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1、河北理工大学本科毕业论文开题报告题目： 循环流化床锅炉 燃烧与传热耦合特性分析 学 院： 冶金与能源学院 专 业： 热能与动力工程 班 级： 06热3 姓 名： 甄晓伟 学 号： 200606030311 指导教师： 赵斌 教授 2010年3月31日1 课题研究的背景和意义能源与环境是人类赖以生存和发展的基础。化石能源（主要是煤和石油）的大规模生产和利用在推进社会经济发展的同时也对环境造成巨大的影响：大气烟尘、酸雨、全球变暖和臭氧层破坏正在威胁着人类的生存环境。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，大约有80%以上通过直接燃烧而被利用。由于煤粉燃烧技术的发展还不能很好的解决燃煤造成的环境问题。
2、据统计，我国SO2排放已超过2200万t/a，其中大部分是燃煤产生的，而燃煤电厂产生的SO2又几乎占到1/2。SO2的排放和由其形成的酸沉降是全球范围内的一个重大环境问题。据监测和研究表明，在中国的华南和西南地区已形成大面积的酸雨区，华东地区的降水酸度上升较快，酸雨频率也在增加。显然，控制酸雨污染是我国必须解决的一个重要环境问题。目前，国产大型燃煤机组的标准供电煤耗率一般在370390g/(kWh)。对锅炉机组而言，进口机组的经济性一般要比国产机组的经济性高出46%，煤耗率大约低1525g/(kWh)。另外，火电装机中绝大部分是燃煤机组，由此带来了严重的环境问题，主要有： 不能充分利用劣质燃料
3、（如煤矸石、焦碳、垃圾等）造成矸石山等污染；不易控制污染物（SO2、NOX）排放，造成酸雨、光化学烟雾等问题；灰渣综合利用受限制，如灰场污染等。针对以上问题从20世纪60年代开始， 循环流化床(CFB)燃烧技术以其优越的燃烧稳定性、燃料适应性、调峰能力以及燃烧温度可控制得相对较低，NOX的排放少的特点和优势，近年取得快速发展。随着科技进步，尾部烟气脱硫技术不断成熟，投资和运行成本不断降低，使得CFB在炉内简单脱硫方面的相对优势正在消失。提高燃烧效率和经济性，是CFB燃烧技术必须认真对待的问题,而其中涉及锅炉工作的两个基本过程也就是燃烧与传热。在锅炉中，通过燃烧将燃料的化学能转变为烟气的热能，烟
4、气的热量传递给受热面内的工质，产生符合要求的蒸汽。由于循环流化床锅炉中固体煤颗粒在流化状态下燃烧，气体与固体颗粒、固体颗粒之间以及床层与换热表面之间发生热量传递过程，且存在高浓度的物料循环，其燃烧过程与传热机理与常规煤粉炉有很大的区别。2 CFB锅炉国内外研究现状及发展趋势2.1 国外研究现状流化床锅炉的发展分为两个阶段：鼓泡床锅炉和CFB锅炉。流化床1921年最早出现于德国，应用于粉煤气化，二战期间应用于石油催化裂化，后广泛应用于石油、化工、冶炼、粮食、医药等部门。二十世纪60年代初，“能源危机”的出现使流化床开始应用于煤的燃烧，出现了“流化床锅炉”。国外第一台商业CFB锅炉由芬兰的奥斯龙（
5、Ahlstrom）公司开发，于1979年在芬兰Pihlava投运；紧接着于1982年，由鲁奇（Lurgi）公司开发的、用于燃烧洗煤厂尾料的1台84MW CFB锅炉在德国的Leunen投运。1985年9月，世界上第一台96MW再热式CFB锅炉在德国杜伊斯堡城市电厂投运并获得了成功。近20、30年来，CFB锅炉技术在国外得到了快速发展，经过多年来的发展和整合，目前国外CFB锅炉的生产主要集中在福斯特惠勒奥斯龙（Foster Wheeler&Ahlstrom）公司和阿尔斯通（Alstom）公司旗下的几个子公司中。目前，法国阿尔斯通公司为法国电力公司（EDF）推出了600MWe级的超临界参数循环流化床
6、电站锅炉设计，由西班牙的Endesa Generacion电力公司、福斯特惠勒（FW）公司及芬兰、德国、希腊和西班牙的共六家公司，合作研究发电功率为800MWe的循环流化床电站锅炉（为期三年）。2.2 国内研究现状我国是世界上开发流化床技术较早的国家，早在二十世纪六十年代，我国就开始发展鼓泡流化床技术。八十年代初，全国各主要大学和科研院所全面开展了CFB技术的研究工作。1988年第一台CFB锅炉投产，容量为35t/h，1994年，哈尔滨锅炉厂引进技术生产的两台220t/h CFB锅炉，在大化电厂投运，开始了我国CFB锅炉向大型化发展的进程，1992年起，东方锅炉厂引进Ahlstom技术，在四川
7、内江电厂建设410t/h的CFB锅炉，1996年投产发电，2002年，我国第一台具有全部知识产权的410t/h的CFB锅炉在分宜电厂投运。2003年Ahlstom公司为四川白马电厂提供了一台300MW的机组，这是我国最早开工建设的最大单机容量的CFB锅炉，2005年12月15日投产发电，标志着我国大型流化床锅炉已进入运行阶段，在国家发改委等单位的推动下，该厂正在积极筹备建设600MW等级的CFB锅炉示范工程，预计2009年6月1日开工，2011年6月30日前完成168小时运行，这说明我国在CFB锅炉技术方面，已经由消化、吸收、掌握阶段转向自主创新阶段。2006年，开远、秦皇岛等电厂的300MW
8、CFB机组已相继投入运行。另外，国内600800MW超临界CFB锅炉已设计完成，这标志着国内CFB电站又向大容量、高参数迈进了一大步。此时，国产75t/h及其以下等级的CFB锅炉在技术上已经过关，并已完全取代了这个等级的进口锅炉，已在国内运行的75t/h CFB锅炉达500多台，每年燃用低热值劣质煤（煤矸石、泥煤等）400万吨，既大大节省了能源，又改善了环境，取得了显著的经济、环境和社会效益。此外，在国家相关部门的引导下，130t/h及其以上等级的CFB锅炉已研制成功并相继投运。截至2008年，我国已建成投产8台300MW的大型CFB机组，居于世界一流水平。目前，国内CFB锅炉已进入快速发展和
9、普及阶段，410-440t/h CFB锅炉已趋于成熟。我国已成为世界上CFB锅炉总蒸发量最大和台数最多的国家。2.3 CFB锅炉发展趋势目前，世界各主要工业国家电网中的主力机组是300600MW级的煤粉锅炉机组和核电机组。为提高热效率，各国正积极采用超临界甚至超超临界参数的大容量机组。譬如，早在1985年，美国勃鲁斯电站就有两台1120MW超临界机组投运，可用率达94%；20世纪80年代初期，美国超临界机组投运了170台，占当时总装机容量的25%，单机最大容量为1300MW。截至1999年底，我国300MW级煤粉锅炉机组有215台，500MW级有7台，600MW级有16台，800MW级有2台，
10、其中超临界机组有12台；上海石洞口二厂的两台600MW超临界机组1992年投运，利用率达到91.47%（1994年）。可以预计，发展600MW及以上的超临界、超超临界大容量发电机组，将是21世纪我国火电机组发展的首选方向。显然，循环流化床锅炉要有与煤粉锅炉机组竞争的能力就必须大型化，积极发展300、600及1000MW级的循环流化床锅炉。3 课题研究内容及方法3.1 CFB锅炉燃烧机理在正常工作状态下，CFB锅炉内有大量的惰性物料，燃料仅占物料量的25。一次风通过布风板由锅炉炉膛底部进人炉内，使物料流化。燃料和脱硫剂由给料口进人炉膛密相区下部，被高温物料包围，迅速热解与着火燃烧；二次风在密相中
11、、上部加入，补充悬浮区燃烧需用空气量。CFB内的惰性物料补给来源为燃料和脱硫剂，进人炉膛的燃料为08 mm的宽筛分分布，这样，炉膛内的颗粒在一定的运行烟气速度作用下，存在分层现象，细小颗粒在气流夹带作用下随烟气一次通过炉膛，属于气力输送范畴；大部分颗粒在气流夹带作用下随烟气流上升，并不断聚团和分离，一部分与主气流分离，在壁面附近形成向下的粒子流，构成炉膛内循环，另一部分离开炉膛后被分离器分离后回送炉膛底部；不能被烟气携带的大颗粒则停留在床内。与此相应，燃料在CFB内的燃烧方式主要呈现以下3种形式，第1种为悬浮式燃烧方式：细颗粒燃料被上升气流携带并燃烧，且不能被分离器分离，从而一次通过炉膛，随烟
12、气进入除尘器；第2种为循环燃烧方式：中等颗粒燃料被上升气流携带并燃烧，离开炉膛的物料及大部分未燃烬煤粒经分离器分离，由回料器返送炉膛底部，循环燃烧；第3种为流化燃烧方式：大于携带粒径的较大颗粒燃料在被上升气流携带过程中与气流分离，并返回床内，在炉膛内形成内循环并燃烧，并最终由排渣口从炉膛底部排出。由于CFB内的粒子聚团作用，以及燃料颗粒的燃烧爆裂和磨耗作用，3种燃烧方式之间会有一定的转化。大部分CFB锅炉以煤为主要燃料，通常认为煤在CFB锅炉中的燃烧过程大致经历以下四个连续变化的阶段：颗粒被加热和干燥、挥发分的析出和燃烧、煤颗粒膨胀和破裂（一级破碎）、焦炭燃烧和再次破裂（二次破碎）。实际上，煤
13、颗粒在CFB中的燃烧过程不能简单地被划分成上述几个孤立阶段，并认为是“串连”进行的，因为有时往往几个过程会同时“并联”发生。譬如大量的试验研究表明，挥发分的析出、燃烧过程与焦炭的燃烧过程存在明显的重叠现象。在锅炉启动达到满负荷后，应该及时调整流化风量，以减少磨损，降低能耗，一般床温控制在860左右，一次流化风量在150000 m3/h以下根据煤质不同，负荷不同，保证满足床内物料流化的前提下尽量保持低风量运行。3.2 CFB锅炉传热机理循环流化床锅炉的传热概念涉及范围很广，包括炉内和炉外。具体有气体与固体颗粒以及颗粒之间的传热；床层与水冷壁之间的传热；床层与炉内埋管间的传热；循环灰分离器或气体一
14、次分离器内的传热等。而研究的重点是炉内传热，尤其是床层与受热面之间的传热。运行稳定的CFB锅炉内是一个均匀而稳定的大蓄热体，并伴随着高浓度的物料循环，炉内的传热和燃烧过程同时发生。CFB的传热基本方式有颗粒对流换热、气体对流换热、辐射换热，床层与受热面之间的传热分为密相区与受热面之间的传热和稀相区与受热面之间的传热。影响炉内传热的因素有：颗粒浓度、颗粒尺寸及分布、流化速度、床温、物料循环倍率、受热面结构与布置等。对传热的影响通过传热系数表观，即以上因素都直接影响传热系数。但一般认为：CFB中的传热系数主要取决于炉膛中的固体颗粒浓度和运行温度，炉膛下部固体颗粒浓度相对高些，在炉膛温度分布比较均匀
15、的条件下，固体颗粒浓度大，传热系数相对较大。而由于炉膛四角区域相邻水冷壁面间的固体颗粒游离性较小，辐射传热较少，因此炉膛四角的传热系数与壁面平均传热系数相比要稍小一些。CFB锅炉内传热情况非常复杂，目前较为普遍接受的一种理论以颗粒团更新传热模型为基础，表明在较高气速的作用下，CFB锅炉内(尤其是稀相区)物料在运行中聚合成许多絮状颗粒团，它们时而变形，时而分解，时而重新组合。同时，还有许多分散于气相中的固体颗粒存在。颗粒团更新传热理论认为，CFB床内受热面由一层气膜覆盖，受热面与气膜直接进行热交换。同时，颗粒团通过与气膜接触，其热量以传导辐射两种方式传给受热面，气相与气膜接触时，其热量通过气膜以
16、对流的方式传入受热面。与此同时，被气膜隔开的颗粒团也与受热面进行着辐射换热(如图所示)。3.3 主要研究内容 循环流化床锅炉燃烧机理及方式分析通过学习相关文献和东方电厂循环流化床锅炉相关资料，分析循环流化床锅炉的燃烧机理。进而在燃烧劣质燃料基础上从改变炉膛结构的角度下手，提高燃烧效率。 循环流化床锅炉传热特性及影响传热的因素分析进一步查阅循环流化床燃烧与传热的相关文献，并通过到东方电厂现场测试数据，分析东方电厂CFB锅炉的传热影响因素。 循环流化床锅炉燃烧与传热特性的耦合特性分析锅炉中的燃烧和传热两个过程同时进行，互相影响。CFB锅炉由于炉内灰浓度高(是常规煤粉炉的几十倍)，极易发生炉内水冷壁
17、磨损，导致水冷壁爆管停炉。燃用高灰分劣质煤时，磨损问题更加突出，直接影响传热特性。为此必须考虑CFB锅炉中的防磨问题，同时务必考虑不能对传热削弱太明显。理论分析以及计算表明，加装防磨装置可以使炉膛过渡区位置的磨损速率降低为原来的1/16左右，对炉内传热的影响仅为5%左右，负荷和工况不变时可能引起的床温升高约为2030。基于上述问题燃烧与传热这两个特性需要耦合考虑，从改变炉膛结构方面兼顾两方面特性进行分析。3.4 研究方法课题采用“理论实践再理论”的研究方法。通过查阅学习相关资料，结合所学的循环流化床锅炉相关理论，了解CFB锅炉概况；通过到东方电厂进行实践学习，分析CFB锅炉结构及系统特点，并现
18、场采集基础数据，为毕业论文的撰写打下基础；通过对锅炉数据的整理，并参照国内外相关的改进措施，分析燃烧与传热耦合特性。4 课题研究工作计划及时间安排第 35 周 毕业实习第 6 周 查阅文献、撰写开题报告并开题第 78 周 对文献进行更深的学习分析第 911 周 去现场进行采集数据，分析数据 第 12 周 撰写中期报告并进行中期检查第 1315 周 进一步分析燃烧与传热耦合特性第 16 周 整理毕业论文、撰写期刊论文第 17 周 提交毕业论文、老师审阅、预答辩第 18 周 PPT正式答辩5 课题预期目标通过此课题的论文研究，初步掌握现场数据的采集方法和处理方法，同时，通过大量科技文献的阅读和对专
19、业知识的深入思考，巩固所学专业课基本理论；通过对英文文献的翻译，提高专业英语水平，为我继续深造读研打下坚实的基础。参考文献1 李长年440t/h循环流化床锅炉优化燃烧浅谈J科技资讯，2007，3：220-2212 肖 平，蒋敏华，徐正泉等CFBB多阶防磨装置及其对炉内传热的影响研究J.热力发电，2009，38(5)：51-553 程乐鸣，王勤辉，施正伦等大型循环流化床锅炉中的传热J动力工程，2006,26(3):305-3104 任强强，赵长遂，李英杰等稻壳循环流化床燃烧特性研究J锅炉技术，2007，38(4)：38-425 党黎军，蒋敏华，孙献武等给煤中的细颗粒在循环流化床中的燃烧组织J锅炉
20、技术，2007，38(2)：24-276 李百宁煤质对循环流化床锅炉燃烧工况的影响J电站系统工程，2006，22(4)7 孙志翱，金保升，章名耀等棉秆循环流化床稀相区传热系数的试验研究J动力工程，2008，28(3)：371-3768 张小辉，刘柏谦，李志伟循环流化床锅炉内颗粒流传热研究J电站系统工程，2008，24(6)：9-119 樊泉桂，丁岩峰循环流化床锅炉稀相区辐射传热份额的计算方法J动力工程，2005，25(5)：614-61710 朱皑强，芮新红. 循环流化床锅炉设备及系统M中国电力出版社，200413 Jihui Chen,Xiaofeng Lu.Progress of petr
21、oleum coke combusting in circulating fluidized bed boilersA review and future perspectives JResources, Conservation and Recycling 49 (2007) 203216.14 Hairui Yang,Guangxi Yue,Xianbin Xiao,Junfu Lu,Qing Liu. 1D modeling on the material balance in CFB boilerJ.Chemical Engineering Science 60 (2005) 56035611.指导教师意见： 指导教师签字： 年 月 日院毕业设计（论文）领导小组意见： 负责人签章： 年 月 日
