1 绪论
1.1 课题背景
能源与环境是当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国，也是用煤大国，目前一次能源消耗种煤炭占76％左右，在可见的今后若干年内还有上升的趋势，而这些煤炭中又有84％是直接用于燃烧的，其效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没得到有效的控制，以致于我国每年排入大气的87％的SO2和67％NOX均来源于煤的直接燃烧，可见发展高效、低污染的清洁燃煤技术是当前正待解决的问题。循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOX的排放、90%脱硫效率与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。本课题是150t/h循环流化床锅炉，对其锅炉本体进行设计计算。
1.2 主要研究内容
（1）针对设计要求选择合理的炉型，绘制锅炉总图和主要部件结构图； （2）完成150t/h循环流化床锅炉本体的热力计算和锅筒的强度计算； （3）研究150t/h循环流化床锅炉的运行特点。
1.3 研究的目的及意义
我国是世界上最大的煤生产与消耗国，煤在我国一次能源结构中占据着绝对主要的地位。并且，由于自然条件的限制和历史发展的原因，这种状况在相当长的时期内不会有实质性的改变。煤炭与其他一次能源，如石油、天然气相比，是一种比较“脏”的燃料，它在燃烧过程中将产生大量的灰渣、粉尘、废水、SO2、NOX等废弃物，如果这些废弃物未能妥善处理，将会严重干扰生态环境，甚至造成永久性破坏。煤炭燃烧等带来的环境污染问题有酸雨污染、粉尘污染和温室效应气体引起的全球气温变暖问题。而且，在我国很大部分燃煤锅炉都存在着热效率偏低的问题，并且由于成本考虑，很多锅炉没有配备相应的脱硫脱销装置，这给环境带来了相当的负担。随着经济的快速发展，由于能源的过度开发和消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响人类生存的环境污染问题。
基于能源结构及环境状况的考虑，在20世纪90年代，我国就将洁净煤燃烧技术作为可持续发展和实现环境根本转变的战略措施之一，给予了高度的重视。洁净煤技术是当前世界各国解决由煤炭引发的环境问题的主导技术之一，也是国际高技术竞争
的一个重要领域。世界发达国家极为重视洁净煤燃烧技术，制定了一系列强有力的政策法规，并投入了巨额资金研究开发和推广应用洁净煤技术。美国制定并实施了庞大的洁净煤技术示范计划，己经取得了很好的成果;欧共体指定了“兆卡计划”，旨在促进欧洲能源利用新技术的开发，减少对石油的依赖和煤炭利用造成的环境污染;日本于1993年在“新能源综合开发机构”内组建了“洁净煤技术中心”，负责全日本的新能源和洁净煤技术的规划、管理和实施。从长远看，洁净煤技术的发展，必将对世界能源供应格局、煤炭的前景以及改善环境的努力产生重大的影响。
综上所述，在当前及今后较长的时间内，流化床燃煤技术是洁净煤燃烧的主要形式和发展重点。流化床燃烧具有对燃料适应性好，有害气体排放量低等优点，自它问世以来在世界各主要工业化国家得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、窑炉和焚烧各种废物、烧水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层状燃烧与煤粉燃烧之间的一种燃烧方式。层状燃烧效率低，煤粉燃烧效率高，但气体污染排放物多。流化床燃烧则克服了二者的某些缺点，保留了它们的优点，是一种很有竞争能力和优势的洁净煤燃烧技术。专家们估计，二十一世纪将是流化床燃烧在大型电站锅炉、工业锅炉和各种废物焚烧炉上得到广泛应用的世纪。应用于发电领域的常压循环流化床燃烧(CFBC)技术始于20世纪70年代。 作为一项高效、低成本的清洁燃烧，它具有以下优点:
(1) 燃烧效率高，接近或达到同容量煤粉炉的效率水平;
(2) 燃料适应性强，不仅可以燃用烟煤等优质燃料，而且可燃用各种劣质燃料，
如贫煤、洗中煤、泥煤、研石、石油焦、油页岩、废木屑，甚至工业废弃物和城市垃圾等;
(3) 负荷调节比宽，在25%额定负荷下仍能不投油稳定燃烧; (4) 负荷调节方便快捷，负荷连续变化速率可达到7%一2%/mni;
(5) 污染排放少，低温燃烧及分级送风使NOx生成量少;可用石灰石作脱硫添加
剂，低成本实现炉内脱硫;
(6)灰渣便于综合利用。
上述的诸多优点使得循环流化床燃烧技术特别适合我国的国情。在我国目前环保要求日益严格、电厂负荷调节范围较大、煤种多变、原煤直接燃烧比例高、国民经济发展水平不平衡、燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，循环流化床锅炉己成首选的高效低污染的新型燃烧技术。本次设计是很具有代表性的典型循环流化床锅炉，通过准确的计算数据与形象的图纸描述，能较直观的分析出该锅炉对比其他锅炉的优缺
点，同时，通过设计强化了所学专业知识和CAD绘图操作能力，增强了阅读大量文献资料和论文的能力。
1.4 国内外研究现状
从上世纪开始，世界各国有很多科研机构和制造厂商致力于循环流化床锅炉的开发研究，共同的努力使此项技术日臻成熟和完善。迄今，美国的FW、芬兰的户上lsortm(己并入FW)、德国的Lugri、瑞典的ABB和法国的Steni等公司都能提供商品化的l00M节/e以上的全套大型循环流化床锅炉发电设备。世界上亚临界300MW容量循环流化床技术己趋成熟，450MW的超临界循环流化床锅炉也将于2005年投运囚。
虽然循环流化锅炉以其独特的优点在国内外都得到了极大的发展，但要完全发挥其优势，必须走产业化和大型化的道路，开发制造具有我国自主知识产权的大型循环流化锅炉，并在容量上尽快达到与煤粉炉相当的水平。一旦这项新技术实现了大型化和国内的产业化，就能切实地体现其重大的经济效益、社会效益和环境效益。
我国劣质煤、高硫煤及油页岩储量大，大型循环流化床锅炉为这类能源的开发利用提供了很好途径，可以缓解我国动力煤紧张的局面。我国于20世纪80年代中期开始投入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发，虽然起步较晚，但 进步很快。清华大学、中科院热物理所等科研院所与国内锅炉生产厂家合作，在燃烧、传热、流态化、气固分离、脱硫灰渣处理等方面完成了大量卓有成效的理论和实验研究工作。我国己有30多台l00MW等级的循环流化床机组在运行或设计安装之中。300MW循环流化床机组本地化依托工程白马电厂正在抓紧建设，计划2005年底投产。同时，通过200一350Mw循环流化床设计制造技术引进和消化吸收，“十一五”期间，将实现大型循环流化床主设备及锅炉岛系统95%本地化设计制造。国产化后的大型循环流化床机组的含税电价与同容量常规火电机组加脱硫装置基本相当。2005一2010年期间，我国还将建设投产开远、秦皇岛、黄角庄、坪石等一批300MW循环流化床电站。大型循环流化床锅炉在我国有着广阔的市场前景。
循环流化床锅炉(CFBB)燃烧技术是我国燃烧煤技术的发展方向，国家有关部门利用资金重点支持发展烧劣质燃料的CFBB，并大力促进在热电联产中的开发应用，这样既可使资源得到综合利用，节约能源，又能减少环境污染，发展地方经济，有显著的社会效益、环境效益和经济效益。
循环流化床锅炉在发展过程中也遇到过很多的问题，如烟一风系统阻力较高、风机用电量大、受热面磨损问题比较严重、对辅助设备要求较高等。不过这些问题大多
已经得到较好的解决。如适当的炉膛设计可完全避免水冷壁的磨损;正确选择和设计分离器，既可保证很高的分离效率也能避免自身的磨损;而冷渣器和高压风机等主要辅助设备随着循环流化床锅炉的发展，也都有了成熟的产品。风机问题则是单就烟一风系统阻力而言。如果考虑到煤粉炉需要复杂的制粉系统而链条炉效率低且无脱硫效果，则风机用电量的少量增加是完全可以接受的。
根据目前状况，现有的锅炉容量和蒸汽参数的循环流化床锅炉用于未来的工业锅炉己不成问题，大型化是当前循环流化床锅炉的主要发展方向。但在锅炉大型化的过程中，仍然存在下述缺点:
(1) 由于采用高气体流速，高物料循环倍率，床内气固混合物密度大，又加分
离器流动阻力，因而使锅炉机组运行的自耗电能增大;幻需要庞大的分离器;
(2) 床内固体含量大，一般没有受热面，燃料中挥发份及燃烧生成的CO在分
离器中继续燃烧，有可能使分离器发生结渣;
(3) 整个循环系统的调节及控制要求较高。
针对上述主要问题，国内外不少研究、设计人员致力于下述有关方向的研究:
(1) 根据不同的燃料种类、颗粒度，选用合适的流化状态，用一种或两、三种
配合使用。关键是要形成循环，以达到提高燃烧效率和减少大气污染的目的;
(2) 根据具体情况，选用合适的循环倍率。对大型发电用锅炉，循环倍率可取
高些，对工业用锅炉和坑口电厂用锅炉，循环倍率可取低些。对热值低的煤采用低倍率以减少厂用电;
(3) 炉内分离装置，目前国外多用离心式旋风分离器，但其尺寸随着锅炉大型
化而增大，致使布置困难，运行维护费用增加。因而寻求新型炉内分离方式己成为开发循环流化床锅炉的一个重要课题。在这方面我国已开发应用S型惯性分离器，迈出了可喜的一步。
同时，从实用性出发，对锅炉本体和配套设备需解决下述问题:
(1) 使用高效低阻的飞灰分离器，要求体积小，耐温防磨，运行周期长; (2) 受高浓度烟尘冲刷的相应部件要用耐磨材料及防磨结构;
(3) 锅炉结构要满足自动点火和运行控制的要求，并便于负荷调节和床温调节; (4) 循环回料装置要满足正常负荷及变负荷时控制回料量的要求，调节灵活，跟
踪性能好，密封良好;
(5) 配套设备要有专门设计的煤粒、石灰石粒的制备系统及设备，高效高压头的
送引风机、与煤粉炉不同的灰渣排除方式及设备、应用含硫酸钙灰渣的综合利用途径。
2 锅炉热平衡计算 2.1 燃煤特性
煤种：烟煤
应用基成分 Car?53.6% Nar?0.9% Har?2.94%
Aar?30.35% Oar?2.78% War?8%
Sar?1.43%
低位发热值 Qar,net,p?5050kal/kg
2.2 锅炉参数
额定蒸发量 De?150t/h 额定蒸汽压力 Pe?3.82MPa 额定蒸汽温度 Tzq?450C 给水温度 Tgs?150C 冷空气温度 Tlk?30C 连续排污率 Ppw?2%
0002.3 理论空气量、理论烟气容积计算
[1]
理论空气量V0k
单位质量的收到基完全燃烧而又没有剩余氧存在时所需要的空气量用V0k表示,它是指标状况下不含水蒸气的干空气量。 理论空气量、理论烟气容积的计算如表2.1所示。
表2.1 理论空气量、理论烟气容积计算
名 称 理论空气量 符号 单 位 3公 式 及 计 算 0.0889×(Car+0.375Sar)+0.265Har－0.0333Oar 数 值 5.49924 Vo Nmkg Nm3kg Nm3kg Nm3kg RO2容积 N2理论容积 VRO2 o VN20.01866(Car?0.375Sar) 0.79Vo?0.8Nar/100 0.111Har?0.0124War?0.0161V0 [1][2]
0.514078 4.3516 1.01018 o H2O理论容积 VH2O2.4 各受热面烟道中烟气特性表