循环流化床煤气－蒸汽联产炉及其模型化设计方法

1、   引言

     流化床锅炉六十年代在中国出现，经过三十年的发展，已经进入研制大型(220T/H)循环流化床锅炉的阶段。循环流化床锅炉在其它领域的

应用也在不断地扩展，循环流化床煤气一蒸汽联产技术就是其中一种。

     城市煤气化率的高低反映了一个社会的经济发达程度和人民生活水平。对我国的能源消耗结构来说，民用燃料气化还具有重要环境意义。

我国的许多地区，大气污染的一个重要的污染源就是大量的民用燃煤，这种现象在使用劣质煤的地区更为严重。煤气化的实现将会在很大程度

上解决这一问题。而在我国实现煤气化的根本途径只能是推广煤制气，这是由我国的能源结构决定的。

煤气战略的实现，  需要一种能够推广的煤制气技术，目前在工艺上比较成熟的煤制气技术，如Lurgi炉定床加压煤制气技术，Winkler流化床

煤制气技术，直立碳化炉技术等，均由于种种原因难以在我国推广，而循环流化床煤气一蒸汽联产技术由于其独特的工艺特点，工艺过程和设

备结构简单，产气规模可以灵活调节，具有良好的经济性，在我国有很好的推广前景。

见诸报导的流化床煤气化方案有多种形式，但都必须解决煤气化过程所需热量来源问题。有的是在流化蒸汽介质中加入少量的空气或氧气，利

用部分碳和挥发物的燃烧释热来维持气化温度，如最早的流化装置一WINKLER炉即采用这种办法，还有的是靠外加热源来维持气化温度，循环流

化床煤气一蒸汽联产炉与WINKLER炉的工艺过程不同，它将燃烧过程与煤气化反应过程分在两个容积内进行，既不需要向气化反应室通入氧气，

也不需要外热源进行加热，而是以循不流化床的高温循环物料作为载热物质，提供煤气化反应所需的热量，  这成为循环流化床煤气一蒸汽联

产工艺与其它煤制气技术的最主要的区别。

循环流化床煤气一蒸汽联产炉的结构如图1所示，与一般循环流化床锅炉的不同之处在于，燃烧室出口分离下来的高温固体物粒不是直返回燃烧

室或者副床，而是进入一个气反应室，联产炉的大部分给煤从气化室的给煤口给入，气化室本身也是一个循环流化床。不过所用的流化介质是

蒸汽（温度－4000C）气化室的运行压力常压。气化室给入的大量给煤在在流化介质和进入气化室的高温物料作用下迅速升温，释放出挥出物，

成为焦，同时焦与蒸汽在高温下（700－9000C）发生水煤气反应，还伴随着多组份气体条件下的一系列其它化学反应过程。这样在流化介质通

过床层到达气化室出口时已经成为含有水蒸汽的粗煤气。粗煤气中还带有含碳量较高的固体颗粒，这些颗粒的大部分被煤气出口的分离器回收

，返回气化室，气化室底部排料口，气化室中含有焦炭颗粒的床料，经过止气滑阀进入燃烧室中，完成焦炭的进一步燃烧，燃烧室与一般循环

流化床锅炉相同，布置冷壁，如果需要还可以在炉膛内顶部布置屏式过热器，为了使联产炉具有完善的工况调节，在燃烧室也设有煤口，以满

足不同蒸汽，煤气负荷的要求。

上述循环流化床煤气一蒸汽联产工艺已经过小型热态试验证，获得了成功，并通过鉴定，稳定产出的干煤气热值为14－15MJ／NM3，CO的容积含

量低于15％，符合民用煤气的要求，目前，循环流化床煤气一蒸汽联产工艺的扩大工业规模试验项目正在进行之中。

工艺的特点决定了循环流化床煤气一蒸汽联产技术的优势。与一般的循环流化床锅炉相比，循环流化床煤气一蒸汽联产技术本具有更好的环境

效益，由于燃烧过程与煤气化过程的分离使得工艺过程中可以实现分级脱硫。煤中的有机硫大部分在热解中以H2S的形式折出，可有脱硫剂吸附

，也可在粗煤气的后处理过程中除去，无机硫可以在燃烧室中用脱硫剂吸,  收此外，由于煤中大部分的氮在热解中折出，氮氧化物的排放量也

比普通循环流化床锅炉为低。

由于循环流化床的固有特性，兼以这种煤制气工艺的特点，循环流化床煤气一蒸汽联产炉还具有煤种适应性强的特点，这对于使用我国的多种

品位的煤尤其有意义。

2、   循环流化床煤气一蒸汽联产炉的设计

作为一种实用工艺，循环流化床煤气一蒸汽联产技术需要一套可靠的工业设计方法。很显然，这种煤制气工艺的性能特性不仅与煤的热解气化

反应机理有关，而且与循环流化床各个过程特性密切相关。因此循环流化床煤气一蒸汽联产工艺的设计方法是建立在一般循环流化床锅炉的设

计及性能预测方法基础上的。循环流化床锅炉的设计方法不外乎两种：一 种是纯经验的方法，在对已有锅炉的性能和运行条件进行详细考察的

基础上，凭借积累的经验，选用并改进已有的设计方案。另一各方法是模型化方法  ，应用已经得到实验验证的有关循环流化床内流动、燃烧

，传热等过程的基本规律，建立关于循环汉化床锅炉性能的整体数学模型，运用计算机对不同设计参数和运行参数下锅炉的所有性能特性做出

设计预测，实际上随着计算机的广泛应用，模型化方法已经成为工业设计的主导趋势。

循环流化床煤气一蒸汽联产炉的模型化研究及实用设计软件的开发工作，是循环流化床煤气一蒸汽联产炉研制工作中非常主要的一部分，已经

建立一整套循环流化床煤气一蒸汽联产系统的数学模型，和相应设计及性能预测实用软件GSC＜GAS    Gas  And  Steam  Cogeneratiln系统。

按照循环流化床煤气一蒸汽联产炉的工艺过程，GSC模型可以分为燃烧室和气化两个模块，二者之间通过循环物料的各个参数相联结。整个模型

在燃烧室的气化室质量平衡的基础上综合平衡了燃烧室和燃烧过程， 气体动力过程，传热与热量平衡过程，气化室中煤的热解和化学反应过程

，气化室的气体动力过程、气化室的气体动力过程，构成了以循环流化床煤气一蒸汽联产系统的各个运行参数为未知数的非线性方程组，并以

一定的计算手段实现了模型的计算机化，除此之外还有一个相对独立的循环流化床锅炉尾部受热面的计算模块，进行尾部受热面的设计或者传

热量的校核。使用软件可以进行循环流化床煤气蒸汽联产炉的方案设计，也可以进行已有方案的变工况校核。只要将循环流化床联产系统的结

构参数和运行控制参数输入计算软件，则可以实现联产炉的结构设计和设计工况的联产炉性能特性预测，或者对已有的联产炉方案进行变工况

性能分折。

    运用GSC软件进行计算所需的结构参数和运行参数主要包括：

1）  燃烧室，气化室的结构尺寸

2）  锅炉受热面布置情况

3）  给煤的元素分折与工业分折

4）  燃烧室给煤的粒径分布

5）  各分离器的分级分离效率

6）  额定蒸汽产量和蒸汽参数，给水参数

7）  设计过量空气系数和一二次风配比

8）  气化室流化蒸汽用量及温度

9）  气化室给煤量

10）  气化室给煤粒径分布

11）  其它运行，控制参数

    考察循环流化床煤气一蒸汽联产炉的性能特性有多个衡量指标。反映联产炉出力特性的有的锅炉蒸汽产量、煤气的产量及 组成（由此可知

煤气热值）等：反映运行情况的有物料循环量、燃烧室温度及分布、气化室温度等。这些指标都不是孤立的。影响‘燃烧室温度的外部给一量

也会影响物料循环和其它变量；而改变影响物料循环的外部给定参数，也会使燃烧室的温度分布乃至联产炉的蒸汽产量，煤气的定量和组成发

生变化量，处实用的计算机模型应该能够反映这些相互影响的关系，并以相当的精确度体现其中的量的关系。

  GSC模型是在已有的循环流化床锅炉模型基础上建立 起来的。循环流化床锅炉模型的可靠性已经得到锅炉实测数据的初步验证，2、3、计算

结果与实测结果的比较是令人满意的。与循环流化床锅炉模型相比，GSC模型增加了气化室模块，气化室模块主要包括煤的热解过程模型和多组

份气体条件下的气化反应模型。煤的热解过程模型中包含大量与煤种有关的参数，需要经过实验确定。对大同混煤的实验数据进行优化拟合，

得出了所需的模型参数，GSC模型对应用该种煤时的煤气产量的热值和预测，最大偏差不超过15％。对于其它煤种，需要有相应的由实验得出模

型参数的。

    GSC模型的设计软件可以根据燃烧室。气化室的结构参数及给定的运行条件，计算出在额定蒸汽产量条件下的循环流化床煤气一蒸汽联产炉

的各项未知性能参数，并做出联产炉尾部烟道受热面的结构设计。

GSC模型软件能做出的联产炉性能参数预测包括：

1）  燃烧室吸热量的分布软件可以计算出燃烧室内的烟气和物料与水冷壁之间的传热系数的一维分布，进而可以计算出沿燃烧室方向水冷壁（

包括屏式过热器）的吸热量软件计算出的传热系数的分布与已发表的文献中的实测结果相比，相当一致（5）

2）燃烧室物料有流的温分布

    从燃烧室内物料内烟气沿炉膛的一维分布，可以对循环流化床燃烧室的温度情况有一个定的预测，对锅炉的设计工况和变工况的运行条件

做比较并提出调节措施

   3）燃烧室物料的浓度分布软件可以给出燃烧室内沿高度方向空隙率的一维分布，这是了解燃烧室内碳的燃烧率，磨耗率等参数的基础。

    4）燃烧室内氧气浓度的分布

    燃烧室内氧气浓度的一维分布，受到燃烧和给风情况的影响。掌握氧气浓度的分布对评价燃烧状总，合理调整配负和进量空气系数，提供

了量化的依据。

    5）燃烧室内焦炭及发的燃烧率

焦炭和煤中挥发物的燃烧是燃烧室中进行的重要过程，是了解燃烧室质理平衡的基础。燃烧本身也是一个重要的运行参数。

    6）燃烧室物料的循环及组成（含碳量、不同粒径颗粒的质量份额）

这是由循环流化床气体动力特性决定的，而且对其它所有过程都有重要的影响。其中循环物料的多少对循环流化床性能的影响最为重要，而循

环物料量取决于分离器的分级分离效率、给煤的粒径分布、给煤的爆裂及成灰性、床料的粒径分布、燃烧室的过量空气系数、一二次风配比、

二次风给风位置等结构和运行和参数，这些都在模型和软件中作了考虑。软件能够给出沿燃烧室高度方向的扬折夹带流率（稀相区过渡区）和

密相区物料返混流率的一个维分布，从这些计算结果可以对循环流化床内的物料分布、流动参数的重要性有一个直观的结论。

  7）气化室的物料平衡及组成（含碳量、不同粒径颗粒的份额）

气化室的物料平衡和组成直接影响煤的气的产生，可以用与燃烧室计算相似的方法，确定气化室床料中不同粒径颗粒的质量份额以及每种尺寸

颗粒的含碳额率。

8）气化室的温度（集中参数模型）

气化反应受温度的影响很大，在不同的温度下，煤气的产量和成分都将发生变化。控制气化室的温度是非常重要的，因此设计软件必须给出气

化室温度的预测值。在计算气化室温度时，使用了集中参数模型。

    气化室浓度

煤气的产量和组成是联产炉量重要的性能参数之一，获得这些预测结果的一个得要条件，就是对煤的热解脱发挥分过程有准确的预测。GSC软件

给出了气化室中各种组分气体中一维浓度分布，及最终气体产物一粗煤气的产量和组成，进而得出干煤气的产量和组成（热值）

10）燃烧室及锅炉的热平衡

11）各项热损失和锅炉效率

12气化室能量平衡

13联产炉的热效率

    由于煤气一蒸汽联产炉的特殊工艺结构，需要考察多种变工况条件下的联产炉性以.GSC模型的联产炉非设计工况性能联的炉软件可以在联

产炉结构设计已定的情况下，地不同蒸汽敢负荷下的联产炉性能做出预测。

应且GSO模型软件可以方便地考察联产炉的主要参数对其性能的影响，除煤的元素分析和工籽分析特性燃烧室和气化室给煤的       

    筛分特性外最要的参数包括：

1）  分离器分级分离效率

2）  过量空气系数

3）  气化室流化蒸汽量

3．循环流化床煤气一蒸联产炉设计实例

为循环流化床煤气蒸汽联产工艺工业规模试验的需要，使用GSC模型软件，进行蒸汽产量为35T/H的循环流化床煤气一蒸汽联产炉的设计，联产

炉的结构如图1所示，采用水平工式旋涡内分离器。

联产炉主要设计要求：

蒸汽产量              35T／H

过热蒸汽压力          5．3MPA

过热蒸汽温度          450℃

给水温度              150℃

过量空气系数          1．35

热风温度              120℃

煤气产量              100－1200NM／H

设计煤种：阜新一铁法混煤

煤的元素分析和工业分析（应用基）

C
 H
 ．O
 N
 S
 A
 W
 Q（KJ／KG）
 
41．6
 2．76
 6．77
 0．61
 0．98
 28．5
 19．7
 15884 
 

    原煤的可燃基挥发分：Vr＝36．355％

燃烧室的给煤经过一次破碎和干燥，气化室的给煤经过二次破碎和干燥，气化室的给煤颗粒径<３．２ＭＭ

燃烧室基本结构参数：

燃烧室高度（从布风板算起）１５．２５M

燃烧截面积                 ２．１×４．０Ｍ2

燃烧室密相床平均截面积      １．３×４．０Ｍ2

二次风口高度                ０．９Ｍ

循环烟气入口高度            １．３Ｍ

 气化室结构参数：

气化室上部截面积            ４．０×２．０Ｍ2

气化室密相床平均截面积        ３．４８×１．７４Ｍ2

 气化室给煤口高度              １．０Ｍ

控制运行参数：

燃烧室在密相床控制高度            ０．７／０．３

一、二次风份额        

循环烟气抽出温度                  ３５０

循环烟气返回炉膛温度              0．6kg/s

设计减温水温                        １００

锅炉排烟熳度                        １５０

气化室密相床控制高度                １．５Ｍ

气化室给煤量                          １．４ＫＧ／Ｓ

 气化室流化蒸汽通入量                  ０．３３３３ＫＧ／Ｓ

将以上数据输入ＧＳＣ软件，运行后即可得到联产炉的各项设计性能参数，并可以作出联产炉尾部受热面的结构设计。图２－图７给出其中的

部分结果。

联产炉的物料平衡结果见图２，图中给出的干煤气产率、组份及热值是根据对大同混煤的实验结果兢定的模型参数和得出的。阜新一铁法混煤

的元素分析虽然与大同混煤相当接近，但它在水蒸汽流化条件下热解脱挥发物模型参数尚需由相应的实验来确定。

联产炉的能量平衡结果见图３。图中给出各项热损失及热系数预测。

图４、图５分别为燃烧室中沿高度方向的温度及传热系数分布，传热系数值与（５）报导的在循环流化床锅炉上的实测相当一致。

图６为燃烧室排渣及燃烧室飞灰（分离器后）的粒径分布  。

图７为燃烧室排渣及燃烧室飞灰（分离器后）的分粒径含碳率。

参考文献：

１）沈幼庭，李定凯  苏红梅  宋泽  循环流化床锅炉设计的模型化方法，能源研究与信息，ＮＯ，３，１９９２

 宋泽，循环流化床锅炉的设计及性能预测――模型化方法及其实验研，清华大学博士论文1993

3）ShenYoiting,Song Zexi and SuHongwei,Verification of the Tsinghua-CFBB Modelwith the Testing Resilts on lndustrial S cale

CFB Boiler ,Proceedings of International  Power  Engineering  Confenrence,Hangzhou, 1992

4）  沈幼庭，李定凯，晏黎，煤气一蒸汽联产工艺中热解气化室的模型研究，中国电机工程学会全国热电学术会议，1992无锡