梁紅偉

摘要：本文主要探究高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設計措施，分析其影響，助力于提高循環(huán)流化床應用效果。研究過程中，從低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數機理出發(fā)，分析高海拔區(qū)域下循環(huán)流化床鍋爐設計注意事項，以此為研究基礎，結合查爾汗鹽湖項目提出循環(huán)流化床鍋爐設計改造措施，以期為相關工作者提供有益借鑒。

關鍵詞：高海拔;循環(huán)流化床鍋爐設計;影響

前言：

我國地貌復雜、地域遼闊，存在眾多高海拔地區(qū)，如青海、云南等地海拔超過2800m，隨著海拔升高，大氣壓自然會降低，對鍋爐設計及運行具有一定影響。而受到煤質多變的影響，循環(huán)流化床鍋爐對煤種適應性較強，符合我國發(fā)展需求。因此，在高海拔地區(qū)，為發(fā)揮循環(huán)流化床鍋爐應用效果，則應當考慮海拔對該機械設備的影響，做好設計工作，進而提高機械設備的應用效果。

一、低氣壓影響對流受熱面總傳熱系數機理

1.換熱系數影響。爐內煙氣在對流放熱中，可將其看作不可壓縮粘性流體穩(wěn)定受迫對流換熱，壓強穩(wěn)定變化不超過1MPa，則其對氣體動力粘度無較大影響[1]。而高海拔區(qū)域大氣壓力變化不超過0.1MPa，則可認為大氣壓力與煙氣動力粘度無關，結合分子運動論，氣體分子的原子溫度及個數，決定兩個氣體定壓比熱容，降低氣壓不會影響其對流換熱系數。

2.受熱污染系數。結合熱力計算標準，煙氣體積流速與固體燃料基準污染系數息息相關，且煙氣體積流速受到大氣壓力影響，低氣壓下將會增加煙氣流速，進而增加爐內煙氣動能，降低了污染系數。

3.輻射換熱系數。結合熱力計算標準，降低氣壓后，煙氣黑度與管外壁會五層溫逐漸減小，減小了含灰氣流放熱系數。

二、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐設計

1.爐膛尺寸

煤粉鍋爐爐膛截面積是根據截面熱負荷而定，根據爐膛容積熱負荷與截面大小確定爐膛高度。而循環(huán)流化床鍋爐（CFB）則不同，其運行中熱循環(huán)回路中熱循環(huán)物料較多，大幅度增加了爐膛內的熱容量，且低溫燃燒下，使截面熱負荷與容積熱負荷重要性不高，所以設計過程中不采取上述方法。CFB鍋爐設計中，為保證其合理性，爐膛尺寸則應當根據爐膛物料流化狀態(tài)及煙速情況而定，該兩點均與爐膛流化速度相關，所以以流化速度明確其截面大小，根據爐膛內燃料一次停留時間確定其高度。在獲得臨界流化速度中，可應用以下公式：

式中， 為顆粒平均粒徑; 為氣體密度; 為氣體運動粘度; 為顆粒密度[2]。由此可知， 隨壓強降低而減少，其余參數則不受壓強影響，所以在低壓力下，理論上將會增大鍋爐臨界流化速度。而在工程最低流化速度設計中，相較于臨界流化速度較高，所以為保證流化穩(wěn)定性，可在設計中將海拔影響忽略。

另外，還應當考慮終端速度，流速增加至一定值后，則顆?？芍苯颖粴饬鲙эw的速度。終端速度公式如下：

隨著海拔提高，降低了氣體攜帶固體顆粒能力，同等流化速度下，CFB鍋爐在高海拔地區(qū)外循環(huán)量低于低海拔區(qū)域。但總體而言，其循環(huán)物料量無過多變化，可借助輔助手段提高，所以可根據常規(guī)區(qū)域選取鍋爐流化速度及停留時間。但是，受到大氣壓力與煙氣比容為一次方正比影響，需適當增加爐膛截面。

2.分離器

氣固兩相流進入分離器流態(tài)屬于氣力輸送流態(tài)，通常情況下氣固比為3-7kg/Nm?，進入旋風分離器后捕捉了大多數固體顆粒，提高了其中物料濃度，此過程中，以質量流量對分離器出力進行衡量，則高低海拔兩者均無差異;將氣壓降低影響忽略，則實際氣固兩相流進入分離器后，相較于預期其流速有所增加，固體顆粒高速移動將會加強分離器磨損。所以，在計算分離器出力時，將會根據體積流量，適當將其尺寸增加，保證直徑與大氣壓力為0.5次方正比。

3.爐膛受熱傳熱

在CFB鍋爐中，由于其傳熱較為復雜，爐內高溫循環(huán)物料較多，大幅度增加了對流傳熱比，結合經驗其比例約為35%，水冷壁灰幕邊壁層與流化床鍋爐水冷壁傳熱相關，且其厚度不會受到壓力影響，所以海拔不會影響對流傳熱[3]。

4.尾部受熱傳熱

尾部受熱與煤粉爐基本等同，結合其經驗，低氣壓對受熱影響主要在于對流換熱有所降低，可通過增加受熱面解決，且煙氣體積增大，增加了煙速，進而增加煙氣灰粒子動能，嚴重磨損尾部受熱面，設計中需將尾部煙氣流通截面適當增加，保證尾部受熱面的完整性。

5.著火與燃盡特性

當降低氣壓后，易析出煤粒熱解，減慢化學反應速度。在氧濃度為12-25%時，在氧分壓降低下，增加了著火延遲時間，且隨溫度增加減弱，爐內溫度超過850℃不再明顯。而CFB鍋爐燃盡特點，在氣壓下并無顯著變化，主要是CFB鍋爐燃燒溫度通常為900℃左右，不會影響燃料燃盡;應用循環(huán)流化床燃燒方式，熱循環(huán)回路中燃料停留時間充足;熱容較高有效改善著火燃盡條件。

結合上述分析，海拔盡管對鍋爐燃盡與點火有一定影響，但影響不大，所以在選擇過量空氣系數與燃燒溫度時，無需考慮海拔影響。

三、高海拔地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐改造措施

項目處于查爾汗鹽湖，海拔高達2680m，大氣壓強平均73560Pa，干燥少雨，氣壓低，蒸發(fā)量大、紫外線輻射強，為惡劣高原氣候。應用480t/hCFB鍋爐試運行，其在高負荷工況下，易產生給煤口結焦問題。經過分析后，發(fā)現其主要受到流化風速影響，低氣壓下增強了燃煤揮發(fā)，增加燃燒放熱量。

為此，將床上燃燒風與播煤風改為二次熱風引用，爐底流化風量增加40000m?/h，爐底一次風總風量達到240000m?/h。而流化風速則為4.31m/s，可滿足正常運行需求。并且，在DCS上顯示流化風速，便于人員參考[4]。

改造風道后增加了爐底一次風量，增大布風板運行阻力。經改造后爐底一次風最大風量為240000m?/h，可滿足鍋爐正常運行需求。

效果：改造風道后，鍋爐順利試運，在床料添加、清理焦塊及燃煤摻燒天然氣應用方面，節(jié)省眾多人力物力與燃料，為項目生產提供了保障，緩解供熱中心壓力。

總結：綜上所述，在高海拔地區(qū)，受到大氣環(huán)境變化影響，會導致爐內熱量分配及受熱面換熱發(fā)生變化，進而對于鍋爐正常運行造成影響。因此，在設計中應當結合實際情況，從爐膛尺寸、分離器、爐膛受熱傳熱、尾部受熱傳熱、著火與燃盡特性這幾方面出發(fā)，加強改進循環(huán)流化床鍋爐，提高其運行可靠性，適應電力部門的發(fā)展，從而滿足我國電力市場需求，為民眾提供充足電力。

參考文獻：

[1]鄭東，陳曉平，馬吉亮，劉道銀，梁財.75t/h加壓/常壓富氧燃燒循環(huán)流化床鍋爐方案設計及分析[J].中國電機工程學報，2020，40（13）：4226-4236.

[2]曹勇，周托，那永潔.循環(huán)流化床鍋爐爐膛低氧燃燒加尾部補燃降低NO_x排放的試驗研究[J].鍋爐技術，2019，50（02）：35-42.

[3]張縵，蔡潤夏，姜孝國，呂俊復，高新宇，楊海瑞.660MW高效超超臨界雙爐膛循環(huán)流化床鍋爐的設計開發(fā)[J].動力工程學報，2018，38（05）：341-346.

[4]張建春，顧君蘋，張縵，劉青，楊海瑞，呂俊復.純燃生物質循環(huán)流化床鍋爐設計與運行[J].鍋爐技術，2018，49（01）：28-32+64.