CN203628635U - 超临界循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超临界循环流化床锅炉，其炉膛下部沿炉膛深度方向的收缩比为0.15～0.48，锅炉燃料给入口位于炉膛的前墙水冷壁，锅炉排渣口位于后墙水冷壁，且合理确定燃料给入口和排渣口高度，一次风的进风口处于风室两侧；锅炉尾部烟道内至少包含一条平行烟道，平行烟道内设低温过热器和低温再热器，平行烟道后的尾部烟道内设省煤器和空预器；在炉膛内设高温过热器；在外置式热交换器或炉膛内设中温过热器；在外置式热交换器或炉膛内设高温再热器；水冷壁、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，既提高煤电机组发电效率，又可保持低污染物排放。

Description

超临界循环流化床锅炉

技术领域

本实用新型涉及一种循环流化床锅炉，尤其是一种超临界循环流化床锅炉。

背景技术

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。

通常，提高蒸汽参数是获得更高发电效率的最有效方法之一。目前，600MW超临界循环流化床锅炉的投运已成为现实，亚临界300MW等级的循环流化床锅炉已大量投运，并正向超临界参数等级迈进。

从现有工程需要来看，容量相对较小但蒸汽参数较高的超临界锅炉在总体负荷分配的灵活性、初期投资以及提高机组效率方面更有竞争优势。因此，迫切需要一种容量较小，但仍能达到超临界参数的高效率的循环流化床锅炉。

然而，在循环流化床锅炉上实现超临界参数遇到较大的困难。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超临界，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。

在提高锅炉能效方面，为了降低锅炉机械不完全燃烧热损失，需要降低锅炉灰渣中的可燃物含量。研究表明，合理的燃料给入口位置可以使得煤颗粒在与炉内物料充分混合的同时，确保颗粒在炉内停留足够的时间，从而使得粗细颗粒均能充分燃烧。为实现此目的，最关键的因素在于设置适宜的燃料给入口与排渣口位置。燃料给入口位置远高于炉内密相区，则炉内物料与入炉燃料混合不充分，飞灰可燃物含量将偏高；燃料给入口位置过低，则入炉燃料中的粗颗粒在炉内停留时间较短，在排出炉膛时仍具有较高的可燃物含量。另外，除配合燃料给入口的布置，排渣口的位置设置也非常重要，目前投运的CFB锅炉，很多排渣口设于炉膛布风板上，这使得炽热的排渣管与温度较低的布风板间在膨胀、密封、检修以及炉内布风均匀性等方面均存在问题，成为制约锅炉能否长期安全运行的因素。

以上均限制了300～450MW等级超临界循环流化床锅炉的实施，使该等级循环流化床锅炉机组效率的进一步提高难于实现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种超临界参数循环流化床锅炉，即在锅炉容量为300～450MW的情况下，也能使蒸汽达到超临界参数，以进一步提高现有大型循环流化床锅炉机组的发电效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：超临界循环流化床锅炉，包括风室、包含布风板和风帽的布风装置、单炉膛单布风板结构的炉膛、包含一次风机的一次风系统、包含二次风机的二次风系统、水平烟道、至少两台旋风分离器、每台旋风分离器至多对应一台外置式热交换器、尾部烟道，尾部烟道采用平行烟道结构，且至少包含一条平行烟道，当平行烟道数量大于一时，每条平行烟道末端设有烟气调节挡板，炉膛四周由前墙水冷壁、后墙水冷壁和两侧墙水冷壁围成水冷壁，所述炉膛下部沿炉膛深度方向的收缩比为0.15～0.48；锅炉的燃料给入口位于炉膛的前墙水冷壁，锅炉的排渣口位于后墙水冷壁，一次风的进风口处于风室两侧；在平行烟道内设有低温过热器和低温再热器，在平行烟道后的尾部烟道内布置省煤器和空预器；在炉膛内设有高温过热器；在外置式热交换器内或炉膛内设置有中温过热器；在外置式热交换器内或炉膛内设置有高温再热器；水冷壁、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。

所述高温再热器的换热管内径至少比低温再热器的换热管内径大2mm。

所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.15～0.22，所述中温过热器和高温再热器设置在外置式热交换器内。

所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.22～0.3。

所述炉膛下部沿深度方向的收缩比为0.3～0.48，所述中温过热器和高温再热器设置在炉膛内。

所述燃料给入口位于前墙水冷壁下部，且燃料给入口中心线距布风板的距离与炉膛高度之比在0.02～0.06之间。

所述排渣口位于后墙水冷壁下部，且排渣口中心线距布风板的距离与燃料给入口中心线距布风板的距离之比在0.05～0.2之间。

本实用新型的有益效果是：采用大收缩比结构的炉膛，有效提高了炉内传热强度，与优选的受热面布置方式配合，并通过合适的燃料给入口和排渣口位置，提高锅炉效率，能实现300～450MW等级循环流化床锅炉与超临界参数的高效结合，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。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是图1的俯视图（仅用于表示整体布置位置、一次风进风方式和收缩比）。

图3是本实用新型实施例二的结构示意图。

图4是图3的俯视图（仅用于表示整体布置位置、一次风进风方式和收缩比）。

图中标记为：旋风分离器1、外置式热交换器2、尾部烟道3、低温过热器4、中温过热器5、高温过热器6、低温再热器7、高温再热器8、炉膛11、烟气调节挡板12、省煤器13、风室14、布风板15、风机16、风机17、水平烟道18、平行烟道20、空预器21、燃料给入口31、排渣口32、燃料给入口中心线310、排渣口中心线320、前墙水冷壁1101、后墙水冷壁1102、侧墙水冷壁1103、收缩比L1/L2、收缩比L3/L4、高度比H2/H1、高度比H3/H2、高度比H2’/H1’、高度比H3’/H2’。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型的超临界循环流化床锅炉包括风室14，包含布风板15和风帽的布风装置、单炉膛单布风板结构的炉膛11、包含一次风机16的一次风系统、包含二次风机17的二次风系统、水平烟道18、尾部烟道3，所述锅炉的尾部烟道3采用平行烟道结构，且至少包含一条平行烟道20，当平行烟道数量大于一时，每条平行烟道末端设有烟气调节挡板，炉膛11四周由前墙水冷壁1101、后墙水冷壁1102和两侧墙水冷壁1103围成，所述锅炉还包括至少两台旋风分离器1、每台旋风分离器1至多对应一台外置式热交换器2，所述炉膛11下部沿炉膛深度方向的收缩比为0.15～0.48；锅炉的燃料给入口31位于炉膛11的前墙水冷壁1101，锅炉的排渣口32位于后墙水冷壁1102，一次风的进风口处于风室14的两侧，即一次风从两侧进入风室14；在平行烟道20内设有低温过热器4和低温再热器7，在平行烟道20后的尾部烟道3内布置省煤器13和空预器21；在炉膛11内设有高温过热器6；在外置式热交换器2内或炉膛11内设置有中温过热器5；在外置式热交换器2内或炉膛11内设置有高温再热器8；水冷壁、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。

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后进入汽轮机的中压缸和汽轮机低压缸做功。

本实用新型的超临界循环流化床锅炉，在蒸汽参数得到提高的同时，还可使锅炉能效和安全稳定性方面得到的提升，主要是基于以下合理改进：

首先：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超临界所节约的能耗量，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沿炉膛深度方向的收缩比通常为0.5～0.7，本实用新型将炉膛下部沿深度方向的收缩比控制为0.15～0.48，在与同等级循环流化床锅炉一次风机和二次风机压头相比变化不大的条件下，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，更利于提高锅炉效率。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，由于循环流化床锅炉变工况时二次风调节范围更大，因此该结构还可为二次风的风量调节提供更宽裕的调节范围。

其次，锅炉的燃料给入口31位于炉膛11的前墙水冷壁1101，锅炉的排渣口32位于后墙水冷壁1102，且燃料给入口中心线310距布风板15的距离与炉膛高度之比在0.02～0.06之间，排渣口中心线320距布风板15的距离与燃料给入口中心线310距布风板15的距离之比在0.05～0.2之间，通过合理选择燃料给入口31和排渣口32的位置，达到入炉燃料与炉内物料充分混合的目的，同时确保颗粒在在炉内停留足够的时间，从而使得粗细颗粒均能充分燃烧。

最后，在受热面布置方面，由于蒸汽参数达到超临界后对受热面管子的要求比亚临界参数更高，因此需要考虑如何分配温度最高的受热面管子与传热最强的受热面管子的布置，以此来节约高等级钢材的耗量。本实用新型选择将低温过热器4和低温再热器7均设于平行烟道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，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；当平行烟道数量超过一时，还可通过各烟气调节挡板调节烟气量，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，使低温再热器内的蒸汽温度达到要求的同时，又保证省煤器13和空预器21正常工作；中温过热器5和高温再热器8布置于传热最强的外置式热交换器2或温度最高的炉膛11内，使蒸汽参数达到超临界成为可能。

本实用新型能在循环流化床锅炉上实现超临界参数，并通过合适的燃料给入口和排渣口位置提高锅炉效率，可在现有亚临界同容量大型循环流化床锅炉的基础上将机组效率再提高1.5%～2%。

进一步的是，所述高温再热器8的管子内径至少比低温再热器7的管子内径大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，故对再热器的管子内径做如上要求。

进一步的是，所述高温过热器6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。

实施例一

如图1、图2所示，一种350MW等级的超临界循环流化床锅炉，包括风室14、单炉膛单布风板结构的炉膛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、三台旋风分离器1、三台外置式热交换器2、尾部烟道3，在炉膛11的后墙水冷壁1102一侧设有三台旋风分离器1，旋风分离器1连接在水平烟道18、所对应的外置式热交换器2、尾部烟道3在平行烟道20以前的水平部分和炉膛11的下部，三台外置式热交换器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，在炉膛11的四周，由前墙水冷壁1101、后墙水冷壁1102和两侧墙水冷壁1103组成水冷壁，所述炉膛11下部沿炉膛深度方向的收缩比即图1中L1/L2=0.3；所述锅炉的燃料给入口31位于炉膛前墙水冷壁1101的下部，且燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2与炉膛高度H1之比即图1中H2/H1=0.025，排渣口32位于后墙水冷壁1102的下部，且排渣口中心线320距布风板15的距离H3与燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2之比即图1中H3/H2=0.08。风机16提供的一次风从两侧进入风室14；所述尾部烟道3内设有一条平行烟道20，该平行烟道20中设有低温过热器4和低温再热器7，低温过热器4和低温再热器7依烟气流向前后布置，低温过热器4设置在低温再热器7之前，省煤器13和空预器21布置在平行烟道20后的尾部烟道3内，在外置式热交换器2内设有中温过热器5和高温再热器8；在炉膛11内设有高温过热器6；水冷壁、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所采用的换热管的管子内径为48mm，高温再热器8所采用的换热管的管子内径为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。本实用新型由于需要使蒸汽参数达到超临界，炉内传热量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，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超临界所节约的能耗量，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在与同等级循环流化床锅炉风机压头相比不变的条件下，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0.05,从而增加了炉内的传热强度，以满足炉内受热面内蒸汽参数的需要。

此外，锅炉的燃料给入口31位于炉膛11的前墙水冷壁1101，锅炉的排渣口32位于后墙水冷壁1102，且燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2与炉膛高度H1之比为0.025，排渣口中心线320距布风板15的距离H3与燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2之比为0.08，使入炉燃料与炉内物料充分混合，同时，确保颗粒在在炉内停留足够的时间，从而使得粗细颗粒均能充分燃烧。

在受热面布置方面，低温过热器4和低温再热器7均设于平行烟道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；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，本实用新型可将机组效率再提高1.5%～2%。

实施例二

如图3、图4所示，实施例二与实施例一相比，其差别仅在于：所述锅炉不设外置式热交换器2，炉膛11下部沿深度方向的收缩比即图3中L3/L4=0.22，在炉膛11内设有中温过热器5和高温再热器8，锅炉的燃料给入口31位于炉膛11的前墙水冷壁1101，锅炉的排渣口32位于后墙水冷壁1102，且燃料给入口中心线距布风板的距离与炉膛高度之比为0.06，排渣口中心线320距布风板15的距离与燃料给入口中心线距布风板的距离之比为0.2。尾部烟道3内设有两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设两条平行烟道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。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13和空预器21正常工作；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11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的比值提高了约0.12，同时燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2’与炉膛高度H1’之比即H2’/H1’=0.06，排渣口中心线320距布风板15的距离H3’与燃料给入中心线310距布风板15的距离H2’之比即H3’/H2’=0.2。几方面综合作用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。

实施例三

实施例三与实施例二相比，其差别仅在于：炉膛11下部沿深度方向的收缩比即图3中L3/L4=0.15，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的比值提高了约0.18，同时燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2’与炉膛高度H1’之比即H2’/H1’=0.02，排渣口中心线320距布风板15的距离H3’与燃料给入中心线310距布风板15的距离H2’之比即H3’/H2’=0.05。

实施例四

实施例四与实施例二相比，其差别仅在于：炉膛11下部沿深度方向的收缩比即图3中L3/L4=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的比值提高了约0.02，同时燃料给入口中心线310距布风板15的距离H2’与炉膛高度H1’之比即H2’/H1’=0.035，排渣口中心线320距布风板15的距离H3’与燃料给入中心线310距布风板15的距离H2’之比即H3’/H2’=0.13。

Claims (6)

1.超临界循环流化床锅炉，包括风室（14）、包含布风板（15）和风帽的布风装置、单炉膛单布风板结构的炉膛（11）、包含一次风机（16）的一次风系统、包含二次风机（17）的二次风系统、水平烟道（18）、尾部烟道（3），所述锅炉的尾部烟道（3）采用平行烟道结构，且至少包含一条平行烟道（20），当平行烟道数量大于一时，每条平行烟道末端设有烟气调节挡板，炉膛（11）四周由前墙水冷壁（1101）、后墙水冷壁（1102）和两侧墙水冷壁（1103）围成，其特征是：所述锅炉还包括至少两台旋风分离器（1）、每台旋风分离器（1）至多对应一台外置式热交换器（2），所述炉膛（11）下部沿炉膛深度方向的收缩比为0.15～0.48；锅炉的燃料给入口（31）位于炉膛（11）的前墙水冷壁（1101），锅炉的排渣口（32）位于后墙水冷壁（1102），一次风的进风口处于风室（14）两侧；在平行烟道（20）内设有低温过热器（4）和低温再热器（7），在平行烟道（20）后的尾部烟道（3）内布置省煤器（13）和空预器（21）；在炉膛（11）内设有高温过热器（6）；在外置式热交换器（2）内或炉膛（11）内设置有中温过热器（5）；在外置式热交换器（2）内或炉膛（11）内设置有高温再热器（8）；水冷壁、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。

2.如权利要求1所述的超临界循环流化床锅炉，其特征是：所述高温再热器（8）的换热管内径至少比低温再热器（7）的换热管内径大2mm。

3.如权利要求1所述的超临界循环流化床锅炉，其特征是：所述炉膛（11）下部沿深度方向的收缩比为0.15～0.22，所述中温过热器（5）和高温再热器（8）设置在外置式热交换器（2）内。

4.如权利要求1所述的超临界循环流化床锅炉，其特征是：所述炉膛（11）下部沿深度方向的收缩比为0.22～0.3。

5.如权利要求1所述的超临界循环流化床锅炉，其特征是：所述炉膛（11）下部沿深度方向的收缩比为0.3～0.48，所述中温过热器（5）和高温再热器（8）设置在炉膛（11）内。

6.如权利要求1～5中任意一项权利要求所述的超临界循环流化床锅炉，其特征是：所述燃料给入口（31）位于前墙水冷壁（1101）下部，且燃料给入口中心线（310）距布风板（15）的距离（H2、H2’）与炉膛高度（H1、H1’）之比在0.02～0.06之间，所述排渣口（32）位于后墙水冷壁（1102）下部，且排渣口中心线（320）距布风板（15）的距离（H3、H3’）与燃料给入口中心线（310）距布风板（15）的距离（H2、H2’）之比在0.05～0.2之间。

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