CN1054302A - 分级循环流化床燃烧装置 - Google Patents

Abstract

与采用高温旋风分离器的一般循环流化床燃烧 装置相比，本发明的装置采用两级分离的循环流化床 燃烧方案，这可以是采用惯性分离室—旋风分离器的 二级高温物料循环再燃的系统，也可以采用高温的百 叶窗分离粗物料第一循环和采用低温百叶窗—旋风 分离器的第二级细物料循环再燃的系统。

Description

本发明涉及煤炭燃烧锅炉设备，特别是流化床锅炉燃烧装置。

目前广为应用的循环流化床燃烧设备，（an  overview  of  commercial  circulating  Fluidized  Bed  Boilers.J.Yerushalmi，Pergamon  Press，1986，97-104）通常是由一个流态化燃烧室及炉膛后面的高温旋风分离器和下部的返料器所组成。离开燃烧室的高温烟气所带的大量物料，经分离器收集后，被返料器送回燃烧室，循环再燃烧。由于系统内物料的热容量大，掺混强烈，燃烧稳定，因而其煤种适应性好。它可在900℃附近的较低温值工作，从而可以通过添加石灰石，进行炉内脱硫处理，氧化氮的排放量也较低。由于物料的反应停留时间长，湍流交换好，燃烧效率高。

一般的循环流化床锅炉采用的高温旋风分离器是一种简单而有效的分离装置，但是其体积大，重量重，投资费用高，散热损失也较大。点火调试等时，在温度急变的情况下容易损坏。旋风分离器出来的烟气气流在进入过热器时流场很不匀顺，造成过热器热负荷严重不均。随着锅炉容量的增大，其旋风分离器也愈来愈大，分离性能也随着降低。

这种系统还存在着物料对旋风分离器耐火材料内衬磨损严重的问题，因为磨损量大，易损坏，锅炉的维修工作量大，因此需要选用优质材料作旋风分离器的内衬，另外物料本身经受的粉化大，造成飞灰可燃物含量高，锅炉烟气的排尘量大，加重了后部除尘器的负担。

有的系统采用了将旋风分离器放到燃烧室后部过热器后450℃附近的低温区，但过热器受热面易被磨损，且失去了细物料继续高温燃烧的好处，造成可燃物损失高。有的采用了垂直式的L形阻挡分离器件或挡板或阴阳瓦重力一惯力分离件或S形分离件，但由于高处分离掉下的粒子会被下部气流夹带，故其分离效率较差，影响到循环量和锅炉性能。

有的系统采用了燃烧室后垂立式阻挡分离件，所收集物料掉入设有传热埋管的侧付流化床，烟气经过热器后再经旋风分离器收集细料并送入侧付流化床，再返料入炉膛。这种系统比较庞大和复杂，付流化床的流化气体使得阻挡件的分离效率变差。

一般的循环流化床锅炉经旋风分离器收集的物料，都是通过较长的下料管，经返料器，在主燃烧室内布风板上密相区返入，这样的结构材料使用较多，也易损及布风板。

鉴于上述已有技术中存在的问题，提出了本专利的分级循环流态化床燃烧装置，以减轻循环物料分离器内衬的磨损和物料自身的粉化，提高燃烧装置的工作性能，延长其使用寿命，另外达到结构更为紧凑，更好适应炉温的急变并使造价和安装费用降低也是本发明的目的。

快速运动的固体物料颗粒与壁面相碰撞，使壁面材料受到磨损，物料自身经受粉化，试验指出：磨损率W除了与相撞材料的物性，相碰时的相对方向有关外，相撞时颗料的速度V和物料的粒径dp是两个最重要因素，近似有以下关系：

W∝dp²·v³

随着流速的增高和粒径的加大，磨损和粉化的速率增长是很快的，在一般的循环流化床锅炉的旋风分离器内，气固两相流的流速很高，达18-25m/s，物料的粒径也比较大，dp可达3mm，而且物料一再相撞相擦，磨损和粉化相当严重。为了减轻磨损和粉化，对循环流化床物料按其粒径粗细，分级地分离收集，并送回燃烧室循环再燃是适宜的。循环流化床锅炉中的循环物料粒度一般都在0-3mm之间，而其中约80%以上是80-2000μm的较粗颗粒，对于这种较粗的颗粒，是可以通过借助惯性分离器比较容易实现分离的。因而本发明提出了分级循环流化床燃烧系统。循环物料先经过一个速度较低的惯性分离室，将比较粗的颗粒收集并返回主燃烧室循环再燃，没有分离的较细的颗粒再经分离效率比较高的第二级分离器，如旋风分离器分离收集，并再返料循环。

在这种分级分离循环流化床燃烧系统内，第一级高温惯性分离器所分离的粒子比较粗，但其物料颗粒的运动速度比较低，而后面第二级旋风分离器中颗粒的运动速度虽也还高，但其颗粒粒径已比较小，大部份大颗粒已被惯性分离，因而总的可显著减轻旋风分离器内衬的磨损和物料的粉化。分级循环流化床燃烧系统的收集效率。

η_总＝ηi+（1-ηi）ηc

ηi-第一级分离器的收集效率

ηc-第二级分离器的收集效率

当ηc→0时η_总＝ηi，由于采用了两级分离，提高了分离收集效率，改善了循环，提高了煤的燃尽程度。现结合附图说明发明提出的分级循环流化床燃烧装置。

图1  为中小容量的和以难以燃尽的物料为燃料所采用的系统

图2  为大中容量所采用的系统

其中

1  流态化燃烧室

2a第一级高温惯性分离器

2b第一级高温百叶窗分离器

3  返料器

4a第二级旋风分离器

4b第二级低温百叶窗-旋风分离器组合分离器中的百叶窗分离器

4c第二级低温百叶窗-旋风分离器组合分离器中的旋风分离器

5  返料器

6  风室

7  省煤器

8  过热器

9  给煤口

（1）对于中小容量的锅炉和无烟煤屑等难以燃尽的燃料，可采用如图1所示结构。

第一级高温惯性分离器[2a]安装于流化床燃烧室[1]侧旁，分离器[2a]下部是返料器[3]，返料器[3]与炉膛相通，构成第一级固体循环回路。第一级高温惯性分离器[2a]之后是第二级旋风分离器[4a]，旋风分离器的料腿连着返料器[5]，返料器[5]与炉膛相通，构成第二级固体循环回路。

当夹带有物料颗粒的高温烟气由流化床燃烧室顶进入旁侧的第一级高温惯性分离器时，利用惯性分离了约占80%的粗颗粒，并收集于料斗通过返料器返回炉膛再燃烧。而夹带细颗粒的烟气再进入后侧的第二级旋风分离器，此时烟气的速度虽然较在惯性分离器中的速度高，但由于颗粒粒径小，且大部分粗颗粒已在第一级分离器中分离，因而对旋风分离器内衬磨损大为减少，且物料的粉化亦降低。将细物料分离收集后经返料器[5]返回炉内循环燃烧使物料保持高温连续燃烧的优点。离开的高温烟气再进入锅炉后部的对流受热面。

（2）对于中型和大型容量的锅炉，可采用如图2的结构。

即流化床燃烧室[1]的顶部旁侧连接着高温百叶窗分离器[2b]，其下部是返料器[3]，返料器[3]与炉膛相通，构成第一级固体循环回路。高温百叶窗分离器[2b]之后布置有过热器和省煤器受热面。第二级低温分离器紧接着省煤器，第二级低温分离器可采用百叶窗[4b]旋风分离器[4c]组合的分离构件;旋风分离器[4c]下部是料腿，料腿连着返料器[5]，返料器[5]与炉膛相通，构成第二级固体循环回路。

第一级高温惯性返料器或高温百叶窗分离器返料入炉膛的位置，是处在炉膛中部的稀相区，使系统结构简化，一样收到返料燃烧的好处。

第一级高温百叶窗分离器其拦灰栅板间距在40-200mm范围，拦灰栅板与气流方向的夹角为20-40°，进出拦灰栅板的气流速度控制在10-20m/s范围。

第二级低温分离器可采用百叶窗一旋风分离器的组合式结构，其中约有50-90%的烟气通过百叶窗。所收集的物料返回燃烧室的密相区。第二级分离器由于低温，设备尺寸比较小，而且可用一般的金属材料制作。

对于大型循环流化床锅炉，可以在炉膛顶部布置屏式受热面，也可在百叶窗室和返料器[3]间布置冷却受热面。

这种采用百叶窗的分级循环流化床燃烧系统，结构紧凑，燃烧性能较好。

实例1

结合图1详细说明本发明：

蒸发量为35吨/时的这种循环流化床锅炉，燃用0-13mm的烟煤，贫煤等燃料，布风板面积约为1.7×2.2m²，平均流化速度约为～6m/s，主燃烧室截面积约为3.2×2.5m²，燃烧室总高约为12m，炉壁四周为膜式水冷壁，夹带循环物料的约为900℃的高温烟气以约为8m/s的速度进入侧边的第一级惯性分离室，其截面积约为2.5×2.5m²，粗颗粒物料在这里被分离，分离下来的物料粒径约为30-2000μm，中位粒径约为200μm，它再经惯性室下的料层和返料器而被送回主流态化燃烧室，返料点在离布风板距离约为5.0m的高处进入，从惯性分离室侧墙出烟口离开的高温烟气进入附近的第二级旋风分离器，其内径约为3.2m，进口流速约为20m/s，夹带的细颗粒物料在这里被分离，由旋风分离器下部的返料器送回床内，烟气则被迫通过一个由耐热材料制作的Φ1.55m的出口管进入后部过热器，省煤器和空气顶热器而离开锅炉本体。

实例2：

结合图2详细说明本发明：

蒸发量为75吨/时，压力为5.3兆帕，温度为540℃的循环流化床锅炉，主燃烧室高19m，下部布风板区密相床高3m，布风板上布有约500个小风帽，截面积为2.0×4.0m²，流化速度为5.7m/s，上部炉膛尺寸为3.6×5.6m²，四周为膜式水冷壁。空气以各50%的一，二次风分级供应。在炉顶后墙处有通道使烟气进入第一级分离的百叶窗分离器室，百叶窗拦灰栅进出气流的速度为～12m/s，灰栅间距为110mm，栅板宽130mm，与来流成30°角，百叶窗以耐热高铬铸铁或耐热钢制造，也可用耐热耐磨陶瓷材料SiC制成。被分离的粗物料经两边的膜式壁掉下，由下部的返料器送回主燃烧室循环再燃。离开百叶窗的高温烟气通过两级过热器和两级省煤器后，进入第二级百叶窗一旋风分离器组合式分离器，其工作温度近200-400℃，百叶窗拦灰栅间距60mm，板宽70mm，进出口气流流速为18m/s，细的循环物料被浓集在10-20%的烟气中，进入二个Φ1.4m的旋风分离器，将细物料分离收集，进旋风分离器的气速为12-18m/s，细物料再经一个返料器被送回主燃烧室循环再燃，而烟气则进入第三级省煤器和空气预热器后而离开锅炉。

这种分级循环流化床锅炉燃烧系统和装置，在一台蒸发量为35吨/时的锅炉上得到实施，至今锅炉已累计运行近3800小时，达到了额定出力，并有10%的超负荷能力，锅炉可在50-110%的负荷内稳定运转，其热效率达86.3%，燃烧效率可达98%，在Ca/s≤2时，其脱硫效率达到82%，其NOx排放量为290ppm。这台分级循环流化床锅炉，与同容量的链条炉相比，在燃用多煤种，实用经济性方面占有明显优势。其脱硫性能和低NOx排放的性能则是一般链条炉和煤粉炉所不具备的。

Claims (4)

1、一种由流化床燃烧室，分离器及返料器构成的循环流化床燃烧装置，其特征在于所述的分离器是两级分离的系统，流化床燃烧室[1]的顶部旁侧连接着第一级高温惯性分离器[2a]，分离器[2a]下部连接返料器[3]，返料器[3]与燃烧室[1]相通，构成第一级固体循环回路；第一级高温惯性分离器[2a]之后是与第二级旋风分离器[4a]相连接，分离器[4a]下部的料腿连接着返料器[5]，返料器[5]与燃烧室[1]相通，构成第二级固体循环回路；或者，流态化燃烧室顶部旁侧连接着第一级高温百叶窗分离器[2b]，分离器[2b]下部连接着返料器[3]，返料器[3]与燃烧室[1]相通，构成第一级固体循环回路；第一级高温百叶窗分离器[2b]之后布置有过热器和省煤器，接着布置第二级低温分离器，第二级低温分离器是百叶窗[4b]和旋风分离器[4c]组和的分离器，其旋风分离器下部料腿连接着返料器[5]，返料器[5]与燃烧室[1]相通，构成第二级固体循环回路。

2、按权利要求1所述的装置，其特征在于所述的第一级高温百叶窗分离器采用拦灰栅的间距为40-200mm，栏灰栅板与气流方向的夹角为20-40°，进出栏灰栅板的气流速度为10-20m/s。

3、按权利要求[1][2]所述的装置，其特征在于所述的第一级高温分离器所收集的物料返回燃烧室的返料口[3]位置，是处在高于布风板区上方的炉膛之内，高出布风板4-20m，在炉膛的稀相区送入。

4、按权利要求[1]所述的装置，其特征在于对于大型的循环流化床锅炉，可以在流化床燃烧室顶部布置屏式受热面，也可以在第一个返料回路通道内布置冷却受热面。

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