什么是内循环流化床

【专家解说】：">从我国目前的循环流化床锅炉的实际运行情况看，外循环倍率高的流化床锅炉的磨损问题比有埋浸受热面的循环流化床锅炉更严重。这种外循环倍率高的流化床锅炉结构复杂，炉内床料浓度高，床压差大，烟风阻力大，电耗高，燃料适应性差，对筛分粒度要求严格，维修时间多，运行周期短，出勤率低，运行成本高，经济效益低。
2、表现的主要问题
2.1外循环倍率高导致流化床锅炉自用电耗高，磨损严重，自用电耗高主要是鼓风机和引风机的运行风压高、流速高造成的。外循环倍率高的流化床锅炉的布风板面积小，每蒸吨汽约0.12m2，为了使床料流化和满足一次风的送风要求，势必将风压提得很高，目前鼓风机全压选择都在2万pa上下。引风机也因分离器的流速高、阻力大(旋风分离器的阻力一般在1.5~2kpa)造成炉压差大，引风机的全压选择也多在6~8kpa。由于炉内压力高，返料用的风压更高，需单独配置高压风机。其次是锅炉对燃料的输送设计和灰渣的输送设计不当等造成电耗增高。这种循环流化床锅炉与同容量煤粉锅炉相比，前者比后者的电耗高出25%~200%，是实实在在的电老虎。
外循环倍率高的流化床锅炉的运行是依赖大量循环灰渣将密相区生成的大量热能带入上部炉膛，通过以纵向为主的摩擦方式循环灰渣再将携带的热量传递给膜式水冷壁换热，由于这种物料的速度快、浓度高，对膜式水冷壁的磨损极为严重;分离器的中心筒处于高温、高速、高飞灰浓度的工况作用下磨损变形严重。该设备一旦损坏，其更换也是一个非常费工、费时、费钱、辛苦的工作;由于飞灰浓度高，尾部受热面的局部磨损也很严重。据统计，因磨损爆管的事故占总停炉事故的约50%。
2.2外循环倍率高的流化床锅炉结构复杂钢耗高，目前该型循环流化床锅炉结构设计越来越复杂，如燃烧系统的水冷布风板全是膜式壁组成;点火系统的烟气发生器，占用的地方和空间大、管线多、投资多，使用的时间少;出渣系统的冷渣器、运渣括板机、分离器、返料器及一次风机、二次风机、返料风机等，还有静电除尘器与储灰仓，及二者间的细灰气体输送系统和储灰仓气体输送引起的二次污染，还需消耗许多电能、同时带来设备磨损。这些都应该考虑简化设计，减少不必要的设备和多占有限的土地面积;节约钢材、降低投资成本。循环流化床锅炉是个非常复杂的系统工程，如不精心设计、科学设计，不但占用大量场地空间，造成现场拥挤，人为的增加了一些故障点，还不方便现场工人的操作。以某台670t/h循环流化床锅炉为例，因现场过于拥挤，连两个密相区的人孔检查门都没有设置过人的检修通道，检修人员要去拆装人孔检查门非要从设备的缝隙中爬到人孔检查门边上去，不但操作困难，检修材料要进入炉膛就更困难。
膜式壁是轻型炉墙的好模式，有效辐射系数高，整体密封性好，便于大型化，但在高速床内物料纵向冲刷，磨损速度快，传热系数仅120~150W/m2k，且均只能单面受热，受热面利用率50%，单面磨损，更换时，要连同没有磨损的部分一起丢弃，浪费增加50%，钢耗高，非常可惜。
2.3设备出勤率低，运行成本高。(1)外循环倍率高的流化床锅炉磨损爆管次数多，因而检修时间多;(2)流化床燃烧系统稳定性差，大颗粒料易沉积造成低温结焦，分离器返料器运行温度偏高易导致结焦;(3)风帽的烧损和漏灰造成停炉;(4)煤仓下煤不畅，给煤机烧坏故障造成停炉等，引起设备出勤率低，运行成本高。以某十万kw外循环倍率高的流化床锅炉发电机组为例，每停一次炉要造成几十万元甚至上百万元经济损失，国家优惠上网电价为0.405元/kwh，而发电成本却达0.395元/kwh，利润甚微。稍遇风险，就发生亏损。
3.产生以上问题的原因:
3.1磨损严重与电耗高是一个问题带来的两个苦果，目前多数外循环倍率高的流化床锅炉炉膛是仿照国外过去的设计，为下小上大的瘦高锥形，底部布风板处最小，分离器多为立式旋风筒型。每蒸吨汽的水冷布风板面积约0.12m2，密相区燃烧份额约为35%~60%。由于密相区面积小，风速高，气固浓度高、无法设置埋浸受热面，因而密相区燃烧放出的热量没有吸收，只能依赖大量的循环灰渣作热载体以快速的方式将热量带出密相区，传给炉膛上部的膜式水冷壁，膜式水冷壁成了纵向冲刷的埋浸受热面。密相区风速高，必然要求风室的风压高，而当风量不变，风压增高时，风机功耗与风压的增高成正比，而炉膛气固流体的浓度增高与膜式壁的磨损速度成正比，气固流体的速度增高与膜式壁的磨损成3次方关系，所以现在的外循环倍率高的流化床锅炉受热面磨损程度超过了有埋浸受热面的流化床锅炉，因而爆管事故多。
膜式水冷壁的这种磨损又有其特点，仅是单面磨损，另一面完好无损，一旦爆管，需要正反两面一起更换，造成材料浪费，从以上分析可知，物料的外循环倍率越高，所需的烟气流速也越高，磨损速度也就越快，动力消耗和材料浪费也就越大。
3.2结构复杂钢耗高，这是循环流化床锅炉大型化需迫切解决的两个新问题。外循环倍率高的流化床锅炉是以提高炉腔高度来弥补大型化所需燃烧空间和时间，因此锅炉容量越大炉体就越高，结构越复杂，钢耗也就越高。钢耗一般是同容量煤粉锅炉的1.4~1.8倍。该型锅炉的炉膛很高，虽占地不多，但要求钢架的强度和刚度大，所以钢架钢耗高。而辅助设备部分复杂，如点火系统的烟气发生器，有的超过了主燃室的占地;锅炉各种管线多，冷渣系统、括板运渣机等设备布置很拥挤;还有旋风分离器比表面积大，其四周很多空间又无法利用……。某台670t/h大型外循环流化床锅炉，由于拥挤，连密相区的人孔检查门也没设计一个方便过人的通道，工人们要去开检查门，非常不方便。另外，膜式壁的传热系数仅为120~150w/(m2.℃)，是单面受热，多耗钢材，而且膜式壁的制造成本高，为什么都做这种结构的埋浸受热面呢?是否可以在进一步降低锅炉的受热面积和制造成本上有所创新?如烟气发生器可以小些，锅炉点火可以床下与床上联动，或分床启动，这样不但可以降低钢耗，也可以降低点火油耗。
3.3外循环倍率高，燃烧条件差是设备出勤率低，运行成本高的主要原因。外循环倍率高的流化床锅炉设备出勤率低，运行成本高的因素较多，但主要因素之一是外循环倍率高，磨损严重，这个问题较明显，本文不赘述;之二是流化床燃烧性能差，大颗粒料易沉积和燃烧份额低。目前我国外循环倍率高的流化床锅炉燃烧系统多是由膜式水冷壁组成的平布风板(有的略倾斜5°)和钟罩式圆柱风帽组成， 燃料从返料管(或给煤口)进入床内后，只能随炽热的床料上下翻腾，这种翻腾的特点是轴向的波形曲线扩散，即便加了播煤风，也缺乏径向的水平扩散运动，因此密相区进煤处的床料中含碳浓度很高，而邻近的区域只能靠轴向的波形曲线扩散才能得到碳粒，而远离给煤口的区域，当这种波形的扩散运动将这些燃烧的床料送到时，仅剩很少量的可燃碳了。由于密相区内存在这三种不同的含碳床料，而风室向床内提供的氧含量均为20.89%的空气，这就必然在床内形成了几个不同的燃烧区域，靠近给煤口附近的区域为富碳贫氧区，离进煤口最远的区域碳烧得差不多了，为贫碳富氧区，而介于这二者之间的区域则是碳氧的平衡区，这种状况必然造成密相区温度场的差异和同等风室压力而底部速度不等，是导致平布风板对大颗粒炉渣清除能力差的主要原因，当锅炉遇到煤质变化和给煤量变化带来炉温波动时，很容易造成低温结焦。
由于上述原因，密相区内的燃烧效率是不均匀的，因此，直接影响锅炉的整体燃烧效率，尤其是对于那些不能被分离器分离的细碳粒子，和热解析出的挥发份在富碳贫氧区缺少燃烧条件被高速气流带出炉外，造成q3、q4(气体、固体不完全燃烧)热损失增大;在贫碳富氧区过量氧造成q2排烟热损失增大。而对于一些低灰份的高热值煤又需掺冷渣灰燃烧，这实际上是把好煤当成差煤烧，热效率会高吗?以上诸多因素导致锅炉运行成本高。同时，掺烧冷渣灰、无疑增加了炉内的磨损和鼓引风机的电耗，增加除尘器的电耗，还增加灰渣的输送电耗，真是无一利而有百害。
4.循环流化床锅炉的技术改进原理、要求与措施
4.1循环流化床锅炉改进技术原理
循环流化床锅炉的物料循环是由内循环和外循环组成的。炉内物料的循环和炉外物料的循环对床温和燃烧的影响作用不同，对燃烧和脱硫、磨损的影响作用也不相同。增加内循环量，就可减少外循环量，燃烧和脱硫的效率不变，而磨损却可减轻，尤其是增加密相区的内循环量，就能加快床料中碳粒的扩散速度，使碳粒在床料中分布均匀，才能有效提高流化床锅炉的燃烧和脱硫效率，大量减少外循环量，才能减轻锅炉磨损。密相区的内循环量大，能消除平布风板密相区的燃烧缺陷，放宽对布风板面积的限制，降低密相区的轴向物料流速，延长碳粒在密相区的燃烧时间，同等容量锅炉的高度可以降低。
据研究和实验，密相区的燃烧份额可提高到0.7~0.90。对于密相区如此高的燃烧份额所放出的热能，在该区内设计一种结构简单(见图1)能避开粗颗粒床料的磨损，防磨措施好，便于更换的埋浸受热面进行吸收。为了提高钢材的利用率，这种埋浸受热面应横向布置，双面暴光，传热系数高达250~280w/m²k，用很少的受热面吸收较大份额的热量，降低循环流化床锅炉的钢材消耗。使循环流化床锅炉更经济的大型化。
提高密相区内循环倍率能有效的消除密相区内碳粒和温度场的分布差异，其次是消除大颗粒杂物难以排出的缺陷。布风板面积根据锅炉容量的大小，以充分把锅炉下部空间全部利用为原则，据测算一般按0.25~0.35m2/吨汽选取是可行的，不会影响锅炉大型化，反而降低锅炉投资和运行成本。布风板面积的扩大，密相区的流速降低，同样燃烧时间，锅炉的高度可以降低，风室风压和风机电耗随之大幅下降，下降最大的是磨损速度。
由此可见提高内循量可使锅炉设计简化，钢材消耗降低，输送动能降低，故障率降低。
目前，国外研究成果也表明，提高内循环特别是床内循环倍率对于锅炉运行的经济性远高于外循环高倍率，如日本荏原公司就研制开发了一种锥形床内循环燃烧技术，设置了床内带隔板的低位低速埋浸受热面，该技术已在世界多个国家申请专利保护。
美国CPC公司(Combustion Power Company)研究认为密相区内循环可使布风板面积放大而提高燃烧效率，并布置高位埋浸受热面，气流横向冲刷。德国(巴高克公司)(IRCOFLVID)研究认为布风板面积适当放大炉内设置高位埋浸受热面，让气流横向冲刷，能使锅炉结构简化。
另外，国外对于分离器的能耗也特别注意，总是选取低温低速分离及不需动力的重力返料。对于锅炉长年累月的运行产生了不可忽视的经济效益。
4.2循环流化床锅炉的技术改进要求
根据上述技术改进原理，对循环流化床锅炉提出如下改进技术要求，以供改进技术设计、制造时参考，以利用户使用时衡量。
煤的适应性宽，不但能燃用高灰份的低热值煤种，同时也能燃用低灰份的高热值煤种。
煤的粒度要求低(0~15mm)，不受各粒级份额的严格限制。
(3)燃烧效率高，磨损低，自用电耗低，锅炉维护检修费用低。
(4)脱硫效率高，钙硫比低，有害气体生成量少。
(5)结构简单，钢耗低，锅炉与人和谐、维护、维修方便容易。
(6)运行稳定、负荷调节灵活、出力充足。
(7)点火启动耗油少，操作简便快捷。
(8)年出勤率高，经济效益好。
4.3循环流化床锅炉技术改进措施
(1)密相区内循环燃烧系统及埋浸受热面的技术改进措施
根据燃烧原理与循环流化床锅炉燃烧机理特性，对于密相区内的循环燃烧宜采用碟形布风板与多风室风箱(见图1)(与日本荏原公司锥形布风板多风室风箱的布风板方向相反，作用相同)，鸭嘴形定向风帽、圆柱直风帽、导流板圆柱直风帽等共计5种规格的风帽组成一种风室之间有压差、四周倾斜布风板与中间平布风板风帽布置不同、开孔率不同、风速不同的特殊流化床。布风板面积根据锅炉的蒸发量的大小，可分别在0.25~0.35m2/吨汽之间选取。其工作机理是密相区中心床料呈倒锥形向上喷涌，在一定高度成喷泉状向四周落下，燃料入炉后随四周落下来的床料旋转吸引力的作用带入倾斜的密相区的床底，在倾斜布风板的3种不同规格的风帽作用下，形成了一种既有粗颗粒向中心的层面流动和中小颗粒的小范围旋流的翻滚循环运动，这些燃料和床料一旦接近中心布风板的边缘，便被中心布风板的导流板风帽形成一种“空洞”效应吸引，飞速向中心集结并被喷向上方进行周而复始的密相区内循环;另外，被中心扬析出去的细小颗粒在到达稀相区的一定高度，受炉膛内烟气流场的影响会向四周边壁聚集并向下运动，进行炉膛内的循环。综合这些炉内循环技术，我们定位于多元内循环流化床燃烧技术。
实践证明，这种多元内循环流化床燃烧技术使密相区内入炉燃料与床料发生了强烈径向循环(横向搅拌)使床内的温度场、空气、烟气场和碳灰场分布均匀、因而大大提高燃烧效率。同时床内的循环具有很强的破渣能力和清除大颗粒料的能力，不管锅炉连续运行时间多长，也不管制煤系统筛分发生故障，进入床内的大颗粒都会通过排放冷渣自行清除，不会在床内产生沉积造成低温结焦或灭火事故。如果用入炉燃料的循环倍率来衡量，这种内循环的倍率高达1500~2000。该多元内循环燃烧系统点火所用的燃料、点火时间和对点火技术水平等的要求均大为降低，运行操作平稳，负荷增减自如，不受高热值燃料和低热值燃料变化的影响，燃料粒度的分布份额对它的影响也非常小，锅炉连续运行周期长达半年至一年，途中若需压火也很容易，停启快速。

实践证明，因煤的特性不同，这种多元内循环燃烧系统密相区的燃烧份额高达0.70~0.90。而一次风过量空气系数可控制在1~1.05之内;密相区横向流速度高、循环倍率很高，但在一定高度后，轴向(纵向)流速低，仅为高速床的35%~40%，而埋浸受热面在此高位布置，主要依靠中小颗粒的热传导和低速横向冲刷传热，传热系数高于纵向冲刷的膜式壁近2倍，而平均磨损速度却低三倍;因风压低，鼓风机的电耗可降低一倍;埋浸受热面一般采用φ51×5钢管焊上防膜鳍片，能连续运行20000小时，如采取特殊防磨喷涂技术预计使用寿命可达32000小时以上;埋浸受热面的设计是便于更换、用材省，钢材利用效率高。
为了克服膜式壁的不足，我们在原水冷壁的基础上(见图2)采用长沙美一公司生产的不锈钢纤维增强耐火浇注料对炉膛进行整体的浇注，达到了很好的效果:1、保留了轻型炉墙的特点;2、制造成本下降;3、方便运输、安装、和维修;4、经久耐用。

必须说明的是，对于过宽颗粒筛分(0~40mm)的燃料，该燃烧系统能稳定燃烧运行，且出力不受影响，但热效率下降到80%，从经济运行节能角度出发，故不主张筛分太宽。对于大型流化床锅炉，最好采用多床组合，一床点火，分床启动，只需一个床带有上、下联动点火设施就行了。
(2)给煤系统改进技术措施
循环流化床锅炉的给煤系统应包括储煤仓、落煤斗、给煤机、播煤风等。据调查，由于燃料水份的变化，常造成系统断煤的情况，如在储煤仓的落煤斗处经常发生堵塞不下煤;其次是螺旋给煤机不进煤;或将燃料挤成团进不了煤;皮带给煤机烧坏等情况。
为克服以上缺陷，储煤仓不应采取对称设计，应有单边适度的倾角，落煤斗进给煤机之处，既要有倾角防止燃料压紧，同时要设计缓冲区，使燃料能适应给煤机的需求又不至于堵死或空缺。为了防止万一出现断煤的情况仍要确保给煤，一般每个给煤点应配置两台给煤机。这种给煤机体积小巧，功耗低，经久耐用，维护简单，维修费用低，不占地方，能正压给料，还能对煤进行计量。与给水流量计，蒸汽流量计一对照，循环流化床锅炉的正平衡热效率一目了然。见图3
(3)外循环系统的技术改进措施
国产循环流化床锅炉，尤其是大型锅炉，多采用旋风分离器，阻力大;流化床返料器，需要配置独立的高压头风机，消耗很多电能，是没有必要的，采用多元内循环燃烧技术后，可改为能量消耗低的高温贯性分离装置和中温惯性分离装置及炉外多管旋风分离装置组合，回送则采用十字风直喷返料阀进行低倍率的外循环。分离器的任务是将没有烧完的碳粒捕捉下来送回炉内，延长其燃烧时间，达到高效率燃尽即可，而对那些不含碳的飞灰需放掉。当外循环灰量的大幅度降低后，不但磨损问题大大减轻，鼓风机和引风机的电耗也成倍的降下来了。
5、结论
按以上技术措施，我们生产了一批不同容量的多元内循环流化床锅炉投放市场，95%以上都收到了预期效果。去年在山西某厂将一台20吨/时A型顺转链条炉排锅炉改造成多元内循环流化床锅炉。一次点火成功，连续运行八个月证明锅炉各项性能指标优良。排出的飞灰含碳为7.18%，达到了国内先进水平。