论文部分内容阅读
摘要：本文主要探究高海拔地区循环流化床锅炉设计措施，分析其影响，助力于提高循环流化床应用效果。研究过程中，从低气压影响对流受热面总传热系数机理出发，分析高海拔区域下循环流化床锅炉设计注意事项，以此为研究基础，结合查尔汗盐湖项目提出循环流化床锅炉设计改造措施，以期为相关工作者提供有益借鉴。
关键词：高海拔;循环流化床锅炉设计;影响
前言：
我国地貌复杂、地域辽阔，存在众多高海拔地区，如青海、云南等地海拔超过2800m，随着海拔升高，大气压自然会降低，对锅炉设计及运行具有一定影响。而受到煤质多变的影响，循环流化床锅炉对煤种适应性较强，符合我国发展需求。因此，在高海拔地区，为发挥循环流化床锅炉应用效果，则应当考虑海拔对该机械设备的影响，做好设计工作，进而提高机械设备的应用效果。
一、低气压影响对流受热面总传热系数机理
1.换热系数影响。炉内烟气在对流放热中，可将其看作不可压缩粘性流体稳定受迫对流换热，压强稳定变化不超过1MPa，则其对气体动力粘度无较大影响[1]。而高海拔区域大气压力变化不超过0.1MPa，则可认为大气压力与烟气动力粘度无关，结合分子运动论，气体分子的原子温度及个数，决定两个气体定压比热容，降低氣压不会影响其对流换热系数。
2.受热污染系数。结合热力计算标准，烟气体积流速与固体燃料基准污染系数息息相关，且烟气体积流速受到大气压力影响，低气压下将会增加烟气流速，进而增加炉内烟气动能，降低了污染系数。
3.辐射换热系数。结合热力计算标准，降低气压后，烟气黑度与管外壁会五层温逐渐减小，减小了含灰气流放热系数。
二、高海拔地区循环流化床锅炉设计
1.炉膛尺寸
煤粉锅炉炉膛截面积是根据截面热负荷而定，根据炉膛容积热负荷与截面大小确定炉膛高度。而循环流化床锅炉（CFB）则不同，其运行中热循环回路中热循环物料较多，大幅度增加了炉膛内的热容量，且低温燃烧下，使截面热负荷与容积热负荷重要性不高，所以设计过程中不采取上述方法。CFB锅炉设计中，为保证其合理性，炉膛尺寸则应当根据炉膛物料流化状态及烟速情况而定，该两点均与炉膛流化速度相关，所以以流化速度明确其截面大小，根据炉膛内燃料一次停留时间确定其高度。在获得临界流化速度中，可应用以下公式：
式中， 为颗粒平均粒径; 为气体密度; 为气体运动粘度; 为颗粒密度[2]。由此可知， 随压强降低而减少，其余参数则不受压强影响，所以在低压力下，理论上将会增大锅炉临界流化速度。而在工程最低流化速度设计中，相较于临界流化速度较高，所以为保证流化稳定性，可在设计中将海拔影响忽略。
另外，还应当考虑终端速度，流速增加至一定值后，则颗粒可直接被气流带飞的速度。终端速度公式如下：
随着海拔提高，降低了气体携带固体颗粒能力，同等流化速度下，CFB锅炉在高海拔地区外循环量低于低海拔区域。但总体而言，其循环物料量无过多变化，可借助辅助手段提高，所以可根据常规区域选取锅炉流化速度及停留时间。但是，受到大气压力与烟气比容为一次方正比影响，需适当增加炉膛截面。
2.分离器
气固两相流进入分离器流态属于气力输送流态，通常情况下气固比为3-7kg/Nm?，进入旋风分离器后捕捉了大多数固体颗粒，提高了其中物料浓度，此过程中，以质量流量对分离器出力进行衡量，则高低海拔两者均无差异;将气压降低影响忽略，则实际气固两相流进入分离器后，相较于预期其流速有所增加，固体颗粒高速移动将会加强分离器磨损。所以，在计算分离器出力时，将会根据体积流量，适当将其尺寸增加，保证直径与大气压力为0.5次方正比。
3.炉膛受热传热
在CFB锅炉中，由于其传热较为复杂，炉内高温循环物料较多，大幅度增加了对流传热比，结合经验其比例约为35%，水冷壁灰幕边壁层与流化床锅炉水冷壁传热相关，且其厚度不会受到压力影响，所以海拔不会影响对流传热[3]。
4.尾部受热传热
尾部受热与煤粉炉基本等同，结合其经验，低气压对受热影响主要在于对流换热有所降低，可通过增加受热面解决，且烟气体积增大，增加了烟速，进而增加烟气灰粒子动能，严重磨损尾部受热面，设计中需将尾部烟气流通截面适当增加，保证尾部受热面的完整性。
5.着火与燃尽特性
当降低气压后，易析出煤粒热解，减慢化学反应速度。在氧浓度为12-25%时，在氧分压降低下，增加了着火延迟时间，且随温度增加减弱，炉内温度超过850℃不再明显。而CFB锅炉燃尽特点，在气压下并无显著变化，主要是CFB锅炉燃烧温度通常为900℃左右，不会影响燃料燃尽;应用循环流化床燃烧方式，热循环回路中燃料停留时间充足;热容较高有效改善着火燃尽条件。
结合上述分析，海拔尽管对锅炉燃尽与点火有一定影响，但影响不大，所以在选择过量空气系数与燃烧温度时，无需考虑海拔影响。
三、高海拔地区循环流化床锅炉改造措施
项目处于查尔汗盐湖，海拔高达2680m，大气压强平均73560Pa，干燥少雨，气压低，蒸发量大、紫外线辐射强，为恶劣高原气候。应用480t/hCFB锅炉试运行，其在高负荷工况下，易产生给煤口结焦问题。经过分析后，发现其主要受到流化风速影响，低气压下增强了燃煤挥发，增加燃烧放热量。
为此，将床上燃烧风与播煤风改为二次热风引用，炉底流化风量增加40000m?/h，炉底一次风总风量达到240000m?/h。而流化风速则为4.31m/s，可满足正常运行需求。并且，在DCS上显示流化风速，便于人员参考[4]。
改造风道后增加了炉底一次风量，增大布风板运行阻力。经改造后炉底一次风最大风量为240000m?/h，可满足锅炉正常运行需求。
效果：改造风道后，锅炉顺利试运，在床料添加、清理焦块及燃煤掺烧天然气应用方面，节省众多人力物力与燃料，为项目生产提供了保障，缓解供热中心压力。
总结：综上所述，在高海拔地区，受到大气环境变化影响，会导致炉内热量分配及受热面换热发生变化，进而对于锅炉正常运行造成影响。因此，在设计中应当结合实际情况，从炉膛尺寸、分离器、炉膛受热传热、尾部受热传热、着火与燃尽特性这几方面出发，加强改进循环流化床锅炉，提高其运行可靠性，适应电力部门的发展，从而满足我国电力市场需求，为民众提供充足电力。
参考文献：
[1]郑东，陈晓平，马吉亮，刘道银，梁财.75t/h加压/常压富氧燃烧循环流化床锅炉方案设计及分析[J].中国电机工程学报，2020，40（13）：4226-4236.
[2]曹勇，周托，那永洁.循环流化床锅炉炉膛低氧燃烧加尾部补燃降低NO_x排放的试验研究[J].锅炉技术，2019，50（02）：35-42.
[3]张缦，蔡润夏，姜孝国，吕俊复，高新宇，杨海瑞.660MW高效超超临界双炉膛循环流化床锅炉的设计开发[J].动力工程学报，2018，38（05）：341-346.
[4]张建春，顾君苹，张缦，刘青，杨海瑞，吕俊复.纯燃生物质循环流化床锅炉设计与运行[J].锅炉技术，2018，49（01）：28-32+64.
关键词：高海拔;循环流化床锅炉设计;影响
前言：
我国地貌复杂、地域辽阔，存在众多高海拔地区，如青海、云南等地海拔超过2800m，随着海拔升高，大气压自然会降低，对锅炉设计及运行具有一定影响。而受到煤质多变的影响，循环流化床锅炉对煤种适应性较强，符合我国发展需求。因此，在高海拔地区，为发挥循环流化床锅炉应用效果，则应当考虑海拔对该机械设备的影响，做好设计工作，进而提高机械设备的应用效果。
一、低气压影响对流受热面总传热系数机理
1.换热系数影响。炉内烟气在对流放热中，可将其看作不可压缩粘性流体稳定受迫对流换热，压强稳定变化不超过1MPa，则其对气体动力粘度无较大影响[1]。而高海拔区域大气压力变化不超过0.1MPa，则可认为大气压力与烟气动力粘度无关，结合分子运动论，气体分子的原子温度及个数，决定两个气体定压比热容，降低氣压不会影响其对流换热系数。
2.受热污染系数。结合热力计算标准，烟气体积流速与固体燃料基准污染系数息息相关，且烟气体积流速受到大气压力影响，低气压下将会增加烟气流速，进而增加炉内烟气动能，降低了污染系数。
3.辐射换热系数。结合热力计算标准，降低气压后，烟气黑度与管外壁会五层温逐渐减小，减小了含灰气流放热系数。
二、高海拔地区循环流化床锅炉设计
1.炉膛尺寸
煤粉锅炉炉膛截面积是根据截面热负荷而定，根据炉膛容积热负荷与截面大小确定炉膛高度。而循环流化床锅炉（CFB）则不同，其运行中热循环回路中热循环物料较多，大幅度增加了炉膛内的热容量，且低温燃烧下，使截面热负荷与容积热负荷重要性不高，所以设计过程中不采取上述方法。CFB锅炉设计中，为保证其合理性，炉膛尺寸则应当根据炉膛物料流化状态及烟速情况而定，该两点均与炉膛流化速度相关，所以以流化速度明确其截面大小，根据炉膛内燃料一次停留时间确定其高度。在获得临界流化速度中，可应用以下公式：
式中， 为颗粒平均粒径; 为气体密度; 为气体运动粘度; 为颗粒密度[2]。由此可知， 随压强降低而减少，其余参数则不受压强影响，所以在低压力下，理论上将会增大锅炉临界流化速度。而在工程最低流化速度设计中，相较于临界流化速度较高，所以为保证流化稳定性，可在设计中将海拔影响忽略。
另外，还应当考虑终端速度，流速增加至一定值后，则颗粒可直接被气流带飞的速度。终端速度公式如下：
随着海拔提高，降低了气体携带固体颗粒能力，同等流化速度下，CFB锅炉在高海拔地区外循环量低于低海拔区域。但总体而言，其循环物料量无过多变化，可借助辅助手段提高，所以可根据常规区域选取锅炉流化速度及停留时间。但是，受到大气压力与烟气比容为一次方正比影响，需适当增加炉膛截面。
2.分离器
气固两相流进入分离器流态属于气力输送流态，通常情况下气固比为3-7kg/Nm?，进入旋风分离器后捕捉了大多数固体颗粒，提高了其中物料浓度，此过程中，以质量流量对分离器出力进行衡量，则高低海拔两者均无差异;将气压降低影响忽略，则实际气固两相流进入分离器后，相较于预期其流速有所增加，固体颗粒高速移动将会加强分离器磨损。所以，在计算分离器出力时，将会根据体积流量，适当将其尺寸增加，保证直径与大气压力为0.5次方正比。
3.炉膛受热传热
在CFB锅炉中，由于其传热较为复杂，炉内高温循环物料较多，大幅度增加了对流传热比，结合经验其比例约为35%，水冷壁灰幕边壁层与流化床锅炉水冷壁传热相关，且其厚度不会受到压力影响，所以海拔不会影响对流传热[3]。
4.尾部受热传热
尾部受热与煤粉炉基本等同，结合其经验，低气压对受热影响主要在于对流换热有所降低，可通过增加受热面解决，且烟气体积增大，增加了烟速，进而增加烟气灰粒子动能，严重磨损尾部受热面，设计中需将尾部烟气流通截面适当增加，保证尾部受热面的完整性。
5.着火与燃尽特性
当降低气压后，易析出煤粒热解，减慢化学反应速度。在氧浓度为12-25%时，在氧分压降低下，增加了着火延迟时间，且随温度增加减弱，炉内温度超过850℃不再明显。而CFB锅炉燃尽特点，在气压下并无显著变化，主要是CFB锅炉燃烧温度通常为900℃左右，不会影响燃料燃尽;应用循环流化床燃烧方式，热循环回路中燃料停留时间充足;热容较高有效改善着火燃尽条件。
结合上述分析，海拔尽管对锅炉燃尽与点火有一定影响，但影响不大，所以在选择过量空气系数与燃烧温度时，无需考虑海拔影响。
三、高海拔地区循环流化床锅炉改造措施
项目处于查尔汗盐湖，海拔高达2680m，大气压强平均73560Pa，干燥少雨，气压低，蒸发量大、紫外线辐射强，为恶劣高原气候。应用480t/hCFB锅炉试运行，其在高负荷工况下，易产生给煤口结焦问题。经过分析后，发现其主要受到流化风速影响，低气压下增强了燃煤挥发，增加燃烧放热量。
为此，将床上燃烧风与播煤风改为二次热风引用，炉底流化风量增加40000m?/h，炉底一次风总风量达到240000m?/h。而流化风速则为4.31m/s，可满足正常运行需求。并且，在DCS上显示流化风速，便于人员参考[4]。
改造风道后增加了炉底一次风量，增大布风板运行阻力。经改造后炉底一次风最大风量为240000m?/h，可满足锅炉正常运行需求。
效果：改造风道后，锅炉顺利试运，在床料添加、清理焦块及燃煤掺烧天然气应用方面，节省众多人力物力与燃料，为项目生产提供了保障，缓解供热中心压力。
总结：综上所述，在高海拔地区，受到大气环境变化影响，会导致炉内热量分配及受热面换热发生变化，进而对于锅炉正常运行造成影响。因此，在设计中应当结合实际情况，从炉膛尺寸、分离器、炉膛受热传热、尾部受热传热、着火与燃尽特性这几方面出发，加强改进循环流化床锅炉，提高其运行可靠性，适应电力部门的发展，从而满足我国电力市场需求，为民众提供充足电力。
参考文献：
[1]郑东，陈晓平，马吉亮，刘道银，梁财.75t/h加压/常压富氧燃烧循环流化床锅炉方案设计及分析[J].中国电机工程学报，2020，40（13）：4226-4236.
[2]曹勇，周托，那永洁.循环流化床锅炉炉膛低氧燃烧加尾部补燃降低NO_x排放的试验研究[J].锅炉技术，2019，50（02）：35-42.
[3]张缦，蔡润夏，姜孝国，吕俊复，高新宇，杨海瑞.660MW高效超超临界双炉膛循环流化床锅炉的设计开发[J].动力工程学报，2018，38（05）：341-346.
[4]张建春，顾君苹，张缦，刘青，杨海瑞，吕俊复.纯燃生物质循环流化床锅炉设计与运行[J].锅炉技术，2018，49（01）：28-32+64.