循环流化床燃烧锅炉-冯俊凯 岳光溪 吕俊复.pdf

第一章循环流化床燃烧锅炉概述

第一节循环流化床燃烧技术

由于燃烧温度低，灰渣不会软化和黏结，因而不存在炉内结渣的尚题，炉膛内不需布置 次灰器：较低的炉膛温度使炉内受热面热流率较低，减少了发生传热危机而爆管的机会：燃 烧的腐蚀作用也较层燃炉和煤粉炉小。这些都使得流化床锅炉易于操作和维修。至于流化闲 锅炉易产生的磨损尚题，可在易磨损部位采取诸如敷设防磨耐火材料涂层等一系列防磨措 施，已经得到解决。 （八）灰渣便于综合利用 低温燃烧所产生的灰渣具有较好的活性，而且其飞灰和底灰的含碳量低，通常低于4% ~5%，可以用作制造水泥的掺合料或其他建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。 但是，鼓泡流化床锅炉还存在以下的主要问题： （1）当燃用宽筛分的燃料（般燃料的颗粒尺寸分布0~12mm）时、未燃尽细颗粒飞灰 的飞出量大，尤其在燃烧低挥发分低反应活性的燃料时，会造成固体未完全损失增加，降低 了燃烧效率。同时，飞灰排出量大还会造成尾部受热面的磨损，并要采用高效率的静电除 器或袋式除尘器，否则锅炉飞灰排放浓度将难以达到环境保护标准的要求。 （2）在向鼓泡流化床锅炉内直接加人石灰石脱硫时，由于在床内的停留时间短，石灰石 的钙利用率低，要使脱硫效率达到90%以上，则脱硫所需的钙硫摩尔比Ca/S一般需在3左 右，要消耗大量的石灰石。 （3）泡流化床锅炉的床内埋管及炉墙和尾部受热面的磨损问题还有待彻底解决。 （4）按照鼓泡流化床锅炉的截面热负荷，每平方米的床面积可生产约0.5~1kg/s蒸汽， 因此，随着锅炉容量的增加，床的截面积势必增加。例如，一台111.11kg/s的鼓泡流化床锅 炉，其床面积将会达到100m以上，这在布置上会带来很大的困难，从而会限制鼓泡床锅炉 尚大型化发展。 正是为了解决鼓泡流化床锅炉存在的上述问题，促使了循环流化床锅炉的发展。循环流 化床锅炉不但具有鼓泡流化床锅炉的全部优点，而且基本上克服了鼓泡流化床锅炉的上述缺 点，因而循环流化床技术成为当前流化床技术发展的主要方向。但是，循环流化床燃烧技术 本身还存在以下的缺点： （1）循环流化床锅炉的气固分离和床料循环系统比较复杂，如旋风分离器尺寸庞大，造 价较高，布风板及系统的阻力增加，锅炉自身电耗量大，约为机组发电量的7%左右，导致 运行维修费用增加。 （2）循环流化床的燃烧效率受燃烧温度的限制，一般要略低于煤粉炉，特别是对难燃煤 种，飞灰含碳量偏高，影响了飞灰的综合利用。 （3）由于床内流速相对较高，固体颗粒浓度大，为控制NOx排放而采用分级燃烧以及循 环流化床燃烧的内在规律，炉膛内存在还原性气氛区域，受热面的磨损与腐蚀问题仍要十分 重视。 （4）采用添加石灰石在炉内燃烧中脱硫，其脱硫效率低于湿法烟气脱硫，这对于达到发 达国家更严格的SO，排放标准仍存在问题。

第二节循环流化床燃烧技术的基本工作原理

式中螺钉标准，u，为飞出速度或输运速度。

dp18+0.6Ar

第一童循环流化床燃烧锅炉概述

由乎循环流化床内气固两相混合物的热容量比单相烟气的热容量大几十倍甚至儿百倍， 因此，循环流化床锅炉中燃料的着火、燃烧非常稳定。另外，固体床料通过分离器形成的多 次外循环和比外循环高个量级的内循环，大大延长了燃料和脱硫剂的停留和反应时间。在 内沿炉膛高度所进行的燃烧和传热过程，基本上是在十分均匀的炉膛温度下（一般为850 ~900℃）进行的，从而可使循环流化床锅炉达到98%~99%的燃烧效率。在钙与燃料中的 硫疏摩尔比CaS为1.5~2.5的情况下可以达到90%以上的脱硫效率。由于循环流化床锅炉是 低温燃烧、而且燃烧过程是在整个炉膛高度上进行的，可以方便地组织分级燃烧，因而可以 有效地抑制NOx的生成，降低NOx的排放。由于炉内气固两相流对受热面的传热是在整个 炉膛内进行的，不需在床内布置埋管受热面，因而完全避免了埋管的磨损问题。而布置在炉 掉出门外的高效分离器可将大部分固体颗粒从烟气中分离出来，因此，和鼓泡床相比，也大 大减少了尾部烟道中烟气的粉尘浓度，减少了尾部受热面的磨损。 由此可见，循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，但却克服了鼓泡床的 基本缺点，将煤的流化床燃烧技术发展到了一个新的阶段。

循环流化床燃烧技术的发展历史及

第一童循环流化床燃烧锅炉概述

达到较高的供电效率方面并未具有明显的优越性，在高效方面没有进步，因此提高蒸汽参数 以提高供电效率是人型化的主要方向。 20纪80年代末期，蒸汽循环的要求便最大的带有过热和一次再热的官然循环锅炉的 运行压力提高到了18.6MPa。从90年代的初期至今，这一运行参数已被证明是可靠的。资料 表明：9.81MPa、535C的高压参数电站供电效率为30.04%；12.7MPa、535℃再热电站供电 效率为32.16%；16.3MPa、535/537℃亚.临界参数电站供电效率为37.12%；24.3MPa、540 560C超临界参数电站供电效率为40.95%，主蒸汽压力对供电效率有明显影响。大型电厂普 遍采用的煤粉燃烧锅炉即是沿着低压→高压→超高压→亚临界→超临界这一条路发展起来 山于循环流化床锅炉的低温燃烧，炉膛中的热流比传统炉膛低很多，这就使超临界直流循环 流化床锅炉可以在相对低的质量流速和相对高的工质温度条件下工作。 循环流化床锅炉比煤粉炉更适于采用超临界的几大优势使得循环流化床锅炉比煤粉炉史 适合采用超临界参数。在循环流化床锅炉中，炉膛是唯一的蒸发器，没有水平管簇。炉膛的 固有特点决定了它在超临界滑压运行中的显著优势。 循环流化床锅炉燃烧室的传热系数和温压较低，亦即低热流。对于同样的负荷，循环流 化床锅炉的炉膛截面积接近于煤粉炉，但单位受热面积上的传热量较小。平均炉膛设计面积 I:的较低热量输人（NH/PA）导致了低的热流。循环流化床锅炉和煤粉炉的平均NHVPA分 别为1.605×10°W/m和5.664×10°W/m。总的来说，循环流化床锅炉炉膛中的热流率要比 煤粉炉中的低得多。 由于流化床中气固两相流动对受热面的冲刷，使得水冷壁的粘污系数较小，沉积物非常 少并且比较均匀，炉墙清洁，水冷壁发生传热恶化的情况大幅度减少。 循环流化床锅炉燃烧室中热流横向分布比较均匀，纵向分布呈现上部比下部低的趋势 下部较高部位被耐火材料覆盖。最高热流出现在底部并随着炉高增加而逐渐减小，而工质温 度恰恰相反。因此，最冷的工质恰好在最高热流处。这种特性使水冷壁面不至于超温，在循 环流化床锅炉中发生传热恶化的几率比煤粉炉小得多。 循环流化床锅炉的负荷调节范围广。目前我国电网的峰谷差已达36%以上，今后还会 进一步增加，再考虑到今后建设的核能电站适合带基本负荷，因此要求新建的火电机组的负 荷变化范围相对较大，从而要求火电机组必须具有高的经济性和可靠性以及优良的负荷适应 生和燃料适应性。 循环流化床锅炉投资和运行费用适中。循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤 粉炉，但比配烟气脱硫装置的煤粉炉低。循环流化床锅炉加石灰石在炉内脱硫即可达到SO 国家排放标准，而煤粉炉要想达到国家SO排放标准还需加装脱硫设备，使供电成本增加。 在煤粉炉中，火焰温度比较高，导致NOx的排放相对较高。即使采用性能比较好的低 NOx燃烧器，NOx的排放要低于0.03%是比较困难的。由于循环流化床锅炉采用低温燃烧和 分级送风，其NOx的排放较小，一般为0.02%以下。 超临界蒸汽循环可以提高热效率，减少排放和泵的电耗。循环流化床技术具有燃料的灵 舌性，低的排放，高的可靠性和成熟的设计特性等优点。超临界循环流化床锅炉便是结合二 者的优势。它们的结合从理论上说技术难度不大。因此超临界循环流化床锅炉成为国际上的

第四节循环流化床燃烧技术的发展前景

第一章循环流化床燃烧锅炉概述

第五节我国循环流化床燃烧技术的发展

利用流化床具有液体的性能，可以设计出不同的气固接触方式，同其他接触方式相比， 它具有如下优点： （1）颗粒的流动平稳，类似于液体，其操作可连续自动控制。 （2）固体颗粒混合迅速均匀，使整个反应器内处于等温状态 （3）通过两床之间固体颗粒的循环，很容易实现提供（取出）大型反应器中需要（产 生）的大量热量。 （4）气体与固体颗粒之间的传热和传质速率高。 （5）密相床与浸人表面间的传热系数较大。 （6）由于颗粒浓度高、体积大，能够维持较低温度运行。 （7）易于大规模操作。 与此同时，流态化装置也具有一些不利的特点： （1）气体流动状态难以描述，当设计或操作不当时会产生不正常的流化形式，由此导致 气固接触效率的显著降低。 （2）不同粒径的颗粒在反应器中的停留时间不同。 （3）脆性固体颗粒易成粉末并被气流夹带，需要经常补充物料以维持稳定运行： （4）气速较高时密性区内的埋件和器壁磨损严重。 （5）对于易于结团或熔点低的颗粒，需要低温运行，从而降低了反应速率。 （6）与固定床相比、流化床耗能较高。

第二章循环流化床燃烧中气固两相流的基本理诊

力系数C是Re.的函数，可分为3个区

对于非球形颗粒，计算终端沉降速度，时，还应作相应的修正，请读者查阅有关资料： 实际上，如果供给床层一定量的颗粒，当气速大于颗粒的终端速度u，时，流化床内终 能维持一·定厚度的浓稠颗粒的床层。这是因为床层颗粒是由一定宽度范围粒径的颗粒组成 的，通常计算的是平均粒径的终端速度；另一方面，在瑞流床和快速床中，由于物料循环总 存在并保持一定量的颗粒团，颗粒团的当量直径比颗粒的直径大的多，流化气速不会超过这 些颗粒团的终端速度。 虽然有人用多孔球模拟过颗粒团的终端速度，但目前关于颗粒团终端速度可以信赖的研 究结果还公布的很少。为了更加深人地了解高气速流化床，还必须对颗粒团的终端速度有 定了解，有兴趣的读者可以在这方面作些尝试。

六、颗粒种类与流态化形式

有些流态化系统，一目达到临界流化状态就出现鼓泡；有的系统，只是在流化介质的表 观速度大于u时才会出现鼓泡；还有一些系统，不论达到什么样的表观气速，都不会出理 鼓泡。 Wilhelm和郭慕孙首先用弗鲁德准则数来区分这两种流化形态

Unf < 0.13 dpg Frmf > 1.3

平稳或散式流态化 Frmf = unf. < 0.13 鼓泡或聚式流态化 Fr.t > 1.3

平稳或散式流态化 鼓泡或聚式流态化

也有建议用4个无因次群来表征流态化形态

散式流态化 (Frmr)(Re. 100 聚式流态化 (Frmf)(Remf) Pp > 100 Pf

鼓泡的开始与均一流化状态中的内在不稳定性有关。根据连续方程和运动方程，许多学 者进行了线性化稳定性分析，由此判定颗粒系统是散式流态化还是鼓泡流态化操作。 有关鼓泡床模型的研究较多，已经提出了很多模型，其中最著名的莫过于将床层处理为 气泡相和乳化相的所谓两相理论。本节只对此作以简述，感兴趣的读者可查阅有关资料。 许多流化床模型都假定，多于临界流化的气体量V都以气泡的形式窜过床层，即

第二章循环流化床燃烧中气固两相流的基本理冷

当u较接近um时计算误差较大，当速度较高，接近过渡到端流方式时，其计算结果令 人满意， 由于气泡的合并和破裂，形成了气泡大小的不均匀径向分布。有人认为沿高度在距布风 板的1～2倍平均气泡直径处，不均匀程度达到最大。在径向上，发生最大气泡的几率是位 置的函数，越靠近床中心最大气泡越容易出现，在床层的中轴线处，发生最大气泡的频率与 气体的最大流率基本一致。对于气体人口点很少的床层，布风不均勺可能导致沟流并在

时间内每平方米截面上被扬析的i组分颗粒的数量Fi，可由扬析常数E与床层 粒的重量分率X的乘积求得

颗粒的扬析总量等于各扬析分量之和

Fix = E,x X

当鼓泡流化床的气体流速继续增加时，气泡作用加剧，气泡变大，气泡的合并和分裂更 加频繁，压力波动的幅度也增大。当气速超过某气速uk，压力波动开始减小，大的气泡 开始消失。超过另气速us，压力波动的幅度值要比相应的压力小的多，同时波动频率非 常高。通常，已经看不到气泡。操作速度在uk～u。范围之内的流化床即为端流流态化。 一种观点认为，端流方式中气泡的分裂和他们的合并一样快，因此平均气泡尺寸很小 通常所理解的那种明确的气泡或气栓已看不出。另一种观点认为，滥流方式居干鼓沟方式和

第二章循环流化床燃烧中气固两相流的基本理论

其中．Pd，=0.05~0.7kg/m。对于细粉，uu，和uk/u，的比值超过10。随着颗粒的增 加，比值单调递减到1。 结合后面的章节可以对瑞流床和快速床作这样解释，前者是在气速为uk～u，的范围内 床层压力波动逐渐变小的操作；后者是床层压力波动很小，而床层空隙率与固体循环量有密 切关系的操作。 Stuaub和Canada的实验结果表明：对于650μm的玻璃珠，u/u,~0.65；对于2.6nm的 玻璃珠，u。/ut～0.35饲养标准，这些值受系统压力变化的影响很小。此外，上述转化速度随床径的 增加而减小。当有埋管时，虽然床内大部分处于鼓泡方式，但是在减小的通流断面上，可能 出现局部瑞流区。 循环流化床锅炉和其他流化床设备经常处于较高气速运行，瑞流床实际上是一种很重要 的流化床操作方式。以前，对小型床的低速流动研究的相对较多，对瑞流床的特征和规律研 究的还很不够、有关资料也公布的很少。

如果气速进一步增加，颗粒夹带量也要急剧增加，直至表观气速达到输送速度u此 时，如果没有颗粒循环或较低位置的连续给料，床中颗粒迅速被吹空。当连续给料或组织物 料循环时，可能出现的操作方式取决于加料量。加料少时，会出现垂直的气力输送；加料量 多时，出现快速流化方式。 快速流化床具有如下基本特征： （1）固体颗粒粒度细，平均粒径通常在100μm以下，属于Geldart分类图中A类颗粒。 （2）操作气速高，可高于颗粒自由沉降速度的5~15倍。 （3）虽然气速高，固体颗粒的夹带量很大，但颗粒返回床层的量也很大，所以床层仍然 保持了较高的颗粒浓度。 （4）快速流化床既不存在象鼓泡床那样的气泡；也不同于气力输送状态下近管壁浓中间 稀的径向颗粒浓度分布梯度，整个床截面颗粒浓度分布均匀。 在快速流化床中存在着以颗粒团聚状态为特征的密相悬浮夹带。在团聚状态中，大多数 颗粒不时地组成较大的颗粒密集的颗粒团。认识这些颗粒团是理解快速流化庄的关键

第二章循环流化床燃烧中气固两相流的基本理冷

20 S0p 20 uAo

最小循环量可由式（244）给出

第二节循环流化床中气固两相流的流动

us = (3.5 ~ 4.0)u

快速流化床输送速度u，是快速流态化操作的极限速度。此时床层空隙率纵向分布曲线 的拐点恰好位于布凤板处，亦即床层呈稀相气力输送状态。在输送点速度时胶合板标准，根据实验得出 的快速流化床固体循环量与床层平均空隙率之间的关系为