循环流化床锅炉的原理doc

  循环流化床锅炉的理论培训 一、循环流化床的工作原理 （一）流态化过程 当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。流速较低时，颗粒静止不动，流 体只在颗粒之间的缝隙中通过。当流速增加到某一速度之后，颗粒不再由分布板所支持， 而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他邻近颗粒的 接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层中自 由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。这种状态就被称为流态化。颗粒 床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。 流化床类似流体的性质主要有以下几点： 1）在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量； 2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状； 3）床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出； 4）密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上； 5）床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。 一般的液_固流态化，颗粒均匀地分散于床层中，称之为“散式”流态化。而一般的气 固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒 则被分成群体作湍流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，因此这种流态化 称为“聚式”流态化。 煤的燃烧过程是一个气_ 固反应，故我们只讨论气—固流态化。 （二）循环流化床的原理和特点 早期（40年代）的许多流化床是运行在相比来说较高的流化速度下的，此后，因为技术上 的困难，运行流化速度降低。50～60年代，许多研究机构开始做流态化的研究，研究重 点放在流化床的气泡特性等方面。这样，对低速流化床的认识有了很大提高，而高速流态 化过程则几乎被忽略，因此最近一段时间投运的流化床也绝大多数都是鼓泡流化床。 最近!多年来，高速流态化过程研究的开展和某些特定工艺的要求，使得被称为循环流化床的技术获得了广泛的应用，特别是循环流化床锅炉，更是在短短十几年内从实验 室研究发展到了电站应用。 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态。随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速流态化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体物料被速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化， 以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解 体。在这种流体状态下，气流还可携带少数的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平 均气速。这种气固运动方式中，存在比较大的气固两相速度差，即相对速度。循环流化床由 流化速度，空隙率增加! 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 快速流化床（上升段）、气固物料分离装置和固体物料回送装置所组成 循环流化床的特点可归纳如下： （1）不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间； （2）有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动； （3）颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； （4）运行流化速度为鼓泡流化床的2～3 倍； （5）床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； （6）颗粒横向混合良好； （7）强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升段内温度分 布均匀； （8）通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到数小时范 围内调节； （9）流化气体的整体性状呈塞状流； （10）流化气体根据自身的需求可在反应器的不同高度加入。 三、循环流化床锅炉的特点 循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛（快速流化床）、气固物料分离设 备、固体物料再循环设备和外置热交换器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述 部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤 器和空气预热器等，与常规煤粉锅炉相近。 图（1）为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图。燃烧所需的一次风和二次风 分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷管， 用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。 图典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意图 循环流化床燃烧锅炉的基本特点可概括如下： 1、 低温的动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体 颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高 温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。显然燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般850度左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区（或过渡区）内。由于循 环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这样的一种情况下的燃烧速 率主要根据化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的 主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高，通常，性能好的循环流化床锅炉燃烧 效率可达98～99％以上。 2、高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程。 从图可看出，循环流化床锅炉内的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂 和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在前面介绍快速 流态化的特点时，我们也介绍了炉膛内固体物料的内循环，因此循环流化床锅炉内的物料 参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的 循环运动的动态过程中逐步完成的。 3、 高强度的热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变 物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不一样的燃烧工况。在这种组织方式 下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均 匀。运行实践也充分证实了这一点。 四）循环流化床锅炉的优点 循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备有许多独特的优点，以下分别 加以简述。 1、燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气－固和固－固混合非常好，因此燃料进入炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。 2、 燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在97.5～99.5％范围内，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气－固混合良好；燃烧速率高，特别是对粗粒燃料；绝大部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛。与鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉能在较宽的运行变化范围内保持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的燃料时也是如此。 3、 高效脱硫 循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。典型的循环流化床锅炉达到90％脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为1.5～2.5，鼓泡流化床锅炉达到2.5～3脱硫效率则需脱硫剂化学当量比为2.5~3，甚至更高，有时即使Ca/S比再高，鼓泡流化床锅炉也不能够达到90%的脱硫效率。与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。为了使氧化钙（煅烧石灰石）充分转化为硫酸钙，烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和尽可能大的反应比面积。当然，脱硫剂颗粒的内部并不能完全反应。鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域 的平均停留时间为1~2S，在循环流化床锅炉中则为3~4S。循环流化床锅炉中石灰石粒 径通常为0.1~0.3mm，而鼓泡流化床锅炉中则为0.5～1mm。0.1颗粒的反应比面积是1mm 颗粒的数十倍。因此，无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫的脱除率，循环流化床锅炉都比鼓泡流化床锅炉优越。 4、氮氧化物（Nox）排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明，循环床锅炉的Nox排放范围为50～150PPm 或40～120PPm循环流化床锅炉Nox排放低是由于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的氮正常情况下不会生成12!二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为Nox ，并使部分已生成的Nox得到还原。 5、其他污染物排放低 循环流化床锅炉的其他污染物如CO、HCL、HF等的排放也很低。 6、燃烧强度高，炉膛截面积小 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。循环流化床锅炉的 截面热负荷约为3.5～4.5MW/M2接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需 要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2~3倍。 7、给煤点少 循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大幅度减少。如热功率为100WM;的循环流化床锅炉只需一个给煤点，而相同容量的鼓泡流化床炉则需20～30个给煤点（底饲）。在循环流化床锅炉中，燃料经常给入返料管内，这样在进入炉膛前经历一个预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 8、燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎 系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤（水分可达到30％以上），当 燃用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 9、易于实现灰渣综合利用 循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭 量低，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用，如灰渣作为水泥掺和料或做建筑材料。 同时低温烧透更有助于灰渣中稀有金属的提取。 10 负荷调节范围大，负荷调节快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样 采用分床压火技术。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达3～4：1此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4％。 11、床内不布置埋管受热面 循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热 面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，同时长 时间压火之后可直接启动。 12、投资和运行的成本适中 循环流化床锅炉的投资和运行的成本略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫装置的煤粉 炉低15～20％ （二）循环流化床锅炉尚待进一步研究的问题 为使循环流化床锅炉的设计和运行达到优化的目的，充分的发挥循环流化床锅炉的优 点，尚需对以下诸方面做深入的研究。 1、 循环物料的分离 循环流化床锅炉的分离装置按工作时候的温度可分为高温、中温和低温分离，按分离的作用 形式又可分为旋风分离、惯性分离等。以目前循环流化床锅炉的运作情况看，高温旋风分 离器还是很成熟的，但燃用高灰燃料时分离器的磨损问题尚未解决，而且分离器的体积 也十分庞大，基本上和炉膛直径相近。受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量循环流化床 锅炉必须配置多个分离器。由于旋风分离器内衬有较厚的防磨耐火材料，热惯性大，因此 延长了启动时间，负荷变化动态特性变差。采用惯性分离器是值得探讨的，因为惯性分离 器设备最简单，体积小，结构上的布局较为方便，流动阻力也比较小。此外，还应探讨中低 温分离器。总之，循环流化床锅炉的发展要求效率高、体积小、阻力低、磨损轻和制造运行 方便的循环物料分离装置。 2、循环流化床内固体颗粒的浓度选取 循环流化床内固体颗粒浓度对燃烧过程、脱硫过程和传热过程都有很大的影响，但合适的循环流化床内固体颗粒浓度的确定却十分困难。目前各循环流化床锅炉制造厂家所采用的炉内颗粒浓度相差很大，但都能保证锅炉良好的运行。反映炉内颗粒浓度的一个重要参数是循环倍率，国内的一些循环流化床锅炉的循环倍率通常在#( 以下，而国外许多锅炉的循环倍率常常达到&(，甚至更高。在分析循环流化床锅炉的工作过程时，我们不仅要考虑物料的外部循环，还应该要考虑炉内的内循环，即物料在炉内由于壁面效应或受内构件等的影响而下落所造成的内部循环。在高风速运行时，物料的内循环将更为显著。目前对物料内循环的定量分析还缺乏有效的手段。合理的循环床内固体颗粒的浓度的选取受燃烧、脱硫、传热、磨损、能耗等一系列因素的影响，该参数的确定对循环流化床的基础理论研究有重要的学术意义，对于设计循环流化床锅炉有很大的实用价值。 3、炉内受热面布置和温度控制 为了能够更好的保证循环流化床锅炉的炉内温度控制在一些范围内，在固体颗粒循环回路中必须吸收一部分热量。目前炉内吸热主要有以下两种方法：一种是在炉膛内布置水冷壁或隔墙；另一种是炉膛内布置部分受热面，在固体物料循环回路上再布置流化床换热器。这两种形式都有大量的锅炉在实际运行中，且证明都是可行的。但这两种方法的床温控制方式是不同的，前一种方法主要是靠调节返料量来调节床内固体颗粒浓度，以改变水冷壁的换热系数，从而改变炉内的吸热量来控制床温；第二种方法则仅需要调节进入流化床换热器和直接返回炉内的固体物料量的比例，便可控制床温，相对来说还是比较灵活，特别适合于大容量的循环流化床锅炉。不过，对上述两种方法的优化以及新的控温方式，包括自动控制温度等，仍有必要进行更一步的研究。 4、运行风速（或截面热负荷）的确定 循环流化床锅炉的运行风速是一个很重要的参数，一般运行风速为4～10m/s 运行风速提高会使炉子更为紧凑，截面热负荷相应增大，此时为了能够更好的保证燃料和石灰石颗粒有足够的停留时间和布置足够的受热面，必须增加炉膛高度。这样不仅磨损会增加，而且锅炉的造价可能会增加，风机功率会增大，厂用电也会增大。但运行风速选择过低则发挥不了循环流化床的优点，因此对每种燃料都具有最佳的运行风速。截面热负荷的选择与运行风速的选择相似，该参数主要影响炉膛的截面积和炉膛的高度。一般的循环流化床的截面热强度为) 3～6WM/M2 左右。实际上，对给定的燃料及过量空气系数，运行风速与截面热强度中只要有一个参数确定后，另一个参数也随之确定。如何根据燃料特性来确定循环流化床的运行风速，也是一个较为重要的问题，在发展循环流化床的过程中应进行进一步的探索。 5、 返料机构 在循环流化床中，被分离下来的固体物料一定要通过返料机构送回床内。返料机构还应对返回的物料量进行灵活的调节，但由于返料机构中的温度很高，如果采用机械阀门之类的调节装置，或非常容易产生卡死、转动不灵活等现象，并且也会产生严重的磨损问题。所以，目前在循环流化床中一般均采用非机械阀，一方面调节物料流量，另一方面防止燃烧室的物料反窜至分离器，造成短路。目前在循环流化床锅炉中采用的返料机构主要有 阀和流化床返料机构等。许多制造厂家开发的返料机构都是保密的，要开发自己的循环流化床锅炉必须开发出相应合适的返料机构。 6、循环流化床锅炉部件的磨损 由于循环流化床锅炉内的高颗粒浓度和高运行风速，锅炉部件的磨损是非常严重的， 而相应的研究却比较薄弱。磨损主要与风速、颗粒浓度以及流场的不均匀性有关。研究 表明，磨损与风速的)3.6次方成正比，与浓度成正比。流场的均匀性则较难进行研究，一 般与设计、制造、安装以及运行特性有较大的关系，在设计时一般应防止烟气走廊或突缩 突扩的形式。在这方面应注意加强试验以及计算机数值试验方面的研究，以解决循环流化床锅炉发展过程中的这一重大问题。 7、 低污染燃烧 循环流化床锅炉已在国内外获得了迅速的发展，一个重要的缘由是循环流化床的低污染燃烧特性。在脱硫研究方面目前相对较一致，但对于最佳脱硫温度，脱硫剂的高效利用方面尚有许多内容有待于进一步的研究。对于怎么来降低123目前研究较少，比较一致的是分段燃烧肯定对降低Nox有帮助。其他诸如床温、烟气再循环、注氨以及脱硫剂对Nox 的形成的影响等，不同的试验甚至得。出截然相反的结论。这样一些问题不解决，降低Nox 的排放很难达到一个优化的水平。 8、炉内传热 目前虽然对循环流化床的传热问题进行了大量的研究，但由于传热本身的复杂性，传 热系数的计算和选取至今还是建立在经验的基础上，有些设计计算就干脆假定一个总的 传热系数值。到目前为止，循环流化床内传热的机理尚未完全搞清，在这方面还应进行认 线、 尾部受热面的设计 目前在循环流化床锅炉的设计中，尾部受热面的设计一般受到忽视，经常借用常规的 锅炉设计方法和布置型式，这样是否合理尚待进一步的研究。 10、 除尘 目前在国外的循环流化床锅炉中，尾部一般都会采用布袋除尘器或电除尘器来除尘，但在 我国很少用布袋除尘，正确合适的除尘方式也值得进一步的研究。 其他诸如自动调节控制特性、风机系统配套、灰渣综合利用等也需进一步研究。 二次风 给煤 一次风 排渣 分离器 硫化风

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