循环流化床锅炉的物料平衡
刘福荣
(神华煤制油自备热电厂 鄂尔多斯 017209)
文 摘：分析大型循环流化床(CFB)锅炉的物料平衡，影响物料平衡的因素，论述物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响，提出解决方案，有助于大型CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
关键词：CFB 锅炉, 物料平衡, 循环
中图分类号：TK229 文献标识码：B
Balance of Circulating Fluidized Bed Boiler Material
Liu Furong
(Auxiliary Power Plant of Shendong Power Company, Erdos 017209)
Abstract ：Material balance as well as the effect facts on it in a circulating fluidized bed (CFB) boiler is analyzed in this paper. And the methods to reach the material balance are also suggested. It is believed that the material balance is very important on the operation of CFB boiler for the long-term, safely, and reliably.
Key words：CFB boiler, material balance, circulation
近几年，先后有一百多台国产410~480t/h容量等级CFB 锅炉相继投入运行，670~1025t/h CFB锅炉技术也取得重大突破，并走向商业运行。通过调研，大多数CFB 锅炉主要是以贫煤、洗中煤、煤矸石、褐煤、油页岩为燃料或同时掺烧石油焦、煤液化残渣等。燃用煤种复杂，煤种供应多变，所以有必要分析大型CFB 锅炉的物料平衡，影响物料平衡因素，提出解决方案，有助于实现CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
1 CFB锅炉的平衡物料的构成
CFB 锅炉的物料平衡主要是分析CFB 炉膛内的物料平衡。CFB 锅炉的物料主要包括：
1) 进入炉膛的物料。CFB 锅炉启动前添加的合格的床料，是物料平衡的基础；运行中由给煤机送入的燃料，主要指洗中煤、煤矸石、
油页岩或同时掺烧的石油焦、煤液化残
渣等，是运行中补充床料的主要来源；
另外还有为炉内脱硫添加的石灰石粉。
2) 排出炉膛的物料。通过冷渣器排
出的固态渣；除尘器除下的飞灰，空气
预热器下部灰斗积存排出的飞灰。
3) 运行过程中添加的物料，包括添
加的固态渣、飞灰再循环添加的飞灰。
如图1。
图1 CFB锅炉的物料的平衡图
2 CFB理论
CFB 是实现流化的一种装置。CFB 内有2种不同的流化状态，现在主流技术认为CFB 内的流化状态是：下部为鼓泡床，上部为细粒子快速床的叠加。下部的鼓泡床主要以夹带和扬析为主，物料到达TDH 沉降分离高度后，沿着炉膛四周下落，形成炉膛内循环。上部为快速床。且循环流率或者给料率需要满足一定要求：
1) 固体颗粒粒度细。
2) 存在着以颗粒团聚状态为特征的密相悬浮夹带。气相是连续相，颗粒相是非连续相。
3) 存在高度方向的强烈的物料混合，固体颗粒的夹带量很大，但颗粒返回床层的量也很大。这种混合起到了热量传递拉均温度的作用。
4) 合理的流化速度是床料扬析、夹带的基础。
物料进入旋风分离器，被分离下来的颗粒进入料腿，进入返料器，在返料风的作用下返回炉膛，构成了物料的外循环。在带有外置床的大型CFB 锅炉，经过分离的大颗粒从料腿进入返料器的同时，部分物料进入外置床，之后进入炉膛，形成了炉膛、分离器、外置床和炉膛构成的外循环。 3 物料平衡的作用
物料平衡的作用是使炉内形成合适的床料粒度、较高的物料浓度以及较大的循环量，为正常燃烧和传热创造条件。
CFB 炉膛内分为密相区和稀相区。密相区主要指标为床质量，床料平均粒度称为“床质量”。床料是宽筛分的。粗颗粒主要由排渣效率决定，排渣少，粗颗粒就多；而细颗粒主要由分离器效率决定，分离器效率越高，细颗粒越多。床料分布均匀，物料流化质量就越好。
稀相区以悬浮段，物料浓度为主要指标。随着燃料煤的进入，生成的灰份对床料进行补充，循环系统对物料的淘洗，床质量提高。它反过来使颗粒夹带逐渐增加。为正常燃烧和传热创造条件。 4 影响物料平衡的因素
4.1 物料的粒度分级
物料主要包括初始添加的启动床料和给煤机送入的燃料。物料的粒度分布不均，就是床料的质量不好，影响密相区的床层高度和密相区的床压；进而影响稀相区的物料浓度和炉膛悬浮段的床压。
4.2 燃料的含灰量
燃料的含灰量对CFB 锅炉的物料循环起主要作用。当煤种折算含灰量大于21g/MJ时，锅炉灰平衡易实现；当煤种折算灰量小于8.25g/MJ时，灰平衡难实现。燃料的含灰量高，容易建立物料循环，燃用洗中煤、煤矸石等含灰量高的燃料，容易建立物料循环；燃料的含灰量低，不易建立物料循环。如石油焦、煤液化残渣、褐煤等，这些燃料多为高热值、低灰份，就不易建立物料循环。
4.3 燃料的成灰特性
燃用燃料的成灰特性不同，对燃料的燃烧后灰渣分配的比例不同。形成底渣的比例高，就易建立起可靠的循环；形成底渣的比例低，就不易建立起可靠的物料循环。神华煤制油自备热电厂燃用神华洗中煤和煤液化残渣1：1掺烧，燃烧后灰渣分配的比例约为8：2，床纯渣量少，不易建立起可靠的循环。燃料掺烧石油焦也是如此。
4.4 石灰石的粒度特性
石灰石(或者生石灰粉) 作为脱硫剂，尽量选择活性高的。在合适的Ca/S摩尔比下，石灰石(或者生石灰粉) 一旦选定时，就存在一个最佳的粒径，使之达到最大的利用率，但同时还要看石灰石的空隙结构(或者生石灰粉的活性) 和分离装置的分离特性而定。一般考虑石灰石(或者生石灰粉) 的粒径在运行风速下能被气流夹带上升，同时又能被分离器分离。一般可选择0~1mm。
4.5 物料的磨耗特性
磨耗，颗粒与炉膛边壁和颗粒间碰撞导致小颗粒脱落现象。物料易磨耗，则颗粒在CFB 锅炉循环的次数就少，对于保持物料平衡不利，物料不易磨耗则与之相反。
4.6 旋风分离器的分离效率
旋风分离器的分离效率越高，通过返料器返回炉膛的物料越多，那么，参与CFB 锅炉外部循环的物料就多，外循环倍率就高。分离器具有明显的并且较小的临界直径(d 99) 是CFB 锅炉物料循环系统达到比较合理的循环量、床内形成合适的床料粒度的基本条件。大量调试经验表明，循环灰的平均可粒粒径不宜大于350µm，应尽量控制在200µm以下，这是选择分离器的标准和对入炉煤粒度要求的基本原则。
4.7 锅炉排渣的连续性
锅炉底渣大约占总灰量的20%~40%，是CFB 锅炉物料平衡的主要出口之一。在保持CFB 锅炉床压的基础上，保证CFB 锅炉排渣的连续性，维持床料的动态平衡。如果燃用褐煤、掺烧石油焦、煤液化残渣等高热值、低灰份的燃料，就不易建立物料循环，就要控制排渣量，以维持床料的厚度，保证床压。
4.8 系统故障的影响
如给煤量太大、给煤中断；排渣口堵塞造成排渣不畅；分离器耐火浇注料脱落，造成下料管、返料器堵塞等都可以导致物料的失衡。
5 物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响
物料平衡时CFB 锅炉工作的理论基础，是热量平衡的前提。如果不能建立可靠的物料平衡，那就谈不上循环。即使建立了循环，但不稳定，对CFB 锅炉运行带来严重的影响。不能保证颗粒的浓度；锅炉的床压、悬浮段的压差；影响传热效果；影响主蒸汽的温度和压力；影响CFB 锅炉的安全稳定运行。
6 为保证物料平衡所采取的措施
6.1 合理设计
做好设计的基础工作，包括燃料、灰分、脱硫剂的试烧和分析，提供可靠的数据；选好合适的循环倍率；做好风量的配比；使设计更科学，更合理。
6.2 选择适宜的锅炉辅机
CFB 锅炉主要辅机包括给煤机，冷渣器，一、二次风机和高压风机等。
给煤机是CFB 锅炉供给燃料、脱硫剂的给料设备。目前使用的给煤机主要有刮板给煤机和称重皮带给煤机，均可以实现在线电子称重。给煤机的选择要充分考虑煤仓的结构、燃料的品种和水分的多少、锅炉给煤点的位置、给煤点的压力的因素，选择合适的给煤机。结合CFB 锅炉的特点，布
置两级或三级给煤。
冷渣器主要有风水联合选择性冷渣器和滚筒式冷渣器。风水联合选择性冷渣器适合燃料比较稳定、粒度能够保证用户，国内燃料的状况很难适应，现在大多数用户已经将它改造成滚筒式冷渣器。新建的大型CFB 锅炉多选用滚筒式冷渣器。CFB 锅炉调试后，滚筒式冷渣器运行基本稳定。如果冷渣器调试运行初期没有给与高度重视，运行时间长了，就因为锅炉本体的膨胀而改变了最初的状态，造成滚筒下沉，进一步导致进出口密封不好漏渣漏灰，使现场环境更加恶劣，最严重的时候冷渣器不能运行，被迫采取事故放渣，或者造成机组停运。
6.3 保证燃料的稳定性
燃料给定，是CFB 锅炉设计的前提。我们都知道，虽然CFB 锅炉对燃料的适应范围很广，但是每一台CFB 锅炉设计时考虑按造燃料和校核燃料设计，并不是每一台CFB 锅炉什么燃料都可以少得很好。国内很多CFB 锅炉不能长期稳定、安全运行，燃料不稳定性就是其中的主要原因。
6.4 保证物料的粒度分布
物料的粒度分布对于CFB 锅炉物料平衡和燃烧、传热都很重要。输煤系统的粗碎机与细碎机之间设置筛分机，防止燃料的过度破碎，从而保证与设计燃料的粒度分布和入炉煤的粒径。掺烧石油焦、煤液化残渣的锅炉，由于产生的灰渣较少，需要在线补充物料时，物料必须经过筛选，保证添加固体物料的粒径应该和循环灰的主体粒径一致。可以在渣仓下设置一路气力输送系统，把合适的底渣通过返料器送回床上。
6.5 保证旋风分离器的分离效率
旋风分离器的分离效率高，外循环倍率就高，返回炉膛的物料就多，保证传热的稳定性。对于有外置床的大型CFB 锅炉更为重要，它提供了外置床的物料和热量来源。旋风分离器的分离效率太低，颗粒不能有效的分离返回，进入尾部烟道，增加了尾部烟道受热面的磨损。
6.6 避免给煤系统的堵塞
对水分大的燃料最容易造给煤系统的堵塞，最直接有效的方式是设置足够大的干煤棚。在输煤系统设置除铁块、木块等杂物的设备。
在炉前煤仓设计角度尽量大些，可以内衬不锈钢或者高分子塑料板-聚氯乙烯板，减小燃料和煤仓壁之间的摩擦力。煤仓出口小煤斗设计成双曲线型，设置合适的播煤风。
6.7 保证锅炉连续稳定排渣
避免锅炉结焦，保证锅炉排渣顺畅。
7 结论
通过对大型CFB 锅炉的物料平衡，影响物料平衡的因素的分析，论述物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响，提出解决的预防措施。只要合理设计、不断积累，总结经验，广泛调研，充分交流，互相提高，就可以做到大型CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
参考文献
[1] 吕俊复, 岳光溪, 张建胜, 等. 循环流化床锅炉运行与检修[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005
[2] 党黎军. 循环流化床锅炉的启动条是与安全运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002
[3] 岑可法, 倪明江, 骆仲泱, 等. 循环流化床锅炉理论设计与运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998
[4] 杨海瑞, 党黎军, 孙献斌, 等. CFB技术提高培训班讲义[M]. 西安, 2006
循环流化床锅炉的物料平衡
刘福荣
(神华煤制油自备热电厂 鄂尔多斯 017209)
文 摘：分析大型循环流化床(CFB)锅炉的物料平衡，影响物料平衡的因素，论述物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响，提出解决方案，有助于大型CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
关键词：CFB 锅炉, 物料平衡, 循环
中图分类号：TK229 文献标识码：B
Balance of Circulating Fluidized Bed Boiler Material
Liu Furong
(Auxiliary Power Plant of Shendong Power Company, Erdos 017209)
Abstract ：Material balance as well as the effect facts on it in a circulating fluidized bed (CFB) boiler is analyzed in this paper. And the methods to reach the material balance are also suggested. It is believed that the material balance is very important on the operation of CFB boiler for the long-term, safely, and reliably.
Key words：CFB boiler, material balance, circulation
近几年，先后有一百多台国产410~480t/h容量等级CFB 锅炉相继投入运行，670~1025t/h CFB锅炉技术也取得重大突破，并走向商业运行。通过调研，大多数CFB 锅炉主要是以贫煤、洗中煤、煤矸石、褐煤、油页岩为燃料或同时掺烧石油焦、煤液化残渣等。燃用煤种复杂，煤种供应多变，所以有必要分析大型CFB 锅炉的物料平衡，影响物料平衡因素，提出解决方案，有助于实现CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
1 CFB锅炉的平衡物料的构成
CFB 锅炉的物料平衡主要是分析CFB 炉膛内的物料平衡。CFB 锅炉的物料主要包括：
1) 进入炉膛的物料。CFB 锅炉启动前添加的合格的床料，是物料平衡的基础；运行中由给煤机送入的燃料，主要指洗中煤、煤矸石、
油页岩或同时掺烧的石油焦、煤液化残
渣等，是运行中补充床料的主要来源；
另外还有为炉内脱硫添加的石灰石粉。
2) 排出炉膛的物料。通过冷渣器排
出的固态渣；除尘器除下的飞灰，空气
预热器下部灰斗积存排出的飞灰。
3) 运行过程中添加的物料，包括添
加的固态渣、飞灰再循环添加的飞灰。
如图1。
图1 CFB锅炉的物料的平衡图
2 CFB理论
CFB 是实现流化的一种装置。CFB 内有2种不同的流化状态，现在主流技术认为CFB 内的流化状态是：下部为鼓泡床，上部为细粒子快速床的叠加。下部的鼓泡床主要以夹带和扬析为主，物料到达TDH 沉降分离高度后，沿着炉膛四周下落，形成炉膛内循环。上部为快速床。且循环流率或者给料率需要满足一定要求：
1) 固体颗粒粒度细。
2) 存在着以颗粒团聚状态为特征的密相悬浮夹带。气相是连续相，颗粒相是非连续相。
3) 存在高度方向的强烈的物料混合，固体颗粒的夹带量很大，但颗粒返回床层的量也很大。这种混合起到了热量传递拉均温度的作用。
4) 合理的流化速度是床料扬析、夹带的基础。
物料进入旋风分离器，被分离下来的颗粒进入料腿，进入返料器，在返料风的作用下返回炉膛，构成了物料的外循环。在带有外置床的大型CFB 锅炉，经过分离的大颗粒从料腿进入返料器的同时，部分物料进入外置床，之后进入炉膛，形成了炉膛、分离器、外置床和炉膛构成的外循环。 3 物料平衡的作用
物料平衡的作用是使炉内形成合适的床料粒度、较高的物料浓度以及较大的循环量，为正常燃烧和传热创造条件。
CFB 炉膛内分为密相区和稀相区。密相区主要指标为床质量，床料平均粒度称为“床质量”。床料是宽筛分的。粗颗粒主要由排渣效率决定，排渣少，粗颗粒就多；而细颗粒主要由分离器效率决定，分离器效率越高，细颗粒越多。床料分布均匀，物料流化质量就越好。
稀相区以悬浮段，物料浓度为主要指标。随着燃料煤的进入，生成的灰份对床料进行补充，循环系统对物料的淘洗，床质量提高。它反过来使颗粒夹带逐渐增加。为正常燃烧和传热创造条件。 4 影响物料平衡的因素
4.1 物料的粒度分级
物料主要包括初始添加的启动床料和给煤机送入的燃料。物料的粒度分布不均，就是床料的质量不好，影响密相区的床层高度和密相区的床压；进而影响稀相区的物料浓度和炉膛悬浮段的床压。
4.2 燃料的含灰量
燃料的含灰量对CFB 锅炉的物料循环起主要作用。当煤种折算含灰量大于21g/MJ时，锅炉灰平衡易实现；当煤种折算灰量小于8.25g/MJ时，灰平衡难实现。燃料的含灰量高，容易建立物料循环，燃用洗中煤、煤矸石等含灰量高的燃料，容易建立物料循环；燃料的含灰量低，不易建立物料循环。如石油焦、煤液化残渣、褐煤等，这些燃料多为高热值、低灰份，就不易建立物料循环。
4.3 燃料的成灰特性
燃用燃料的成灰特性不同，对燃料的燃烧后灰渣分配的比例不同。形成底渣的比例高，就易建立起可靠的循环；形成底渣的比例低，就不易建立起可靠的物料循环。神华煤制油自备热电厂燃用神华洗中煤和煤液化残渣1：1掺烧，燃烧后灰渣分配的比例约为8：2，床纯渣量少，不易建立起可靠的循环。燃料掺烧石油焦也是如此。
4.4 石灰石的粒度特性
石灰石(或者生石灰粉) 作为脱硫剂，尽量选择活性高的。在合适的Ca/S摩尔比下，石灰石(或者生石灰粉) 一旦选定时，就存在一个最佳的粒径，使之达到最大的利用率，但同时还要看石灰石的空隙结构(或者生石灰粉的活性) 和分离装置的分离特性而定。一般考虑石灰石(或者生石灰粉) 的粒径在运行风速下能被气流夹带上升，同时又能被分离器分离。一般可选择0~1mm。
4.5 物料的磨耗特性
磨耗，颗粒与炉膛边壁和颗粒间碰撞导致小颗粒脱落现象。物料易磨耗，则颗粒在CFB 锅炉循环的次数就少，对于保持物料平衡不利，物料不易磨耗则与之相反。
4.6 旋风分离器的分离效率
旋风分离器的分离效率越高，通过返料器返回炉膛的物料越多，那么，参与CFB 锅炉外部循环的物料就多，外循环倍率就高。分离器具有明显的并且较小的临界直径(d 99) 是CFB 锅炉物料循环系统达到比较合理的循环量、床内形成合适的床料粒度的基本条件。大量调试经验表明，循环灰的平均可粒粒径不宜大于350µm，应尽量控制在200µm以下，这是选择分离器的标准和对入炉煤粒度要求的基本原则。
4.7 锅炉排渣的连续性
锅炉底渣大约占总灰量的20%~40%，是CFB 锅炉物料平衡的主要出口之一。在保持CFB 锅炉床压的基础上，保证CFB 锅炉排渣的连续性，维持床料的动态平衡。如果燃用褐煤、掺烧石油焦、煤液化残渣等高热值、低灰份的燃料，就不易建立物料循环，就要控制排渣量，以维持床料的厚度，保证床压。
4.8 系统故障的影响
如给煤量太大、给煤中断；排渣口堵塞造成排渣不畅；分离器耐火浇注料脱落，造成下料管、返料器堵塞等都可以导致物料的失衡。
5 物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响
物料平衡时CFB 锅炉工作的理论基础，是热量平衡的前提。如果不能建立可靠的物料平衡，那就谈不上循环。即使建立了循环，但不稳定，对CFB 锅炉运行带来严重的影响。不能保证颗粒的浓度；锅炉的床压、悬浮段的压差；影响传热效果；影响主蒸汽的温度和压力；影响CFB 锅炉的安全稳定运行。
6 为保证物料平衡所采取的措施
6.1 合理设计
做好设计的基础工作，包括燃料、灰分、脱硫剂的试烧和分析，提供可靠的数据；选好合适的循环倍率；做好风量的配比；使设计更科学，更合理。
6.2 选择适宜的锅炉辅机
CFB 锅炉主要辅机包括给煤机，冷渣器，一、二次风机和高压风机等。
给煤机是CFB 锅炉供给燃料、脱硫剂的给料设备。目前使用的给煤机主要有刮板给煤机和称重皮带给煤机，均可以实现在线电子称重。给煤机的选择要充分考虑煤仓的结构、燃料的品种和水分的多少、锅炉给煤点的位置、给煤点的压力的因素，选择合适的给煤机。结合CFB 锅炉的特点，布
置两级或三级给煤。
冷渣器主要有风水联合选择性冷渣器和滚筒式冷渣器。风水联合选择性冷渣器适合燃料比较稳定、粒度能够保证用户，国内燃料的状况很难适应，现在大多数用户已经将它改造成滚筒式冷渣器。新建的大型CFB 锅炉多选用滚筒式冷渣器。CFB 锅炉调试后，滚筒式冷渣器运行基本稳定。如果冷渣器调试运行初期没有给与高度重视，运行时间长了，就因为锅炉本体的膨胀而改变了最初的状态，造成滚筒下沉，进一步导致进出口密封不好漏渣漏灰，使现场环境更加恶劣，最严重的时候冷渣器不能运行，被迫采取事故放渣，或者造成机组停运。
6.3 保证燃料的稳定性
燃料给定，是CFB 锅炉设计的前提。我们都知道，虽然CFB 锅炉对燃料的适应范围很广，但是每一台CFB 锅炉设计时考虑按造燃料和校核燃料设计，并不是每一台CFB 锅炉什么燃料都可以少得很好。国内很多CFB 锅炉不能长期稳定、安全运行，燃料不稳定性就是其中的主要原因。
6.4 保证物料的粒度分布
物料的粒度分布对于CFB 锅炉物料平衡和燃烧、传热都很重要。输煤系统的粗碎机与细碎机之间设置筛分机，防止燃料的过度破碎，从而保证与设计燃料的粒度分布和入炉煤的粒径。掺烧石油焦、煤液化残渣的锅炉，由于产生的灰渣较少，需要在线补充物料时，物料必须经过筛选，保证添加固体物料的粒径应该和循环灰的主体粒径一致。可以在渣仓下设置一路气力输送系统，把合适的底渣通过返料器送回床上。
6.5 保证旋风分离器的分离效率
旋风分离器的分离效率高，外循环倍率就高，返回炉膛的物料就多，保证传热的稳定性。对于有外置床的大型CFB 锅炉更为重要，它提供了外置床的物料和热量来源。旋风分离器的分离效率太低，颗粒不能有效的分离返回，进入尾部烟道，增加了尾部烟道受热面的磨损。
6.6 避免给煤系统的堵塞
对水分大的燃料最容易造给煤系统的堵塞，最直接有效的方式是设置足够大的干煤棚。在输煤系统设置除铁块、木块等杂物的设备。
在炉前煤仓设计角度尽量大些，可以内衬不锈钢或者高分子塑料板-聚氯乙烯板，减小燃料和煤仓壁之间的摩擦力。煤仓出口小煤斗设计成双曲线型，设置合适的播煤风。
6.7 保证锅炉连续稳定排渣
避免锅炉结焦，保证锅炉排渣顺畅。
7 结论
通过对大型CFB 锅炉的物料平衡，影响物料平衡的因素的分析，论述物料平衡对CFB 锅炉运行的意义和影响，提出解决的预防措施。只要合理设计、不断积累，总结经验，广泛调研，充分交流，互相提高，就可以做到大型CFB 锅炉的长期、安全、稳定运行。
参考文献
[1] 吕俊复, 岳光溪, 张建胜, 等. 循环流化床锅炉运行与检修[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2005
[2] 党黎军. 循环流化床锅炉的启动条是与安全运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002
[3] 岑可法, 倪明江, 骆仲泱, 等. 循环流化床锅炉理论设计与运行[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998
[4] 杨海瑞, 党黎军, 孙献斌, 等. CFB技术提高培训班讲义[M]. 西安, 2006