什么是内循环流化床？
2.性能的主要问题
2.1的高外循环比导致流化床锅炉自用电耗高，磨损严重。自用电消耗高主要是由于风机和引风机运行风压高、流量大造成的。高外循环比流化床锅炉的布风板面积较小，约为0.12 m2/吨蒸汽。为了流化床料和满足一次风供给的要求，空气压力必然要升得很高。目前鼓风机的总压力都在20,000 pa左右。引风机也因分离器流速高、阻力大(旋风分离器阻力一般为1.5~2kpa)而炉膛压差大，引风机全压多为6~8kpa。由于炉内压力较高，回料风压较高，需要单独配置高压风机。其次，锅炉输油和输灰设计不合理，造成电耗增加。与同容量的煤粉锅炉相比，这种循环流化床锅炉比后者多耗电25%~200%，是真正的电老虎。
高外循环率流化床锅炉的运行依靠大量的循环灰将密相区产生的大量热能带入上部炉膛，灰以纵向摩擦方式循环，然后传递到膜式壁进行换热。由于这种物质的高速和高浓度，对膜壁的磨损极其严重；在高温、高速、高飞灰浓度的工况下，分离器中心筒磨损变形严重。设备一旦损坏，其更换也是一项非常费工、费时、费钱、费力的工作；由于飞灰浓度高，尾部受热面局部磨损也很严重。据统计，因磨损而爆管的事故约占锅炉停炉事故总数的50%。
2.2高外循环率流化床锅炉结构复杂，耗钢量高。目前，这种类型的循环流化床锅炉的结构设计越来越复杂。比如燃烧系统的水冷布风板全部由膜式壁组成；点火系统的烟雾发生器占用大量的空间、管道、投资和时间。排渣系统的冷渣器、输渣器包括触发器、分离器、给料机、一次风机、二次风机等。，以及静电除尘器和储灰仓，以及它们之间的细灰气体输送系统和储灰仓造成的二次污染，这也消耗了大量的电能，带来了设备磨损。这些都要考虑简化设计，减少不必要的设备，占用更有限的土地面积；节约钢材，降低投资成本。循环流化床锅炉是一项非常复杂的系统工程。如果不精心设计，不科学设计，不仅会占用大量空间，还会造成现场拥挤，人为增加一些故障点，不方便工人操作。以一台670t/h循环流化床锅炉为例，由于现场过于拥挤，甚至连两个密相区的人孔检查门都没有设置超常的检修通道，检修人员不得不从设备的缝隙爬到人孔检查门处拆卸人孔检查门，不仅操作困难，而且检修物料更难进入炉膛。
膜式墙是轻质炉墙的良好典范，有效辐射系数高，整体密封性好，便于规模化。而物料在高速床中纵向冲刷时，磨损速度快，传热系数仅为1.20 ~ 1.50 W/m2k，且全部只能单面加热，受热面利用率为50%。当它们被替换时，它们应该与未磨损的部件一起被丢弃，这是一种浪费。
2.3设备出勤率低，运营成本高。(1)高外循环比的流化床锅炉磨损爆管次数较多，维修时间较长；(2)流化床燃烧系统稳定性差，大颗粒易沉积造成低温结焦，分离器给料机操作温度高容易造成结焦；(3)烟罩燃烧、漏灰引起的熄火；(4)煤仓放煤不畅，给煤机烧坏，导致停机等。，导致设备出勤率低，运营成本高。以一台10万千瓦的高外循环率流化床锅炉发电机组为例。锅炉每次停炉都会造成几十万元甚至上百万元的经济损失。国家优惠上网电价0.405元/千瓦时，而发电成本0.395元/千瓦时，利润很少。遇到一点小风险，就亏了。
3.产生上述问题的原因:
3.1磨损严重和功耗高是一个问题带来的两个苦果。目前国外高外循环比流化床锅炉大多是过去设计的，细长高锥，底部配风板最小，分离器多为立式旋风分离器。每蒸吨水冷布风板面积约为0.12m2，密相区燃烧份额约为35%~60%。由于密相区面积小，风速大，气固浓度高，无法设置浸没式受热面，所以密相区燃烧释放的热量没有被吸收，只能依靠大量的循环灰作为热载体快速带出密相区，转移到炉膛上部的膜式壁上，膜式壁成了纵向冲刷的浸没式受热面。密相区的高风速必然要求风室内有高风压。风量不变，风压增大时，风机功耗与风压的增大成正比，而炉内气固流体浓度的增大与膜壁磨损速度成正比，气固流体速度的增大与膜壁磨损呈三次关系。因此，高外循环比的流化床锅炉受热面磨损程度高于埋置式受热面的流化床锅炉，因而爆管事故较多。
膜式壁的这种磨损各有特点，只有一侧磨损，另一侧完好无损。一旦爆管，两边需要一起更换，造成材料浪费。从以上分析可以看出，物料的外循环比越高，所需的烟气流速越高，磨损速度越快，耗电量和物料浪费也越大。
3.2结构复杂和用钢量高是大型循环流化床锅炉急需解决的两个新问题。高外循环比的流化床锅炉通过增加炉膛高度来弥补大型化所需的燃烧空间和时间，所以锅炉容量越大，炉体越高，结构越复杂，用钢量也越高。耗钢量一般是同容量煤粉锅炉的1.4~1.8倍。这类锅炉的炉膛很高，虽然占地面积小，但对钢架的强度和刚度要求很高，所以钢架用钢量高。辅助设备复杂，如点火系统的烟气发生器，有的超过主燃烧室所占面积；锅炉内管道种类繁多，冷渣系统、输渣机等设备布置十分拥挤。还有就是旋风分离器比表面积大，周围很多空间都用不上。一台670t/h大型外循环流化床锅炉拥挤不堪，甚至密相区人孔检查门也没有设计方便的通道，工人打开检查门非常不方便。另外，膜式壁传热系数只有120 ~ 150 W/(m2·℃)，单侧加热，耗钢量大，膜式壁制造成本高。为什么要做这种浸没式受热面？在进一步降低锅炉的受热面积和制造成本方面有没有可能创新？比如烟气发生器可以小一点，锅炉点火可以和床下的床联动，或者单独启动，这样既可以减少用钢量，也可以减少点火油耗。
3.3外循环比高、燃烧条件差是设备上座率低、运行成本高的主要原因。外循环率高的流化床锅炉，上座率低，运行成本高等因素很多，但其中一个主要因素就是外循环率高，磨损严重，这是显而易见的，本文就不赘述了。其次，流化床燃烧性能差，大颗粒易沉积，燃烧份额低。目前，国外高循环倍率流化床锅炉的燃烧系统大多是由膜式壁和钟罩式圆柱风帽组成的平板风板(有的略倾斜5°)。燃料从回流管(或给煤口)进入床后，只能随着热的床料上下翻腾。这种搅动的特点是轴向波浪形曲线扩散，即使加播煤风，也没有径向水平扩散运动，所以密相区煤入口处床料中碳浓度很高。而碳粒只能在邻近区域通过轴向波浪形曲线扩散获得，而在远离给煤口的区域，当这种波浪形扩散运动送出这些燃烧床料时，只剩下少量可燃碳。由于密相区有三种不同的含碳床料，而风室提供给床层的空气都是含氧量为20.89%的空气，所以床层内不可避免地形成几个不同的燃烧区。靠近给煤口的区域为富碳贫氧区，距离给煤口最远的区域几乎为贫碳富氧区，而两者之间的区域为碳氧平衡区。这种情况必然导致密相区温度场的差异和同样的气室压力但不同的底速，这是平板空气板清除大颗粒渣能力差的主要原因。当锅炉遇到煤质变化和煤量变化引起的温度波动时，容易造成低温结焦。
由于上述原因，密相区燃烧效率不均匀，直接影响锅炉的整体燃烧效率，尤其是那些无法被分离器分离的细小碳粒，被热分解的挥发份在富碳贫氧区被高速气流带出炉膛，导致q3和q4的热损失增加(气固不完全燃烧)；贫碳区和富氧区中的过量氧气导致q2废气的热损失增加。对于一些低灰分的高热值煤，需要掺入冷渣灰进行燃烧。这其实就是把好煤当劣质煤烧。热效率会高吗？以上因素导致锅炉运行成本高。同时掺入冷渣灰无疑会增加炉内磨损和引风机的耗电量，增加除尘器的耗电量，增加输灰的耗电量，真是百害而无一利。
4.循环流化床锅炉技术改造的原则、要求和措施。
4.1循环流化床锅炉改进技术原理
循环流化床锅炉的物料循环由内循环和外循环组成。炉内物料循环和炉外物料循环对床温及燃烧、燃烧、脱硫、磨损的影响是不同的。增加内循环可以减少外循环，燃烧脱硫效率不变，但磨损可以减少。特别是在密相区增加内循环，可以加快床料中碳粒的扩散速度，使碳粒在床料中均匀分布，从而有效提高流化床锅炉的燃烧和脱硫效率，大大减少外循环，从而降低锅炉磨损。密相区的大内循环可以消除平板布风板密相区的燃烧缺陷，放宽对布风板面积的限制，降低密相区的轴向物料流量，延长碳粒在密相区的燃烧时间，降低同容量锅炉的高度。
根据研究和实验，密相区燃烧份额可提高到0.7~0.90。对于密相区如此高的燃烧份额所释放的热能，在该区设计了一个结构简单(见图1)、防磨措施好、易于更换的浸没式受热面来吸收。为了提高钢材利用率，这种浸没式受热面应水平布置，两侧裸露，传热系数高达250~280w/m？k，用很少的受热面吸收很大份额的热量，降低循环流化床锅炉的钢材消耗。使循环流化床锅炉更加经济和大型化。
增加密相区的循环速率，可以有效消除密相区碳粒和温度场的分布差异，其次消除大颗粒难以排出的缺陷。根据锅炉容量的大小，配风板的面积以充分利用锅炉下部空间为原则。根据计算，一般按0.25~0.35m2/吨蒸汽选择布风板是可行的，不会影响锅炉大型化，但会降低锅炉的投资和运行费用。随着布风板面积的扩大，密相区的流速降低，同样的燃烧时间可以降低锅炉的高度，风室内的风压和风功率消耗大大降低，降低最大的是磨损率。
可见，改善内循环可以简化锅炉设计，降低钢材消耗，减少输送动能，降低故障率。
目前，国外的研究结果也表明，提高内循环，特别是床内循环速率，比外循环的高循环速率对锅炉运行要经济得多。比如日本的Ebara公司开发了床内锥形循环燃烧技术，配有带隔板的低位低速浸没受热面。这项技术已经在全球多个国家申请了专利保护。
根据美国CPC动力公司的研究，密相区的循环可以扩大布风板的面积，提高燃烧效率，并设置高位浸没式受热面，使气流得到侧向冲刷。根据德国IRCOFLVID的研究，可以通过适当扩大布风板的面积，在炉膛内设置高位浸没受热面，让气流侧向冲刷，从而简化锅炉的结构。
此外，国外还特别注重分离机的能耗，总是选择低温低速分离和无动力重力返回。为锅炉的长期运行产生了可观的经济效益。
4.2循环流化床锅炉的技术改进要求
根据上述技术改进原则，对循环流化床锅炉提出以下改进技术要求，为改进技术设计和制造提供参考，并方便用户使用时测量。
煤的适应性广，既可以烧高灰分的低热值煤，也可以烧低灰分的高热值煤。
对煤的粒度要求较低(0~15mm)，不受各粒度份额的严格限制。
(3)燃烧效率高，磨损小，自用电耗低，锅炉维护维修费用低。
(4)脱硫效率高，钙硫比低，有害气体生成少。
(5)结构简单，用钢量低，锅炉与人和谐，维修方便容易。
(6)运行稳定，负荷调节灵活，产量充足。
(7)点火启动耗油少，操作简单快捷。
(8)年出勤率高，经济效益好。
4.3循环流化床锅炉的技术改进措施
(1)密相区循环燃烧系统和浸没式受热面的技术改进措施
根据循环流化床锅炉的燃烧原理和燃烧机理特点，宜采用碟形布风板和多室风箱(如图1所示)(与日本荏原公司的锥形布风板多室风箱的布风板相反，作用相同)，以及鸭嘴形定向风帽、圆柱形直风帽和导流器圆柱形直风帽等。，形成一种五种规格的风帽。布风板的面积可根据锅炉的蒸发量在0.25~0.35m2/吨蒸汽之间选择。其工作机理是密相区中心的床料呈倒锥形向上喷出，并在一定高度呈喷泉状向四周下落。燃料进入炉膛后，在周围落下的床料的旋转引力作用下，被带入倾斜密相区的床底。在倾斜布风板三种不同规格风帽的作用下，形成粗颗粒向中心水平流动和中小颗粒小尺度旋流的滚动循环运动。这些燃料和床料一旦接近中央布风板边缘，就被中央布风板的导流罩形成的一种“空腔”效应吸引，迅速向中心聚集，并向上喷射，在密相区反复循环；此外，当中心析出的细颗粒在稀相区达到一定高度时，会在炉内烟气流场的影响下向四周壁聚集并向下移动，从而在炉内循环。结合这些炉内循环技术，我们定位于多元内循环流化床燃烧技术。
实践证明，这种多元内循环流化床燃烧技术使密相区的燃料和床料产生强烈的径向循环(侧向搅拌)，使床内温度场、空气、烟气场和烟尘场分布均匀，从而大大提高了燃烧效率。同时，床内循环具有很强的破渣能力和清除大颗粒的能力。无论锅炉连续运行多长时间，不控制输煤系统筛分故障，进入床内的大颗粒都会被排出冷渣清除，不会造成床内低温结焦或灭火事故。如果以炉内燃料的循环率来衡量，内循环率高达1500~2000。多元内循环燃烧系统用于点火的燃料、点火时间和对点火技术水平的要求大大降低，运行稳定，负荷自由增减，不受高热值燃料和低热值燃料变化的影响，燃料粒度分布份额对其影响很小。锅炉连续运行周期长达半年至一年，途中灭火容易，启动快。
实践证明，由于煤的特性不同，这种多元内循环燃烧系统的密相区燃烧份额高达0.70~0.90。一次风过量空气系数可控制在1~1.05范围内；密相区横向速度高，循环率高，但达到一定高度后，轴向(纵向)速度较低，仅为高速床的35%~40%。浸没式受热面布置在这个高位，主要依靠中小颗粒的热传导和低速横向冲刷传热，传热系数比纵向冲刷的膜壁高近2倍，而平均磨损率低3倍。由于风压低，风机的耗电量可减少一倍；一般浸没式受热面采用φ51×5钢管焊接防膜翅片，可连续运行20000小时。如果采用特殊的抗磨喷涂技术，预计使用寿命可达32000小时以上。浸没式受热面的设计易于更换，节省材料，钢材利用率高。
为了克服膜式墙的缺点，我们在原有水冷壁的基础上，采用长沙伊美公司生产的不锈钢纤维增强耐火浇注料进行全炉浇注(见图2)，取得了良好的效果:1，保留了轻质炉墙的特点；2、降低了制造成本；3.运输、安装和维护方便；4、耐用。
必须注意的是，燃烧系统可以稳定燃烧过宽颗粒筛分(0~40mm)的燃料，产量不受影响，但热效率降低到80%。从经济运行和节能角度考虑，不建议筛选过宽。大型流化床锅炉，最好采用多床组合，一床点火，分床启动，只要一床有上下联动点火设施即可。
(2)改进给煤系统的技术措施
循环流化床锅炉的给煤系统应包括煤仓、煤斗、给煤机、播煤风等。据调查，由于燃料水分的变化，煤在系统中经常发生破碎，如储煤仓中的煤斗经常堵塞；其次，螺旋给煤机不给煤；或者燃料挤成一团也进不去煤里；皮带给煤机烧坏等。
为了克服上述缺陷，煤仓不应设计成对称的，而应单侧适度倾斜。煤斗进入给煤机的地方，要有倾斜度，防止燃料被压，同时要设计缓冲区，使燃料满足给煤机的需要，不堵塞，不空置。为了防止断煤时不供煤，一般每个给煤点应配备两台给煤机。这种给煤机体积小，功耗低，经久耐用，维护简单，维护费用低，不占空间，能正压给煤和计量煤。与给水流量计和蒸汽流量计相比，循环流化床锅炉的正平衡热效率一目了然。参见图3
(3)外循环系统的技术改进措施
国内循环流化床锅炉，尤其是大型锅炉，大多采用旋风分离器，阻力大；流化床给料机需要配备独立的高压头风机，消耗大量电能，不需要。采用多元内循环燃烧技术后，可改为低能耗的高温穿透分离装置、中温惯性分离装置和炉外多管旋风分离装置的组合，侧风直喷回流阀用于低倍率外循环。分离器的任务是捕集未燃烧的碳粒，并送回炉膛，从而延长燃烧时间，实现高效燃烧，而不含碳的飞灰需要释放。当外循环的含灰量大大降低时，不仅磨损问题大大减少，鼓风机和引风机的功耗也增加了一倍。
5.结论
根据上述技术措施，我们生产了一批不同容量的多元内循环流化床锅炉并投放市场，95%以上收到了预期效果。去年，山西某厂将一台20吨/h的A型链条炉排锅炉改造成多元内循环流化床锅炉。一次点火成功，连续运行八个月，证明该锅炉具有优良的性能指标。排放飞灰含碳量为7.18%，达到国内先进水平。