（动力工程及工程热物理专业论文）cfb混燃煤矸石煤层气的炉内流动特性数值研究.pdf

numerical simulation of flow characteristics of coal gangue and coal bed methane in cfb a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by li qinpeng supervisor: prof. zhang li major: power engineering and engineering thermophsics college of power and engineering chongqing university may, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 煤矸石是目前排放量最大的工业固体废弃物之一，具有低挥发分、高灰分、 低热值和难燃烧等特点。 煤层气是煤炭开采活动中释放出的甲烷， 温室效应很强， 且易燃易爆，给煤炭开采活动带来隐患。煤矸石和煤层气的排放既污染环境，又 浪费了资源。循环流化床燃烧技术现己被公认为一种清洁高效的燃烧技术，因此 煤矸石和煤层气在循环流化床中混烧为综合利用煤矸石和煤层气提供了一种新途 径，不仅能节约能源，还有利于环保，具有很高的经济和社会效益。 本文以采用循环流化床锅炉燃烧技术改造的 ng-35/3.82-m 型 35t/h 链条锅炉 在为研究对象，对流化床中煤层气燃烧器不同布置位置对炉内气固两相流的流动 特性进行数值模拟以及优化设计，并探讨了煤矸石煤层气不同掺混比例对炉内流 动特性的影响。 通过改变煤层气入口位置和二次风速以及颗粒粒径研究了床内的流化特性， 分析了不同设计方式下的流体动力特性。颗粒速度模拟结果表明，煤层气燃烧器 布置位置的改变不影响炉内颗粒轴向的速度分布趋势，颗粒的运动形式为中心处 向上、近壁面处向下的内循环流动结构。煤层气燃烧器四种不同的布置中，四角 切圆布置在炉墙、高度为 4m 的方式中，在不同的炉膛高度下，颗粒速度波动最 小，较其他相对比较平稳。且煤层气入口高度为 4m 时，可以使入口水平截面气 相速度场形成涡流，加强了气固间的混合。因此此种煤层气燃烧器的布置方式为 最佳。颗粒空隙率模拟结果表明，煤层气燃烧器布置方式和二次风速对炉膛内颗 粒轴向浓度分布有重要的影响。煤层气入口位置为高 4m、二次风速 35m/s 时，能 够在密相区上方形成二次高浓度颗粒流。 炉内煤矸石煤层气掺混比例对炉内流动特性有重要影响。加入煤层气的比例 变大，会使炉内气相扰动变强，这样会加快颗粒的速度，从而缩短在炉内的停留 时间，这样不利于炉膛颗粒的燃烧。故存在一个最佳的掺混比例，当掺混比例 8/2 时，床内颗粒的湍动能力强于其它掺混比例时的湍动能力，炉内速度场和浓度场 分布最为合理。文中的研究结果为进一步研究开发煤矸石和煤层气循环流化床混 烧技术打下基础，有重要的参考和应用价值。 关键词：关键词：煤矸石，煤层气，循环流化床，气固运动特性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract coal gangue with the characteristics of lower valotile, high ash, lower heat value and hard-to-burn is one of the most quantity industrial solid residues. coal bed methane with the characteristics of strong greenhouse effect and easy-to-burn and explode, is released methane in the process of exploitation of coal, and it is harmful to the coal exploitation.emission of coal residue and coal bed methane not only cause environmental pollution, but also waste the resources. the gas-solid combustion technology in the fluidized beds has been considered clean and efficient. so it is a new way for synthetically utilizing coal residue and coal bed methane. it has very high economic and social benefits. cfb combined combustion technology is adopted to retrofit ng-35/3.82-m chain grate stroke in the paper. the influence of the gas burner height to the flow characteristics in the cfb is simulated, and the mixed combustion ratio of the two fuels influence to flow characteristics in the cfb is also investigated. according to different entrance of coal bed methane, different velocity of the secondary air and different particle size, the flow characteristics are studied. according to changing different disposed position and different velocities of the secondary air, the flow characteristics are studied. distribution of velocity field shows that different entrance of coal bed methane doesnt influence axial velocity field, particles in the centre of the boiler move upward and particles near the wall move downward. among four layout formations, when the gas burner layout corner tangentially and the height of the burner is 4m, fluctuations of the particles are the smallest in different height of the boiler, air vortex is formed in the level cross-section of gas entrance. this will strengthen the mixing between air and particle, so this layout formation is the best. distribution of particle-concentration field shows that, layout formation of the gas burner and velocity of the secondary air will influence axial velocity field of the particles. when the height of the burner is 4m, the secondary air is about 35m/s, higher particle-concentration will be formed above the dense phase zone. the proportion of the two fuels influences flow characteristics in the boiler. when amount of coal bed methane increases, disturbance in the boiler increases and particle velocity increases, then stay time of the particles in cfb decreases. when the mixed proportion is 8:2, turbulent kinetic energy of the particles are the biggest, the distribution of 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii velocity field and concentration field are the best. the study results in this paper have important reference and application value, and pave the way for exploring the mixed combustion technology of coal residue and coal bed methane in cfb. keywords: coal gangue, coal bed methane, cfb , characteristics of gas-solid flow 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 符符 号号 表表 . vi 1 绪绪 论论 . 1 1.1 研究背景研究背景 . 1 1.2 循环流化床气固混合燃烧技术的循环流化床气固混合燃烧技术的应用应用 . 3 1.2.1 循环流化床锅炉的发展及其特点 . 3 1.2.2 气固燃料混合燃烧技术国内外研究现状 . 7 1.3 循环流化床气循环流化床气固两相流模拟进展固两相流模拟进展 . 9 1.3.1 两相流动理论基础 . 9 1.4 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 . 12 2 cfb 混燃煤矸石混燃煤矸石/煤层气物理模型煤层气物理模型的确定的确定 . 14 2.1 混合燃料的特性混合燃料的特性 . 14 2.2 物理模型及描述物理模型及描述 . 15 2.2.1 锅炉的热力计算 . 15 2.2.2 炉膛设计计算 . 18 2.2.3 物理模型及描述 . 20 3 数学模型及计算方法数学模型及计算方法 . 24 3.1 cfb 混燃煤矸石混燃煤矸石/煤层气的流动模型的建立煤层气的流动模型的建立 . 24 3.2 计算方法计算方法 . 28 3.2.1 网格划分 . 28 3.3.2 控制方程的离散格式 . 29 3.3.3 计算条件的设定 . 29 4 计算结果及分析计算结果及分析 . 30 4.1 床料对炉内流场特性的影响分析床料对炉内流场特性的影响分析 . 30 4.1.1 床料高度 . 30 4.1.2 床料粒径 . 31 4.2 循环流化床内速度场特性分析循环流化床内速度场特性分析 . 31 4.2.1 未通入煤层气时 . 32 4.2.2 煤矸石/煤层气通入量为 8/2 时 . 33 4.2.3 煤矸石/煤层气通入量为 7/3 时 . 36 重庆大学硕士学位论文 目 录 目 录 v 4.2.4 煤矸石/煤层气通入量为 6/4 时 . 36 4.2.5 小结 . 36 4.3 浓度场特性分析浓度场特性分析 . 37 4.3.1 煤矸石/煤层气掺混比例为 8/2 时 . 37 4.3.2 煤矸石/煤层气掺混比例为 7/3 时 . 40 4.3.3 小结 . 44 4.4 循环流化床内湍动能和湍动能耗散特性分析循环流化床内湍动能和湍动能耗散特性分析 . 44 4.5 本章小结本章小结 . 47 5 结论及建议结论及建议 . 49 5.1 主要结论主要结论 . 49 5.2 不足之处与展望不足之处与展望 . 49 致致 谢谢 . 51 参考文献参考文献 . 52 附附 录录 . 57 附录附录 a 攻读硕士学位攻读硕士学位期间发表的学术论文期间发表的学术论文 . 57 重庆大学硕士学位论文 符号表 vi 符号表 符号 意义 单位 g u， s u 沿各坐标方向的速度分量 m/s g ， s 气相和颗粒相的体积分数 g ， s 气体和颗粒密度 kg/m3 i , i i相剪切和体积粘度 kg/ms p 压力 pa 动力粘性系数 kg s/m2 g 重力加速度 m/s2 微元体曳力系数 kg/m3s t 时间 s umf 临界流化速度 m/s ds 颗粒直径 mm mp 物料的循环流率 kg/(m2 s) ut 球形颗粒终端速度 m/s tb 燃尽时间 s h 床层高度 mm trk 热空气温度 q4 固体不完全燃烧损失 % q3 气体不完全燃烧损失 % h1 炉膛增加的高度 m qk1 锅炉一次风量 m3/h qk2 锅炉二次风量 m3/h hxf 炉膛辐射受热面 m2 v 沸腾风速 m/s max, s 颗粒最大空隙率 s k 颗粒能力耗散系数 ss e 颗粒碰撞还原系数 s 流化颗粒的球形度 cd 曳力系数 remf 临界雷诺数 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 研究背景 能源是推动经济和社会发展的重要物质基础。每次能源技术的变革，都带来 能源结构的演变和人类社会的进步。自从世界第一次工业革命以来，煤炭就在一 次能源消费中占有举足轻重的地位。随着世界人口的增长和人均能源消费量的增 加1，世界一次能源消费持续快速增长。 近年来，随着我国国民经济和社会的快速发展，国内能源建设、能源技术、 能源环境及能源政策等都取得了发展和进步，能源消费结构正在逐步发生变化。 同时，能源领域存在的若干问题也日益突出，在一定程度上成为影响经济和社会 发展，特别是能源战略发展的重要问题2。随着世界能源消费的快速增长，能源 竞争也日趋激烈，各国在开发利用新能源的同时，也在使用已有能源的基础上， 改善能源利用途径，进而充分发挥其潜力。一方面，达到节能目的；另一方面， 也有利于环保。 其中，综合利用煤矸石和煤层气就是个很好的变废为宝的例子。煤矸石是煤 矿生产过程中产生的废渣，特性是灰分高，发热量低，煤矸石发电厂用来做燃料 的煤矸石热值一般小于 12600kj/kg3；煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是甲烷， 与空气的混合爆炸极限是 515， 但可以利用在煤页岩中抽取的含甲烷为 30 60的煤层气来发电。 据不完全统计， 我国煤炭系统多年来积存下来的煤矸石达 10 亿吨以上， 现在 每年还要排放出近 1 亿吨， 其中洗矸约 1500 多万吨。 数量庞大的煤矸石中蕴藏着 丰富的热量。煤矸石的堆积不但占用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物散发 后会污染大气和水源，造成严重的后果。而自燃或煅烧过的煤矸石都具有一定的 活性，特别是煅烧矸石活性很高，是良好的建筑材料掺合料和原料。煤矸石是一 座值得开发的资源宝库。主要有以下利用途径： 利用煤矸石发电是利用其蕴含热量的主要形式之一，也是综合利用方案中 除去碳质的首道环节。煤矸石用作流化床锅炉的燃料，产生的热量既可发电，也 可用作采暖供热。如江西萍乡高坑煤矸石电厂、山东协庄煤矿煤矸石热电厂等利 用煤矸石发电取得良好经济效益和社会效益。利用热值较高的煤矸石制取煤气， 用于生活或工业生产供气也是利用煤矸石热量的又一途径。此外，把煤矸石和一 些添加剂混合制成合成燃料，可以稳定燃烧。煤矸石用于循环流化床发电，也可 以与煤泥按一定比例混燃，这方面的理论和试验研究也较为成熟。 生产建材及制品，主要用于制砖、制水泥、制软骨料、制空心砌砖等。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 2 生产新型材料，制新型陶瓷、sic、分子筛以及型砂和造型粉。 生产肥料或改良土壤，可以制有机复合肥料，制微生物肥料，用于改良土 壤。 用作工程填筑材料。 强度高、风化轻、热值低的煤矸石，特别是自燃或煅烧过具有一定活性的煤 矸石是良好的工程填筑材料。可用于填筑铁路、公路路基等，或回填煤矿采空区 及废矿井等。 针对煤矸石高灰分、低热值的特点，目前利用煤矸石的途径很多，作建筑材 料和土壤改良剂等利用方式不能实现其高效资源化，而循环流化床燃烧可以有效 地发挥其价值，是一种利用煤矸石的有效途径。 煤层气是煤炭开采活动中释放出的甲烷，温室效应很强，且易燃易爆，给煤 炭开采活动带来隐患。根据开发形式的不同，可将煤层气分为 3 种：地面开发煤 层气（cbm） 、煤矿井下抽放煤层气（cmm） 、报废矿井煤层气（amm） 。煤层 气综合利用价值很高，除民用外，可用于燃气轮机发电、供热、压缩液化后作动 力燃料，还可做甲醇、合成氨等化工产品，也是农药、医药、染料等有机化工产 品的基础原料。一般来说，从生产矿区的采空区抽出的煤层气浓度较低，并含有 较多的杂质，而在未开采地区采用地面钻井生产的煤层气浓度高、质量好。中等 质量的煤层气适合当地民用或供井口瓦斯电厂。高质量的煤层气适合进入天然气 管道系统，输送到远方用户，供应其他大城市居民、大电厂、化肥厂和化工厂使 用。 循环流化床燃烧技术现己被公认为一种清洁高效的燃烧技术，因此煤矸石和 煤层气在循环流化床中混烧为综合利用煤矸石和煤层气提供了一种新途径，不仅 能节约能源，还有利于环保，具有很高的经济和社会效益。循环流化床内气固两 种燃料混合后，要稳定燃烧存在一定的困难，这可以在循环流化床中增加气体燃 料燃烧系统以解决这个问题。但是直到目前为止，虽然对采用复合燃烧技术流化 床研究尽管取得了很大的进展，但仍然有许多问题尚待解决，这就阻碍了对流化 床进一步的优化、设计和运行，使流化床的优点不能充分发挥。 研究的主要目的就是综合利用低热值的煤矸石和低甲烷浓度的煤层气，得到 了重庆市自然科学基金重点项目（cstc2006ba7035）的资助。通过对煤矸石/ 煤层气 cfb 混合后进行流动特性的数值分析， 获得混合燃料能够达到流动状态稳 定的气体燃料进口的最佳布置位置，获得两种燃料能够达到稳定流动状态的最佳 的床料粒径、煤矸石/煤层气投入比例，一二次风投入比例等，对采用复合燃烧技 术的循环流化床的设计提供指导，为综合利用煤矸石和煤层气提供一种新途径。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 3 1.2 循环流化床气固混合燃烧技术的应用 1.2.1 循环流化床锅炉的发展及其特点 第一台成功运行的流化床是德国人温克勒(friz winkler)于 1921 年 12 月发明 的，他将燃烧产生的烟气引入一个装有焦炭颗粒的流化床底部，然后观察到了固 体颗粒因为气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看上去就像沸腾的液体。 快速流化床是有麻省理工学院的刘易斯(warren k. lewis)和吉里兰 (edwin r. gilliland)在 1938 年发明的，当时他们正在为流化床催化裂化过程(fcc)设想一种 合适的气固接触工艺，当气流以 3m/s 的速度自下而上通过装有 fcc 颗粒(平均粒 径约为 0.055mm)的容器时， 发现了细颗粒的聚集以及较高的气固相对速度。 然而， 当时人们并没有认识到这种现象的本质及其重要性。40 年代中期，由美国新泽西 标准石油公司和m. w.kellogg公司领导的一个集团投资建造了一个快速流化床催 化裂化示范装置，该装置的设计采用了刘易斯和吉里兰所得到的数据，但由于粉 尘捕集、催化剂循环以及催化剂活性等问题，该示范装置性能不佳。此后一直到 50 年代末期，鼓泡流化床一直占主要地位，鼓泡流态化几乎成了气固流态化的同 义词。 循环流流床真正成为具有工业实用价值的新技术是在上世纪五六十年代。50 年代 m. w.kellogg 公司发展并在南非的萨尔伯格建造运行了 saso 费托反应器； 60 年代末德国鲁奇公司发展并运行了 lurgi/vaw 氢氧化铝焙烧反应器。随后，由 于分子筛活性高选择性催化剂的出现，提升管流化催化裂化反应器很快又取代了 鼓泡流化床并得到推广应用。1971 年，reh 提出了一个循环流化床的流态图，并 描述了循环流态化的基本特征。 1976 年 yerushahni 等首次提出了快速流态化的概 念， 从而引起了人们对循环流化床技术研究的日益重视， 并从 80 年代初开始了一 个循环流化床基础研究的高峰期。 我国是开发流化床燃烧技术较早的国家。 早在 60 年代我国就开始发展鼓泡流 化床技术。 特别是 80 年代以来国内各主要高等院校和一些研究所也相继开始循环 流化床的研究开发工作。目前，国家正在大力推广循环流化床技术，100mw 循 环流化床的辅机国产化，引进 300mw 循环流化床锅炉，直接参与设计与开发， 尽快形成 300mw 循化床锅炉机组装备能力。煤炭部已在全国 150 多个煤矿推广 cfb 技术， 原电力工业部 1997 年 11 月 24 日在京发布了 300mw 循环流化床征询 合作方案，建设四川白马 300mw 循环流化床示范电站，这个示范工程由法国阿 尔斯通(alstom)公司与东方锅炉厂合作执行，白马电厂 300mw cfb 锅炉为自然 循环型，蒸发量为 1025t/h。锅炉采用了 4 个耐火砖内砌的高温旋风分离器和 4 个外部流化床热交换器，布置在燃烧室两侧，旋风分离器的直径为 8.77m。两个 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 4 热交换器内布置了过热器，控制床温。两个热交换器内布置了再热器，控制再热 蒸汽温度。燃烧系统最小负荷为 50%。 由于循环流化床锅炉技术及其产品的广阔市场前景，国内大型骨干锅炉制造 企业纷纷加强对循环流化床锅炉技术及其产品的研究与开发。先后有东方锅炉股 份有限责任公司、哈尔滨锅炉有限责任公司、上海锅炉厂等单位采取国际合作、 技术引进等不同方式为国内发电、化工等行业提供数台 50mw(220t/h)、 100mw(410t/h)高压无再热循环流化床锅炉和 150mw(490t/h)高压中间再热循环 流化床锅炉。国内原来一些主要生产循环流化床工业锅炉的制造厂家，也纷纷进 入循环流化床电站锅炉市场，设计制造 450t/h 以下容量的高温高压循环流化床电 站锅炉。同时国外循环流化床锅炉供货商普遍看好中国市场，至今有石油、化工、 电力等部门从国外购进数台 220t/h、410t/h、490t/h 循环流化床锅炉在运行。 截止到 2003 年底， 国内投运及计划投运的 50mw 级以上的 cfb 锅炉已超过 300 台。到 2008 年，国内投运的 220t/h490t/hcfb 锅炉超过 600 台。 循环流化床锅炉与层燃锅炉、煤粉锅炉相比，前者具有高效、低污染、低成 本等特点，显示了它强大的生命力，近 10 年来得到了迅速的发展。特别是加压流 化床燃烧技术能将煤化工和煤燃烧综合，实现蒸汽一燃气联合循环发电，是世界 主要工业发达国家正在致力发展的第三代燃烧技术。流化床锅炉有如下一些优 点:4-7 对燃料的适应性特别好， 可以烧优质煤， 也可以烧各种劣质燃料高灰煤、 高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、各种煤矸石，还可以烧油页岩、石油焦、尾矿、 煤泥、尾气、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。在燃料来源、品种和质量多变的情 况下，采用流化床燃烧技术是特别适宜的。这也是循环流化床锅炉的主要优点之 一。 燃烧效率高。采用带飞灰循环燃烧的流化床锅炉，根据炉型和煤种不同， 燃烧效率可达 90%99%。效率要比鼓泡流化床锅炉高，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 粉含量高的的燃料时也是如此。 流化床的截面热强度高， 鼓泡床锅炉的截面热强度为 13mw/m2， 循环流 化床的截面热强度为 38mw/m2。 流化床燃烧温度一般为 900左右，采用石灰石作为床料添加剂时，炉内 脱硫效果好。与煤粉锅炉采用烟气干法和湿法脱硫相比，前者电厂投资和运行费 用大为降低。循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉也更加有效。典型的循环 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 5 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 1.52.5，鼓泡流化 床锅炉达到 90%脱硫效率则需脱硫剂化学当量比为 2.53，甚至更高，有时即使 ca/s 比再高，鼓泡流化床锅炉也不能达到 90%的脱硫效率。 流化床锅炉的负荷调节范围大，调节性能好。对鼓泡床锅炉，采用分床压 火或调节料层厚度，负荷变化范围为 100%50%。对循环床锅炉，采用改变灰循 环量可使锅炉的负荷变化范围为 100%25%。负荷的连续变化速率可达 5% 10%。 流化床锅炉的溢流渣、冷渣含碳量低，可作为水泥熟料的添加剂和建筑材 料。同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 流化床锅炉一般采用分级燃烧，燃烧温度不高，nox的生成量显著减少。 鼓泡床锅炉烟气中 nox的浓度为 300400ppm， 循环流化床锅炉烟气中 nox的浓 度为 100200ppm。 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 23 倍。8 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大减少。如热功率为 100mw 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锅炉则需 2030 个给煤点(底饲)。在循 环流化床锅炉中，燃料经常给入返料料管内。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。 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 12mm，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。 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 锅炉，但比配置脱硫装置的煤粉炉低 15%20%。 正是流化床的这些优点，h.r.霍伊断言9，流化床燃烧是燃烧矿物燃料唯一 现实的新方法。然而事物总是有其两面性，流化床锅炉也不例外。它有着如下一 些缺点:风机电耗高；受热面，耐火材料的砌筑部件磨损严重；高温，耐火材料砌 筑部件的耐火厚度大，启动时间长；在燃煤质量和燃煤尺寸的筛分特性变化很大 时，要稳定燃烧并达到设计蒸发量也是有困难的；燃烧过程中生成的 n20 比煤粉 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 6 燃烧方式高 4050 倍，煤粉燃烧中 n20 的排放浓度只有 5ppm 左右，循环流化床 燃烧过程中的 n20 排放浓度达 200ppm 以上。n20 对臭氧层的破坏作用，对地球 的温室效应有不可忽视的影响。另外，如下一些问题也是有待探讨的:1011 循环物料的分离。在目前使用的高温、中温和低温分离器中，只有高温旋 风分离器在技术上相对比较成熟，但燃用高灰燃料时分离器的磨损问题一直没有 得到解决，而且分离器的体积也过于庞大，基本上和炉膛直径相近。正是由于这 个限制，大容量的循环流化床锅炉必须配备多个分离器。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。 所以效率高、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还有 待进一步发展。 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。这个浓度的选取直接关系到循环倍率，是急待解决的问题。在 实际运行中，要同时考虑外部循环和内部循环，这也是一个至今没有解决好的问 题。 炉内受热面和温度控制。 目前炉内吸热主要有两种方式:一种是炉膛内布置 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。两种方法都是可行的且目前都有实际运行的炉子。但这两种方法 的控温方式，包括自动控制温度方式仍有待进一步研究。 运行风速的确定。这是一个很重要的参数，一般运行风速为 210m/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，必须增大炉膛高度。这样不仅磨 损会增加，而且锅炉的造价也可能增加，风机功率会增大，厂用电也会增大。运 行风速选择过低则发挥不了循环流化床的优点，所以对每种燃料都有最佳的运行 风速。这个问题还有待进一步探索。 返料机构。在循环流化床中，被分离下来的固体物料必须通过返料机构送 回床内。由于是在高温条件下运行，所以采用机械阀会出现容易卡死，转动不灵 等现象，而且磨损也很严重。目前一般采用非机械阀，但由于许多厂家开发的返 料机构都是保密的， 所以要开发自己的循环流化床必须要开发出相应的返料机构。 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，锅炉部件的磨损是比较严重的。而这部分的研究工作还比较薄弱。 低污染燃烧。对于如何降低 nox，目前研究较少，比较一致的是分段燃烧 肯定对降低 nox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。如果这些问题得不到解决， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪 论 7 降低 nox的排放将很难达到一个优化的水平。 炉内传热。目前虽然对循环流化床的传热问题进行了大最的研究，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 尚未完全搞清楚