循环流化床垃圾焚烧锅炉倾斜布风流化特性分析

刘亚军， 魏 刚

(河北省电力研究院，石家庄 050021)

1 概述

传统流化床锅炉的布风方式是采用水平布风板上开设风帽，在布风板上开排渣孔，下接排渣管。由于垃圾成分复杂，垃圾中不可燃的无机物质(如金属、玻璃、大砖、石块等)易分离沉积在床底，传统流化床不易将此类沉积物排除，容易导致流化不良，使系统难以稳定运行。要保证流化床焚烧锅炉稳定运行，必须使可能影响流化的物质得到充分处理，达到该目的途径有2种：通过垃圾预处理装置使垃圾满足流化床焚烧的需要；通过对流化床焚烧锅炉结构的特殊设计使流化床中沉积物顺利排出。采用第1种途径很难适应我国的国情，而采用倾斜布风、分区不均匀供风等形式的流化床可改善排渣情况，但会增加运行难度。以下针对流化床垃圾焚烧倾斜布风方式在河北承德环能热电有限责任公司的应用及特性进行分析。

河北承德环能热电有限责任公司锅炉为UG75/4.2-M型循环流化床垃圾焚烧锅炉，采用单炉筒、自然循环、膜式水冷壁、蜗壳式绝热旋风分离器、U形返料器、外置高温过热器等技术结构。该锅炉适用于生活垃圾、秸秆和煤混烧，产生的蒸汽用于发电、供热。该循环流化床锅炉配一次风机、二次风机、返料风机、烟气再循环风机、返料器、布袋除尘器。布风板位于水冷风室顶部，倾斜布置，布风板安装“蘑菇型”风帽，炉膛中部设有排渣口。该电厂循环流化床垃圾焚烧锅炉床面见图1。

图1 循环流化床垃圾焚烧锅炉床面

2 圾焚烧锅炉临界流化风速试验

2.1 试验原理

通过对锅炉进行一定料层厚度下空气动力场试验，测试流化床的料层阻力，找出临界流化风量；绘制出风量与料层差压关系特性，为锅炉的启动运行及燃烧调整提供参考资料。

2.2 试验设备与试验条件

该试验主要采用锅炉自身压力与风量测量装置。改变风量后，通过DCS数据采集系统，对锅炉料层差压，流化风量进行实时监测记录。在试验前，要求准备好足够粒度≤10 mm的底料(炉灰渣)并且按要求料层高度(厚度，该次试验料层高度为400 mm和550 mm)，均匀铺撒在锅炉床面上。

2.3 试验过程

通过逐渐加大流化风量，记录料层差压和流化风量(在锅炉设计流化风总量之内)，绘制二者之间的曲线关系。图2为河北承德环能热电有限责任公司倾斜布风板料层差压(床层压降)特性曲线。

图2 倾斜布风式床层压降特性曲线

3 试验结果分析

3.1 床层压降特性

通过分析试验结果，可以把倾斜布风板床层压降特性曲线(图2)简化为图3。倾斜布风作为一种适合垃圾焚烧的布风方式，倾斜布风流化床床层压降随床层截面风速(风量)的变化曲线与均匀布风流化床基本相似，因此倾斜布风流化床的临界流化风速(风量)也可通过测量床层压降变化曲线来求解。把床层压降为最大(ΔPmax)的风速作为临界流化风速，把达到基本稳定时的床层压降作为倾斜布风流化床流化时的料层阻力，即ΔPs。

图3 倾斜布风流化床床层压降特性示意

分析图3可知，随着风速的增加，倾斜布风流化床的床层压降变化可分为3个阶段：

a. 0-A 阶段，床层处于固定床的状态，床内颗粒保持静止，空隙率和床高基本保持不变，此时床层压降随表观风速近似成线形增加，直到床层压降增加到一定数值ΔPmax时(图中A点)，床层突然“解锁”，此时的表观风速即为临界流化风速 umf；

b. A-B阶段，随风速的增加，床层压降反而下降，直到出现较为稳定的数值ΔPs(图中B点)，此时风速为 us,这一阶段为流化过渡阶段，可以看作是死区的缩小过程；

c. B-C 阶段，当风速大于us时，再增加风速，床层压降基本保持不变或变化趋缓(B-C),该阶段主要表现为喷动鼓泡流化特征或湍流流态化特征。

3.2 物料循环特性

倾斜布风流化床和普通均匀布风流化床具有相似的流化特性：都有一个明显的临界流化风速umf，当风速达到umf时,床层开始流化； 当运行达到稳定时，床层压降基本为一常数。 根据此类流化床炉内循环特性，建立如图4所示倾斜布风板物料平衡示意。

图4 倾斜布风板物料平衡示意

由图4可以看出，倾斜布风流化床也表现出自身的一些特殊性：

a. 倾斜布风流化床床内，流动相对较为简单、有规律，并表现出较明显的区域特征。因其布风板，床上一定范围内气体的分布并不均匀，中间区域的气体流速要高于两侧区域气体流速，中间颗粒随迅速上升的气流(气泡)上升，流化区内空隙率较大，而正常循环区两侧由于风速相对较小，颗粒密度较大，并呈向下移动状态。正常循环区和倾斜循环区之间发生剧烈的颗粒交换。具体特点为：随着气体流速(或进风量)的增大，颗粒循环的速度加快；倾斜循环的存在，说明倾斜布风流化床床层截面风速大于临界流化风速到一定程度(如普通风帽型布风板式流化床截面风速大于最低允许流化风速，u0>(1.5～2)，umf并不能保证流化良好。所以在运行中应尽量避免这种情况出现，否则会导致结焦等严重问题。当风速增加到一定程度时，床层的上部区域将变成正常循环区，流化变得均匀，类似湍流床的形态。

b. “解锁”时料层阻力明显比流化后料层阻力高。试验发现倾斜布风流化床ΔPmax要比ΔPs高出一定的数值，“解锁”时瞬间前后流化区域的实际料层厚度发生改变，即正常循环区域的床料部分被迅速推向移动循环区域，正常流化区实际料层厚度的变化愈明显，即气流短路越严重、流化质量越差。

c. 移动循环区的存在有一定的能量损耗，使床层差压有所上升(严格意义上说，此能耗不能算作床层差压，只是在实际操作中，把它归结到床层差压)。具体表现为：当u0>us，随风速的增加表现为较为明显的下降趋势，而有气流对冲时则表现为微升或微降趋势。有倾斜循环区时，随速度的增加，尽管此时移动区域对上升气流的阻力也减小，但气流的能量损耗也随之增加，导致床层差压有微升或微降趋势。

d. 倾斜布风流化床区域特征有利于垃圾在床层内的混合及低热值垃圾的焚烧。垃圾的可燃成分都是轻性物质，在普通均匀布风流化床内轴向很难均匀混合，往往漂浮在床层表面，导致垃圾的可燃成份在床层内的燃烧份额较低。这对垃圾的焚烧极为不利，一方面不能充分发挥流化床密相区的燃烧效率高的特点，另一方面也使低热值垃圾难于稳定燃烧，需添加一定的辅助燃料。而倾斜布风流化床分倾斜区和正常循环区，在倾斜区内风速很小，垃圾能顺利地随床料沉到床层底部，为垃圾在床内的均匀混合(特别是纵向混合)及高水分垃圾的干燥、焚烧提供了有利条件。

4 结束语

倾斜布风板的回流是由于自身的布置和不均匀布风引起的，它强化了床内物料横向的混合，且由于颗粒在床内运动，重质的不可燃物下沉，沿倾斜布风板移动并排除，可以取得更好的排渣效果。倾斜布风板流化特性有别于普通流化床布风形式，倾斜布风板存在料层差压“波动”区域，该区域多出现在启动、停机和低压负荷运行阶段，当设备在该阶段运行时，运行人员禁止加减煤、排渣操作，要密切关注床层压降变化，并及时加大流化风量(提高锅炉出力)，或做停炉处理。