越大越不易造成受热面的磨损。

为使其高效二次风供风量和质量流速能够达到要求，当炉膛尺寸不允许时，可允许所述高效二次风的相邻两喷口中心距最小值l₁＜1m，此时，在喷口所在水冷壁的烟气侧、高度为自该高效二次风喷口往上7m内、宽度为两喷口之间距离的矩形范围为需进行防磨处理的区域，最好在该区域铺设耐磨材料以保护水冷壁。

为避免水冷壁的磨损，尽量设计所述各高效二次风喷口中，喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂≥0.5m，因为从计算结果来看，所述距离较大时，磨损将更轻微。

如果所述各高效二次风喷口中，喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂＜0.5m，则喷口所在水冷壁的烟气侧需进行防磨损处理的区域为：高度为自该高效二次风喷口往上7m内、宽度为从该喷口到临近水冷壁间距离所覆盖的矩形范围，与该喷口相邻水冷壁的炉内烟气侧需进行防磨损处理的区域为：高度为自该高效二次风喷口往上7m内，宽度为由该水冷壁邻喷口所在水冷壁的壁边起3m内所覆盖矩形范围，最好在所述区域铺设耐磨材料以保护水冷壁。

本发明的有益效果是：通过合理布置二次风喷口位置，解决了二次风的穿透性问题，并通过分析研究循环流化床锅炉的流动与燃烧特性，使该方案还兼具抑制氮氧化物生成的特性，同时方案容易实现，只需要调整二次风的喷口布置及其喷管的流量、压力参数，有利于电站燃煤锅炉更加洁净，高效。

附图说明

图1按本发明二次风布风方法及常规二次风布风方法进行模拟计算得出的高效二次风与常规上层二次风的入射深度对比示意图(除了高效二次风喷口位置变化以外，计算其余输入参数均相同)。

图2是按本发明二次风布风方法及常规二次风布风方法进行模拟计算得出的炉膛水冷壁磨损三维对比示意图。

图3是本发明实施例1中锅炉的前后墙二次风喷口布置示意图。

图4是本发明实施例1中锅炉的侧墙二次风喷口布置示意图。

图5是本发明实施例2中锅炉的前后墙二次风喷口布置示意图。

图6是本发明实施例2中锅炉的侧墙二次风喷口布置示意图。

图中标记为：炉膛1、炉底布风板2、四周水冷壁3、顶棚水冷壁4、高效二次风喷管5、高效二次风喷口6、常规二次风喷口7、常规二次风喷管8、侧墙31、侧墙32、后墙33、前墙34。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以实际锅炉尺寸为研究对象，采用大涡模型描述炉内流场，选用经典的结合Ergun和Wen-yu模型的Gidaspow曳力模型描述气固间的动量传递，可对实际锅炉的炉内气固流动进行模拟，计算结果见图1。图1中，左侧为布置有高效二次风的情况，右侧为常规二次风布置情况。可以看出，高效二次风可以达到炉膛中心区域，而常规位置布置的上层二次风则很难达到炉膛中心区域。另一方面，从图中可以发现，与右侧相比，左侧的高效二次风以上的流场更为均匀，且由于二次风可以喷至炉膛中心区域，必然使得燃料燃烧更为充分，同时分级燃烧的效果更为明显。分级燃烧效果越明显，对于抑制NO_X的效果也更明显，即采用高效二次风后，NO_X排放水平会进一步降低。通过进一步的计算，可以确定高效二次风的质量流率范围和高效二次风比即高效二次风风量与总风量的比值，以确定高效二次风在可以达到穿透效果的同时，兼顾炉膛下部的流化效果。

此外，还可通过数值计算观察采用高效二次风前后的炉膛水冷壁磨损对比情况，计算结果如图2所示。图2中，Impact值为颗粒与壁面的碰撞次数，碰撞次数越多，表示磨损也相对越严重，该值的大小还与颗粒质量、速度和颗粒与壁面的碰撞夹角有关。图2中，左侧为采用高效二次风以后的磨损情况，右侧为采用常规的二次风布置时的磨损情况。可以看出，高效二次风的布置使整个炉膛的磨损水平降低，有助于进一步降低锅炉的事故停炉率。

在对计算结果分析过程中也发现，若两高效二次风喷口布置过近或某二次风喷口与临近水冷壁距离太近时，也会造成一定的磨损。

为此，通过对不同二次风喷口位置的多个工况计算，可知磨损区域与相邻二次风喷口间距离l₁、二次风喷口距相邻水冷壁间距离l₂与二次风卷吸颗粒运动轨迹的最大行程l₃有关。通过分析，认为l₁、l₂和l₃分别是以下的参数的函数，即：

$l_1=l_1\{\frac{h}{H},d_{\mathrm{SA}},\frac{U_{\mathrm{SA}}}{U_{\mathrm{PA}}},\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SA}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{PA}}},\mathrm{\α}\}$

$l_2=l_2\{\frac{h}{H},d_{\mathrm{SA}},\frac{U_{\mathrm{SA}}}{U_{\mathrm{PA}}},\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SA}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{PA}}},\mathrm{\α}\}$

$l_3=l_3\{\frac{h}{H},d_{\mathrm{SA}},\frac{U_{\mathrm{SA}}}{U_{\mathrm{PA}}},\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SA}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{PA}}},\frac{H_B}{h},\mathrm{\α}\}$

式中，h为高效二次风距布风板的高度，H为炉膛高度，d_SA为二次风喷口的当量直径，U_SA和U_PA分别为一次风和二次风的速度，ρ_SA和ρ_PA分别为一次风和二次风的密度，H_B为炉膛密相区高度，需要通过整体压力平衡确定，α为高效二次风与水平方向所夹锐角。通过对不同工况计算结果的多元线性回归，可以拟合出l₁、l₂和l₃的表达式。将常规锅炉的运行参数带入各表达式，即可算得需要设置防磨措施的区域范围以及二次风喷口位置的合理间距。

实施例1：

如图3和图4所示，本实施例的循环流化床锅炉的二次风喷口布置在循环流化床锅炉炉膛1上，炉膛1由炉底布风板2、四周水冷壁3和顶棚水冷壁4组成。二次风喷管5与布置在四周水冷壁3上的二次风喷口相连，锅炉二次风分两层布置，二次风喷口包括常规二次风喷口7和高效二次风喷口6，二次风喷管相应分为常规二次风喷管8和高效二次风喷管5，高效二次风喷口6通过让管开设。

锅炉二次风分两层布置，常规二次风、高效二次风均为单层布置，高效二次风喷口中心与布风板间的距离h为9m，高效二次风喷口6布置于锅炉的前后墙上，一共12个喷口，高效二次风喷管与水平方向所夹锐角α＝15°，相距最近的两高效二次风喷口的中心距l₁＝1.5m，高效二次风喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂＝0.7m。

通过对本项目实际锅炉尺寸进行数值模拟，可以清楚的观察到炉内气固流动的情况，并确定高效二次风的质量流率约为65kg/(m²﹒s)，此时高效二次风比为0.25。在此情况下，一方面高效二次风可以达到炉膛中心区域使的燃烧更为充分，另一方面，炉膛下部还有足够的流化气体，可将足够多的颗粒拖曳而起，并抛送至高效二次风所在区域，利于气固两相流体的混合并维持炉内足够的循环物料。

从燃烧角度看，高效二次风的布置使得燃料燃烧更为充分，同时分级燃烧的效果更为明显。分级燃烧效果越明显，对于抑制NO_X的效果也更明显，即采用高效二次风后，NO_X排放水平会进一步降低。此外，拉高二次风布置后使得整个锅炉的磨损程度降低，由于本实施例的二次风喷口间距较大，因此不需要增加水冷壁的防磨即可使锅炉长期运行而不受磨损因素的困扰。

实施例2：

如图5和图6所示，本实施例的循环流化床锅炉的二次风喷口布置在循环流化床锅炉炉膛1上，炉膛1由炉底布风板2、四周水冷壁3和顶棚水冷壁4组成。二次风喷管与布置在四周水冷壁3上的二次风喷口相连，二次风喷口包括常规二次风喷口7和高效二次风喷口6，二次风喷管相应分为常规二次风喷管8和高效二次风喷管5，高效二次风喷口6通过让管开设。

锅炉二次风分三层布置，常规二次风为单层布置，高效二次风分两层布置，其中，锅炉前墙34上设六个高效二次风喷口6，侧墙31和侧墙32共布置四个高效二次风喷口6，后墙33上不设高效二次风喷口。低层的高效二次风喷口6的中心与布风板间的距离h为8.5m，其高效二次风喷管与水平方向夹角为0°，相距最近的两喷口的中心距l₁＝0.8m，喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂＝0.4m。

本实施例为针对某工程的改造项目，通过对本项目实际锅炉尺寸进行数值模拟，可以观察到炉内气固流动的情况，并确定高效二次风的质量流率约为45kg/(m²﹒s)。由于为改造工程，本项目高效二次风比选为0.15。在此情况下，在确保高效二次风可以达到炉膛中心区域使的同时，兼顾炉内流化效果，保持炉内的基本的循环物料量。

由于现场布置因素，使得前墙34上布置的两高效二次风喷口中心距离为0.8m＜1m，需要在前墙34水冷壁烟气侧敷设耐磨材料。经计算，该防磨区域高6m，高度方向上起始于该高效二次风喷口6的上沿，防磨区域宽度为两高效二次风喷口6的中心距，该中心距即l₁＝0.8m。

此外，前墙34上靠最右侧的高效二次风喷口6与侧墙32间距离为l₂＝0.4m，因此需要在该喷口上方区域敷设耐磨材料。经计算，该防磨区域高6m，高度方向上起始于该高效二次风喷口6的上沿，该防磨区域的宽度为该二次风喷口中心到侧墙32的距离0.4m。同时在侧墙32上，也需要敷设防磨材料，防磨区域高6m，在高度方向上起始于该高效二次风喷口6的上沿，防磨区域宽度为距前墙34的3m范围内。

通过对本项目实际锅炉尺寸进行数值模拟，可以清楚的观察到炉内气固流动的情况，并可据此将高效二次风的位置设于合适的区域，即在颗粒返混区域仍然剧烈的同时，使得二次风的穿透性大幅提高，因此使得空气可以到达炉膛中心的缺氧区域，使得燃料燃烧更为充分，同时分级燃烧的效果更为明显。分级燃烧效果越明显，对于抑制NO_X的效果也更明显，即采用高效二次风后，NO_X排放水平会进一步降低。此外，拉高二次风布置后使得整个锅炉的磨损程度降低，并配合部分区域敷设防磨材料后，可使锅炉长期运行而不受磨损因素的困扰。同时，采用水平布置的二次风喷口，可以使得风机压头更低，可以将就现场已有的旧风机使用。

上述实施例作为解释本专利的内容使用，并不代表所有本专利的实施方案。比如，在实际实施过程中，常规二次风和高效二次风均可多层布置。

Claims (6)

1.循环流化床锅炉二次风布风方法，炉膛(1)由炉底布风板(2)、四周水冷壁(3)和顶棚水冷壁(4)组成，二次风喷管(5、8)与布置在四周水冷壁(3)上的二次风喷口相连，其特征是：二次风喷口分为常规二次风喷口(7)和相对于常规二次风喷口(7)处于更高位置的高效二次风喷口(6)，二次风喷管相应分为常规二次风喷管(8)和高效二次风喷管(5)，高效二次风喷口(6)的中心与布风板(2)间的距离h同整个炉膛高度H之比在0.1～0.5范围内，且h≥6m；高效二次风喷口(6)通过在四周水冷壁(3)上让管开设；高效二次风喷管(8)与水平方向所夹锐角在-65°～25°，高效二次风的质量流率M_flux在18kg/(m²﹒s)～70kg/(m²﹒s)。

2.如权利要求1所述的循环流化床锅炉二次风布风方法，其特征是：所述高效二次风的风量与锅炉总风量比值在0.15～0.3。

3.如权利要求1或2所述的循环流化床锅炉二次风布风方法，其特征是：所述高效二次风的相邻两喷口中心距最小值l₁≥1m。

4.如权利要求1或2所述的循环流化床锅炉二次风布风方法，其特征是：所述高效二次风的相邻两喷口中心距最小值l₁＜1m，且在喷口所在水冷壁的烟气侧、高度为自该高效二次风喷口(6)往上7m内、宽度为两喷口之间距离的矩形范围为需进行防磨处理的区域。

5.如权利要求1或2所述的循环流化床锅炉二次风布风方法，其特征是：所述各高效二次风喷口(6)中，喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂≥0.5m。

6.如权利要求1或2所述的循环流化床锅炉二次风布风方法，其特征是：所述各高效二次风喷口(6)中，喷口中心与相邻水冷壁所在平面距离的最小值l₂＜0.5m，则喷口所在水冷壁的烟气侧需进行防磨处理的区域为：高度为自该高效二次风喷口(6)往上7m内、宽度为从该喷口到临近水冷壁间距离所覆盖的矩形范围，与该喷口相邻水冷壁的炉内烟气侧需进行防磨处理的区域为：高度为自该高效二次风喷口(6)往上7m内，宽度为由该水冷壁邻喷口所在水冷壁的壁边起3m内所覆盖矩形范围。