循环流化床锅炉培训讲义

'循环流化床锅炉培训讲义华西能源工业股份有限公司客户服务部2011年6月45 目　　录第一章   循环流化床锅炉的运行第一节      循环流化床锅炉的冷态试验5第二节      循环流化床锅炉的启动和停炉7第三节      循环流化床锅炉的运行调节9第四节      循环流化床锅炉运行中的常见问题及处理12第二章　循环流化床污染物的排放及控制第一节　概述17第二节煤燃烧过程中SO2的生成机理与影响因素21第三节脱硫剂的选择及脱硫机理23第四节循环流化床锅炉运行中影响脱硫率因素的分析24第五节循环流化床燃烧过程中NOx和N2O的生成机理27第六节影响循环流化床锅炉氮氧化物排放量的主要因素30第三章循环流化床锅炉的磨损及防磨措施第一节概述32第二节循环流化床锅炉承压部件的磨损及磨损机理33第三节循环流化床锅炉内衬磨损及磨损机理36第四节影响循环流化床锅炉受热面磨损的主要因素40第五节循环流化床锅炉的防磨技术和措施4545 第一章   循环流化床锅炉的运行循环流化床锅炉因其特有的气固两相流体动力特性而与链条炉和煤粉炉有较大区别，因此它有一些与其它炉型不同的冷态试验项目，如布风特性、流化特性、物料循环回路特性等的试验。因为同样的原因，循环流化床的燃烧调整和负荷控制也与煤粉炉等有很大区别。但循环流化床锅炉在我国投入运行的时间较短，运行方面的经验积累还不完善，没有像煤粉炉那样有一整套成功的经验来指导运行工作。本章试就循环流化床锅炉的冷态试验、燃烧调整和负荷控制作一简单介绍，以起抛砖引玉之作用。随着循环流化床锅炉在我国的普及，尤其是大型循环流化床锅炉在我国的广泛应用，广大科技工作者和运行人员会在实践中探索和总结出更丰富的经验，循环流化床锅炉的运行将走向成熟，循环流化床锅炉将更好地发挥其优势，为发展我国的国民经济作出更大的贡献。循环流化床锅炉运行中关于汽水系统即“锅”的部分和煤粉炉要求基本相同，可参见介绍煤粉炉书籍的有关内容。本章介绍的运行只针对循环流化床锅炉的燃烧系统即“炉”的部分。 第一节      循环流化床锅炉的冷态试验循环流化床锅炉在大小修或布风板﹑风帽检修﹑送风机换型检修后锅炉第一次启动前必须进行冷态试验，以保证锅炉顺利点火和稳定安全运行。一、冷态试验的目的和条件冷态试验的目的有以下几点：⑴鉴定送风机风量﹑风压是否满足锅炉设计运行要求。⑵检查风机﹑风门的严密性及吸﹑送风机系统有无漏泄。⑶测定布风板的布风均匀性﹑布风板阻力﹑料层阻力﹑检查床料流化质量。⑷绘制布风板阻力﹑料层阻力随风量变化的曲线，确定冷态临界流化风量和热态运行最小风量。⑸检查物料循环系统是否能够正常运行。冷态试验前必须做好充分的准备工作，使之具备一定的条件，以使冷态试验得以顺利进行。主要工作是：⑴与试验及运行有关的风量表﹑压力表及测定布风板阻力和料层阻力的差压计，风室静压表等必须齐全并完好。⑵准备好足够试验用的炉床底料。底料一般用燃料的冷灰渣料或溢流灰。床料粒度要求应和正常运行时燃料的粒度要求大致相同。如果实验后底料作为启动的床料，还应增加一定量的易燃烟煤细末和脱硫剂石灰石，掺入的燃煤一般不超过床料总量的10%。⑶检查和清理炉墙及布风板。不应有安装﹑检修后的遗留物；布风板上的风帽间无杂物；绝热和保温的填料平整﹑光洁；风帽安装牢固，高低一致，风帽小孔无堵塞。⑷准备好试验用的各种表格﹑纸张等。二、循环流化床锅炉冷态试验循环流化床锅炉的冷态试验是指在常温下对锅炉送风系统、流化特性、物料循环系统等进行系统的性能测试，以发现和消除隐患，为锅炉正常运行提供保障；并测定相关参数，为锅炉热态运行确定合理的运行参数。冷态试验项目主要有风机性能试验、布风板阻力特性试验、布风均匀性检查、临界流化风量测定以及物料循环系统的回送性能试验等。在冷态试验进行时，首先要检验风机性能，即通过试验，绘制出风量﹑风压特性曲线，判定风机是否符合设计和运行要求。因风机特性测试方法﹑步骤属常规试验，这里不再赘述。1．布风板阻力测定45 测定布风板阻力时，布风板上无床料，一次风道的挡板除留有一个做调整用外，其余全部开放（一般留送风机出口调整挡板）。具体操作是启动一次送风机后，逐步开大调整风门，增加风量，记录下风量和风压的各对应数据。试验时调整引风机使炉膛下部测压点处压力为零，此时风室静压计上读出的风压即可认为是布风板阻力。测定时应缓慢，平稳地开启挡板，增加风量。一般每500m3/h风量记录一次，从全关做到全开，再从全开做到全关。一般选10～15个档板开度进行测量，把两次测量的平均值做为布风板阻力的最后值。在平面直角坐标系中用平滑的曲线将这些点连接起来，便得到了布风板阻力与风量变化关系的特性曲线。2．布风均匀性检查布风板布风均匀与否，将直接影响料层阻力特性及运行中流化质量的好坏。检查布风均匀的方法很多，对于布风板只有几平方米的小沸腾炉，可以用火钩探测；对于几十吨蒸发量的锅炉，可以挑选有经验的检验人员站在料层上，用脚试的方法；对于近百吨的中温中压、次高压锅炉或几百吨的高温高压锅炉，主要采用突然停止流化料层的办法来检查。在实际的检验过程中，三种方法可以联合使用，但三种方法都是在流化状态下进行。对于电站流化床锅炉现在一般采用后两种检验方法检查布风的均匀性。脚试法：在布风板上铺平约300～400㎜厚度的床料。有经验的检查人员赤着脚，带上防尘面具进入炉内，站在料层上。启动一次风机，并逐渐增大风量，料层开始流化沸腾。检查人员随着风量的增加，逐渐下沉，最后站在风帽上。此时通知操作人员保持送风不变，检查人员在沸腾的料层中移动，如果停到哪里，哪里的料层马上离开，象淌水一样，而且脚板能站到风帽和布风板上，脚一抬起立刻被床料填平，这说明布风板布风均匀，流化良好。如果检查人员停到哪里，感到有明显的阻滞，脚又踏不到风帽或布风板上，表明这些地方流化不好，布风不均，应查找原因，消除后再试验。沸腾法：沸腾法很简单，却很实用，尤其对中﹑大型流化床锅炉应用较普遍。首先在布风板上铺平300～400mm厚床料，启动一次风机把料层沸腾起来并保持一段时间，然后停止风机，立即关闭挡板。当床料静止后观察料层。若料层表面平坦，就表明布风均匀，流化良好；若料层表面凸凹不平，表明布风不均匀，流化不良。炉型不同，布风板的结构﹑风帽的型式不同，流化不良所表现出来的凸凹程度也各不相同。一般来说，只要布风板设计合理，床料配制均匀，流化应该良好。实际上，冷态测试时局部小范围布风不均匀，对热态运行的影响也不太大，因为热态运行时的流化程度要远高于冷态试验时的流化程度。3．临界流化风量测定临界流化风速的测定和计算已在第二章第五节中进行了专门讲解。这里为学习方便起见再简要介绍一下。图6-1宽筛分颗粒床层压降―流化风速关系曲线 流化风速 umf 床层从固定状态转变到流化状态（或称沸腾状态）时按布风板面积计算的空气流量称为临界流化风量Qmf，此风量按布风板面积计算成空气流速称临界流化风速umf，或最小流化速度。循环流化床锅炉燃料为宽筛份燃料，一般冷态调试时采用如下办法：在布风板上分别铺上不同厚度的床料，料层的厚度应根据锅炉的设计和运行中料层的厚度来确定，一般选取200﹑300﹑400﹑500﹑600mm五个厚度来进行测定，就每一确定的料层厚度分别测量料层阻力，确定风量﹑风压和料层厚度三者之间的关系。此时测出的风室风压所代表的风阻是料层阻力与布风板阻力之和，将测得的该风阻减去同一风量下布风板阻力，就得到了该料层阻力。把它们描绘在同一坐标系中，并用光滑曲线连接起来，就得到了不同料层厚度下料层阻力与风量的关系，即床层压降一次风量的关系曲线图，一般形状如图6-1。不难看出，曲线上有一近似水平段，这时床料处于流态化状态，即沸腾状态。固定床与流化床两条压降线的延长线交点对应的一次风机流量即为冷态临界流化风量。45 为了保证测量的准确，可利用当床截面和物料颗粒特性一定时，流化床临界流化风速与料层厚度无关的性质，采用不同的床料厚度进行测量，不同料层厚度下测出的临界流化风速应基本相同，如有明显偏差，则需找出原因并解决。4.物料循环系统输送性能试验飞灰循环系统由分离器、立管、回料阀与下灰管组成，如图6-2所示。要实现飞灰系统的正常循环，分离器和回料阀是本系统的核心。回料阀的工作特性对循环流化床锅炉的效率、负荷的调节性能及正常运行有着十分重要的影响。对于一台已建成的循环流化床锅炉，其分离器及飞灰循环系统的结构已定，因此本试验的主要内容为回料阀的输送特性试验。图6-2循环流化床锅炉示意图1—风室2—燃烧室3—高温旋风分离器4—立管5—U型阀返料器 回料阀的结构不同，其输送特性也大不一样。在循环流化床中，由于输送的是高温灰，所以多采用非机械式的回料阀，其中以流化密封回料阀应用较普遍。它具有调节性能好、运行稳定，输送量比较大等优点。回料阀的输送特性在实验室进行的研究很多，并有不少论述，但在商业应用中仍有很多问题有待解决，因此在回料阀投运前需进行冷态试验，为热态运行提供依据。下面介绍某厂35t/h循环流化床锅炉的回料阀冷态试验情况。该锅炉采用非机械式流化密封回料阀。它由贮灰室、布风板和两个风室组成。回料阀的入口与立管连接，而出口则为下灰管。在回料阀中间有一不锈钢隔板，将其分为松动床和输送床。两根从一次风机引来的风管分别送至两个床的风室，并各设有风门调节。在试验中，对上述风量均予进行测定。在回料阀的立管上设有一个供试验用的加灰漏斗。试验时，将0～lmm的细灰由此处加入，使细灰充满回料阀，以保持试验时与实际运行工况基本相同。该试验的目的是了解松动风和输送风量的配比、最小启动风量、较佳的气固比等，为热态运行提供数据。试验时，缓慢开启送风门，密切监视床内的下灰口。当该处有少许细灰流出时，说明回料阀已开始工作，记录下此时的输送风量、松动风量、风室静压、各风门开度等参数。然后再开大风门，当送灰风量占总风量约l%时，此时的送灰量已很大。采用计量时间和输送灰量称重的方法求出单位时间内的送灰量，气固输送比等。在试验过程中，不断地从立管上的漏斗加入细灰，以维持立管中料柱的高度；加人的细灰进行计量。结束时维持试验前后的料柱高度相等。加入的细灰量即为该时间内送入炉内的飞灰循环量。通过冷态试验，可以了解回料阀的启动风量和工作范围以及风门的调节特性。这对热态运行具有重要的指导意义。三、给煤量的测定为了经常考核锅炉的运行水平，一般用皮带磅秤、电子秤等仪器来计量给煤量。但对于缺少上述仪器的单位，可用测定给煤机每一转的给煤量的方法近似地进行计量，即在不同转速下单位时间内测出给煤机的实际转速和给煤量，再换算成小时给煤量。使用这一方法要考虑煤的密度、水分变化带来的误差而进行修正。 第二节      循环流化床锅炉的启动和停炉 一、锅炉的点火启动流化床锅炉的点火是锅炉运行的一个重要环节。许多电厂在这方面都积累了大量的经验。流化床锅炉的点火，实质上是在冷态试验合格的基础上，将床料加热升温，使之从冷态达到正常运行温度的状态，以保证燃料进入炉膛后能正常稳定燃烧。锅炉点火可分为固定床点火和流态化点火两种。而流态化点火又可分为床上点火和床下点火两种方式。下面分别予以介绍。45 1． 固定床点火所谓固定床点火，就是在床料处于静止状态下点火使床料燃烧的方法。具体做法是：首先在床料上铺放一些木炭或不太大的木柴。为了引燃方便，可在铺放前浇上柴油等易燃物质，然后用刨花﹑木屑或火把直接点燃。木柴燃烧后，在床料上堆积一层约100～150mm厚的暗红色木炭，在木炭上撒上一层易燃烧的烟煤细粒，启动一次风机送风。送风量大小的控制与调整是固定床点火的关键。一次风机启动后，应密切注意炉床情况，送风量要缓慢增加，开始少量给风，木炭层有小火苗跳动，木炭层上燃煤逐渐燃烧，这时不要增加风量，要维持住这层炭火。随着木炭层的燃烧，要少量勤撒烟煤细粒，风也要随着慢慢增加，但要始终保持木炭层上的煤粒在小火苗状态下燃烧。这样维持一段时间后，随着床料温度的升高逐渐加大风量，同时增加烟煤的细粒量。当床料呈暗红色时，此时温度已达到600℃左右，可以启动给煤机给煤（如果锅炉燃用难燃的无烟煤﹑煤矸石等，启动时应预先备好易燃的烟煤细粒）,同时增大风量。这时床料温度上升很快，当炉料呈紫红色并逐渐发亮时，风量要迅速加大到使床料全部流化起来，防止局部结焦。固定床启动的另一个重要环节，是如何调整引风机的挡板开度。引风机可以在点火前启动，也可在木炭层微燃时启动。但主要是控制好炉膛负压，在床料温度较低，木炭层燃烧较弱时，负压不应过大，否则就会把木炭层上的细煤粒抽走，火苗熄灭，造成锅炉点火失败。固定床点火是一种落后的点火方式，但却又是一种行之有效的启动方法。现在运行的75t/h中压循环流化床锅炉中，还有采用这种方式进行点火。带有副床的锅炉，副床可与主床同时点火，点火方法同主床一样，也可随主床点火。所谓随主床点火，就是在主床完全流化时，高温飞灰落到副床上，副床利用冷灰管放掉下面的低温冷灰，当冷灰出现暗红色时停止放灰，开启挡板送风，使副床温度继续上升，料层沸腾。由于主床上燃料燃烧产生的飞灰不断落到副床上，因此点火前副床床料要薄一些。布置有多个炉床的锅炉要逐个点火或分批点火，不可同时点火，以防止炉内温升过快，避免炉墙和受热面热应力太大。启动过程中，注意温升不要太大。对于无耐火材料内衬的锅炉，温升一般控制在50℃/h左右，对于有耐火材料内衬的锅炉，要严格按照温升特性曲线来启动。2． 流态化点火流态化点火，就是在床料沸腾状态下，用液体或气体燃料加热床料的一种方法。根据点火方式﹑点火位置的不同分为床上点火和床下点火两种方式。⑴床上点火：床上点火方式和煤粉炉点火差不多，在炉床上部装设油枪（或通入天然气等）。当床料沸腾后，液体燃料经过油枪雾化后射入炉内，经明火点燃直接加热床料。⑵床下点火：床下点火是指通过设置在布风板下的一种称为烟气发生器或叫烟气燃烧器的装置，液体或气体燃料在其内部燃烧，烟气和一次风在发生器尾部混合，通过布风板风帽进入炉床加热床料。烟气发生器内的烟气温度可达700～800℃，其结构原理如图4-8所示。点火启动时要控制烟气温度，防止发生器内喷嘴烘干和布风板风帽高温变形。流态化点火简单方便，易于掌握，床料加热速度快。一般在床料加热到600℃时就可给煤。给煤开始要少量。当煤粒着火较好时，应控制点火用燃料直至停止。流态化点火前，必须启动引风机，防止炉膛爆燃。由于流态化点火具有许多优点，较大容量的流化床锅炉一般都采用这种点火方式，特别是床下点火方式。流态化点火的启动速度或者说温升速度的控制与固定床点火相同。不论是固定床点火还是流态化点火，都存在床内结焦问题。发生的原因及处理方法参看结焦部分的内容。二、压火备用及停炉当流化床锅炉由于某种原因，需要暂时停止运行时，常采用压火备用的办法。压火的操作方法是：首先停止给煤机，当炉内温度降至800℃45 时，停掉吸、送风机，关闭风机挡板，使物料很快达到静止状态。锅炉压火后要监视料层温度。如果料层温度下降过快，应查明原因，以避免料层温度太低，使压火时间缩短。为延长压火备用时间，应使压火时物料温度高些，物料浓度大些，这样静止料层就较厚，蓄热多，备用时间长。料层静止后，在上面撒一层细煤粒效果更好。压火后再启动，分为温态启动和热态启动两种。温态启动是指料层温度较高（750℃左右）但料层以上的温度却很低（450～500℃）。在这种情况下启动一次风机，料层沸腾后达不到给煤燃烧温度。因此需要点火后再加热沸腾床料，提高物料温度，以达到给煤燃烧温度。热态启动，是指启动一次风机后，燃烧室温度在650℃上，可直接向炉内加煤，启动锅炉。如果压火时间较长（一般不超过48小时），料层温度难以维持，可以在料层温度降至600～700℃时点火启动，炉内温度提高后再压火。中间启动的方法同温态启动一样。流化床锅炉的停炉操作与其他锅炉操作相似。停止给煤后，当炉内燃料完全燃尽，或者不能维持正常燃烧时，再停送、引风机。 第三节      循环流化床锅炉的运行调节 流化床锅炉与层燃炉和煤粉炉由于燃烧方式的不同，在运行调节上区别很大，尤其是循环流化床锅炉的运行监视和调节方法更是因炉而异，尚未有成熟的经验。因此对流化床锅炉不可按煤粉炉的调节方法来进行，也不能盲目照搬别人的经验。要认真掌握锅炉的流体动力、燃烧、传热的特性及回料系统的特点，不断总结经验，掌握其调节规律及手段，保证流化床锅炉的正常运行。一、循环流化床锅炉的调节循环流化床锅炉的调节，主要是通过对给煤量，一次风量，一、二次风分配，风室静压，沸腾料层温度，物料回送量等的控制和调整，来保证锅炉稳定、连续运行以及脱硫脱硝。对于采用烟气再循环系统的锅炉，也可通过改变再循环烟气量的办法来进行控制与调整。1.改变给煤量给煤量与负荷相对应，改变给煤量往往和改变风量同时进行。这一调节方式，与煤粉炉基本相似，这里不再叙述。2.风量调整对于鼓泡流化床锅炉，风量的调整就是一次风量的调整；而对于循环流化床锅炉就不仅仅是一次风量的调整，还有二次风量、二次风上、下段和三次风以及回料风的调整与分配，较鼓泡流化床炉就显得复杂些。⑴一次风量的调整一次风的作用是保证物料处于良好的流化状态，同时为燃料燃烧提供部分氧气。基于这一点，一次风量不能低于运行中所需的最低风量。实践表明，对于粒径为0～10㎜的煤粒，所需的最低截面风量为1800（m3/h）/m2左右。风量过低，燃料不能正常流化，锅炉负荷受到影响，而且可能造成结焦；风量过大，又会影响脱硫，炉膛下部难以形成稳定燃烧的密相区，对于鼓泡流化床炉必然造成飞灰损失增大。因此，无论在额定负荷还是在最低负荷，都要严格控制一次风量在良好沸腾风量范围内。运行中，通过监视一次风量的变化，可以判断一些异常现象。如：风门未动，送风量自行减小，说明炉内物料层增多，可能是物料返回量增加的结果；如果风门不动，风量自动增大，表明物料层变薄，阻力降低。原因可能是煤种变化，含灰量减少；料层局部结渣；风从较薄处通过；也可能物料回送系统回料量减少。一次风量出现自行变化时，要及时查明原因，进行调整。⑵风量配比：把燃烧所需要的空气分成一、二次风，从不同位置分别送入流化床燃烧室。在密相区内造成欠氧燃烧形成还原性气氛，大大降低热力型NOx的生成；分段送风还控制了燃料型NOx的生成，这是循环流化床锅炉的主要优点之一。但分成一、二次风和目的还不仅仅如此，一次风比（一次风占总风量的份额）直接决定着密相区的燃烧份额。在同样的条件下，一次风比较大，必然导致高的密相区燃烧份额，此时就要求有较多的温度较低的循环物料返回密相区，带走燃烧释放的热量，以维持密相床温度。如果循环物料不足，必然会导致床温过高，无法多加煤，负荷带不上去。根据煤种不同，一次风量一般占总风量的50%～70%，二次风量占20%～40%，播煤风及回料风约占15%45 左右。若二次风分段布置，上、下二次风也存在风量分配问题。二次风一般在密相床的上部喷入炉膛，一是补充燃烧所需要的空气；再者可起到扰动的作用，加强气－固两相的混合；三是改变炉内物料浓度分布。二次风口的位置也很重要，如设置在密相床上部过渡区灰浓度相当大的地方，就可将较多的碳粒和物料吹入空间，增大炉膛上部的燃烧份额和物料浓度。播煤风和回料风是根据给煤量和回料量的大小来调整的。负荷增加，给煤量和回料量必须增加，播煤风和回料风也相应增加。播煤风和回料风是随负荷增加而增大的，因此只要设计合理，在实际运行中只根据给煤量和回料量的大小来做相应调整就可以了。一、二次风的配比，对流化床锅炉的运行非常重要。启动时，先不启动二次风，燃烧所需的空气由一次风供。实际运行时，当负荷在稳定运行变化范围内下降时，一次风按比例下降，当降至最低负荷时，一次风量基本保持不变，而大幅度降低二次风。这时循环流化床锅炉进入鼓泡床锅炉的运行状态。如果二次风分段送入，第一段的风量必须保证下部形成一个亚化学当量的燃烧区（过量空气系数小于1.0），以便控制NOx的生成量，降低NOx的排放。3.风室静压的调整与控制炉床布风板下的风室静压表也是运行中主要监视表计。冷态试验时，风室静压力是布风板阻力和料层阻力之和。由于布风板阻力相对较小，所以运行中通过风室静压力大致估计出料层阻力，也就是说，由静压力变化情况，可以了解沸腾料层的运行好坏。良好的流化燃烧时，压力表指针摆动幅度较小且频率高；如果指针变化缓慢且摆动幅度加大时，流化质量较差。4.流化料层温度的调整与控制维持正常床温是流化床锅炉稳定运行的关键。目前国内外研制和生产的循环流化床锅炉，沸腾床温度大都选在800～950℃范围内，对于鼓泡床锅炉不加石灰石脱硫情况下密相区温度的高低主要由煤种决定的。温度太高，超过灰变形温度，就可能产生高温结焦；温度过低，对煤粒着火和燃烧不利，在安全运行允许范围内应尽量保持高些。燃用无烟煤床温度可控制在950～1050℃；当燃用较易燃烧的烟煤时，床温度可控制在850～950℃范围内。对于加脱硫剂进行炉内脱硫的锅炉，床温一般控制在850～950℃范围内。选用这一床温主要基于两个原因：一是该床温低于绝太多数煤质结焦温度，能有效避免炉床结焦；二是该床温是常用的石灰石脱硫剂的最佳反应温度，能最大限度地发挥脱硫剂的脱硫效率。循环流化床锅炉在实际运行中如出现床温的超温状况，可能产生如下不良后果：⑴使脱硫剂偏离最佳反应温度，脱硫效果下降。⑵床温或局部床温超过燃料的结焦温度，炉膛出现高温结焦，尤其是布风板上和回料阀处的结焦处理十分困难，只能停炉后人工清除。⑶使锅炉出口蒸汽超温，影响后继设备运行。现在生产的循环流化床锅炉很多都采用面式减温器，调温范围有限。一旦出现床温严重超温而引起的蒸汽超温，表面式减温器将不能起到保护过热器及后继设备的作用。循环流化床锅炉在实际运行中如出现床温的降温状况，也会产生不良后果：⑴脱硫剂脱硫效果下降；⑵炉膛温度低于燃料的着火温度，锅炉熄火；⑶锅炉出力下降。由以上的分析比较可知，炉床的超温后果比降温后果严重得多。有鉴于此，循环流化床锅炉的床温控制重点是避免超温。影响炉内温度变化的原因是多方面的。如负荷变化时，风、煤未能很好地及时配合；给煤量不均或煤质变化；物料返回量过大或过小；一、二次风配比不当等。归纳起来，主要还是风、煤、物料循环量的变化引起的。在正常运行中，如果锅炉负荷没有增减，而炉内温度发生了变化，就说明煤量、煤质、风量或循环物料量发生了变化。风量一般比较好控制，但给煤量和煤质（特别是混合煤）不易控制。运行中要随时监视炉内温度的变化，及时调整。流化床锅炉的燃烧室是一个很大的“蓄热池”，热惯性很大，这与煤粉炉不同，所以在炉内温度的调整上往往采用“前期调节法”、“冲量调节法”和“减量调节法”。45 所谓前期调节法，就是当炉温、汽压稍有变化时，就要及时地根据负荷变化趋势小幅度地调节燃料量，不要等炉温、汽压变化较大时才开始调节，否则运行将不稳定，波动较大。所谓冲量调节法，就是指当炉温下降时，立即加大给煤量。加大的幅度是炉温未变化时的1～2倍，维持1～2分钟后，恢复原给煤量。2～3分钟时间内炉温如果没有上升，将上述过程再重复一次，炉温即可上升。减量给煤法，则是指炉温上升时，不要中断给煤量，而是把给煤量减到比正常时低得多，维持2～3分钟，观察炉温，如果温度停止上升，就要把给煤量恢复到正常值，不要等温度下降时再增加给煤量。对于采用中温分离器或飞灰再循环系统的锅炉，用返回物料量和飞灰来控制炉温是最简单有效的。因为中温分离器捕捉到的物料温度和飞灰再循环系统返回的飞灰的温度都很低，当炉温突升时，增大循环物料或飞灰再循环量进入炉床，可迅速抑制床温的上升。有的锅炉采用冷渣减温系统来控制床温。其做法是利用锅炉排出的废渣，经冷却至常温干燥后，由给煤设备送入炉床降温。因该系统的降温介质与床料相同，又是向炉床上直接给入，冷渣与床温的温差很大，故降温效果良好而且稳定。但因需经锅炉给煤设备送入床内，故有一定的时间滞后。还有采用喷水减温系统来控制床温，喷水或蒸汽减温系统结构简单，操作方便，降温效果良好。但因该系统在喷水（喷蒸汽）时，极易造成炉渣的局部冷结以致于堵塞喷嘴。又因为减温水（蒸汽）的喷入量需借助锅炉的测温系统调节，一旦失调或测量不准，就可能造成减温水（蒸汽）过量喷入，使锅炉床料冷结或熄火。因此，除非锅炉配备精确可靠的测量调节系统，否则不宜在循环流化床锅炉的设计中采用喷水（蒸汽）减温系统。对于有外置式换热器的锅炉，也可通过外置式换热器进行调节；对于设置烟气再循环系统的锅炉，也可用再循环烟气量进行调节。5负荷的调节流化床锅炉因炉型、燃料种类、性质的不同，负荷变化范围和变化速度也各不相同。对于循环流化床锅炉，负荷可在25%～110%范围内变化，升负荷速度一般为每分钟5%～7%范围，降负荷速度为每分钟10%～15%范围。变负荷能力与煤粉炉相比要大得多。因此，对调峰电站和供热负荷变化较大的中小型热电站，循环流化床锅炉得到了广泛的应用。对于无外置式换热器的循环流化床锅炉，其变负荷的调节方法一般采用如下方法：⑴采用改变给煤量来调节负荷。⑵改变一、二次风比，以改变炉内物料浓度分布，从而改变传热系数，控制对受热面的传热量来调节负荷。炉内物料浓度改变，传热量必然改变。⑶改变循环灰量来调节负荷。用循环灰量收集器或炉前灰渣斗，增负荷时加煤、加风、加灰渣量；减负荷时减煤、减风、减灰渣量。⑷采用烟气再循环，改变炉内物料流化状态和供氧量，从而改变物料燃烧份额，达到调整负荷的目的。二、飞灰循环系统的运行图6-3U型阀结构示意图1—挡板；2—回料管；3—立管；4—隔板；5—风帽 飞灰循环系统能否正常投入运行，对锅炉负荷和燃烧效率具有十分重要的影响。国内有不少循环流化床锅炉由于分离器捕尘效率不高或飞灰输送不顺畅，达不到设计要求的循环倍率，致使炉内粒子浓度不够，传热系数与设计值相差甚远，因而锅炉参数达不到设计指标。在运行中，因分离器的结构已定，其分离灰量随负荷的变化而有所波动，因此该系统的正常运行主要决定于回料器的工作特性。1．流化密封飞灰回送装置的运行流化密封回料阀有自调节性能，在国内外循环床锅炉上得到了广泛的应用。图6-545 为循环流化床锅炉上常用的流化密封回料阀。阀体由一块不锈钢板将其分为储灰室和送灰室。其布风系统由风帽、布风板和两个独立的风室组成。风量由一次风管引来，由阀门控制。根据需要可分别调节储灰室和送灰室的风量，达到改变回送灰量的目的。锅炉点火成功正常投运约4h后，回料阀中己积满了灰，这时可投入再循环系统。投运前，先从回料阀底部的放灰管排放一部分沉灰，然后缓慢开启储灰室的风门，使其中的灰有所松动，再逐渐开启送灰室的风门，将飞灰送入炉内。开启阀门时，要特别仔细，由于启动过程中物料惰性及摩擦阻力的影响，送风开始时飞灰不能送入。当风量加大到某一临界值后，飞灰则大量涌入炉内，致使床内正压，床温骤降，甚至因流入床内的飞灰太多而熄火。所以在准备投运飞灰循环时，可将床温调整到上限区内，即950～1000℃．这样可承受床温骤降的影响。同时回料阀的风量控制阀门应密封良好，开启灵活，调节性能好。飞灰循环系统投运后，要适当调整回料阀的送灰量。一般回料阀的料腿管上安装有一个观察孔，通过该孔上的视镜可清楚地看到桔红色的灰流。调整两个送风阀门就可以方便地控制循环灰量的大小。2．飞灰循环燃烧系统的工作特性飞灰循环燃烧系统正常投运后，回料阀与分离器相连的立管中应有一定的料柱高度，其作用是一方面阻止床内的高温烟气反窜人分离器，破坏正常循环，另一方面又具有压力差，使之维持系统的压力平衡。当炉内运行工况变化时，回料阀的输送特性能自行调整。如锅炉负荷增加时，飞灰夹带量增大，分离器捕灰量增加：如回料阀仍维持原输送量，则料柱高度上升，压差增大，因而物料输送量自动增加，使之达到平衡。反之，如负荷下降时，料柱高度亦随之减小，物料输送量亦自动减少，飞灰循环系统达到新的平衡。因此，在正常运行中，一般不需要去调整回料阀的风门开度，但要经常监视回料阀及分离器内的温度状况。同时还要不定期地从回料阀下灰管排放一部分灰，以减轻尾部受热面的磨损和减少后部除尘器的负担。也可排放沉积在回料阀底部的粗灰粒以及因磨损而使分离器壁面脱落下来的耐火材料。这些脱落物对回料阀的正常运行构成危害。  第四节      循环流化床锅炉运行中的常见问题及处理 在循环流化床锅炉的实际运行中，经常遇到一些问题。这些问题可概括为两个方面：一是操作技术问题；二是设备在设计、制造、安装等方面存在的问题。流化床燃烧是一门新的燃烧技术，需要有一个认识和熟练的过程才能掌握其规律。就现在投入运行的循环流化床锅炉来看，问题多出在设备自身上。特别是国内开发、研制的循环流化床锅炉，由于研制资金投入不足，开发力量分散，试验手段欠缺，对炉内工作特性掌握不够，而市场需求又迫使未经商品化过程的实验炉马上推向市场，必然会出现这样或那样的问题。另外，由于循环流化床锅炉自身特有的气固两相流动特点，使得其磨损明显高于其它炉型，这也是循环流化床锅炉亟待解决的问题。运行中出现的问题可能是多方面的，但限于篇幅，本节只介绍出力不足问题、结焦问题以及物料循环回路常见问题。磨损问题因其较复杂，在第八章中专门讲解。一、出力不足问题循环流化床锅炉存在最根本的问题是锅炉额定蒸发量达不到设计值。影响这一问题的因素是多方面的。主要有以下几点：1．分离器效率低分离器运行实际效率达不到设计要求是造成锅炉出力不足的重要原因。锅炉设计时采用的分离器效率往往是套用小型冷态模型试验数据而定的。然而，在实际运行时，由于热态全尺寸规模与冷态小尺寸模化有较大差异。例如温度、物料特性（尺寸）、结构设计、二次夹带等因素以及负荷变化等影响，使分离器实际效率显著低于设计值，导致小颗粒物料飞灰增大和循环物料量的不足。因而造成悬浮段载热质（细灰量）及其传热量不足，炉膛上、下部温差过大，使锅炉出力达不到额定值，还造成飞灰可燃物含量增大，影响燃烧效率。2．燃烧份额的分配不够合理循环流化床锅炉的运行是否正常，是否能够达到额定出力，物料的平衡和热量的平衡是关键。运行时实际燃烧份额分配与设计是否相符合会直接影响运行工况。45 所谓物料的平衡，简单地说，就是炉内物料与锅炉负荷之间的对应平衡关系。具体来讲，物料的平衡包括三个方面的含义：一是物料量与相应物料量下锅炉负荷之间的平衡关系；二是物料的浓度梯度与相应负荷之间的平衡关系；三是物料的颗粒特性与相应负荷之间的平衡关系。这三个含义，缺一不可。对于循环流化床锅炉，每一负荷工况下，均对应着一定的物料量、物料梯度分布和物料的颗粒特性。炉内物料量的改变，必然影响炉内物料的浓度，从而影响传热系数，负荷也就随之改变。如果仅仅在量上达到了平衡，而浓度的分布不合理，也必然会影响炉内温度的均匀性和热量的平衡。另外，即使上述两个条件均满足，但物料的颗粒特性达不到设计要求，也很难使负荷稳定，反过来说，在物料的颗粒特性与负荷不平衡的条件下达到物料量和浓度分布的平衡是很难的，仅仅通过改变一、二次风比的方法来调整物料的浓度分布，必然会影响炉内的动力特性，而且物料的颗粒大小对炉内传热系数也有影响。因此，若要保证锅炉的出力，首先要保证物料的平衡。所谓热平衡，就是指燃料在燃烧室内沿炉膛高度上、中、下各部位所放出的热量与受热面所吸收的热量的平衡。只有达到这种平衡，炉内才能有一个较均匀、理想的温度场。一般来说，循环流化床锅炉燃烧室内横向、纵向温度差都不会超过50℃（一般都在20℃左右）。只有在一个较理想的温度场下，炉内各部分才能保证实现设计的放热系数，工质才能吸收所需的热量，从而达到各部位热量的平衡，保证锅炉出力。热平衡与物料的平衡是相辅相成的，要达到这两种平衡，必须确定进入燃烧室内的燃料在上、中、下各部位的燃烧份额。如果在各部位的燃烧份额分配的不合理，就必然造成局部温度过高，而另一些部位温度又太低，受热面吸收不到所需的热量，从而影响锅炉的出力。目前投放的一些循环流化床锅炉达不到额定负荷的一个主要原因就是锅炉设计时燃烧份额分配得不尽合理，或者是运行中燃烧调整不当，致使燃料燃烧份额分配未达到设计要求所造成的。例如：某台早期的循环流化床锅炉，设计时燃料的燃烧份额的分配是按沸腾炉推算而来的，炉内下部密相区燃烧份额为70%。当锅炉投运后实际测试其燃烧份额应不大于67%，加上煤种的变化和燃煤颗粒较粗，实际运行下部密相区燃料燃烧份额已大大超过设计值。这样，锅炉下部燃料燃烧时放出的热量不能很快或不能完全被受热面所吸收而被工质带走，同时又无其他的调节手段，于是锅炉下部密相床就会出现床温过高现象，为避免结焦，往往采用减少给煤量或增大一次风量的方法来解决。而给煤量的减少，必然使锅炉负荷降低，出力不足。增大一次风量，一是受风机本身出力的限制，二是加大了受热面的磨损，加大排烟热损失，降低锅炉效率。因此，燃料燃烧份额的合理分配十分重要。3．燃料的粒径和份额与锅炉不适应循环流化床锅炉的入炉煤中所含较大颗粒只占很少一部分，而较细颗粒的份额所的比例却较大，也就是要求有合适的级配。而目前投产的部分循环流化床锅炉由于燃料制备系统选择不合理，没有按燃料的破碎特性支选择合适的工艺系统和破碎机，或者是燃料制备系统设计合理，适合设计煤种，而实际运行时由于煤种的变化而影响燃料颗粒特性及其级配，造成锅炉出力下降。4．受热面布置不合理悬浮段受热面与密相区受热面布置不恰当或有矛盾，特别是在烧劣质煤时，密相区内受热面布置不足，锅炉负荷高时则床温超温，这无形中限制了锅炉负荷的提高。5．锅炉配套辅机的设计不合理循环流化床锅炉能否正常运行，不仅仅是锅炉本体自身的问题，锅炉辅机和配套设备是否适应循环流化床锅炉的特点对锅炉也会有很大影响。特别是风机，如果它的流量、压头选择不当，将影响锅炉出力。总之，循环流化床锅炉本体，锅炉辅机和外围系统以及热控系统，这些必须作为一个整体来统一考虑。如何改善这些因素，使锅炉能够满负荷运行，这是设计、制造、使用单位和部门需要共同解决的问题。经过十几年来的实践，对循环流化床锅炉的工艺技术过程和运行特性的认识已经逐渐深入，对有些问题的原因分析和看法也已逐步取得共识。提出了一些切实可行的改善措施，例如，改进分离器结构设计，提高其分离效率；改进燃料制备系统减小粒径改善级配，增大小颗粒份额；在一定的燃烧份额分配下，采取有效的措施以保证物料平衡和热平衡；正确地设计和选取辅机及其外围系统；增设飞灰回燃系统和烟气再循环系统等，都为循环流化床锅炉技术的成熟打下一定基础。二、床层结焦问题45 在循环流化床锅炉的实际运行中，如果炉内温度超过灰渣的熔化温度，就会导致结焦现象的产生，破坏正常的流化燃烧状况，影响锅炉正常运行。对于大多数循环流化床锅炉和鼓泡床锅炉，结焦现象主要发生在炉床部位。结焦要及时发现及时处理，不可使焦块扩大或全床结焦时再采取措施，否则，不但清焦困难，而且易损坏设备。结焦有以下几种原因：⑴操作不当，造成床温超温而产生结焦。⑵运行中一次风量保持太小，低于最小流化风量，使物料不能很好流化而堆积，改变了整个炉膛的温度场，悬浮段燃烧份额下降，锅炉出力降低，这时盲目加大给煤量，必然造成炉床超温而结焦。⑶燃料制备系统的选择不当。燃料级配过大，粗颗粒份额造成较大，造成密相床超温而结焦。⑷煤种变化太大。必须说明，对循环流化床来说，燃煤中灰分高在运行上是一个有利条件，即使分离器效率略低，也能保持循环物料量的平衡。而煤的挥发分低是不利条件，炉膛下部密相区容易产生过多热量。解决的办法是将一部分煤磨细些，使之在悬浮段燃烧。而对既定的燃料制备系统来说，一般都是根据某一设计煤种来选取的，虽然有一定的煤种适应性，但如果煤种的变化范围过大，肯定有不适合这种破碎系统的煤种，而这种煤又恰恰是挥发分含量低，运行人员又没及时发现，时间一长就会结焦。因此可以概括说，循环流化床锅炉可以烧各种燃料，但这对某一台循环流化床锅炉及其燃料制备系统来说，却是不适用的。一些现象可以帮助我们判断是否结焦，如：风室静压波动很大；有明亮的火焰从床下窜上来；密相区各点温差变大等，这多半是发生了结焦。在运行中，如果合理控制床温在允许范围内，进行合理的风煤配比，就可以防止结焦的发生。循环流化床锅炉在点火过程中也可能出现低温结焦和高温结焦，同样会给点火带来困难或使点火失败。低温结焦，是在点火过程中，整个流化床的温度还很低，只有400～500℃，但由于点火过程中风量较小，布风板均匀性差，流化效果不好，使局部达到着火温度，虽然尚未流化但此时的风量却足以使之迅速燃烧，致使该处物料温度超过灰熔点，发现处理不及时就会结焦。此时，整个床层的温度还很低，故称为低温结焦。这类焦块的特点是熔化的灰渣与未熔化的灰渣相互粘结。当发现结焦时，应立即用专用工具推出，然后重新启动。高温结焦是在点火后期料层已全部流化，床温已达到着火温度，此时料层中可燃成分很高，使床料燃烧异常猛烈，温度急剧上升，火焰呈刺眼的白色，当温度超过灰熔化温度灰渣组成，质坚块硬。这种结焦一经发现要立即处理，否则会扩大事态。对于这两种结焦，只要认真做好冷态试验，控制好温升及临界流化风量并按点火过程进行操作，就可以避免结焦。三、回料系统常见问题如图6-2是典型循环流化床锅炉示意图。它的回料系统由高温旋风分离器、立管和U型阀返料器组成。该种回料系统目前应用最为普遍，其结构大同小异，但随锅炉容量、布置不同其结构尺寸有所差异，主要是立管高度和返料器流通截面大小不同。设计时要求立管有一定高度，以便积存一定高度的料柱，用来提供物料由分离器返回燃烧室的动力。但小容量锅炉因炉膛高度较矮，立管一般也较短；倒是大容量锅炉有足够空间，立管高度一般能够保证。回料阀流通截面积是设计时另一个需要注意的地方，应根据物料循环量大小设计合适的流通截面，使物料在回料通道中能有一定充满度，并以适当的速度移动，以防燃烧室烟气进入返料器，造成结焦；或因物料移动速度太慢，停留时间过长而引起结焦。在运行中回料系统故障主要有以下几个方面：1、结焦结焦是高温分离器回料系统的常见故障。其根本原因是物料温度过高，超过了灰渣的变形温度而粘结成块。结焦后形成的大渣块能堵塞物料流通回路，引起运行事故。结焦部位可发生在分离器内、立管内和回料阀内。结焦的主要原因如下：⑴燃烧室超温。高温分离器运行时温度与燃烧室温度相近，有的甚至高于燃烧室温度。如果燃烧室运行时超温，则进入旋风分离器的循环灰温度容易超过灰的变形温度，甚至引起未燃碳的二次燃烧，从而引发结焦；⑵45 回料系统漏风。正常工况下回料系统应无漏风，旋风筒内烟气含氧量少，循环灰以一定速度移动，停留时间较短，因此不足以引起循环灰燃烧；反之若有漏风，则易引起循环灰中碳燃烧而结焦；⑶循环灰中含碳量过高。如锅炉点火启动时燃烧不良，或运行中风量与燃煤粒度匹配不佳，或燃用矸石、无烟煤等难燃煤，因其挥发份少、细粉量多、着火温度高、燃烧速度慢等原因，都可导致过多未燃细碳粒进入旋风分离器而使循环灰中含碳量增加。灰中含碳量高则增大了结焦的可能性；⑷循环灰量太少。灰量少使得循环灰在回料系统中移动太慢，几近静止，易引起结焦；同时灰量太少易使燃烧室烟气携带煤粒倒卷吹入返料器，也易引起结焦；⑸回料通路塌落或有异物大块堵塞，或返料风量太小，物料无法回送，积聚起来导致结焦。防止措施：⑴使用煤种及其粒径配比尽量与设计一致；如果煤种变化后灰熔点降低，则燃烧室运行温度应进行相应调整；燃用矸石、无烟煤时尽早按一、二次风比例投入二次风，以加强煤在燃烧室中的燃烧，减少在回料系统中的后燃；制煤设备应及时调整以达到粗细颗粒的合理配比；⑵运行中应密切监视高温旋风分离器温度，发现分离器超温，调节风煤比控制燃烧室温度，如不能纠正则立即停炉查明原因；⑶检查回料系统的密封是否良好，发现漏风及时解决；⑷检查回料系统是否畅通，有异物及时排除；⑸保证适当的返料风量。风帽堵塞，返料风室中有落灰等，均会引起返料风量减小。发现此类问题要及时解决。2、分离器分离效率下降高温旋风分离器结构简单，分离效率高，是循环流化床锅炉应用最广泛的一种气固分离装置。影响高温分离器分离效率的因素很多，如形状、结构、进口风速、烟温、颗粒浓度与粒径等。已建成的循环流化床锅炉分离器结构参数已定，且一般经过优化设计，故结构参数的影响不再讨论。运行中分离器效率如有明显下降则可考虑以下因素：⑴分离器内壁严重磨损、塌落从而改变了其基本形状；⑵分离器有密封不严之处导致空气漏入，产生二次携带；⑶床层流化速度低，循环灰量少且细，分离效率下降。在此需强调的是漏风对分离效率的影响远大于一般人的想象。正常状态下，分离器旋风筒内静压分布特点为外周高中心低，锥体下端和灰出口处甚至可能为负压。分离器筒体尤其是排灰口处若密封不佳，有空气漏入，就会增大向上流动的气速，并把筒壁上已分离下来的灰夹带走直接由排气管排出，严重影响分离效率。且漏风可引起结焦，故漏风问题不可小觑。防止措施：⑴发现分离器效率明显降低先检查是否漏风、窜气，如有则解决漏风和窜气问题；⑵检查分离器内壁磨损情况，若磨损严重则需进行修补；⑶检查燃煤粒度和流化风量，应使流化风量与燃煤粒度相适应，以保证一定的循环物料量。3、回料阀烟气反窜U型阀属自动调整型非机械阀，是目前循环流化床锅炉中应用最广泛的一种物料回送装置，是回料系统的关键部件。在运行中其主要作用是（1）把循环灰由压力较低的分离器灰出口输送到压力较高的燃烧室；（2）防止燃烧室烟气反窜进入分离器。而一旦出现烟气从燃烧室经返料器短路进入旋风分离器的现象，则说明回料系统的正常循环被破坏，回料阀也就无法完成其使命。出现这种现象的原因有：⑴回料阀立管料柱太低，不足以形成料封，被返料风吹透；⑵返料风调节不当，使立管料柱流化；⑶返料器流通截面较大，循环灰量过少，燃烧室烟气会吹进返料器。从原理上说，U45 型阀属自调整型通流阀，循环灰量大则立管内积存料柱高，压差增大，物料输送量自动增加，最后达到平衡；反之，循环灰量少则立管料柱高度随之减小，物料输送量自动减少，飞灰循环达到新的平衡。如此看来，似乎循环灰量大小料封都能维持，而不会被破坏。而实际运行中往往不注意返料风的调节，料柱降低时易被返料风吹透，从而引起回料阀烟气反窜，飞灰循环被破坏。结构尺寸不合理如回料腿截面较大也是促成烟气反窜的重要原因。防止措施：⑴设计时应保证一定的立管高度，返料器流通截面应根据循环灰量适当选取；⑵对小容量锅炉，因立管较短，应注意启动和运行中对回料阀的操作：①锅炉点火前，返料风关闭，回料阀及立管内要充填细循环灰，形成料封；②点火投煤稳燃后，等待分离器下部已积累一定量的循环灰，缓慢开启返料风，注意立管内料柱不能流化；③正常循环后，返料风一般不须调整；④压火后热启动时，应先检查立管和回料阀内物料是否足以形成料封；其它操作同冷态启动。总之，回料阀操作的关键是保证立管的密封，保证立管内有足够的料柱能够维持正常循环。（3）对大容量锅炉，立管一般有足够高度，但应注意返料风量的调节。发现烟气反窜可关闭返料风，待返料器内积存一定循环灰后再小心开启返料风，并调整到适当大小。4、回料阀堵塞回料阀是循环流化床锅炉的关键部件之一，如果回料阀突然停止工作，会造成炉内循环物料量不足，汽温、汽压急剧降低，床温难以控制，危及正常的运行。为防止返料器堵塞，保证锅炉稳定、安全运行，应勤检查、勤调节，及时发现问题是，及时处理。一般回料阀堵塞有两种情况：一是由于流化风和回风量不足，造成循环物料大量堆积而堵塞。特别是L型回料阀，由于它的料腿垂直段较长，储存量较大，如果流化风量不足，不能使物料很好地进行流化很快就会堵塞。因此对于L型回料阀来说，监控系统的监控能力要求较高，如果控制系统失灵，后果将不堪设想。通风不足的原因有以下几方面：①回料阀下部风室落入冷灰使流通面积减小；②风帽小孔被灰渣堵塞，造成通风不良；③风帽的率不够，不能满足流化物料所需的流化风；④回料系统发生故障；⑤风压不够，这些因素才有可能造成物料流化不良而最终使回料系统发生堵塞。回料阀堵塞要及时发现及时处理，否则，堵塞时间一长，物料中可燃物质可能会再次，造成超温、结焦，扩大事态，给处理增加了难度。处理时，要先关闭流化风，利用下面的排灰放掉冷灰，然后再彩间断送风的形式投入回料阀。第二种情况是回料阀处的循环灰结焦而堵。这种结焦与流化程度、循环物料的温度、循环物料量的多少都有关系。如果回料阀处漏风，也会造成局部超温而结焦。为避免此类事故的发生，应对回料阀进行经常性检查，监视其中的物料温度，特别是彩高温分离器的回料系统，选择合适的流化风量和松动风量，并防止回料阀处漏风。循环流化床锅炉故障有设计原因和运行原因。作为设计单位，应力求解决结构隐患，优化结构设计；而作为运行人员，则应努力提高循环流化床的理论水平，用心积累操作经验。在运行中勤动眼、勤动脑，不断提高运行水平，以充分发挥循环流化床这一清洁燃烧技术的优势。 45 第二章　循环流化床污染物的排放及控制 第一节　概述 一、煤燃烧产物中有害气体的排放煤燃烧生成物中含有大量的有害气体，对环境构成严重的污染，因此必须严格控制其污染物的排放。这些有害气体主要包括硫氧化物(SOx，以SO2为主，另有少量的SO3)、氮氧化物(NOx和N2O)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CxHy，主要是一些强致癌性的有机化合物)等。对于一氧化碳和碳氢化合物，可以通过改善燃烧状况使其减少，一般地说，这两项污染物排放易于控制在排放指标范围内。因此，燃煤锅炉排放的危害的主要气体是硫氧化物和氮氧化物。随着人们环保意识的不断增强及污染物排放标准的日益严格，人们更加关注SO2和NOx、N2O排放问题。通过应用新的燃烧设备或新的脱硫脱硝技术使单位出力的污染物排放量大大降低。从20世纪70年代起，我国电力部门为了控制火力发电厂的烟气中的SO2的排放，进行了多项烟气脱硫（FGD）试验研究和低NOx燃烧器的研制和应用，并取得了一些成绩。而循环流化床锅炉的商业化运行成功，使污染物排放大大降低。二、我国大气污染防治法我国政府十分重视大气污染及防治问题。2000年4月29日第九届全国人民代表大会常务委员会第十五次会议通过了新的《中华人民共和国大气污染防治法》，以法律的形式确定了大气污染防治的重要性。其中第三十条规定“新建、扩建排放二氧化硫的火电厂和其它大、中型企业，超过规定的污染物排放标准或总量控制指标的，必须建设配套脱硫、除尘装置或者采用其他控制二氧化硫排放、除尘措施。在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区内，属于已建企业超过规定的污染物排放标准排放大气污染物的，依照本法第四十八条的规定限期治理。国家鼓励企业采用先进的脱硫、除尘技术。企业应当对燃料燃烧过程中产生的氮氧化物，采取控制措施。”足见国家对燃煤电站污染物排放相当重视。三、锅炉污染物排放标准及污染物排放为保护人类赖以生存的环境，实现可持续发展，世界各国特别是发达国家均制订了日益严格的大气污染物排放标准，同时各国政府之间也签订一些公约，来降低污染物的排放量。⒈我国锅炉大气污染物排放标准国家环保总局于1999年12月3日颁布了于2000年3月1日起实行的新的《锅炉大气污染物排放标准》（GWP133－1999），该标准规定，二氧化硫和氮氧化物最高允许排放浓度见表7-1。其中：Ⅰ时段指2000年12月31日前建成的锅炉；Ⅱ时段指2001年1月1日起建成使用的锅炉（含在Ⅰ时段立项未建成或未运行使用的锅炉和建成使用锅炉中需要扩建、改造的锅炉）。表7-1我国电站锅炉二氧化硫和氮氧化物最高允许排放浓度表锅炉类别适用区域SO2排放浓度∕mg/标m3NOx排放浓度∕mg/标m3燃煤锅炉全部区域1200900//Ⅰ时段Ⅱ时段Ⅰ时段Ⅱ时段燃油锅炉轻柴油、煤油全部区域700500/400其他燃料油全部区域1200900/400燃气锅炉全部区域100100/400⒉OCED国家新建大型燃煤锅炉大气污染标准OCED国家新建大型燃煤锅炉大气污染标准见表7-2。从表中可以看出，各国的标准还不尽相同，但对SO2和NOx的标准都有明确的规定。45  表7-2OECD国家新建大型燃煤锅炉大气污染物排放限值(1996)污染物国家SO2NOxmg/标m3g/GJ1b/109Btumg/标m3g/GJ1b/109Btu澳大利亚20070165500175410奥地利40014032520070165比利时740258600650230530加拿大400140325740258600丹麦40014032520070165芬兰40014032514550120德国40014032520070165意大利2237818020070165日本17005951385411145335卢森堡20070165450160365荷兰400～2400140～2400325～195420070165葡萄牙650228530 　　⒊韩国燃煤电站污染物排放标准　　韩国燃煤电站污染物排放标准见表7-3。资料来源于APEC大气排放法规研究(1997)。四、二氧化硫和氮氧化物特性及酸雨　　1．二氧化硫和氮氧化物特性及危害　　（1）二氧化硫的特性及危害　　SO2是一种刺激性很强的无色、难燃气体。当空气中含有（0.3～1）×10-6容积浓度的SO2时就能被人们感觉到。SO2溶于水生成H2SO3。SO2可氧化为SO3，后者溶于水生成H2SO4，SO2是低浓度、长期污染的气体，对生态环境有一种慢性、叠加性的长期危害。表7-3韩国燃煤电站污染物排放标准排放物容量1995.1.1～1998.12.311999.1.1起SO2∕mg/标m3NOx∕mg/标m3SO2∕mg/标m3）NOx∕mg/标m3<50MW500350270350>50MW500150其它500500　　SO2对人类健康也有很大的损害，它通过呼吸系统进入人体，引起或加重呼吸器官的疾病。一般情况下，空气中SO2的浓度大于0.5×10-6容积浓度时对人体就可能产生危害。1～3×10-6容积浓度时大部分人开始感到受刺激，10×10-6容积浓度时刺激加剧，少数人还会出现严重的支气管痉挛。我国电站锅炉SO2的排放标准见表7-1。　　⒉氮氧化物的特性和危害　　由人类活动排入大气中的氮氧化物共有八种：NO(一氧化氮)、N2O(一氧化二氮)、NO2(二氧化氮)、N2O3(三氧化二氮)、NO3(三氧化氮)、HNO3(硝酸)、N2O5(五氧化二氮)、HNO2(亚硝酸)等。污染较严重的是NO和NO2，通常用NOx表示这两种成分的总量，另外就是N2O。本节主要讨论NOx和N2O这两种氮氧化物。　　我国锅炉氮氧化物的排放标准见表7-1。　　1）NO：NO是一种无色有毒气体，占矿物燃料燃烧所产生的NOx总量的90%～95%。当NO被氧化为NO2时，毒性可增加5倍。NO在大气层中的时间只有几秒到几分钟，因此大气中的NOx主要以NO2为主。一个NO2分子在大气中可保留3天，最后变为两部分：一部分与其他物质反应，形成新的气相产物，另一部分成为酸雨的来源之一。2NO+O2→2NO(7-1)45 NO与其他的大气污染物质，如CO、SO2和碳氢化合物等混合在一起，在太阳光紫外线照射下，经过一系列复杂的化学反应最终形成一种浅蓝色烟雾，这就是著名的“光化学烟雾”。具体反应是：a．NO在空气中氧化为NO2。b．NO2在太阳光紫外线的照射下发生光化学反应，生成NO和原子氧等氧化剂产物。c．原子氧与空气中氧作用形成臭氧。d．臭氧等氧化与空气中存在的碳氢化合物反应，生成一系列的新的化合物。光化学烟雾包括臭氧、醛类化合物、一氧化碳、烷基硝酸酯、过氧乙醛基硝酸酯等有毒的无机和有机化合物。由上述的反应过程可知，光化学烟雾的形成与多种条件相关，但主要取决于氮氧化物和碳氢化合物的浓度以及太阳光辐射强度。2）N2O：N2O俗称笑气，它和CO2、CH4、O3、氟氯汀及水蒸汽都是温室效应气体，由于N2O与游离氧原子发生如下反应：N2O+O→2NO(7-2)是大气平流层中NO的主要来源，因此N2O对平流层臭氧的破坏作用是巨大的。氮氧化物的排放除形成酸雨，并对生物和环境造成如上的破坏之外。氮氧化物排放量的减少，也会对公众的健康有益。因为减少可吸入硝酸盐粒子，降低其与挥发性有机化合物的可能反应的几率，将会减少与肺功能紊乱相关联的哮喘和支气管炎的危险性，从而对人类的健康起到积极的作用。2．酸雨污染酸雨通常指PH值低于5.6的降水，但现在泛指酸性物质以湿沉降或干沉降的形式从大气转移到地面上。湿沉降是指酸性物质以雨、雪形式降落地面，干沉降是指酸性颗粒物以重力沉降、微粒碰撞和气体吸附等形式由大气转移到地面。酸雨形成的机制相当复杂，是一种复杂的大气化学和大气物理过程。酸雨中绝大部分是硫酸和硝酸，主要来源于排放的二氧化硫和氮氧化物。就某一地区而言，酸雨发生并产生危害有两个条件，一是发生区域有高度的经济活动水平，广泛使用矿物燃料，向大气排放大量硫氧化物和氮氧化物等酸性污染物，并在局部地区扩散，随气流向更远距离传输。二是发生区域的土壤、森林和水生生态系统中缺少中和酸性污染物的物质或对酸性污染物的影响比较敏感。如酸性土壤和针叶林就对酸雨污染比较敏感，易于受到损害。（1）酸雨的分布    20世纪60年代以来，随着世界经济的发展和矿物燃料消耗量的逐步增加，矿物燃料燃烧过程中排放的二氧化硫、氮氧化物等大气污染物总量也在不断增加，酸雨分布有扩大的趋势。欧洲和北美洲东部是世界上最早发生酸雨的地区，但亚洲和拉丁美洲有后来者居上的趋势。酸雨污染可以发生在其排放地500～2000km的范围内，酸雨的长距离传输会造成典型的越境污染问题。欧洲是世界上一大酸雨区。主要的排放源来自西北欧和中欧的一些国家。这些国家排出的二氧化硫有相当一部分传输到了其他国家，北欧国家降落的酸性沉降物一半来自欧洲大陆和英国。受影响重的地区是工业化和人口密集的地区，即从波兰和捷克经比利时、荷兰、卢森堡三国到英国和北欧这一大片地区，其酸性沉降负荷高于欧洲极限负荷值的60％，其中中欧部分地区超过生态系统的极限承载水平。    美国和加拿大东部也是一大酸雨区。美国是世界上能源消费量最多的国家，消费了全世界近1/4的能源，美国每年燃烧矿物燃料排出的二氧化硫和氮氧化物也占各国首位。从美国中西部和加拿大中部工业心脏地带污染源排放的污染物定期落在美国东北部和加拿大东南部的农村及开发相对较少或较为原始的地区，其中加拿大有一半的酸雨来自美国。    亚洲是二氧化硫排放量增长较快的地区，并主要集中在东亚，其中中国南方是酸雨最严重的地区，成为世界上又一大酸雨区。　　（2）酸雨的成因    大气中的硫的氧化物和氮的氧化物是形成酸雨的主要原因，包括自然和人为两个来源。二氧化硫的自然来源包括微生物活动和火山活动，含盐的海水飞沫也增加大气中的硫。自然排放大约占大气中全部二氧化硫的1/2，但由于自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。人为排放的硫大部分来自贮存在煤炭、石油、天然气等化石燃料中的硫，在燃烧时以二氧化硫形态释放出来，其他一部分来自金属冶炼和硫酸生产过程。随着化石燃料消费量的不断增长，全世界人为排放的二氧化硫在不断增加（图7-245 ），其排放源主要分布在北半球，产生了全部人为排放的二氧化硫的90％。天然和人为来源排放了几乎同样多的氮氧化物。天然来源主要包括闪电、林火、火山活动和土壤中的微生物过程，广泛分布在全球，对某一地区的浓度不发生什么影响。人为排放的氮氧化物主要集中在北半球人口密集的地区。机动车排放和电站燃烧化石燃料差不多占氮氧化物人为排放量的75％。欧美一些国家是世界上排放二氧化硫和氮氧化物最多的国家（表7-4）。但近十多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消费量的迅速增加，使这一地区的各个国家，特别是我国成为一个主要排放大国。　　（3）酸雨的危害　　酸雨的危害主要表现在以下几个方面：　　1）损害生物和自然生态系统。　　酸雨降落到地面后得不到中和，可使土壤、湖泊、河流酸化。湖水或河水的pH值降 表7-4主要发达国家二氧化硫和氮氧化物排放情况（104t）污染物国家二氧化硫氮氧化物198019901993198019901993美国237821062062214721372100英国490375319240273235德国 563390 303290加拿大464333303196200194法国335120122165149152日本12688 162148 意大利321168 159204 西班牙338221 95125 前苏联1280893 317441 波兰410321273 128112 到5以下时，鱼的繁殖和发育会受到严重影响。土壤和底泥中的金属可被溶解到水中，毒害鱼类。水体酸化还可能改变水生生态系统。    酸雨还抑制土壤中有机物的分解和氮的固定，淋洗土壤中钙、镁、钾等营养元素，使土壤贫瘠化。酸雨损害植物的新生叶芽，从而影响其生长发育，导致森林生态系统的退化。    2）腐蚀建筑材料及金属结构    酸雨腐蚀建筑材料、金属结构、油漆等。特别是许多以大理石和石灰石为材料的历史建筑物和艺术品，耐酸性差，容易受酸雨腐蚀和变色。    从欧美各国的情况来看，欧洲地区土壤缓冲酸性物质的能力弱，酸雨危害的范围还是比较大的，如欧洲30％的林区因酸雨影响而退化。在北欧，由于土壤自然酸度高，水体和土壤酸化都特别严重，特别是一些湖泊受害最为严重，湖泊酸化导致鱼类灭绝。另据报道，从1980年前后，欧洲以德国为中心，森林受害面积迅速扩大，树木出现早枯和生长衰退现象。加拿大和美国的许多湖泊和河流也遭受着酸化危害。美国国家地表水调查数据显示，酸雨造成75％的湖泊和大约50％的河流酸化。加拿大政府估计，加拿大43％的土地（主要在东部）对酸雨高度敏感，有14000个湖泊是酸性的。　　（4）控制酸雨的国际行动与战略    欧洲和北美国家经受多年的酸雨危害之后，认识到酸雨是一个国际环境问题，单独靠一个国家解决不了问题，只有各国共同采取行动，减少二氧化硫和氮氧化物的排放量，才能控制酸雨污染及其危害。1979年11月，在日内瓦举行的联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上，通过了《控制长距离越境空气污染公约》；1983年，欧洲各国及北美的美国、加拿大等32个国家在公约上签字，公约生效。1985年，联合国欧洲经济委员会的21个国家签署了《赫尔辛基议定书》，规定到1993年底，各国需要将硫氧化物排放量削减到1980年排放量的70％，即比1980年水平削减30％。议定书于1987年生效。目前，日本、美国等国试图建立东亚空气污染监测网，开展联合监测，逐步在东亚建立区域性酸雨控制体系。    从各国情况来看，控制酸性污染物排放和酸雨污染的主要途径有：45     1）对原煤进行洗选加工，减少煤炭中的硫含量。    2）优先开发和使用各种低硫燃料，如低硫煤和天然气。    3）改进燃烧技术，减少燃烧过程中二氧化硫和氮氧化物的产生量。    4）采用烟气脱硫装置，脱除烟气中的二氧化硫。    5）改进汽车发动机技术，安装尾气净化装置，减少氮氧化物的排放。    为了综合控制燃煤污染，国际社会提倡实施系列的包括煤炭加工、燃烧、转换和烟气净化各个方面技术在内的清洁煤技术。这是解决二氧化硫排放的最为有效的一个途径。美国能源部在20世纪80年代就把开发清洁能源和解决酸雨问题列为中心任务，从1986年开始实施了清洁煤计划，许多电站转向燃用西部的低硫煤。日本及西欧国家则比较普遍地采用了烟气脱硫技术，并采用先进的燃烧技术，如流化床燃烧技术等。目前我国也十分重视流化床燃烧技术的应用，并得到国家和有关政府部门的大力推广和支持，发展迅速。    控制酸雨污染是大气污染防治法律和政策的一个主要领域，它主要包括两方面的措施：一是直接管制措施，其手段有建立空气质量、燃料质量和排放标准，实行排放许可证制度；二是经济刺激措施，其手段有排污税费、产品税（包括燃料税）、排放交易和一些经济补助等。西方国家传统上比较多的采用了直接管制手段，但从90年代初以来，很注重经济刺激手段的应用。西欧国家较多应用了污染税（如燃料税和硫税）。美国1990年修订了《清洁空气法》，建立了一套SO2排放交易制度。据估计，由于实施了交易制度，只需要酸雨控制计划原来估算费用的1/2，就可以实现到2010年将全国电站SO2排放量在1980年基础上削减50％的目标。    目前，欧洲、北美、日本等在削减SO2排放方面取得了很大进展，但控制氮氧化物排放的成效尚不明显。    第二节煤燃烧过程中SO2的生成机理与影响因素一、煤燃烧过程中SO2生成机理燃料中的硫不单是以单质硫形式存在，多数是以有机硫和无机硫化物的形式存在。有机硫在煤加热至400℃时即开始大量分解。但对不同煤种稍有差异；而无机硫(黄铁矿FeS2)在300℃时即开始失去硫分，但其大量分解则在650℃以上。有机硫化物和黄铁矿硫经过燃烧分解，氧化后生成SO2，反应式如下：2(C2H5)2S+15O2→2SO2+8CO2+10H2O(7-3)2C4H9SH+15O2→2SO2+8CO2+10H2O(7-4)FeS2+2H2→2H2S+Fe(7-5)H2S+O2→H2+SO2(7-6)4FeS2+11O2→8SO2+2Fe2O3(7-7)一般认为，煤中的硫分经历下列途径逐步形成SO2：S→H2S→HS→SO→SO2最近的研究也表明，还存在着另一反应途径，即以COS为中间产物，再由COS氧化形成SO2，反应式：S2+CO→2COS(7-8)H2S+CO→COS+H2(7-9)H2S+CO2→COS+H2O(7-10)如果燃烧区内含有富余的氧分，SO2将部分被氧化为SO3，则有：SO2+O2→SO3+O(7-11)且该反应易在高温下进行，在循环流化床内，该反应还将受到金属氧化物的催化。如果炉内存在还原性气氛，则除有机硫分解形成H2S中间产物外，黄铁矿硫将按下式进行分解反应并形成H2S：FeS2+H2→H2S+FeS(7-12)FeS+H2→H2S+Fe(7-13)45 同时还将发生反应：FeS2+O2→FeS+SO2(7-14)图7-1燃烧过程中硫形成SO2的转化率随时间的增长这时反应式(7-6)、(7-7)将受到抑止，从而导致更多的燃料硫以H2S而不是SO2形式析出。H2S是一种还原性气体，因此在进入氧化性气氛中又将氧化成SO2。但H2S也可直接进行固硫反应，生成硫化钙(CaS)，故在吸收剂中加入时，部分H2S将在转化前被固集。二、煤燃烧过程中影响SO2析出的因素在煤的燃烧过程中，对SO2析出影响的因素很多，除煤在床内的停留时间外，影响最大的是床温和过量空气系数。  ⒈煤在床内的停留时间对SO2的影响如图7-1所示，煤在床内的停留时间越长，则SO2转化率就越大，这主要是因为硫的分解，特别是FeS2硫的分解需要一定的时间。试验表明，磨细至0.1mm以下的原煤在静止床层中析出率达98.5%，所需时间为180～200s；如粒径增加，这一时间还会延长。若试样是经筛分后分档给入的，还可以看到，由于较细颗粒中含FeS2硫较少，而有机硫较多，故析出时间要少于同一平均粒径的宽筛分试样。⒉床温对SO2析出的影响如图7-2所示，SO2析出随着床温升高而单调增加。虽说有机硫和黄铁矿硫的分解温度不同，煤中的硫以SO2形式析出总的转化率随温度的升高而增加，当温度达到1000℃时总转化率可达90%～95%。煤在流化床中燃烧时SO2的析出也因此呈现出的阶段性。⒊过量空气系数对SO2析出的影响图7-2温度对SO2生成的影响过量空气系数对SO2析出的影响很大，如图7-3所示。随着过量空气系数的增加，SO2生成浓度逐渐减少。因为进入的总过量空气系数以及分配影响着各区域的氧浓度水平。就SO2的生成过程而言，在局部缺氧的情况下，黄铁矿的分解速度会减慢，并导致H2和碳氢化合物的大量增加，亦有助于H2S和FeS的生成，从而减少该区域SO2的析出量。反之，区域氧浓度超高，SO2析出也越多。Groverst等人也发现同一趋势，但同时发现，即使在纯N2气氛下，仍有Fe2O3(赤铁矿)和Fe2O3·FeO(磁铁矿)相继出现。关于这两种相中氧的来源，有证据表明，硫化物或硫酸盐的氧化可以不涉及燃烧空气而经其他来源提供氧分。试验研究还发现，在纯N2气氛下，仍有SO2析出。因此，SO245 的生成过程中，燃煤的固定氧分和表面吸附氧也起着一定作用。在外部提供氧气充分的情况下，这种作用几乎难以观察到，但在严重缺氧条件下，这一作用即变得可观了。应该提出的是，区域性缺氧造成的还原性气氛仅在一定程度上延缓了SO2的形成，但由于燃烧中的硫析出后不可能以惰性单质相存在，因此即使某区域内以H2S形式存在，最终仍将被氧化成SO2。  图7-3过量空气系数对SO2生成的影响 在总风量一定的条件下，如果实施分段燃烧，则一、二次风率将影响炉内各处含硫物质的分配。煤种的反应能力和含硫量对SO2析出的影响一般不会很大。第三节脱硫剂的选择及脱硫机理 对于煤粉炉而言，目前还不能用改进燃烧技术的方法控制SO2的生成量。但主要控制其SO2排放量的技术有：①石灰石－石膏湿法烟气脱硫技术，如重庆珞璜电厂一期工程2×360MW机组配套日本三菱公司该项技术，脱硫率达95%。②喷雾干燥法烟气脱硫技术，如山东黄岛电厂(200MW)机组引进日本该技术，设计脱硫率为70%。③炉内喷钙尾部增湿活化脱硫技术，如南京下关电厂2×125MW机组引进芬兰Tampella和IVO公司该技术脱硫率为75%。上述三种方法采用的脱硫剂均为石灰石(CaCO3)，但脱硫投入成本较大，在目前我国的推广普及还存在较大的困难。而循环流化床由于其自身特点，加入脱硫剂后可以有效地降低SO2的生成，是当前环保型燃烧技术之一。对于循环流化床燃烧技术来说，脱硫剂对SO2排放量影响很大，下面就脱硫剂的选择和脱硫机理进行介绍。一、脱硫剂的选择⒈常用的脱硫剂对于循环流化床燃烧技术，目前常用的脱硫剂可分为天然和人工制备(天然脱硫剂经浸液或其他处理方法后亦归入人工制备脱硫一类)两大类，就其中有效成分而言，有钙基、钠基、镁基等。不同品种的脱硫剂反应性能差异很大，因此在设计中应对不同品种脱硫剂进行选择，从而保证脱硫运行效果和经济性。在流化床燃烧装置上，最常使用的钙基脱硫剂有石灰石(或大理石)CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3。使用镁基脱硫剂主要是MgO，锌基为ZnO、钠基脱硫剂有Na2CO3。另外Cu、Cr、Fe、Ni、Co和Ce的氧化物都有较好地SO2吸收能力。Fe的氧化物Fe2O3与SO2的反应特性目前尚不清楚，表面浸过Fe2O3的石灰石吸收能力有所下降，但有时稍有上升，干的熟石灰石粉Ca(OH)2直接入炉吸收SO2的性能相当好，其最高转化率可达65.3%，比煅烧石灰石略差。然而，由Ca(OH)2预煅烧所形成的片状CaO却比由石灰石来的粒状CaO具有更好的吸收反应活性。适当浸NaCl后，钙基脱硫剂的吸收能力有所提高，但浸过KCl、CaCl2、MgCl2和CeCl后吸收能力普遍降低。⒉脱硫剂选择原则从脱硫剂的品质而言，首先应选择含CaCO3较高的石灰石，其次应选择经煅烧后具有较好的多孔性结构的CaO。因为SO2与CaO的反应是两相表面反应，石灰石品质不同，经锻烧后生成的多孔性结构的CaO具有不同的比表面积，从而也就具有不同的反应能力。国外有些学者为获得优良的多孔性结构的CaO，把CaO研磨成粉末，再加入粘结剂（成球或成片状）制成较好地多孔脱硫剂。由于这种脱硫剂具有多孔性能，使反应两相比表面积大大增加，同时这种脱硫剂也减少了细粒子的扬析，使用这种脱硫剂脱硫摩尔比大大减小。二、脱硫剂脱硫机理循环流化床内的脱硫反应是一个十分复杂的过程，因为除了要考虑入炉的脱硫剂以外，还要考虑燃料中的灰分和多种金属杂质对脱硫剂的影响以及气态O2、SO2、SO3等反应相。首先应考虑是入炉内的脱硫剂，入炉的脱硫剂虽说也有人工的，但天然脱硫剂的应用的还是最广泛的，主要是石灰石或白云石。把石灰石破碎后送入炉内，当床温超过其煅烧平衡温度时，将发生煅烧反应：CaCO3→CaO+CO2(7-15)45 CaCO3·MgCO3→CaO+MgO+2CO2(7-16)MgO与SO2的反应速度很低，故一般情况下可认为是惰性的，CaO与烟气中的SO2结合生成CaSO4。CaO+1/2O2+SO2→CaSO4(7-17)式（7-15）是一个吸热反应，其反应速度较慢。式（7-17）是一个放热反应，反应速度较为迅速。因此脱硫速度主要取决于CaO的生成速度。如果计及各种已证实的或可能的中间过程，则还必须考虑CO、CO2、CaCO3。脱硫的产物根据炉内气氛不同主要有CaSO4和CaS。考虑以上情况，脱硫过程机理描述如下：CaCO3→CaO+CO2(7-15)CaO+1/2O2+SO2→CaSO4(7-17)SO2+O2→SO3＋O　　　　　　(7-18)CaCO3·MgCO3→CaO+MgO+2CO2(7-16)CaO+SO2→CaSO3(7-19)CaSO3+1/2O2→CaSO4(7-20)CaSO4+CO→CaO+SO2+CO2(7-21)CaSO4+4CO→CaS+4CO2(7-22)CaO+SO2→CaS+3/2O2(7-23)CaS+3CaSO4→4CaO+4SO2(7-24)CaS+2O2→CaSO4(7-25)式（7-17）是氧化气氛占主导情况下发生的，而式（7-21）和式（7-22）是在还原气氛占主导情况下发生的。CaS在还原气氛中是主导产物，而在氧化气氛中CaSO4是主导产物。试验结果还表明，在任何周期性气氛变化过程中，CaS和CaSO4之间的转换必经过CaO作为中间状态，同时认为，在850℃以上的温度，CaSO3是不能形成的，或是很不稳定的，因此脱硫过程中CaO与SO2直接反应生成CaSO3的可能性很小。另外，脱硫过程中最大的特征就是孔隙堵塞。所形成的CaSO4由于其摩尔容积大于CaO的容积而不断填充着孔隙空腔，使其内径缩小。在这一过程中，一旦孔隙表面被CaSO4完全覆盖，SO2分子是不能穿透的。因此，这就说明了为什么达到较高的脱硫率Ca/S摩尔比要大于2。 第四节循环流化床锅炉运行中影响脱硫率因素的分析 脱硫效率通常用烟气中SO2被石灰石吸收的百分比来表示。由前面论述可知，循环流化床的燃烧及脱硫过程都是十分复杂的，运行中影响脱硫效率的因素很多，分析各种因素对脱硫效率的影响，对循环流化床锅炉的运行有重要的指导意义。下面就其主要影响因素加以分析。一、运行床温的影响运行床温对循环流化床锅炉脱硫效率有着很大的影响，床温的变化直接影响了脱硫剂的反应速度，固体产物分布及孔隙堵塞特性。从而影响脱硫剂的利用率。图7-4表示了循环床床温与脱硫效率的关系。对于鼓泡床，脱硫率较高的温度范围为800～870℃，当温度高于或低于这一温度范围时，脱硫率下降，主要表现在：（1）当床温低于750℃时，脱硫反应几乎不再进行。（2）当温度低于800℃时，石灰石煅烧产生CaO的速度限制了脱硫反应的进行。（3）当床温高至870～1000℃时，CaO内部分布均匀的小晶粒会逐渐融合成大晶粒。床温越高，则晶粒越大，单位质量的晶粒减少，CaO的比表面积就减少，会直接影响脱硫效率。同时，在CaO表面还会产生结亮现象，而失去其吸收SO2的活性。（4）当温度超过1000℃时，CaSO4会再分解释放出SO2而进一步降低脱硫效率。45     对循环流化床锅炉许多研究者建议将床温提高至900℃，因为研究发现床温低于850℃时N2O的排放量很高。试验数据还表明，床温为850℃时，挥发分中HCN生成N2O的选择性最强，转化率最大。另外，从综合燃烧效率、CO排放等方面的考虑，也会选择高于850℃的运行床温。图7-4循环流化床床温与脱硫效率的关系通过图7-4和图7-5的比较不难发现，循环床与鼓泡床之间在最佳脱硫率范围内对应的脱硫床温也有差异，鼓泡床最佳脱硫温度约为850℃，而循环床可以高至900℃左右。据资料介绍，德国的四家循环床电站(分别是由Ahlstrom，DeutscheBabcock，Steimuller，Lurgi制造的)额定负荷下运行床温都在850～890℃范围内，美国Tampellapower公司循环床锅炉所用的床温则达890℃，悬浮段温度则差异较大，在750～950℃之间。二、Ca/S摩尔比的影响投入肪膛脱硫剂的数量通常用Ca/S摩尔比来表示，其含义为：在循环倍率一定的情况下，一方面，当Ca/S摩尔比低于2.5时，随着Ca/S摩尔比的增加，脱硫效率增加很快。这主要是CaO的生成速度比CaSO4的生成速度缓慢，因此一旦生成CaO就很快变成CaSO4。对单位钙而言，CaSO4体积大于CaCO3体积，从而CaO比表面的细孔很容易被CaSO4覆盖而阻塞，CaO则失去为反应所必需的多孔性表面。所以，如果达到较高的脱硫效率，应投入比化学剂量多得多的石灰石或白云石。另一方面继续增加Ca/S比或脱硫剂剂量时，脱硫效率增加得较少。不仅如此，继续增加脱硫剂投料量会带来其他副作用，因为多余的CaO又是NOx生成反应的催化剂，使NOx的排放量增加，两者是矛盾的，同时也增加了灰渣物理热损失。三、床料粒度的影响脱硫剂及燃料粒度及粒径分布对脱硫效率也有较大的影响。显然在Ca/S摩尔比、循环倍率一定的前提下，采用较小粒径的石灰石，易使SO2扩散到脱硫剂核心，其参与反应面积增加，使脱硫效果得到提高，同时也减少对NOx的刺激作用。对于循环床来说，由于小粒径石灰石可以得到分离和返料系统的保证，不会出现象鼓泡床那样扬析较大的现象。一般认为循环床采用0～2mm、平均100～500μm的石灰石粒径是合适的。给煤粒度较大时，颗粒破碎及磨损情况加剧，同时太大的给煤粒度不仅不利于燃烧，也不利于脱硫。反之，给煤粒度过小，或煤中细粉率太大，也都会使脱硫效率下降。四、过量空气系数的影响过量空气系数对SO2排放量的影响主要表现为其对炉内的氛围(还原及氧化)产生的影响，主要决定于以下反应式:CaSO4+CO→CaO+SO2+CO2(7-21)CaSO4+4CO→CaS+4CO2(7-22)CaO+SO2→CaS+3/2O2(7-23)在还原气氛下，式（7-21）、式（7-22）反应向正方向进行，随着过量空气系数的提高，还原气氛逐渐减弱，式（7-21）、式（7-22）反应受到抑止，CaO生成量减少，但过量空气系数的提高，氧浓度也随之提高，使下面反应式（7-17）得以顺利进行，从而脱硫效率提高。45 CaO+1/2O2+SO2→CaSO4(7-17)但在相同的过量空气系数情况下，对于循环流化床实施分段燃烧，对脱硫效率会产生一定的的影响。五、风速的影响对于循环流化床锅炉改变流化速度即意味着改变负荷、空气量或一次风率。增加风速意味着循环量的增加和脱硫剂在床内的停留时间的延长，提高了脱硫剂的利用率，并增加悬浮空间脱硫剂的浓度，有利于SO2的吸收。同样，随着循环倍率的增加，在脱硫效率一定的情况下，所需的Ca/S摩尔比也会下降，从另外一个方面上解释应是循环倍率的越大，脱率效率越高。在相同脱硫效率情况下，随着循环倍率的提高，Ca/S摩尔比下降，也减少了对NOx的刺激作用。循环倍率增加，无疑要增加风机耗电量，一方面使循环床磨损加剧，另一方面试验表明当悬浮空间颗粒浓度大于30kg/m3后进一步增加时，脱硫效率增加缓慢，此时细颗粒的逃逸的可能性也增加，密相区颗粒浓度也可能稍有减少，而使总体的气固反应物在接触中吸收的总量基本保持不变，因此对于循环流化床锅炉存在一个最有利于脱硫的循环倍率。  图7-5不同给煤方式脱硫消耗量的比较 毫无疑问，物料的循环使整个燃烧温度趋于均匀，相应地降低了燃烧室内的温度，这样可以使脱硫控制最佳反应温度，有利于脱硫。六、给料方式及给煤点数的影响给料包括给煤与给石灰石两个方面。给料方式又可分为煤与石灰石同点给入或异点给入。从给料方式和机构看，为前墙给入、两侧墙给入、回路密封器给入三种方式的组合。此外，即使同一给料方式，给煤点数也有所不同。运行实践表明，给料方式对燃烧和气体排放都有较大的影响。⒈给料方式的影响给料方式对SO2排放的影响，有文献表明，床面给料对燃烧和脱硫都是不利的。  图7-6负荷变化对脱硫效率的影响图7-5为美国Nucla电站的400t/h循环流化床锅炉运行在不同的给煤方式下，达到75%脱硫率所需的Ca/S摩尔比。从图中可以看出：（1）平衡给煤(前后墙为1∶1)。在正常运行床温下，达到时70%的脱硫率所需Ca/S摩尔比最小。（2）回路密封器给煤50%(前墙与回路密封器给煤2∶1)次之。（3）回路密封器给煤(全部由回路密封器给煤)时SO2排放较高。（4）前墙给煤(全部由前墙给煤)时，NOx和SO2都是最高。同时指出，石灰石只有与煤同点给入，才能达到令人满意的脱硫效果。需要说明的是，石灰石的给料方式对CO和NOx45 排放没有影响。运行经验还表明，前后墙平衡给煤时，脱硫剂利用率最高，而且NOx排放量适中，仅次于有回路密封器参与的给料方式。但平衡给煤时，CO排放却最高。⒉给煤点数的影响在给料方式一定的情况下，给煤点数对SO2排放的影响也是一些运行厂家得出的经验数据。因此，在考虑该因素时，要注重其局限性。根据德国一些运行厂家的经验，至少要从以下几个方面考虑：（1）煤和石灰石的给料点数目均不宜少于2点；（2）从单个给料点负责的床截面积来说，对鼓泡床，每个给料点负责1.7～16m2床面；而对于循环流化床，每个给料点负责8～38m2床面。锅炉容量越大，取值也越高。但循环床一般有2～4个给煤点就可以满足基本要求。（3）根据燃料性质不同，给料点数目也有所不同，如对高挥发分煤种，给料在床高方向的位置一般放在密相床面下方，并参考系统压力平衡来决定。七、负荷变化的影响一般认为，循环流化床锅炉的负荷在相当大的范围内变化时，脱硫效率是基本恒定的或略有升降，如图7-6所示。不过在较为极端的情况下，如负荷率处于锅炉降负荷能力的极限时，由于床温、气速、流体动力因素及密相区中烟气中SO2析出浓度变化较大，可能会造成脱硫效率的明显下降。 第五节循环流化床燃烧过程中NOx和N2O的生成机理 一、NOx的生成机理由前面的介绍可知，这里所说的NOx主要是指NO和NO2。大气中一半以上的NOx是由人为污染产生的。矿石燃料中都含有一定量的氮，煤中的含氮量一般在0.5%～2.0%之间，在矿石燃料燃烧时，送入炉膛内的助燃空气中也含有氮。前者在燃烧过程中生成的NOx称为燃料型NOx；而后者在燃烧过程中被高温氧化生成的NOx称为温度型NOx和快速温度型NOx。⒈燃料型NOx的生成机理燃料氮形成的NO占流化床燃烧方式NOx的95%以上。燃料型NO是指燃料中含有的氮的化合物在燃烧过程中氧化而生成的氮的氧化物。燃料中的氮的化合物中氮是以原子状态与各种碳氢化合物结合的，与空气中氮相比，其结合键能量较小，因而这些有机化合物中的原子氮较容易分解出来，氮原子的生成量大大增加，液体和固体燃料燃烧时，由于氮的有机化合物放出大量的氮原子，因此无论是挥发燃烧中还是焦炭燃烧阶段都生成大量的NO。就煤而言，燃料氮向NOx转化过程大致有三个阶段：首先是有机氮化合物随挥发分析出一部分，其次是挥发分中氮化合物燃烧，最后是炭骸中有机氮燃烧。也有人认为，燃料燃烧时，燃料氮几乎全部迅速分解生成中间产物I，如果有含氧化合物R存在时，则这些中间产物I(有学者认为：这些中间产物I应是N、CN、HCN和NHi等化合物将)与R(指O、O2和OH等)反应生成NO，同时I还可以与NO发生反应生成N2。燃料型(N)→I(7-26)I+R→NO+…(7-27)I+NO→N2+…(7-28)也有研究者认为，燃煤中的氮可以分为挥发性氮和焦炭氮，其中挥发性氮被释放后含有一定量的NH3并按下式进行反应：NH3+O2→NO+…(7-29)而焦炭则按下式进行反应：焦炭N+O2→NO+…(7-30)燃煤中的氮生成NOx主要取决于煤中的含氮量，显然煤的含氮量越高，生成的NOx越多。当锅炉内生成NOx时，还存在以下一系列氧化还原反应。2NO+2C→N2+2CO(7-31)NH3+NO→N2+…(7-32)NO+H2O→NO2+H2(7-33)45 NO+CO→N2+…(7-34)2NO+H2→N2+…(7-35) 燃料氮的转化率主要受温度、过量空气系数(富余氧浓度)和燃料含氮量的影响，一般在10%～45%范围内。随着燃烧温度的升高，燃料氮转化率不断提高，但这主要发生在700～800℃温区内。因为燃料NO既可通过均相反应又可通过多相反应生成。燃烧温度很低时，绝大部分氮留在焦炭中，而温度很高时70～90%的氮以挥发分形式析出。浙江大学研究表明，850℃时，70%的NO来自焦炭燃烧，而1150℃时，这一比例降至约50%。由于多相反应的限速机理，在高温时可能向扩散控制方向转变，故温度超过900℃以后，燃料氮的转化率只有少量升高。研究还表明，挥发分氮向NO的转化对当地氧浓度很敏感，通过造成区域性还原性气氛可以有效地抑止NO的生成量，而焦炭中的氮对氧浓度不敏感，因此不可能通过造成还原性气氛全部消除NO的生成量。⒉温度型NOx的生成机理温度型NOx是指燃烧用空气中的氮气，在高温下氧化产生的氮氧化物。温度型NO的生成机理是由前苏联科学家捷里道维奇提出的，因而称为捷里道维奇机理。按这一机理，NO生成可用如下一组不分支连锁反应来说明。O2→O+O(7-36)N2+O→NO+N(7-37)N+O2→NO+O(7-38)上述反应是一个连锁反应，决定NO生成速度的是原子N的生成速度，反应式（7-38）相比式（7-37）是相当迅速的，因而影响NO生成速度的关键反应链是反应式（7-37）。式（7-37）是一个吸热反应，反应的活化能由式（7-37）反应和氧分子离解反应的活化能组成，其和为542×103J/mol。正因为氧原子和氮分子反应的活化能很大，而原子氧和燃料中可燃成分反应的活化能又很小，在燃烧火焰中生成的原子氧很容易和燃料中可燃成分反应，在火焰中不会生成大量的NO，NO的生成反应基本上在燃料燃烧完了之后才进行。在锅炉燃烧温度水平下，NO生成反应还没有达到化学平衡，因而NO的生成量将随烟气在高温区内的停留时间增长而增大。另外氧气的浓度直接影响NO的生成量，氧浓度水平越高，NO的生成量就越多。由于循环床的运行温度在850℃～950℃之间，根据温度型NO生成机理，循环床在燃烧过程中基本上没有温度型NO的产生。当温度高于1500℃时，NO生成反应变得十分明显，随着温度的升高，反应速度按阿累尼乌斯定律按指数规律迅速增加。可见温度具有决定性的影响。因此也就把这种在高温下空气中的氮氧化成氮氧化物称之为温度型NO。⒊快速温度型NOx的生成机理快速温度型NOx是空气中的氮分子在着火初始阶段，与燃料燃烧的中间产物烃(CHi)等发生撞击，生成中间产物HCN和CN等，再经氧化最后生成NOx。其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平。鲍曼等认为，快速温度型NO的产生是由于氧原子浓度远超过氧分子离解的平衡浓度的缘故。测定发现氧原子的浓度比平衡时的浓度高出10倍，并且发现在火焰内部，由于反应快，O、OH、H的浓度偏离其平衡浓度，其反应如下：H+O2←→OH+O(7-39)O+H2←→OH+H(7-40)OH+H2←→H2O+H(7-41)可见，按照鲍曼的理论，快速温度型NO的生成，可以用扩大的捷里道维奇机理解释，但不遵守氧分子离析反应处于平衡状态这一假定。另外，菲里莫认为，快速温度型NO产生首先经过以下中间反应：CH+N2←→HCN+N(7-42)C2+N2←→2CN(7-43)45 CH3+N2←→HCN+NH2(7-44)CH2+N2←→HCN+NH(7-45)生成中间产物N、CN、HCN等再经过以下反应生成NO：HCN+O←→NCO+H(7-46)HCN+OH←→HCO+H2(7-47)CN+O2←→NCO+O(7-48)NCO+O←→NO+CO(7-49)经实验发现，随着燃烧温度上升，首先出现HCN，在火焰面内达到最高点，在火焰面背后降低下来。在HCN浓度降低的同时，NO生成量急剧上升。还发现在HCN浓度经最高点转入下降阶段时，有大量的NHi存在，这些胺化物进一步氧化生成NO。其中HCN是重要的中间产物，90%的快速温度型NO是经HCN而产生的。快速温度型NO的生成量受温度的影响不大，而与压力的0.5次方成正比。温度型和快速温度型NO都是空气中的氮气在高温下与氧化合生成的。所以有人把这两种NO总起来称为热力型NO。二、N2O的生成机理近年来的研究表明，循环流化床的燃烧温度范围可以有效地降低SO2和NOx的排放量，但却同时增加了N2O的排放量。N2O是一种稳定的化合物，在进入光化学反应前能很平稳地穿过对流层到达同温层，在那里与离子氧的反应中转化为NO。NO再与O3反应使O3减少。因此，N2O是破坏臭氧的直接反应物。流化床中N2O主要来源于燃料氮，其中挥发分氮以HCN、NH3的形式析出。HCN氧化过程中首先生成中间产物NCO，然后NCO再与NO反应生成N2O。而在NH3的氧化中，产生NH，NH与NO反应生成N2O。实践证明，HCN向N2O的转化率大大高于NH3向N2O的转化率。但存在固体物质的情况下，HCN和NH3向N2O的转化率都有明显的减少。焦炭燃烧中生成的N2O主要来自三个方面：焦炭氨直接氧化生成N2O；有氧时，NO与焦炭氨反应生成N2O；无氧时，NO与焦炭反应生成N2O，焦炭氮也可生成HCN，再通过均相反应生成N2O，但这个反应生成的N2O少而且不重要。挥发分氮也通过焦炭生成N2O。N2O的分解主要是通过与H和OH原子反应进行的。在流化床内燃料N通过单相反应、多相反应生成N2O是十分复杂的。均相反应和多相反应也是相互联系的。影响N2O的排放因素很多，其中最主要的是床温、煤种、过量空气系数、各种催化剂等。在流化床温度范围内，床温变化对N2O形成有很大的影响。从瑞典、日本和我国学者的研究中已得到证实。如图7-7所示。N2O的浓度随着床温的增高而减少，也就是说高的N2O排放量对应于较低的NO的排放量。   图7-7NOX随床温的变化规律  45 煤种对N2O生成量也有很大的影响，各国学者普遍认为，随着燃料比增加，N2O的生成量增加。燃料比就是固定碳含量与挥发分的比值。因为燃料比增加，炭粒子增加而加强炭粒子对NO转化为N2O的催化作用。荷兰沃托卡等在1991年指出，燃用低发热量煤比燃用高发热量煤生成的N2O要少。还发现，煤的挥发分低时，燃料N转化成N2O的量更大。当煤中含氮量增加时，N2O、NO生成量明显增加。过量空气系数对N2O生成量也有很大的影响。一般情况下，过量空气系数增大时，N2O急剧增加。这是因为N2O的生成是一个氧化过程，氧化性气氛极有利于N2O的形成。三、循环流化床内脱氮燃煤中的含氮量一般在0.5%～2.0%。流化床内燃烧温度通常为850～1050℃，因而几乎没有温度型NO生成。⒈流化床内NO生成规律煤进入流化床内受热分解，在热分解过程中，煤中氮也作为挥发分而气化。但是温度不同，气化的氮化合物占总氮的化合物的比例也不同。在温度为800～900℃时，气化的氮化合物只占总氮含量的30%，在1000℃时才占50%～60%。在热分解气化的氮化合物中，主要成分是NH3、HCN和N2，这些中间物质再与含氧化合物反应生成NO。随着床温不同，它们所占比例也不同，如表7-6所示。可见在通常的床温条件下，NH3占相当大的比例。当温度升高时NH3含量减少，这是因为在高温条件下NH3分解成N2和H2。表7-6流化床中气化的氨化物组成温度∕℃NH3∕%HCN∕%N2∕%910876710005218201100302347 ⒉C，NH3分解NO的原理C分解CO的反应可用下式表示：C+2NO→CO2+N2(7-50)C+NO→CO+1/2N2(7-51)研究表明，当温度超过680℃时，反应活化能增加。在流化床锅炉运行的温度范围内，如在850℃～900℃附近，这一分解反应的反应速度极为迅速。NH3分解NO的反应如下：NH3生成量与运行条件有关，上式反应也与运行条件有关。当过量空气系数高于1.0时，没有NH3生成；而当过量空气系数降低到1.0以下时，NH3的浓度急速增大、实验还发现，NH3和NO浓度之间有一定的比例关系。如果让含有NH3和NO的烟气有一定的停留时间，则两者浓度都会下降。 第六节影响循环流化床锅炉氮氧化物排放量的主要因素 影响循环流化床锅炉氮氧化物排放量的主要因素有：床温、过量空气系数、脱硫剂，燃料性质及床料中的金属氧化物、循环倍率等。下面分别进行讨论。一、床温的影响床温对NOx和N2O排放量的影响已取得共识，在循环流化床锅炉运行温度范围内，随床温的升高NOx的排放浓度增加，但效果并不十分明显，通过前面的分析可知，在循环流化床锅炉床温范围内，生成的NOx主要是燃料型NOx，约占95%，燃料型NOx又以挥发分的NO为主，占60～80%。二、过量空气系数和一次风率对NOx排放量的影响过量空气系数对NOx排放量的影响表现为两个方面：一方面降低过量空气系数，NOx45 排放量下降。另一方面过量空气系数增得很大时，对NOx排放影响大大减弱，因为当过量空气系数很小或很大时，CO浓度都大，这对NO的还原和分解是有利的。在［O2］小于1.5%或［CO］≈1%的区域，在900℃或更高的温度下，N2O的分解只需要100ms的时间。低氧燃烧可减少50%～75%氮氧化物排放。但机理性试验表明，燃烧区氧分压小于1Pa时，并不能完全消除氮氧化物的生成。在还原气氛下，通过反应式(7-52)和式(7-53)可以降低NOx的排放量。如何才能保证燃烧足够的氧量，又具有较强的还原气氛？采取有措施就是分段燃烧。在过量空气系数一定的情况下，一次风率增大，二次风率相应地降低。以二次风的送入点为界限，为有效地控制NOx的生成，在上部应为富氧区，下部应为富燃料区，这样才使NOx生成没有环境。但当一次风率提高时，使得在二次风送入点以下，还原气氛减弱，CO浓度下降，降低了NOx被还原分解的速率，使NOx的生成量增加。通过对75t/h流化床的测试也证明了这一点，当一次风率由40%增加到85%时，NOx的排放由100×10-6容积浓度增加至400×10-6容积浓度。NO+CO→1/2N2+CO2(7-52)NO+H2→1/2N2+H2O(7-53)三、脱硫剂的影响目前，循环流化床锅炉脱硫主要依靠在燃料中掺入脱硫剂，一般采用石灰石。为提高脱硫效率，要求有一定的Ca/S摩尔比。在脱硫种类、粒径不变的情况下，Ca/S摩尔比增大，使脱硫效率提高，但多余的CaO又是燃料和注氨N转化为NOx的强催化剂，也是H2和CO还原NOx的强催化剂，使NOx的排放量增加，两者是矛盾的，如反应式(7-37)、(7-38)和(7-52)。在一般情况下，前者的贡献小于后者，使NOx的排放量增加。因此为保证脱硫效率又NOx使排放量得到控制，应选择合理的Ca/S摩尔比和飞灰再循环倍率。O+N2→NO+N(7-37)N+O2→NO+O(7-38)NO+CO→1/2N2+CO2(7-52)四、循环倍率的影响研究表明，挥发分氮向NO的转化对当地氧浓度十分敏感，通过造成区域性还原气氛可以有效地降低NO的生成量。对于一般的动力燃煤来说，提高飞灰再循环倍率，有助于提高燃烧效率。同时，飞灰再循环增加了床内的含碳量，使炉内的碳浓度增加，从而加强了NO与焦炭的反应，使NOx有很大的降低。而且含氮量越高，以及固定碳与挥发分的比值越大，NOx降低的效果越明显。如：2NO+C→N2+CO2(7-50)NO+C→1/2N2+CO(7-52)五、负荷率的影响温度对NOx的影响很大。随着运行温度增大，NOx排放量将升高。因此增大负荷率，增加给煤量，燃烧室及尾部受热面处的烟温随之也增大，挥发分N生成的燃料型NOx随之增加。45 第三章循环流化床锅炉的磨损及防磨措施 第一节概述磨损是相互接触物体在作相对运动时，表层材料不断发生损耗，转移或者产生残余变形的过程。磨损不仅消耗材料，浪费能源，而且直接影响到部件的寿命和可靠性。磨损是一个多因素互相影响的复杂过程，包括环境因素、工作条件、材料成分、组织结构及磨损表面的物理化学性质等。每个因素稍有变化都会引起磨损量的改变并使磨损机理发生变化，因此要给磨损下一个确切的定义并非易事。英国机械工程师学会所下定义是“由于机械作用而造成物体表面材料的逐渐损耗”；克拉盖尔斯把磨损定义为“由于摩擦结合力反复振动而造成材料的损坏”。前者似乎排除了电和化学的作用，而后者显然过分强调疲劳的作用。把这两个定义综合起来，有些学者把磨损定义为“由于机械作用，间或伴有化学或(和)电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗、转移或产生残余变形的现象”。按照磨损的机理不同，又把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、气蚀或冲蚀磨损等。在循环流化床锅炉中，部件的磨损主要表现为冲蚀磨损。所谓冲蚀磨损，是指当流体或固体颗粒以一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损有两种基本类型，一种称为冲刷磨损，另一种称之为撞击磨损，这两种磨损的冲蚀表面的流失过程的微观形貌是不完全相同的。对于冲刷磨损，颗粒与固体表面的冲击角较小，甚至接近平行，颗粒滑过固体表面时起到一种刨削作用，此时固体表面的磨损速率较均匀；对于撞击磨损，颗粒相对于固体表面冲击角较大，或接近于垂直，使固体表面出现塑性变形或显微裂纹，经过颗粒反复撞击，变形层脱落导致磨损量突升。另外，反复碰撞的结果使固体表面疲劳破坏，随着时间迁移，磨损速率有增长的趋势。磨损率变化的情况可作为区分这两类磨损的标志。循环流化床锅炉运行中暴露出水冷壁、耐火材料、对流受热面、旋风分离器等部件严重磨损问题，影响了锅炉机组的经济和安全运行。从前面的介绍可知，要使流化床上的固体颗粒保持悬浮沸腾状态，使煤粉颗粒得以充分的燃烧，从炉底布风装置出来的空气流必须具有足够的速度、强度和刚度，以在支撑固体颗粒料层的同时，产生强烈的扰动。研究发现，当床料密度在8～10kg/m3，时床内细颗粒就会聚成大粒子团，团聚后的粒子团由于重量增加体积加大，以较大的相对速度沉降并具有边壁效应，使流化床中气―固流动形成近壁处很浓的粒子团斜下切向运行，下降到炉壁回旋上升，颗粒彼此之间以及与炉壁之间进行频繁的撞击与摩擦，使炉壁出现严重磨损。通常认为，磨损问题与床内固体物料浓度、速度、颗粒特性及炉膛的几何形状有关。在循环流化床中，大量燃烧所需空气以二次风方式从炉膛中部给入，为保证炉膛底部流化情况，底部密相区往往采用收缩形式形成折角。另外在循环流化床的底部密相区，物料浓度非常高气固两相流的湍混程度也相当高，因此，在密相区一般不布置受热面或在其外面敷设耐火材料，这样在水冷壁与耐火材料分界处往往会形成凸台，也就是所谓的转折区，转折区的存在导致固体物料的流向改变，因此引起动量的改变，在转折区就受到冲力的作用，大大加剧了该处的磨损，大多数循环流化床锅炉水冷壁和耐火材料的接合面之间的磨损都成为严重磨损问题。有文献报道，最高磨损率高达0.52mm/1000h，严重影响了锅炉安全和经济运行。为了说明磨损的大小及耐磨性能，常用磨损量、磨损率、耐磨性等特征量来表征其磨损现象的轻重。⒈磨损量表示磨损结果的绝对指标，常用尺寸变化、体积变化和质量变化来表示，如常用的线磨损量、体积磨损量、质量磨损量等。显然，在其他条件相同的情况下，其值越大，其抵抗磨损的性能越差。⒉磨损率45 一般情况下，用磨损量与发生磨损所经历的时间关系来表述；常用线磨损量与其经历磨损的时间比值来描述，如磨损率为1mm/1000h或1μm/h等。⒊耐磨性耐磨性指材料抵抗磨损的性能。如某耐磨耐火砖在1000℃，3h后耐磨性为9.5cm3。其值越小，其耐磨损性能越好。 第二节循环流化床锅炉承压部件的磨损及磨损机理通过对目前运行的循环流化床锅炉的实测和分析，循环流化床锅炉主要的磨损部位有：承压部件、内衬、旋风分离器及回料器等。一、承压部件的磨损循环流化床锅炉承压部件主要包括水冷壁、过热器、外置式换热器、省煤器等。运行实践表明，当物料流动方向与承压部件管束表面方向一致，且管束表面光滑时，磨损速度较慢且均匀；当管束表面较粗糙时，这时的摩擦阻力大，磨损速度加快。当物料密度大、粒度大、硬度大时，磨损速率就大。当烟气及物料流速高时，磨损就加快。管束表面处于较高温状态下时硬度大，耐磨性就好，磨损速度慢。管束表面与物料流动方向有夹角时，磨损速度明显加快，而当方向垂直时，磨损速度最快。（1）炉膛水冷壁的磨损水冷壁管的磨损是循环流化床锅炉中常见的磨损问题，也是承压部件中磨损最严重部位之一。根据磨损的部位不同，炉内水冷壁管磨损可分为以下两种情形：（1）水冷壁与耐火材料交界处的磨损 图8-1水冷壁管耐火材料过渡区域的磨损 大多数早期设计的循环流化床锅炉燃烧和吸热是分开的，吸热主要是在对流烟道和外置换热床中完成。因此整个炉膛都敷设耐火材料，对水冷壁有很好地保护作用，对这些循环流化床锅炉而言，水冷壁管的磨损问题不大。不过以后设计的循环流化床锅炉在炉膛内的稀相区的水冷壁不再敷设耐火材料，仅在炉膛下部浓相区的水冷壁管上敷设耐火材料，在燃烧的同时吸收部分热量。这就存在着耐火材料与水冷壁的交界和过渡，在过渡区部分，气―固两相的正常流动发生变化，导致此区域的水冷壁磨损。大型循环流化床锅炉，其炉膛下部敷设耐火材料的高度通常为5m左右。浙江大学等单位在冷态实验台上通过实验发现，转折区有凸台存在时改变了下滑颗粒流的方向，该处磨损速率比壁面磨损速率高5～10倍，转折处角度越大，则磨损越严重。水冷壁管与耐火材料过渡区域的磨损形式如图8-1所示，磨损发生在炉膛下部耐火材料与水冷壁管的交界处。国内外循环流化床锅炉此处的磨损现象都比较严重，国外各主要循环流化床锅炉制造厂家如Pyropower，ABB-CE，B&W，Lurgi等生产的循环流化床锅炉也都发生了这种现象。Pyropower公司生产的一台安装于美国加州Stockton的49.9MW循环流化床锅炉，炉膛下部耐火材料高度约为4.6m，燃用低硫煤，其水冷壁管在耐火材料过渡区域焊有防磨盖板延伸至水冷壁管以上100mm。在运行8天后就发现防磨盖板有明显的磨损，再继续运行5周以后已扩展至水冷壁管本身。所测得的最大磨损速率高达5.2mm/1000h。图8-3为Pyropower公司早期循环流化床锅炉耐火材料与水冷壁过渡区域示意图；图8-4为循环流化床锅炉耐火材料与水冷壁过渡区域的磨损机理图。（2）不规则管壁的磨损45 不规则管壁主要包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝等，此外还有一些炉内测试元件，如热电偶等。运行经验表明，即使很小几何尺寸的不规则也会引造成局部的严重磨损。和煤粉炉一样，循环流化床锅炉炉膛部分也必须开设如人孔门、观火孔等圆孔。在目前几乎所有已投运的循环流化床锅炉中，绝大多数锅炉都在炉膛炉墙开孔处的弯管区域发生了程度不同的磨损，其中开孔上部的弯管磨损较轻，而开孔下部的弯管则磨损比较严重。炉墙开孔处弯管的磨损区域见图8-5。图8-6对接水冷壁焊缝的局部磨损图8-5炉墙开孔处弯管的磨损区域水冷壁的焊接是不可壁避免的，图8-6给出了对接水冷壁焊缝的局部磨损。磨损首先发生在焊缝的上图8-3Pyropower公司早期CFBB耐火材料与水冷壁过渡区域示意图图8-4循环流化床锅炉耐火材料与水冷壁管过渡区域的磨损机理(a)局部产生涡流(b)流动方向改变部，在这种情况下焊缝磨平以后磨损即终止；而在另外一些情况下，焊缝上面的管子也发生磨损。这类磨损现象在炉膛的浓相区相对较为严重。对于用于测试温度的热电偶，为测得炉内真实温度而必须有足够的插入深度，插入热电偶会对局部的流动特性造成较大的影响，产生扰流造成邻近水冷壁管的磨损。另外，在一些已运行的循环流化床锅炉中，已发现炉膛角落水冷壁磨损比较严重，其原因可能是角落区域内沿壁面向下流动的固体物料浓度比较高，同时流动状况也受到破坏所致。2．炉内受热面的磨损在循环流化床锅炉炉膛内，除布置炉膛水冷壁外，在许多设计中还布置有屏式翼形管、屏式过热器、水平过热器管屏等。有些国内制造的循环流化床锅炉在浓相区还布置埋管。以下分别讨论这些炉内受热面的磨损问题。炉膛内屏式翼形管、屏式过热器、水平过热器管屏的磨损机理与炉内水冷壁管磨损机理相似，主要取决于受热面的具体结构和固体物料的流动物性等。部分循环流化床锅炉，特别是国内设计的循环流化床锅炉，在二次风以下的浓相区运行在鼓泡流化床区域，而且在浓相区内还布置有埋管受热面，这部分受热面易受磨损破坏，其磨损形式与鼓泡流化床锅炉内的埋管磨损相似。有文献表明，对鼓泡流化床内埋管的磨损率统计一般在0.2～2mm/1000h45 ，埋管磨损率最高可达5～6mm/1000h。浓相区埋管磨损的影响因素有流化速度、床料特性、埋管特性、埋管温度、埋管距布风板的高度等。主要影响因素将在后面进行详细介绍。炉顶受热面所处的位置是烟气流必须流经的通道，高浓度、高速度的飞灰颗粒，大大地增加了在单位时间内颗粒对受热面的撞击率。加之气固流在离开炉膛时在炉膛顶部区域转弯，产生离心作用，将大颗粒物料甩向炉顶，更加剧了炉顶受热面的磨损。随着循环流化床锅炉容量的增大，炉膛高度也增加，因而炉膛顶部受热面的磨损问题也变得不严重。炉膛顶部受热面的磨损问题可通过将炉顶与去旋风分离器的水平烟道拉开足够的距离来解决。3．省煤器和空气预热器的磨损省煤器和空气预热器均布置在对流烟道内，由于其处于旋风分离器之后，就其磨损特征而言，与煤粉锅炉没有太大的区别，相对于鼓泡床来说，其磨损也不成为一个主要问题。国外一些循环流化床锅炉的运行经验表明，在良好的设计和运行管理条件下，锅炉对流烟道内的磨损相对于炉膛受热面来说要小的多。但从国内已经投运的一些循环流化床锅炉来看，对流烟道受热面的磨损仍是一个较为严重的问题，目前投运的循环流化床锅炉已出现严重的磨损现象，磨损发生的主要部位出现在省煤器两端和预热器进口处。造成对流烟道受热面磨损的主要原因有以下几个方面：（1）分离器效率达不到设计值由于省煤器和空气预热器均布置在旋风分离器之后，若分离器效率达不到设计值，较多的飞灰颗粒进入尾部对流受热面，造成严重的磨损问题。我们对河南省数十台已投运的循环流化床锅炉运行情况的调查统计结果表明，由于分离器达不到设计效率，省煤器的磨损仍十分严重。另外，在循环流化床锅炉中，配置有分离器回送装置，为了能维持正常运行所需的物料循环，分离效率常常高达95%以上，表面上看与常规鼓泡床锅炉相比似乎是降低了尾部烟道的飞灰浓度。仔细分析后可发现，尽管分离效率很高，但由于炉内固体物料浓度很高，分离器未能捕集而随烟气进入对流烟道的飞灰量的绝对值仍可能很高，因而对流烟道中的飞灰浓度仍相当大，同时在尾部烟道中烟气一般向下流动，固体颗粒一边随烟气流动，同时又受重力作用，颗粒的绝对速度是烟气速度加颗粒终端速度，比炉膛内烟气是上升气流时的绝对速度要高，高的颗粒浓度加上高的颗粒速度，常常导致省煤器等尾部受热面的磨损严重，因此在循环流化床锅炉的设计中对流烟道受热面的磨损问题仍应高度重视。（2）设计上的考虑不周（3）安装时出现误差（4）受热面材质不好二、承压部件的磨损机理⒈冲刷磨损（1）当烟气、物料流动方向与管束布置方向总体一致，但在某一部位发生跳跃时，对该部位造成快速磨损，直至这一部位磨损与管束一致时，磨损迅速减缓，比如水冷壁管连接的焊口、筋片，耐火材料接缝处如果有凹或凸起，不但对连接部位的焊口、筋片会造成快速的磨损，而且还将对附近的水冷壁造成冲刷磨损，这是由于物料流动在凹或凸部位时改变方向，直接冲击水冷壁的某个部位，冲击摩擦力和损失较大，造成该处水冷壁的快速冲刷磨损。（2）当物料下落过程中某一部位因有凸台和物料堆积而突然发生转向时，物料在该部位将发生涡流而造成严重的冲刷磨损，比如砂粒沿水冷壁自上而下落到耐火材料上沿时，将迅速改变方向，此处没有上行的气流流化，在上沿角内沉积的砂从耐火边缘流出时，又被上行的流化风托起，沿水冷壁落下，如此反复形成涡流，该处涡流物料密度特别大，由于在炉膛下部粒度也较大，因而必将造成该部位的快速而严重的磨损。⒉冲击磨损（145 ）当物料与管束呈现切向或一定角度相碰时，磨损是大面积的，管束一般是垂直布置，物料从切向或角向撞击时，特别是炉膛出口速度较快，其磨损程度与其物料流动方向和速度关系较大。比如炉膛出口侧水冷壁，因其物料撞击方向与速度不一样，其磨损程度沿前面方向和烟道上下高差分布是不一样的，越接近出口磨损越严重，越靠近上部越严重，与出口烟道相齐位置最严重。由于出口烟气物料有旋转，前后方向的中部磨损也应比较严重，这是由于离出口越近，物料的速度越高，深度越高，而上部有物料在碰撞改变方向后一部分被烟气带走，一部分沿水冷壁管掉入炉膛，其越向下水壁掉的物料越多，形成了部分保护层，而此处的物料切向冲刷水冷壁时，有的只冲刷了物料，从而减轻了物料对水冷壁的冲刷。如果安装时在工艺上未注意，某根管子不在一个面上而是凸向炉膛，这根管子将首先被快速磨损。（2）当物料与管束垂直相碰时，其磨损速度是所有磨损中速度最快的，这是由于物料与管束垂直撞击，能量损失最大，管束表面承受的冲击和磨损也最大，如布置在炉膛中部的二级过热器和烟道进口一、二排拉稀水冷壁管。同时，由于烟气流速分布的差别，其携带的物料密度也有差别，当烟气从旋风分离器出来进入烟道时，上部烟速最高，携带的物料浓度最大，对一、二排水冷壁管上部磨损也最严重。另外，沿水平方向磨损也不一样，中部最严重，也是烟速最高，物料密度最大造成的，而二级过热器前面的烟气均匀，磨损也就基本一致。⒊微振磨损(微动磨损)微振磨损主要是发生在外置式换热器中的一种磨损形式。前面已作过详细介绍。 第三节循环流化床锅炉内衬磨损及磨损机理图8-7循环流化床锅炉耐火材料使用区域 在循环流化床发展的初期，人们对耐火材料并不十分关注。到20世纪80年代中期以后，随着大量循环流化床锅炉的相继投运，耐火材料破坏造成的事故不断发生，耐火材料问题才引起人们的注意。循环流化床制造商和耐火材料制造商进行了循环流化床锅炉耐火材料方面的大量的研究，使循环流化床锅炉用耐火材料有了很大的进展。耐火材料设置目的主要是为了防止锅炉高温烟气和物料对金属构件的高温氧化腐蚀和磨损，并具有隔热作用。物料的循环磨损，首先发生在耐火材料上，从而保证金属结构的使用寿命，这是保证循环流化床锅炉长期安全运行的主要措施之一，也是循环流化床锅炉的主要特色之一。耐火材料对减少金属结构的使用、降低造价、检修维护都具有十分重要的意义。耐火材料的外观一般呈平面或圆弧结构，与物料的运行方向基本一致，因而磨损普遍较为均匀。但由于其组成骨料较粗，大约为0.5mm，其表面不可能达到相当光滑，所以其磨损速度仍较快。在一些部位，由于烟气及物料运行方向的改变，物料速度增加，造成严重的磨损，必须引起足够的重视。 循环流化床锅炉使用耐火材料的主要区域有：燃烧室、高温分离器、外置式换热器、烟道及物料回送管路等，具体部位如图8-7所示。图中以粗黑实线表示关键耐火材料衬里区域。一、内衬磨损的主要部位1．燃烧室（1）磨损原因循环流化床锅炉的主要优点之一就是具有较强的负荷调节性能好。在循环流化床锅炉中，正常运行时燃烧室温度达到900～1000℃，为适应负荷变化或调峰的需求，经常会出现负荷波动而发生热和温度循环变化，或者由于调峰需求而进行启动或停炉；如有时燃烧室内温度的变化在几分钟就可达到500℃，有时一周之内可能有十几次启动、停炉，这些均会造成对燃烧室耐火材料的热冲击和热应力，使耐火材料受到破坏。炉膛部分采用厚炉衬，由75～150mm45 的致密抗磨损的浇注料或可塑料覆盖住相似厚度的保温材料构成，通常毁坏都由过度的裂缝和挤压剥落而引起。干燥时的收缩、热震、应力下的塑性变形是产生裂缝的主要原因。不锈钢纤维有助于减少裂缝，但是不能彻底解决问题。当床料被裂缝夹住时，炉衬反复的温度循环变化时就会出现挤压剥落。（2）燃烧室常用衬里材料磷酸盐粘合的莫来石基耐火可塑料在燃烧区域内经久耐用，主要由于其体积稳定(抗热膨胀及收缩)及其良好的抗磨特性。鉴于磷酸盐粘合剂与现成的材料结合力很好，因此常常用来修补有缺陷的区域。在使用时应确保修补的区域有支撑，至少应使用两个销钉。建议暴露在特高温区的可塑料炉衬使用陶瓷或铸造合金销钉。另外，可以单独使用销钉来支撑保温层。位于炉膛上部的稀相区，常用碳化硅(SiC)瓦来减少水冷壁管的磨损。在瓦的后面使用金刚砂灰浆来改进对管子的传热，瓦一般用焊接的支撑件支撑在管子上。在水冷壁管子向下延伸到燃烧室底部这一段的设计中，衬里通常都包括有一层薄的、密实的、热导率高的、耐磨的可塑料或浇注料。通常在焊有销钉的的管子上都使用碳化硅基浇注料，因为这些浇注料可以用磷酸盐粘合可塑料进行修补，尤其可取的是含碳化硅的填料热导率高。如果床料或循环灰含碱比较高的话，推荐使用磷酸盐粘合料，理由是铝酸钙水泥在高温下和碱作用后会发生毁坏。2．旋风分离器入口及筒体（1）磨损原因  图8-8旋风分离器易磨损区域 炉膛顶部及分离器入口段，旋风筒弧面与烟道平面相交部位是磨损主要部位。在此部位烟气发生旋转，物料方向改变，速度高且粒度粗、密度大，磨损就很快，同时，该部位耐火材料较厚，一般情况下又不均匀，温度梯度也不均匀，加之经受900℃左右的高温，偶尔也会达到1100℃以上，因此过度的热冲击会引起衬里材料的裂缝，造成耐磨材料的破坏。另外，分离器筒体和锥体都承受着相当恶劣的工作条件，其中可能会承受几分钟之内500～600℃的温度冲击、循环变化及磨损等。对许多衬里来说，反复的热冲击、温度循环变化、磨损和挤压剥落等共同导致了大面积损坏。当裂纹或磨损发生时，表面更粗糙或有凸起，磨损速度将进一步加快。对于旋风分离器下部锥体，由于面积缩小，物料汇集密度增大且粒度最大，加上物料下落速度快，必然造成快速磨损。（2）常用的耐火材料从耐火材料结构上来看，旋风筒的浇注为分层分块浇注，各层均用销钉固定于金属结构上。每块之间留有膨胀间隙，分层错开。一般情况下，对于炉膛顶部及分离器入口这两个部位均使用密实且含有不锈钢纤维丝的抗磨材料，这种材料具有令人满意的使用寿命。若由于热冲击、温度波动等原因造成过多的裂缝或损坏时，可以采用熔氧化硅基浇注料取而代之。对于旋风分离器筒体和锥体，一般采用超强浇注料。当发生裂缝磨损时，修补方案之一是用耐磨莫来石砖覆盖的耐火砖或耐火预制块来代替浇注的厚衬里。也可以用磷酸盐粘结可塑料进行修补。另一种可能性是使用热膨胀系数低的薄衬里，诸如熔氧化硅浇注料一类的材料用衬里。但是，与磷酸盐粘结莫来石可塑料相比，大多数熔氧化硅抗磨性能差，因而使用寿命较短。图8-8示出了旋风分离器的易磨损区域，旋风分离器的磨损主要发生在进口烟道和筒体上部图中所示的区域。分离器锥体所经历的工作条件与其筒体大致。推荐使用振动浇注使衬里具有足够的强度和耐磨性能，锥体部分推荐使用热膨胀系数低的浇注料。3．立管及返料器45 在许多循环流化床锅炉中，这一部分经常出问题。热冲击、严重的磨损及循环变化导致了反复的损坏。很多原始设计都使用厚的密实保温浇注料，不过因为很难有足够的施工空间，这种材料很难施工得当。衬里的浇注料保温层用振动浇注法施工。在耐磨浇注料中应考虑添加不锈钢纤维丝。用保温砖或浇注料打底，上铺耐磨砖的衬里使用起来效果也不错。含有不锈钢纤维丝的磷酸盐粘结可塑料主要用在现有锅炉衬里的修补上。4．膨胀节的磨损有两种重要的膨胀节(回料腿膨胀节和旋风分离器进口膨胀节)，为了补偿膨胀差异而设置，当膨胀超过设计间隙或间隙内进入高温物料时，造成膨胀节耐火材料摩擦或受力挤压而损坏，这样大量的高温物料进入膨胀节内，加剧了磨损，甚至直接烧坏金属物件，造成锅炉不能运行。例如，四川内江循环流化床示范电站引进的芬兰奥斯龙公司410t/hPyroflow型循环流化床锅炉，检查中曾发现回料腿四个膨胀节几乎全部磨损完，大修时根据运行经验和膨胀核算，将原来耐火材料间隙由10～15mm扩展到25～35mm，并用进口耐热不锈钢制作了专用的模具，在耐火材料中加了磨损钢针，效果较好。旋风分离器的两个进口膨胀节的耐火材料都有不同程度的损坏，对损坏的部位进行了修补，膨胀节内加硅酸铝材料进行填充结实，重新浇注了外层耐火材料。二、内衬磨损机理⒈热应力和热冲击造成的破坏由于温度循环波动和热冲击以及机械的应力造成耐火材料产生裂缝和剥落，是耐火材料被破坏的第一个原因。温度循环波动时，由于耐火材料骨料和粘合料间热膨胀系数不同而形成内应力从而破坏耐火材料层，温度循环波动常常造成耐火材料内衬的大裂缝和剥落。温度快速变化造成的热冲击可使耐火材料内的应力超过抗拉强度而剥落。机械应力所造成的耐火材料的破坏则主要是由于耐火材料与穿过耐火材料内衬处金属件间热膨胀系数不同而造成，因而在设计时若不考虑适当的膨胀空间就会造成耐火材料的剥落。⒉固体物料的冲刷造成的破坏由于物料对耐火材料的冲刷而造成的耐火材料的磨损是耐火材料被破坏的第二个原因。循环流化床锅炉内耐火材料易磨损区域包括边角区、旋风分离器和固体物料回送管路等。一般情况下，耐火材料磨损随冲击角的增大而增加；此外，在旋风分离器、烟道等设计时，应使冲击角尽量地小。⒊耐火材料性质的变化造成的破坏在运行中，由于耐火材料的性质发生变化而造成耐火材料的损坏是耐火材料被破坏的另一个原因。如因碱金属的渗透而造成耐火材料渐衰失效和渗碳而造成的耐火材料的变质破坏等均属于耐火材料性质变化而引起的破坏。三、对内衬材料的性能要求由于要考虑其综合物理性能，因此耐火材料的选择是相当复杂的。如绝热性能好的材料，一般来说其抗磨性能相对较差。因此，对循环流化床锅炉内衬材料的性能要求要考虑：①锅炉系统特点和整体性能；②内衬敷设点的工作环境；③内衬敷设和锅炉性能相关的影响分析；④敷设内衬的目的和功能。综合考虑上述因素后，对循环流化床锅炉常见炉型典型内衬材料提出要求如下：①内循环涡流型湍流床内衬，要求高耐磨、高温和抗冲刷；②高温外循环分离器入口段内衬，要求高耐磨、高耐温性；③中温外循环分离器入口，要求高耐磨、高耐温性；④中、高温外循环分离器筒体，要求耐热、保温、热惰性小；⑤点火燃烧室烟道，要求耐热；⑥悬浮室要求耐热、耐磨、热惰性小。对燃用城市废弃物、化工废料等含腐蚀成分的循环流化床锅炉，要根据具体情况考虑防腐和内衬材料的稳定性等问题。在湍流床部位，内衬的工作条件恶劣，要求内衬材料应有高耐磨性、耐温性好、抗折耐压性好以及导热系数低、容重小的特点。应主要着眼于满足耐磨和耐温这两个条件，再考虑能否满足适应温度频繁变化的抗热震稳定性，导热系数可定在15～20W/(m·K)范围内。满足这样条件的材料有两种：一种是SiC，另一种是黑体硅酸锆。两种材料性质基本相同。两种材料的缺点是容重都大(＞2500kg/m3)，价格较贵。由于湍流床区域内衬只占炉室内衬敷设总面积的1/4左右，使用这种材料寿命长，稳定性好，可减少因炉衬事故而导致的停炉检修次数，节省运行费用，因此综合效果还是较好。外循环循环流化床锅炉分离器入口处是易磨损区，材料应选耐磨的，分离器筒体部分内衬要耐高温。因为对高温型分离器，有一部分未燃粒子有时会在这里继续燃烧。循环流化床分离灰主要部分要参与再循环以控制床温和提高燃烧效率。灰入炉温度要求不大于烟气炉膛出口温度与分离器灰出口温度差±5℃45 范围，这也就要求该区域内衬结构既要耐热又要保温。要求耐热材料的导热系数＜2W/(m·K)，这种材料可选择高铝制品或其他相近材料。四、内衬材料的实际应用⒈内衬材料的选择材料的选择要从材料的物化性质(包括耐磨性、耐热性、耐蚀性、导热性、稳定性、热胀性、收缩性、抗压抗折性和容重)着手，兼顾经济性。结合内衬部位的特点、承载内衬的部件结构、耐温抗磨要求进行综合比较，做到技术先进、结构可靠和经济合理。因此，耐火材料一般都采用几种不同材料进行分层敷设。内衬材料有定型制品与不定型制品，定型制品以预制品和砖为主，而砖在循环流化床锅炉中大面积的耐磨墙体中应用较多，如分离筒、回料器、尾部烟道等。常用的衬里材料有硅线石砖、锆铬刚玉砖、氮化硅砖、碳化硅砖等。砖形结构设计时注意紧固件和膨胀缝的设置，一般在水平方向每4块标准砖节距设一紧固件，在垂直方向每层设置的紧固件应与上层错列布置，每一层砖中每间隔4～6块标准砖设一层1.5mm的陶纤纸，垂直方向每4块砖设一层1.5mm的陶纤纸。不定型制品有喷涂料、耐磨耐火可塑料、耐磨耐火捣打料、耐磨耐火浇注料等。（1）喷涂料：有以高铝质等耐火骨料为基体掺和超细粉、铝酸盐结合剂等多种混合物组成的稠状体，使用时需专门制备风动机具或机械喷射设备，特别适应于循环流化床锅炉的复杂结构处的施工。（2）耐磨耐火可塑料：是由耐火骨料、结合剂和液体组成的混合料。交货状态为具有可塑性的软坯状或不规则形状的料团，可以直接使用，主要结合剂为陶瓷、化学(无机、有机·无机、有机)结合剂。以捣打(手工或机械)、振动、压制或挤压方法施工，在高于常温的加热作用下硬化。（3）耐磨耐火捣打料：组成基本与耐磨耐火可塑料相同，所不同的是耐磨耐火捣打料一般来说均在现场调配，用多少配多少，最适合用于用量不大的修补，而耐磨耐火可塑料，不宜久存，特别是开封后极易硬化，故较适用于用量较大的批量施工。如悬吊在炉膛的受热管束，使用现存的可塑性软坯在管节距之间捣打挤压，既密实又施工方便。（4）耐磨耐火浇注料：是由耐火骨料和结合剂组成的混合料。交货状态为干态，加水或其他液体调配使用。主要结合剂为水硬化性结合剂，也可以采用陶瓷和化学结合剂，以浇注、振动的方法施工，无须加热即可凝固硬化。因此，在循环流化床锅炉中，一些不宜承受强烈热冲击的设备以及难以烘烤的部位如炉膛出口、汽冷式分离器、回料腿、尾部烟道等，利用专用的振动棒振实耐磨耐火浇注料，自然养护即可。⒉内衬材料的结构设计目前在循环流化床锅炉中主要采用三种不同型式的衬里设计：水冷壁衬里，薄的或厚的非水冷壁衬里。水冷壁衬里主要敷设在炉膛和高温旋风分离器区域，用短销钉将25～50mm厚的致密耐火材料支撑在烟气侧的锅炉管件上。外侧(即非向火侧)则用常规保温材料来保持水/蒸汽的高温。薄衬里较厚衬里更能经得起快速热冲击。为增加其刚性和抗冲击能力，常在水冷壁衬里内添加金属纤维。一般来说，薄衬里的厚度为150mm，通常分为两层，即致密的工作层和保温层。使用分层衬里比使用厚衬里更为经济，更易于维修。但是，对于较高温度的外壳体会因使用薄衬里散热多而降低锅炉效率。厚衬里通常由两层或三层构成，总厚度为300～400mm。最里面是一层致密的耐热工作表面，由耐磨砖或耐磨塑料砌筑而成或由浇注料浇注而成，防止受热面受到高温高速运动物料颗粒的磨损。打底的保温材料可减少热损失，降低壳体温度，从而提高整台机组的效率。⒊常用耐火材料的特性目前国内循环流化床锅炉用耐火材料一般按作用可分为三类：①耐磨耐火材料砖、浇注料、可塑料和灰浆；②耐火材料砖、浇注料和灰浆；③耐火保温材料砖、浇注料和灰浆。通常采用的耐磨耐火材料的品种有：磷酸盐砖和浇注料，硅线石砖和浇注料，碳化硅砖和浇注料，刚玉砖和浇注料，耐磨耐火砖和浇注料，最高档次的还有氮化硅结合碳化硅产品等品种。磷酸盐砖是经低温(500℃)热处理的不烧砖，通常在1200～1600℃范围内使用，它在水泥窑上应用已有多年，早期的循环流化床的设计材料大部分采用磷酸砖和磷酸盐浇注料。当时国家建材行业制定了一种磷酸铝耐磨砖标准，而其他行业没有制定耐磨材料的标准，尤其循环流化床锅炉用耐火材料，更是少有人知道和研究。由于循环流化床锅炉是在850℃～900℃45 范围内运行，在这种温度下，该耐火材料物理性能不稳定，耐磨性能得不到充分发挥。磷酸盐浇注料的理化性能与砖相同，所不同的是它的施工比较复杂，受环境限制。虽然磷酸盐材料在循环流化床锅炉上使用有它的不足，但是它的价格能使用户接受。耐火材料耐火度℃空隙度%体积密度g/cm3常温耐压强度MPa常温抗折强度MPa耐磨耐火砖1770192.4696.3耐磨耐火浇注料1750202.7371.9(1000℃，3h后)15.3(1000℃，3h后)耐磨耐火可塑料>17902.85113.6(1000℃，3h后)22.5(1000℃，3h后)耐火材料热膨胀率∕%热震稳定性∕次耐磨性(1000℃，3h后)∕cm3热导率∕W/(m·K)耐磨耐火砖0.53(1000℃)1100℃～空冷31次无裂缝9.51.278耐磨耐火浇注料0.32(1000℃)1100℃～水冷30次无破损碎裂现象7.21.211耐磨耐火可塑料0.56(1000℃)1100℃～水冷30次无破损现象5.41.271硅线石是一种优质耐火原料，通常加入到耐火材料中能使荷重软化温度提高100～150℃，耐火材料起变化的温度是1450～1600℃，硅线石砖成型烧结温度达到这一温度，因此硅线石砖在循环流化床锅炉上使用是一种理想的耐磨耐火材料。但是硅线石浇注料因循环流化床燃烧达不到这个温度范围，硅线石的耐磨性就不能充分发挥出来。另外，硅线石材料价格较高，增加了使用者的成本，这些影响了硅线石浇注料在循环流化床锅炉上的推广应用。碳化硅制品在高温无氧化气氛下使用具有较好的耐磨性和很好的热震稳定性，在一定的温度下烧结其表面能形成一层釉面保护层，主要原因是循环流化床燃烧中带有少量氧化气氛。但价格较高。刚玉制品在循环流化床锅炉上的使用品种有白刚玉、高铝刚玉和棕刚玉。刚玉的主要性能是耐火度高、体积密度高、耐磨性能好，但它的热振稳定性差，这给循环流化床锅炉使用带来的困难。刚玉质浇注料在使用过程中经常出现塌落现象，原因就在于锅炉运行中压火、提火现象较多，较短时间内温度变化频繁，造成耐火材料使用寿命缩短。另一个因素是锅炉使用温度低，耐火材料达不到烧结温度，耐磨性得不到充分发挥。国内某耐火材料厂生产的用于循环流化床锅炉的耐火材料的性能见表8-1。其中耐磨耐火砖有成分为33.06%SiO2、1.23%Fe2O3、63.72%Al2O3；耐磨浇注料的成分为11.02%SiO2、1.18%Fe2O3、81.85%Al2O3；耐磨可塑料的成分为11.44%SiO2、0.88%Fe2O3、80.34%Al2O3。表8-1国内某厂生产的耐火材料的性能 第四节影响循环流化床锅炉受热面磨损的主要因素影响循环流化床锅炉受热面磨损的因素较多，主要有物料循环形式、运行的参数、燃料性质、床料特性、受热面的特性等。为指导设计和运行，下面就主要影响因素进行讨论。图8-9循环流化床锅炉炉内的总体气固流动形式(a)单侧回料(b)双侧回料 一、物料总体循环形式的影响在循环流化床锅炉中，受热面的磨损与流经其表面的固体物料运行形式密切相关，45 因此要了解炉内受热面的磨损情况，不仅要分析流经受热面的固体物料的局部运动形式，而且还要分析循环流化床锅炉内物料总体循环形式。炉内物料总体循环形式由锅炉系统的几何形状和各种射流方式所决定，这些射流主要包括布风板送入的一次风、炉膛中部送入的二次风和三次风、燃料给入方式、石灰石给入方式以及循环物料流等。   图8-10单侧回料循环系统物料总体流动形式及易磨损区域 从目前已投运的循环流化床锅炉来看，锅炉系统的几何形状以及配风方式和燃料、石灰石给入方式基本上是相似的，对循环流化床锅炉受热面的磨损影响最大的因素是物料的循环方式。图8-9分别给出了两种目前常见的循环流化床锅炉炉内的总体气固流动形式。图8-9(a)表示单侧回料系统循环方式、(b)表示双侧给料系统循环方式。从图8-9中我们可以看出，两种不同回料方式下循环流化床锅炉内的总体气固流动形式是完全不同的，由此我们也可推得其受热面的磨损情况也有很大差别。图8-10给出了单侧回料循环流化床循环物料的总体流动形式，在循环物料的转弯处，大颗粒物料产生偏析，因而使图中剖面线部分的磨损较为严重，因此在设计循环流化床锅炉时，这些区域应加强防磨处理。二、运行参数的影响以下分别讨论循环流化床锅炉的主要运行参数床温、气流湍流强度和烟气速度对受热面磨损的影响。⒈床温的影响循环流化床锅炉运行床温直接影响着烟气的温度和受热面的温度，当运行中床温升高时，烟气温度和受热面温度随之升高，反之亦然。一般情况下，循环流化床锅炉的床温在800～950℃之间，即使床温超出其运行温度上限，但也不会超出飞灰颗粒的软化温度。也就是说，床温变化不会影响到飞灰的硬度，也不会影响其外形。因此，飞灰本身的磨损性能基本不随床温的升高而发生变化。对于循环流化床锅炉，虽说床温的变化不会影响到飞灰的磨损性能，但温度的变化势必影响到受热面管壁温度，管壁温度的变化将在很大程度上影响到金属材料的机械强度。管壁温度对金属材料表面的影响主要表现为：（1）管壁低于露点时，将产生酸腐蚀。（2）在室温条件并有氧气存在时，表面出现氧化膜，主要由γ-Fe2O3组成，或由γ-Fe2O3及20%Fe3O4+80%Fe2O3的混合物组成。（3）在80～120℃壁温范围内，氧化膜基本上由γ-Fe2O3组成。（4）在130～250℃壁温范围内，氧化膜由α-Fe2O3组成。（5）在250～300℃壁温范围内，氧化膜的α-Fe2O3出现磁性。（6）在300～350℃壁温范围内，氧化膜分别由两层α-Fe2O3及Fe3O4所组成，在两层之间有一层很薄的γ-Fe2O3相隔开。（7）当壁温大于350℃以后，这些氧化层的相互厚度产生变化。图8-11受热面温度对磨损的影响显然，金属壁面的耐磨性与壁面形成氧化膜的厚度及其硬度有密切的关系，通常当金属壁面形成三层氧化膜时，和空气接触的最外层为Fe2O3，该层很薄；中间层为Fe3O4；而最里层为FeO。三种氧化膜的硬度相差很大，其中Fe2O3硬度最高，为11450MPa；Fe3O4次之，为6450MPa，硬度最低的是FeO，为45 5500MPa。而管材的硬度大约为1400MPa。如图8-11所示，一般情况下，循环流化床锅炉受热面的壁温与磨损在管壁温度接近400℃一个很窄的范围内发生突变。当壁温低于此温度时，氧化膜还没有形成，磨损速率较大，但基本不随温度而发生变化。达到此温度时，受热面的磨损急剧降低，这主要是因为在此管壁温度下，管壁表面形成一层氧化膜，硬度急剧增加使磨损量降低。当壁温继续增加，由于热应力的产生，同时氧化膜和金属的热膨胀系数不同以及高温腐蚀的影响等，磨损量又会有所增加。⒉气流湍流强度的影响到现在为止，湍流强度对颗粒冲蚀磨损影响的试验较少。Humphrey等人曾运用数值模拟方法初步研究了湍流强度对含灰气流冲蚀磨损。计算结果表明，随着湍流强度的增加，颗粒对壁面的碰撞频率因子下降；同时，壁面的磨损量也随着湍流强度的增加而减少。产生这种现象的原因可解释为：随着湍流强度的增大，颗粒的湍流扩散作用加强，致使一部分本来应和壁面碰撞的颗粒受湍流脉动的影响而远离壁面，所以碰撞频率因子下降，冲蚀磨损量也随之而减少。应该指出，由于目前尚缺少湍流强度影响冲蚀磨损的进一步深入的实验研究数据，因此还未能工程实际计算中考虑这种影响。⒊烟气速度的影响试验结果表明，冲蚀量和烟气速度ug之间存在下述关系，即冲蚀量正比于ug的n次方，其n值的大小与灰粒的性质、深度和粒度等因素有关。表8-2给出了不同的研究者对n值的实验结果。表8-2不同研究者得出的n值的实验结果研究者n值浙江大学n=3.78(dp=50μm)；n=3.30(dp=100μm)；n=3.15(dp=200μm)古山雪和小村重德n=3.0～3.5(ug=10～20m/s)；n=4.2～4.3(ug=30～40m/s)Laitonen=3(数值计算)三菱重工业公司n=3.52(ug=8～30m/s)综合上述资料，可以认为n＞3。在烟速9～40m/s的范围内，n=3.3～4.0；低速时可用n值的下限。磨损量与烟气速度成n(n＞3)次方关系的原因可解释为：冲蚀磨损之所以能产生，关键在于灰粒具有动能，颗粒动能与其速度的平方成正比，不但如此，磨损还与灰浓度(灰浓度又与速度的一次方成正比)、灰粒的撞击频率因子和灰粒对被磨损物体的相对速度有关。若近似认为烟气速度和颗粒速度相等时，则磨损量就将和烟气速度的3次方成正比，烟气速度的提高，会促使上述有关因素的作用加强，从而导致冲蚀磨损的迅速增加，所以烟气流速越大时，n值也越大。三、燃料特性的影响奥斯龙公司总结其已投运的循环流化床锅炉的运行经验认为，受热面的磨损与燃料的特性密切相关。该公司根据燃用不同燃料对循环流流床锅炉受热面的磨损情况把燃料分为以下五类。（1）无磨损燃料：运行中受热面不产生可视和可测的磨损；（2）低磨损燃料：受热面防磨保护元件的局部维护不少于2年；（3）中等磨损燃料：受热面防磨保护元件的局部维护不少于1年；（4）高磨损燃料：受热面防磨保护元件每年必须进行维护和更换。（5）严重磨损燃料：受热面防磨保护元件甚至受热面本身的维护周期少于12个月。不过到目前为止，尚未提出一套根据燃料分析特性来预测受热面磨损特性的方法，在这方面还须进行大量的研究工作。对于用户来说，可行的方法是将所用的燃料在循环流化床燃烧试验台上进行受热面磨损试验，以确定该种燃料对受热面的影响程度，从而为循环流化床锅炉的设计提供依据。另外，对于已运行的循环流化床锅炉，应注重观察其各部位的磨损情况，及时进行修补。同时根据实际运行的燃料特性，合理地确定大修周期。四、床料特性的影响⒈床料料径的影响45 受热面的磨损量与床料直径大小有关，床料直径很小时，受热面所受的冲蚀磨损小。随着床料直径的增大，磨损量随之增加，当床料直径大到某一临界值后(该临界值为0.1mm)，受热面磨损量几乎不变或者变化十分缓慢。对于这种现象的解释众说纷纭，一般认为，在相同的颗粒浓度下，颗粒直径越大，单位体积内颗粒数就越少，虽然大颗粒冲刷管壁的磨损能力较大，但由于冲刷到壁面的总的颗粒数下降，故材料的磨损量仍变化不大。循环流化床锅炉的床料由不同粒径的颗粒所组成，Lindsley等人专门设计了一套循环流化床锅炉床料对金属壁面的磨损试验装置，试验结果表明金属壁面的磨损速率由床料分布中重量百分比最大的那部分粒径的床料所决定。浙江大学对冲蚀磨损时磨损量和颗粒直径的数值试验结果如图8-12所示。图8-12冲蚀磨损时磨损量与颗粒直径的关系 ⒉颗粒形状的影响一般认为，带有棱角的颗粒比近似球形的颗粒更具有磨损性，一些冷态试验的结果也证明了这一点。但是用砂做床料的鼓泡流化床锅炉的运行经验表明，尽管随时间的增加床料的球形度增加，但受热面的磨损速率并不随时间的增加而减少。不过在目前缺乏大量准确的试验结果的情况下，较为保险的方法仍是认为随着颗粒圆度的增加磨损量在减少。⒊床料硬度的影响床料硬度对磨损的影响到目前为止也很难确定。颗粒硬度对磨损的影响的一般趋势如图8-13所示，当颗粒硬度接近或高于被磨材料的硬度时，磨损率迅速增加；此后，图8-13颗粒硬度对磨损的影响 颗粒硬度再继续增加则对磨损影响不显著。对于流化床锅炉，必须引起注意的是床料在炉内停留一段时间后其表面会生成一膜层，其硬度要大大高于新鲜床料的硬度，因此在循环流化床锅炉中，受热面的磨损将主要取决于床料表面膜层的硬度。⒋颗粒成分的影响循环流化床锅炉床料的主要成分为Ca，Si，Al，S等。试验研究表明，含Si和Al成分较高的床料比含Ca和S成分较高的床料对受热面的磨损性更强一些。其原因是各种不同成分的床料其强度是不同的。含Ca和S成分高的床料，强度较低，撞击后易破碎，从而对受热面的磨损较轻。此外，Ca和S含量高的床料可使受热面表面产生较厚的保护层从而降低磨损。五、受热面特性的影响⒈受热面材质的影响（1）材料硬度：被磨材料的磨损不仅与颗粒的硬度Hp有关，而且更主要的是与被磨材料的硬度Hd和颗粒的硬度Hp之间的比值有关，当Hd/Hp比值超过一定值后，磨损量便会迅速地降低，即当Hd/Hp≤0.5～0.8时为软磨料磨损。如属这种情况，增加材料的硬度Hd便会迅速地提高耐磨性。（2）热物理性能：另一类引人注意的实验结果是材料的热物理性能与它们抗冲蚀性能之间存在的内在联系。试验表明，材料抗冲蚀能力与熔点有关。因高速粒子冲击到金属表面后会使局部表面强烈受热，所以除了应考虑材料熔点外，还应注意其他热物理性能(如热容量、热导率等)45 ，如果从能量观点出发，把冲蚀单位体积金属所消耗的入射粒子动能视为比冲蚀能量Ec(J/mm3)，它与比熔化能量Em(J/mm3)间呈线性关系。⒉受热面结构布置的影响以下就循环流化床锅炉炉内浓相区处于鼓泡流态化状态下管束结构对磨损的影响进行讨论。（1）管束结构：管束结构的排列有顺列和错列两种形式，它从两个相关的方面影响磨损过程。以密相床层中的横埋管束为例。第一，管束的置入将整个床层分割成若干小区域，乳化相必须穿过管束的空隙流动，形成乳化相的沟流。有人认为，管束的局部磨损速率与沟流速度的关系比与表观流化速度的关系更为密切。因此，按顺列布置的管束，流动截面宽，沟流速度低，磨损程度应低于错列的管束。例如，美国田纳西州的20MW常压流化床燃烧装置原采用B&W公司设计的错列蒸发管束，磨损严重，后经两次改造，最终采用了顺列方式。其二，是由于管束的存在抑止了气泡的生长过程，一般认为顺列管束对气泡生长的影响相对要小，而错列管束更易于使大气泡破碎，但是当横向节距很小时，错列管束会限制固体颗粒的流动。在Grimethorpe的试验中曾发现，采用小节距的错列管束时，床层上下的温度梯度很大，这表明穿过管束的乳化相循环运行受到阻碍，管束磨损较轻，后来增大了管束的节距，上下温差得到减小，但磨损量增加了。东南大学在常压流化床装置上所做的冷态模拟试验也表明，随着管束横向节距的增大，顺列管束的磨损速率经历了一个大于、等于、最后小于错列管束的变化过程。综合各方面的因素，并总结现有的运行数据，横埋管宜用顺列结构。对管束磨损影响较大的另外两个重要的结构参数是横向节距s1和纵向节距s2。试验表明，s1增大有利于气泡绕过管子底部，相对降低了气泡与埋管碰撞的几率，导致管束底部一、二排管的磨损显著减轻；对上面各排管来说，则因前排管对气固两相流动的阻碍和扰动，造成流形的紊乱和气泡的生长受到抑制，从而使得s1的影响逐渐减弱，而顶排管的磨损速率可能会变大，这给管束的维修带来不便。可通过适当地提高管束距风帽的安装高度，或减小底排管的横向节距s1来避免这种情况的出现。当管束的安装高度不变时，纵向节距s2对底排管的磨损几乎没有影响；只有s2的增加幅度较大时，上面各排管的磨损才有明显地加剧。原因是气泡在管束中的纵向自由行程随s2的增加而变大，促使气泡继续长大和加速，从而加剧了磨损。（2）管束布置：在管束布置对磨损的影响中，底排管距风帽小孔的距离(L)和管子的安装倾角(θ)是两个关键的参数。从文献资料来看，几乎所有的试验都表明，随着距离L的增加，磨损显著地加快。对管束而言，距离L的变化对底排管磨损的影响最大，尤其是对离开炉墙较远的底排管磨损的影响更为突出。显然，L的增大意味着管束底部无埋管区的气泡自由上升行程变大，这使汽泡到达底排管时能够得到充分地长大和加速，且汽泡在上升过程中伴随着趋于床层中心的横向运行，故而出现上述磨损的变化情况。同样，L的增大也会使上面各排管的磨损有所增加，但因管束对气泡生长的抑制作用，其影响逐排减弱。另外，在距离L较低和横向节距s1不太小的情况下，由于尚未充分发展的小气泡容易绕流过底排管而继续上升、长大和加速，往往导致第二排或第三排(当s1较小时)管件的磨损最为严重。热态试验也证实了上述影响规律。例如，在英国Grimethorpe的中试装置上曾发现，当距离从900mm降至600mm时，底部管件的磨损明显减弱，而上部的管件基本上未受影响。据此，从防磨和充分利用流化床的传热空间来考虑，应尽可能降低管束的布置高度，但应避免处于风帽和各种底部喷口射流的有效射程之内，同时还要留有适当的检修空间。大量的试验数据和运行经验表明，埋管的安装倾角也是一个影响磨损的重要参数。根据对气泡运动路径的观察发现，上升的气泡容易附着在倾斜或垂直的管件表面，并沿表面迅速地向上滑移，形成气泡在床层中的短路效应，结果往往造成管道的弯头和与垂直管件毗邻的横埋管磨损严重。试验表明，当倾角在30°～60°范围内，管件的安装倾角越大，短路效应越明显，气泡沿管件造成的磨损也就越明显；试验还发现，在有低频(2～3Hz)扰动的管束的垂直支撑件的表面，吸附气泡的滑移速度加快，频率升高。为了阻止气泡在倾斜或垂直管件表面的快速滑动，可沿管面横向加焊环形鳍片，同时增加支撑件的刚度，消除低频振动。实践证明，这样可以有效地降低磨损。  45 第五节循环流化床锅炉的防磨技术和措施 由于循环流化床锅炉固有的特性，其对设备的磨损是不可能完全避免的，为了保持锅炉长期安全稳定运行，就需采取必要的防磨技术和措施，防止磨损，以延长设备的使用寿命和检修周期。针对以上循环流化床锅炉的磨损机理及磨损状况，对循环流化床锅炉采取的主要防磨技术与措施除要研究锅炉的检修周期，及时对锅炉的承压部件进行检查处理，消除所有的凸台和不平滑外，主要还有材料防磨、结构防磨和运行防磨。一、材料防磨材料防磨主要指选择合适于流化床锅炉使用的防磨金属和非金属材料、喷涂料，或采用金属表面渗氮处理的材料进行防磨。1．选择适合于循环流化床锅炉使用的金属材料防磨为了降低成本，提高经济性，锅炉用材料都要经过技术经济比较，选择性能价格比较好的材料，当然还要考虑运行的安全性。一味地保守而选用价格昂贵的材料，会使锅炉的造价提高而失去市场的竞争力；相反，一味地追求锅炉低廉的造价，而采用成本较低的材料，则必然失去锅炉运行的安全性。对会产生严重后果、易出故障的部位则应当使用余量足够的材料。虽然每个循环流化床锅炉制造厂家有不同的优化选材方法，但都应遵循以下的原则：（1）低碳钢和合金钢用于氧化性气氛下的传热耐压件和其他结构件。（2）耐火材料用于腐蚀性或还原性气氛的区域，包括燃烧室底部、旋风分离器和某些部件，例如循环回路的料封和流化床换热器的壳体。（3）锅炉大型部件(例如旋风分离器和燃烧室)之间采用调节胀差的膨胀节连接。在循环流化床锅炉中，碳钢和合金钢最重要的用途是制作锅炉的承压管，这些管子通常以各种复杂的结构布置，包括：（1）膜式水冷壁(或汽冷)。（2）过热器、再热器、省煤器对流管束。（3）用于支撑管束的吊挂管。（4）较特殊的管子，包括流化床换热器管束、燃烧室上部的悬挂屏、燃烧室内的管屏(屏式受热面)、水冷风室、水冷旋风分离器。从大多数循环流化床锅炉受热面管材应用的情况看，膜式水冷壁、省煤器受热面和低温过热器都选用低碳钢，而金属壁温较高的过热器和再热器有选择性地选用价格较贵的合金钢。另外，针对流化床锅炉的特点，还应该注重开发用于循环流化床锅炉的专用材料，如中科院金属研究所研制的新型材料——铁铬硅合金。该材料在湖南益阳石煤试验电站35t/h流化床锅炉上经过不少于20000h的挂片试验，证明具有良好的高温抗磨耐蚀性能。由于其所含的主要成分Cr在高温下在合金表面能很快地生成一层Cr2O3氧化层，该膜层与基本材料结合得很牢，且十分致密，使表面的氧、硫等元素以及其他的腐蚀性物质难以侵蚀到基体材料。此外，元素Si对铁素体有强化作用，在高温氧化介质中，合金中适量的Si会在表面形成一富含Si的氧化层。Cr和Si的复合氧化层在高温下起到了良好的抗磨抗腐蚀作用。测试表明，复合氧化层的显微硬度达到8130MPa，而氧化层下面的合金基体硬度只有4344MPa。2．选择合适于循环流化床锅炉的耐火材料防磨耐火材料在循环流化床锅炉中的应用很普遍，其防磨作用主要表现为：（1）耐火材料在还原性气氛中比钢耐腐蚀，因而在燃烧室底部的还原区通常衬以耐火材料制品。（2）埋有焊接件的耐火材料比较容易制成特殊形状如旋风分离器和循环回路的料封等，而环型膜式壁却较难制造。（3）安装的耐火材料是很厚的浇注件或砖，是防止磨损、成本低廉的阻隔层。3．采用金属表面热喷涂技术防磨金属表面喷涂能防止磨损和腐蚀有两个方面的原因：①涂层的硬度可能较基体的硬度大；②涂层在高温下会生成致密、坚硬和化学稳定性更好的氧化层，且氧化层与其基体的结合更牢。45   图8-14国内最早采用的流化床埋管防磨鳍片结构图瑞典的研究人员曾在Chalmers大学的16MW常压流化床燃烧装置上对几种商用化喷涂技术的防磨效果做过验证。经过约5000h的运行试验，发现有三种材料的涂层完整无损，其中第一种涂料(Metcoloy2)的主要成分为Fe-13%Cr-0.35%；第二种涂料(Metco101)的成分为Al2O3-2.5%TiO2；第三种涂料(Metco2185)的成分是Fe27%Cr-6%Al-2%Mo。由冶金部北京钢铁研究所总院研制的Ni60埋管热喷涂料被用在山东兴隆庄煤矿的某台10t/h流化床锅炉上，经过13000h的运行试验，证明其防磨防腐的效果很好。ABB-CE公司曾对镍-铬喷涂材料和碳化钨喷涂材料应用于循环流化床锅炉受热面的防磨进行了试验，结果表明，所用的镍基喷涂材料的效果不明显，而碳化钨喷涂材料效果较好。4．其它表面防磨处理技术防磨图8-15国外流化床锅炉所采用的埋管防磨结构 除金属表面热喷涂技术外，还可采用其它表面处理技术来达到受热面的防磨效果。如英国煤炭公司的煤炭研究所(CRE)曾对流化床埋管表面进行渗氮处理，经过1500h的运行试验发现，受热面没有产生磨损，CRE正在对渗氮处理金属表面的防磨特性进行更长运行时间的测试。二、结构防磨⒈防磨鳍片防磨鳍片是我国工程技术人员在实践中首创的一种简单而有效的防磨方法。图8-14所示为国内最早采用的流化床埋管防磨鳍片示意图。这种方法最早应用于江门甘化厂流化床锅炉的斜埋管上，经过6926h的实际运行，埋管本身未受到磨损。此后在国内制造的鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉上大量应用了防磨鳍片。通过对鳍片管周围气―固两相流动的研究发现，鳍片有两个方面的防磨作用：一是阻碍气泡与埋管表面的直接接触，减轻了气泡尾涡粒子对表面的冲击；二是隔断了颗粒沿表面的滑动，导致埋管表面的颗粒流化强度相对减弱，部分地消除了表面的周期性气隙现象及由此产生的锤击效应。图8-16竖直埋管的一种鳍片焊接方式图8-17鳍片管和光管沿循环流化床高度磨损量的变化规律图8-15为国外流化床锅炉所采用的一些埋管防磨结构。其中(a)为英国Grimethorpe的PFBC中试装置所采用。研究人员分别在45°的位置上沿埋管表面焊上4根10mm高的矩形鳍片，结果使得埋管磨损速率降低到原来的1/5～1/3。美国FW公司对鳍片的防磨作用也做过大量的研究，目前他们所用的鳍片结构如图中(b)所示，顶部鳍片是起平衡作用的，以免管道受热时向上弯曲。在底部的三根鳍片之间还装有直径约为10mm的半球形销钉，其中心距约14mm。装有球形销钉的管子最大的磨损速率为0.076m/1000h，仅为光管的1/10。图8-15中(c)45 为日本川崎重工所采用的埋管防磨结构为埋管表面加防磨罩，在冷态试验基础上，他们将加防磨罩的埋管在流化床锅炉中进行了8000h的热态试验，结果表明防磨效果良好，埋管表面本身仅产生轻微的磨损，8000h最大磨损量0.1mm。图8-15中(d)、(e)、(f)结构为美国乔治城大学的45t/h流化床锅炉所采用，5000h热态试验表明埋管防磨措施是有效的。图8-18采用局部档板改变物料流动来实现交界处管壁的防磨 尽管鳍片能减轻埋管的磨损，但热态试验发现，某些碳钢鳍片自身的磨损很严重，运行一段时间后便失去了防磨作用。由于鳍片的冷却效果不及管壁，容易出现高温氧化脱皮的现象，故对鳍片材料的耐热性能有一定的要求。此外，还发现埋管的弯头部分磨损很明显，在这些部位可用图8-16所示的环形鳍片。 针对循环流化床锅炉的特点，浙江大学进行了循环流化床锅炉中鳍片管的防磨试验研究，采用石蜡管作为模拟埋管。运行8h后，鳍片管与光管在距布风板不同高度处的磨损量如图8-17所示，试验时床料粒径为0.5～1.5mm，静止料层高度为200mm，截面风速为7m/s。试验研究表明，加鳍片后管子的磨损量明显下降。⒉采用挡板结构防磨英国煤炭公司的煤炭研究所(CRE)最早开始从事改变该区域的流体动力特性来达到水冷壁管防磨的研究工作，冷态试验表明壁面处向下流动的高浓度的固体物料流过管壁磨损有重要影响。因而他们提出在水冷壁管上加焊挡板（图8-18）来破坏向下流动的固体物料流，从面达到水冷壁管防磨的目的。运行经验表明，采用这种措施后水冷壁管的磨损大大减轻。Stockton49.9MW循环流化床锅炉上采用相似结构后，磨损速率降低到0.35mm/1000h，虽然这样的速率尚不足以被工业界所接受，但可以作为一种定期的维护和修补方法。另外还可以通过改进挡板的设计方法得到更低的磨损率。⒊改变易磨部位局部结构防磨 图8-21过热器的Ω管屏截面示意图  图8-19水冷壁与耐火材料交界区域的三种不同设计(a)初始设计(b)改进设计一(c)改进设计二图8-20改变水冷管的几何形状  （1）改变水冷壁与耐火材料交界区域局部流体动力特性的方法见图8-22。主要是通过改变交接区域的几何形状。图8-19中(a)为初始设计；(b)为改进设计之一，即减小耐火层的锥角，使过渡区域变得更平坦一些；(c)为另一种改进设计，使耐火层过渡区域变得更陡，通常采用一块挡板来实现，而后依靠床料的自然堆积来改变物料流动方向。试验表明，采用上述两种方法实用上效果都不大。在前一种方法中，实际施工很困难；同时耐火材料层太薄，容易剥落。在后一种方法中，水冷壁管的磨损仍然较为严重，只不过是管壁的磨损区域比初始设计略为上移了一段距离。（2）改变水冷壁管的几何形状，耐火材料结合简易弯管使耐火材料与上部水冷壁管保持平直，如图8-20所示。这样固体物料沿壁面平直下流，消除了局部产生易磨区。国外的一些主要循环流化床制造公司几乎在同时各自独立提出了这种设计。⒋炉内受热面采用防磨管结构循环流化床锅炉炉内受热面的磨损严重影响锅炉的安全经济运行，如德国杜易斯堡第一热电厂的267t/h循环流化床锅炉的炉内屏式翼形蒸发管曾受到严重磨损，运行3500h后管壁磨去4.6mm，发生爆管。此后在易磨管子上加装不锈钢防磨罩，使管壁磨损大大降低，但运行25000h45 后又发生爆管。如图8-21所示为奥斯龙公司开发的Ω管屏的截面图，Ω管屏由外壁为平面的管子以纵向连续焊接而成，这样管屏的平表面使问题得到很好地解决。除Ω管外，炉内受热面还可采用的防磨管有平底管、方型管等。采用上述的防磨结构处理以后，炉内受热面管壁的磨损大大下降，但循环流化床锅炉的运行经验还表明，在炉内受热面设计时要尽量避免屏的进出汽(或水)管位于或接近炉膛至分离器的出口截面上，否则进出汽(或水)管的磨损会很严重，如美国纽克拉电站的420t/h循环流化床锅炉。⒌对流受热面的结构防磨（1）在烟道转弯处加装导向档板，降低烟气流动速度场和飞灰浓度场的不均匀性，以防止局部严重磨损。（2）在受热面的管束布置结构上，尽量采用顺列布置而不是错列布置。（3）尽可能地采用上行烟气流动结构。（4）采用膜式省煤器或鳍片式受热面结构。（5）管束前加假管。（6）局部易磨损处采用厚管壁。三、运行防磨运行中磨损原因有如下两点：（1）当运行中颗粒组分中粗颗粒较多时，燃煤粒径分布达不到循环床锅炉的要求，粒子循环量小，粗颗粒将沉浮于燃烧室下部燃烧，造成密相床燃烧份额过大，炉床将超温结焦。运行中为避免结焦，减少给煤，会造成锅炉达不到设计蒸发量。为防止粗颗粒煤沉低而引发事故，通常采用大风量运行；不仅在额定负荷下风门全开，而且在低负荷时也不关小风门。这种大风量运行方式，不仅引起烟气量、烟温的变化，还会因大风量而造成扬析量增大、密相床燃烧份额下降、飞灰浓度增加等变化。同时，通过对流受热面的烟气流速上升，烟气中粒子尺寸增大，急剧加速了受热面的磨损。（2）运行时如果颗粒组分中细颗粒比较多时，则床层不易建立，密相床的温度难以维持，即使能维持密相床的燃烧温度，较细的颗粒也将被扬析，加大尾部受热面的磨损，同时也难以保证锅炉烟气出口的粉尘排放要求。因此，在运行中应注意控制风量，降低烟气的流速，控制床料及煤粒的筛分比，减少灰粒子浓度和粒子直径，以减少磨损。45'