CFBB的原理及特点.doc

前言能源与环境是当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国，也是用煤大国。目前一次能源消耗中煤炭占76%，可在可见的今后若干年内还有上升趋势，而这些煤炭中又有84%是直接用于燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，以致于我国每年排入大气的87%SO2和67%NOx均来源于煤的直接燃烧，发展高效，低污染清洁燃烧技术是当前亟待解决的问题。循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，重要特点在于燃烧和脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放，90%的脱硫率和与煤粉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广，负荷调节性能好，灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。我国在近年来也有100多台循环流化床锅炉投入运行或正在制造中，100MW级的循环流化床锅炉已有投运，而且更大容量的电站循环流化床锅炉在国际上正在示范运行，已被发电行业所接受和公认。可以预见，在未来的几年将是CFBB技术迅速发展的一个重要时期。我厂2*135MW机组技改工程正是顺应这一潮流，锅炉设备采用哈锅生产的440t/h的循环流化床锅炉，匹配135MW汽轮发电机组。机组在投运前的生产准备工作中，我们通过各种学习途径，对循环流化床锅炉有了一个较全面的认识。在此基础上，为更好的了解循环流化床锅炉，进一步熟悉设备为新机组投运打下良好的基础。同时也为循环流化床锅炉的理论培训工作做些有益的探索进行经验总结。全书共分为十二章，第一、二、三、章分别讨论了循环流化床锅炉的起源和发展状况、原理及其流体动力学特性，着重探讨了循环流化床锅炉的工作特点，从鼓泡床过渡到循环流化床的各中特性，循环流化床内气固两相运动特性；第四章着重分析了循环流化床内的传热，传质特性；第五章探讨了煤粒在循环床内的燃烧过程及燃烧特性；第六章分析了脱硫脱氮的机理及排放控制；第七章介绍了循环流化床锅炉的结构及主要设备；第八章介绍了循环流化床锅炉的辅机，突出其特有性；第九章专门讨论了循环流化床锅炉的点火启动及正常运行；第十章讨论了循环流化床锅炉的控制与调节；第十一章探索了循环流化床锅炉的金属件及耐火材料的磨损及其各种预防措施；第十二章探索和分析了循环流化床锅炉的灰渣的综合利用及其发展前景；循环流化床燃烧技术作为一种新型的洁净燃烧技术，正处于发展和完善阶段。由于试验条件及运行实践等因素的局限性，在理论上至今尚未形成一致结论。由于水平所限，其中缺点和错误难免，欢迎批评指正。 2003年6月20日第一章 CFBB的起源和发展状况第一节 CFBB的起源在谈循环流化床技术之前，首先要涉及到流态化技术，正如各种技术的形成一样，循环流化床技术的问世，也是一个逐渐被发展和完善的过程。循环流化床技术是在最初被发现并应用的流态化技术的基础上发展起来的。流态化技术最初来源于化工生产中的流态化反应器。第一台成功运行的流化床是德国人温克勒于1921年发明的，他将燃烧产生的烟气引入一个装有焦碳颗粒的炉室的底部，然后观察到固体颗粒因受到气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体，这也是工业应用的流化床的雏形。此后流态化技术才开始在燃烧领域应用。流态化燃烧技术的应用最初是鼓泡床技术，其大概的工作过程是：碾碎的小颗粒燃烧通过给煤口送入炉内，床内布置有埋管蒸发受热面，空气由风室通过床下布风板送入床层，将燃料颗粒吹起上升，吹起的颗粒上升到一定的高度，在重力作用下又落下，再由空气吹起，然后又落下，如此反复上升，落下，好像水在沸腾时的状态一样，固体颗粒层也膨胀起来，此时固体颗粒便进入流化状态，这便是最初的鼓泡床燃烧。从以上鼓泡床燃烧特点来看，其飞灰含碳量大，不完全燃烧损失大。由于鼓泡床在燃烧宽筛分燃料尤其是劣质燃料时，固体未完全燃烧损失很大，加入石灰石脱硫效率低，埋管受热面和炉墙磨损大以及大型化时床面积过大受热面难以布置等缺点的限制，由于以上种种原因，人们便开始新的探索，力图在此基础上进行改进，克服固有缺点，循环流化床燃烧技术便应运而生。提到循环流化床燃烧技术，不得不提到芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司。新一代循环流化床燃烧技术真正得到应用始于上世纪七十年代末和八十年代初，奥斯龙公司对循环流化床锅炉的开发是60年代末期在鼓泡床的基础上开始的。为提高燃烧效率，奥斯龙公司对运行风速为3m/s的鼓泡流化床采用高温旋风分离器来实现细粉的再循环进行了实验，结果表明燃烧效率得到提高，随后，奥斯龙公司在芬兰建造了第一台商用循环流化床锅炉，该锅炉的热功率为15MW。在此基础上，循环流化床燃烧技术不断被发展，并形成几大技术流派，在工业领域迅速的得到大面积应用。第二节 循环流化床锅炉发展状况一、流化床锅炉发展状况自从第一台专门设计用于生产蒸汽的循环流化床锅炉投运以来，经过十多年技术开发和工程化的应用实践，CFBB发展到目前以生产许多不同流派和炉型，技术上也渐趋成熟。其中较有代表性的是德国鲁奇（Lurgi）公司的CFBB，芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司的Pyroflow的CFBB，美国FW公司的（FosterWheelerEnergyInternationalic）的FW型CFBB。以下将分别予以介绍。1、 Lurgi型CFBB锅炉典型的Lurgi型CFBB由主床燃烧室，高温旋风分离室，外置流化床换热器，回料器及其尾部对流烟道组成。燃料及石灰石从主床密相区给入，在床内燃烧和反应；燃烧室温度控制在850950左右，在较高气流速度作用下，固体物料拨撒充斥整个炉膛，物料从炉顶部被携带出燃烧室。经高温旋风分离器分离后，一部分热物料被直接送回主床燃料室；另一部分送至外置床。在外置床中热物料与埋管受热面和空气进行热交换，被冷却至400600后，送回主床燃烧室或直接排出炉外。由旋风分离器出口的高温烟气，经对流烟道受热面传热后，经静电除尘器或布袋除尘器排入烟囱。Lurgi型CFBB最主要的技术特点是设置了外置流化床换热器。分离器分离后的固体颗粒可以直接返回燃烧室，或进入外置换热器后再返回燃烧室。通过调节进入外置换热器的物料量可以调节循环床的运行温度。Lurgi型循环床锅炉燃用高灰高硫煤时床温一般控制在900，以利于碳燃尽；燃用低灰份煤时的床温控制在850，以加强石灰石的利用率。Lurgi型循环流化床锅炉能够燃用多种不同的燃料，当燃料性质发生变化时可改变下述参数：1）燃烧室温度和过剩空气量；2）一、二次风比例。Lurgi型CFB锅炉的燃料适应性较广，有在一台锅炉设计燃用多种燃料的业绩。当燃料品质变动较大时，通常采用调节进入外置床的灰流量，一、二次风配比及风量等手段，来保证锅炉稳定及较好的经济性能和环保性能。对于外置流化床换热器的作用，Lurgi公司认为具有三个优点（1）是床温控制仅需调节进入外置流化床换热器与直接返回燃烧室的固体物料比例，比较灵活，无需改变循环倍率等其它因素；（2）是将燃烧与传热基本分离，可使二者均达到最佳状态；（3）是将再热器或过热器布置在流化床换热器中，调节汽温非常灵活，甚至无需喷水调节。但该方案的缺点是增加了设备的投资与维护。2、 Pyroflow型CFBBPyroflow型锅炉主要由燃烧室，高温旋风分离器，回料器，尾部对流烟道等组成。燃烧室下部由水冷壁延伸部分，刚板外壳及耐火衬里组成；上部炉膛四周为膜式水冷壁，炉膛中部布置有型过热器或在炉膛上部布置翼墙过热器。炉膛出口烟气携带的固体颗粒绝大部分被高温旋风分离器分离后，经回料器送回炉膛。旋风分离器可布置在锅炉前面，两侧或炉膛与对流烟道之间，布置自由灵活。一次风从炉底的布风装置送入，约占总风量的6070%。二次风在布风板上方两个或者三个不同高度送入，约占总风量的12%高压空气经回料器送入炉膛。与Lurgi技术最大的不同在于Pyroflow不设外置换热器。高温旋风分离器允许入口烟温为900，一般可达99%的分离效率，阻力约1000Pa。其临界分离粒径约为70m，小于70m的飞灰进入对流烟道，经静电除尘器收集排除或部分进行飞灰再循环。3、FW型CFB锅炉FW型CFB锅炉的主要特点是采用蒸汽冷却旋风分离器，大型再热FW型CFBB还布置有换热器。FW型CFB锅炉主要参数如下：炉膛下部密相区流化风速4m/s5m/s炉膛上部稀相区运行风速55.5m/s运行床温850900分离器内温度850900二、 国内CFB锅炉开发应用现状我国最早开始循环流化床燃烧技术的看法和应用是在八十年代初，与国外稍有不同的是，国外促使循环流化床燃烧技术发展的主要因素是其有利于环境保护污染排放低的优点，而国内促使循环流化床燃烧技术发展的因素主要是其能燃烧劣质燃料利用能源的优点。早期开发研制主要由高等院校及科研单位与中小锅炉制造厂合作。至八十年代末至九十年代初，已有一批35t/h、75t/h各种型式的循环流化床锅炉先后投入运行。我国中小循环流化床燃烧技术虽然发展很快，炉型较多，制造厂分布较广，但是缺乏基础研究工作，市场急需的大容量循环流化床锅炉开发力度不足。从应用角度来看，我国小型循环流化床锅炉应用较多，大多分布在化工，纺织，热电等企业，均没加石灰石脱硫，可见其发展并非环保因素。我国电力生产是以火电发电为主的国家，煤炭资源分布极为不均衡，又多高硫劣势煤，随着我国经济的快速增长，能源需求的增加与防治环境污染的矛盾日渐突出，而传统的煤粉炉尾气脱硫投资较高，所以循环流化床锅炉技术及其产品将具有更大的市场潜力和良好的社会效益。其广阔的市场前景促进了大型骨干锅炉制造企业重视循环流化床锅炉技术的发展。先后有哈尔滨锅炉有限责任公司，东方锅炉股份公司等采取国际合作，技术引进等不同方式为国内化工及发电行业提供数台220t/h高压无再热循环锅炉。同时，国际上的循环流化床锅炉供货商普遍看好中国市场。至今已有石油，化工，电力等部门从国外购进一批的220t/h，410t/h循环流化床锅炉。国内各科研部门与哈锅和东锅合作，引进国外先进技术，正在开发和研制400t/h以上级别，带中间再热的CFBB，随着我国能源政策的调整，CFBB必将具有广阔的发展前景。第三节 发展流化床锅炉的意义一、 节约燃料和利用劣煤我国是一个以煤为能源的国家，煤炭资源仅次于前苏联，美国，煤炭年产量占世界第一位。已探明我国煤炭储量达7700亿吨，南北煤炭储量和质量差别很大。北方煤炭资源丰富，煤质好。南方煤炭资源贫乏，煤质差。多年来煤矸石可达40005000万吨，可装机20003000MW。流化床燃烧锅炉能烧优质煤，也能少劣质煤。带飞灰燃尽床的鼓泡床锅炉和循环流化床锅炉燃烧效率高，发展流化床的意义是不言而喻的。二、 保护大气环境燃烧过程中生成的SOx，NOx等有害气体已威胁到全球，我国每年排入大气中的SOx约87%和NOx约67%来自煤的燃烧，造成了大面积酸雨，严重影响工业和农业的生产。燃烧过程中生成的CO2和N2O和是产生地球温室效应的气体，更引起世界各国科学家密切关注。研究报告指出，1988年的地球平均温度比前一些年提高了6。由于气候变暖，地球的海平面在过去的100年中升高了14cm。专家估计：如果现在地球变暖的趋势不加控制。如孟加拉国领土的15%将被海水淹没，埃及12%15%的可耕地将变成海洋。总之，这一情况对岛国的影响十分严重。就我国来说，将涉及到上海等沿海大中城市的淹没。总之，燃烧过程中产生的有害气体，温室效应气体引起的全球变暖是没国界的，保护环境，保护地球，也就是保护人类本身，应作为头等大事列入联合国的议事日程。流化床燃烧，采用石灰石作添加剂能实现燃烧中脱硫。另外，流化床燃烧温度可控制在850950，燃烧过程中生成的NOx能满足环保的要求。三、 流化床燃烧有利回收CO2C2O是温室效应气体。流化床燃烧首先采用床内脱硫，然后再用湿法脱除烟气中的C2O残余含量极微的情况下，用压力3.535105Pa的蒸汽轰击烟气能回收C2O，使其压缩和液化，最后通过过滤达到食用等级的质量，以液体和干冰得到直接的经济效益。由于减少了温室效应，阻止地球变暖而带来的海平面上升所得到的社会效益是无法用数字表示清楚的。综上所述，流化床燃烧是一种很有前途的燃烧方式。第二章 CFBB的原理及特点第一节 流化床的基本概念（CFBB的原理）一、颗粒流态化的概念（循环流化床的工作原理）：1 流态化现象当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流态化现象。2流态化的定义当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗料产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层会呈现出类似于液体状态的现象或者当固体颗粒群与气体或液体接触时，固体颗粒转变成类似流体状态，这种操作状态称为流态化。3流态化过程及临界流化速度当流体向上，流过颗粒床层时，固体颗粒的运动状态是变化的。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后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的磨擦力所承托。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，固体颗粒具有许多类似流体的性质。固体颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低的流体流速，称为临界流化速度。4“散式”流态化和“聚式”流态化一般的固体流态化，由于颗粒均匀地分散于床层中，故称为“散式“流态化。而一般的气固流态化，由于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紊流运动，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。二、液态化的流体力学特性流化床流态化后，具有与流体一样的性质。主要表现在以下几个方面：1 浮力定律：密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。2 液面特性：床表面保持水平，形状保持容器和形状。3 小孔射流：在流化床侧面开孔，流化床固体物料象流体一样射流，离床层上表面越近,射流距离越小，越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出来。 4 连通效应：几个流化床底部连通后，床层高度自动保持同一水平高度。气固流化床类似流体的性质还有：1 在任一高度的静压似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量。2 密度高于床层表面密度的物体在床内下沉，密度小于床层表面密度的物体浮在床面上。3 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。三、循环流化床的原理及特征在气流以不同速度通过固体颗粒床层时，固体颗粒床层会呈现不同的流动状态。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，且不断形成和解体，在这种流体状态下，气流还可携带一定数量的大颗粒，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，存在较大的气固两相速度差，即相对速度，循环流化床由快速流化床（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，颗粒团不断表成和解体，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床的23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 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 流化气体和整体性状呈塞状流。10流化气体根据需要可在反器器的不同高度加入。四、循规蹈矩环流化床的一些基本术语。为了便于对下面具体介绍循环流化床原理的理解，先简要介绍一些常用的基本名词术语。为了理解方便，将在具体用到时再作解释。1 空塔速度：也称空塔流化速度，表观速度，空床速度，其定义为单位截面空气的名义流速。即：Q/A m/s (式中的A为床层截面面积，单位为m2；Q为总风量，单位为m3/s。)。由于实际运行时床内具有一定量的固体颗粒，且各个区域固体颗粒浓度各不相同，它们会占支部分空气流通面积。因此空气的实际流通面积小于床面积A且随时发生变化，空塔速度也小于气流穿过的实际速度。但是，引入这一假想的速度，对于定量表征床内流动的强弱。对于不同流化床流态的比较，仍然是方便和有效的，可以说空塔速度流化风速等，均指空塔速度。2 空隙率：床层空隙率表示床层单位体积中气相所占的体积份额。则（1）表示固相所占的体积份额，即：VbVs / Vb 式子中：Vb表示床层体积，单位为m3；Vs表示在Vb内固体颗粒所占的体积，单位为m3。 容易推得：PsPsp / Ps 。其中Ps为颗粒真实比重，单位为kg/m3.；Psp为床层密度，单位为kg/m3。3 循环倍率K：单位时间内循环流化床循环物料量与入炉煤量的比值，即：KGB其中，G表示循环物料的质量流率（单位时间通过循环物料的质量），单位为kg/s . B表示给煤的质量流率（单位时间内通过的煤量），单位为kg/s由于给煤量B是与锅炉容量成正比的，因此循环倍率表示了循环流化床中循环物料量的相对大小，K值越大，表示物料在单位时间内在床内的循环次数越多。煤粒的燃尽与循环倍率有关，K值越大，越有利于煤的燃尽。但当K值增加到一定程度后，对改善煤的燃尽就没有什么显著作用了。相反过高的循环倍率要求更高的风机电耗，并带来更大的磨损。因此，近年来，各种炉型的高温分离循环流化床锅炉的循环倍率纷纷以早期的6070（甚至更高）降至目前的3035左右。东方锅炉厂的循环倍率5.55.7倍。哈尔宾锅炉厂的循环倍率5.46倍。循环倍率与流化风速直接相关，目前循环流化床的流化风速一般在46m/s范围内，我厂在5.68m/s。4 断面固体流率Gs：单位时间内通过单位床层截面的固体物料量，即：GsGA kg/(m3s)其中，G为固体物料质量流率，单位为kg/s；A为床层截面积，单位为m3。5 固气比M：通过单位床截面的固体质量流率与气体质量流率之比，即在标准状况下单位体积的气体含固体粒子的重量，单位为kg/m3。MGsgo，其中Gs为断面固体流率 g为气体密度 o为气体流速容易推得：M Gsgo GAgo GGg，式中G为固体颗粒质量流率，单位为kg/m； Gg为气体质量流率，单位为kg/s。6 沉降速度在研究颗粒携带及颗粒分离的工作中，通常将最主要的几个影响因素，如颗粒粒径、密度和流体物性，综合起来用沉降速度表示。颗粒在静止空气中以初速为零自由下落，当下落速度增至某数值时，颗粒受到的阻力、重力和浮力之间将出现平衡。颗粒则以匀速向下运动，这一临界速度称为沉降速度，用t表示，若液体在垂直管中向上流动，颗粒自由落下，当流速增至某一值时，颗粒将呈悬浮状态，流速再增大，颗粒即被带出，这一速度称为带出速度。仅当管径远大于粒径时，带出速度与沉降速度数值相等。7 分离高度（TDH）悬浮段中的颗粒并非全部由沉降速度或带出速度的颗粒组成，实际上还存在着粒径大到其沉降速度t远超过流化速度的颗粒。由鼓泡床颗粒携带现象可知，气泡上升时床层局部气速较高。气泡在界爆裂时将颗粒抛向自由空间，取决于这些颗粒的沉降速度，在界面将被输送到所获得的初速度及流化速度，颗粒将被输送到不同的高度。其中t的大颗粒在向上运动中逐渐减速，最后折回到床内；t的小颗粒则被气流携带向上运动，最终达到气力输送时的饱合携带状态。因而，床界面上的颗粒浓度挑起随高度而下降，达到某一高度后，床中只存在t的小颗粒，这段允许大颗粒从气流中得到分离的高度称为分离高度TDH（F）。当达到颗粒浓度不再下降时的高度则定义为输送分离高度TDH（C）。8 携带与扬析携带与扬析是两个不现的概念，应用的场合也不同。携带一般是指单一颗粒或多组分系统中气体从床层中带出颗粒的现象；扬析表示从混合物中分离和带走细颗粒的现象。扬析：气流穿过各种直径颗粒混合物组成的流化床层时，一些终端速度小于表现速度的细粒子将陆续地被上升气流带出。携带：对燃煤CFB密相区处于聚式湍流流化床锅炉，床内存在大量气泡，由于气泡在床表面爆破，而使许多粒子被抛掷向上，并被上升气流夹带上行，其中一些终端速度大于表观速度的粒子，经过一定的分离高度后将陆续地返回床层或被带出炉膛。在TDH以下的自由空间中，由于大量不能被带走的颗粒也被抛到自由空间，因而颗粒携带与扬析是同时发生的。但此时的携带量大于扬析量。在TDH以上，只存在细颗粒的扬析和携带，二者相同。所以，也可以说，TDH以下是携带所研究的范围，扬析仅仅在TDH以上才有意义。另外，扬析只与气力输送时的饱和携带能力有关，而与床内流体动力状况无关。携带则依赖于流化床的性质。如在流化速度几乎超过床层中所有颗粒的沉降速度的情况下，似乎全部颗粒将被瞬间携带出去，但由于气流中的大部分作为几乎不含颗粒的气泡流过床层，而床层中的大部分颗粒则悬浮在速度很低的乳化相中，所以颗粒只是陆续地被气泡带出床层。可见，携带远比扬析复杂得多。至今，大多数有关携带的研究是针对TDH以上的扬析，或针对某一特定装置，而涉及TDH以下的携带规律的研究结果则寥寥无几。9 内循环对于终端速度大于表观速度的粒子，在不同高度将沿炉膛四壁，返回炉膛下部床层。粒度越大，飞得越低。对于大量终端速度小于表观速度的粒子，不断相互碰撞形成颗粒团。对于颗粒团的终端速度大于表观速度的，也将陆续沿炉膛四壁返回炉膛下部床层。因此对终端速度小于表观速度的粒子或颗粒团，在气固两面相流上升过程中陆续沿炉膛四壁返回炉膛下层内循环。在CFB炉膛中气流速度是均匀的，总的说来，壁面处因存在磨擦，所以气流上升速度较小，而炉膛中部气流上升速度最大床料被高速气流带起，然后大颗粒的粒子沿四周炉壁下降，此处粒子与上升气流混合，在固体颗粒的带动下，近壁气流也会向下流动。床料颗粒内循环的运行结果造成纵向大规模混合，成为返混。10外循环对于终端速度小于表观速度的粒子和颗粒团被气流以扬析的形式带出炉膛。对终端速度大于表观速度的粒子和颗粒团被烟气流以携带的形式带出炉膛。被以扬析和携带形式带出炉膛的粒子和颗粒团进入分离器，进行离心分离，他离下来的粒子经回料腿和回料阀返回炉膛，一外循环。没有被分离下来的粒子以飞灰形式进入尾部，分离器出口比入口温度高1020属正常。为床温起调节作用。11、颗粒团：由于细粒子表面能很大，多个细粒子粘合在一起形成颗粒团，它不断形成，又不断解体。五、循环流化床锅炉工作原理循环流化床锅炉是一种新型的燃用固体燃料（如煤）的锅炉。固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒、炉渣等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流态化运行，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。炉膛内固体颗粒的浓度，燃烧、传质、传热剧烈、温度分布均匀。一次风（流化风）经过风室由炉膛底部穿过孔的底板（布风板）送入炉膛，炉膛内是一些粒径为08mm（甚至更大）的固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒等），它们被流化风流化呈流体的特性并充满整个炉膛。炉和脱硫剂被送入炉膛后，迅速被子炉膛内存在大量惰性高温物料包围，着火燃烧，发生脱硫反应，并在上升烟气流作用下，向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热。粗大粒子在被上升气流带入悬浮区后，在重力及其他外力作用下不断减速偏离主气流，并最终形成附壁下降粒子流。被夹带出炉膛的粒子气固混合物进入高温分离器，大量固体物体，包括煤粒和脱硫剂，被分离出来回送到炉膛，进行循环燃烧和脱硫。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热器等放热冷却，经除尘器后，由引风机送入烟囱排入大气。燃料燃烧，气固流体对受热面放热，再循环灰与补充物料及排渣的热量带入与带出，形成热平衡，使炉膛温度维持在一定温度水平上。大量循环灰的存在，较好地维持了炉膛的温度均匀性，增大了传热，而燃料成灰，脱硫剂与补充物料以及粗渣排除维持了炉膛的物料平衡。与其它煤燃烧方式相比，循环流化床锅炉特有的部件主要有布风板、分离器、返料器以及外置热交换器等。下面分别作简要介绍。布风板位于炉膛底部，将风室与炉膛隔开，它一方面保证一次风穿过布风板进入炉膛对颗粒均匀流化，另一方面将固体颗粒限制在炉膛布风板上，并对固体颗粒（床料）起支撑作用。对布风板的要求： 1、布风均匀，保证整个床面的均匀流化。2、有足够的压力降，保证低负荷运行时均匀流化。3、安全可靠（风帽、材质、壁厚）4、便于大渣移动，防止因大渣堆积造成结焦。布风板基本结构为一平板上分布许多风帽，风帽上开有许多小孔。空气由风室经风帽小孔进入炉膛，同时特殊设计的风帽小孔保证颗粒不会由炉膛内回流进入风室。布风板设计的好坏直接影响床内颗粒的流化情况，它应保证整个床面布风均匀，有效防止颗粒回流并且有一定的强度以支撑固体物料，根据上述原则，实际采用的风帽还有许多种形式，如猪尾巴型（四川内江）、钟罩型（我厂）等，但他们的功能都相同。分离器是循环流化床锅炉的另一关键部件，而最典型应用最广，性能也最可靠的是旋风分离器。旋风分离器使含灰气流在筒内快速旋转，固体颗粒由于惯性大，逐渐贴近壁面并向下呈螺旋运动，被分离下来；空气和无法分离下来的细小颗粒由中心筒排出。旋风分离性能的好坏直接影响循环流化床的燃烧与脱硫效率，好的旋风分离器，其分离数率在99%以上。根据旋风分离器工作温度，可以将循环流化床锅炉分为高温分离型（800900左右）各中温分离型（400600左右）；根据冷却方式，旋风分离器又有水冷、汽冷以及砌耐火衬里等多种型式。除了旋风分离器以外，还有许多其它形式的分离装置，如U型槽、百页窗等，它们主要是利用惯性进行分离，与旋风分离器相比，这些分离器一般结构简单，布置容易，但分离效率较低。返料器也称作回料器，回料阀等，是将分离器分离下来的固体颗粒送回炉膛的装置。返料器的具体结构形式有许多种，如L型、U型、N型等，但最典型目前应用最广的是U型返料（U阀），其具体结构如图所示。返料器相当于一小型鼓泡流化床，固体颗粒由料腿（立管）进入返料器，返料风将固体颗粒流化并经返料斜管溢流进入炉膛，由分离器分离下来的固体颗粒不断补充，这就构成了固体颗粒的循环回路。有些循环流化床锅炉带有外置热交换器，它是从返料器中将一部分循环颗粒分流进入一内置受热面的低速流化床中，冷却后的循环颗粒再送回炉膛。外置换热器主要用于控制床温，但它并非循环流化床的必备部件。Lurgi型循环流化床锅炉和Anlstrom型循环流化床锅炉的主要区别就在于Lurgi型带有外置热交换器，而Anlstrom型则没有，其床温的控制通过调节给煤与供风以控制床内燃烧和颗粒浓度来实现。其它部件，如用于排放大颗粒底渣的循环流化床底渣排放系统（包括冷渣器），煤与石灰石制备系统等，都与常规煤粉炉有很大区别。此外，由于循环流化床烟风阻力增大，所需风机的压头也比常规煤粉炉高很多。这些在循环流化床大型化过程中，都需经进行认真的研究。第二节 CFBB的特点由前面循环流化床锅炉工作原理可知，循环流化床锅炉可分为两部分。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）等到组成，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、再热器和空气预热器等，与常规炉相似。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，且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。一、 循环流化床燃烧锅炉的基本特点可概括如下：1低温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，并且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各，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，这样免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种低温燃烧方式好坏甚多，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，也无需很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生在量低，可于炉内组织廉价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。由于扦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全，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，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，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达到9899%以上。2高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程循环流化床锅炉的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床炎等）。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面三刀种循环运动。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颁规律，以适应不同的燃烧工况。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。二、 循环流化床锅炉具有许多不可替代的优点除以上主要特点外，同其它燃烧方式相比扦环流化床锅炉具有许多不替代的优点，主要表现在以下几个方面：首先，由于循环流化床采用低温燃烧（850900），因此可以比较容易地控制NOx的排放，方便高效地脱硫。炉内不存在结渣问题，如果燃烧组织好的话，灰渣可以综合利用等。其次，循环流化床锅炉能稳定燃烧多种劣质燃料，燃料适应性广，除烟煤外，还可燃用无烟煤、劣质烟煤、褐煤、石煤以到石干石等固体燃料，并且可以达到较高燃烧效率。与第一代流化床（鼓泡床）燃烧锅炉相比，循环流化床锅炉燃烧效率高，脱硫效率高，给煤容易传热系数高，便于大型化，磨损问题也易于解决。第三章 CFBBR流体动力特性第一节 流化床所对应的流型我们知道，循环流化床是在流态化技术应用在燃烧技术后，在鼓泡床燃烧上发展而来的。为了更好的了解循环流化床锅炉的空气动力学特性，我们将从流态化原理及流态化的各种流型入手，对其进行比较，在此基础上，讨论循环流化床所对应的流型。在第二章中，我们对流态化过程已有所了解，但具体到单颗粒在气流中的运动特性并没涉及到，在此我们将就这一问题作一浅析。由物理力学知道，当一粒在无限静止的气体介质中在重力作用下作自由落体运动的固体颗粒，将受重力、浮力气流曳力的作用。在速度较低时，由于重力作用大于浮力与曳力的阻碍作用，颗粒将不断加速下落。随速度的增加，曳力作用增强，当颗粒被加速到某一速度时，此时作用在颗粒上的重力、浮力与曳力之和为零，颗粒以该速度匀速运动，这一速度就叫颗粒的终端（沉降速度）。由相对运动容易知道，当上行气流吹过静止颗粒时，颗粒与气流之间的相对速度将逐渐增加并达到终端速成，此后颗粒将随气体一起向上运动，但气固之间相对速度保持为终端沉降速度。终端速度与颗粒和气流的特性（速度、粒度、密度、粘度）有关。在这里对这一概念中气流的曳力作一江析，仅代表个人观点。一般我们对浮力比较容易理解，气流曳力较少见到这一提法。我们认为该处气流曳力即气流对颗粒的磨擦力，假想一颗粒模型，当它处于气流中运动时，浮力承托着它，对它是一种垂直向上的作用力。由于颗粒在气流中运动时，颗粒与气流相对速度的存在而产生沿颗粒表面切向的颗粒与气流间的磨擦力就是气流的曳力。第二节 流态化的各种状态在一个装有一定量固体颗粒的容器内（炉膛），底部是开有许多小孔的底板（布风板），颗粒静止在布风板上，当气流从布风板逐渐由小到大给入时，最初固体颗粒不发生任何运动。气流穿过颗粒孔隙时，将产生一定压力损失，它随气流速度的增加而增加。此种状态下，明显标志是理论上固体颗粒不发生任何运动，这种床层称为固定床。固定床的基础上随气流速度增加，床将会呈现出不同的流态。一、初态化随气流速度的增加，气流压力损失不断上升，直到气流速度达到一个临界值最小流化速度mf时，颗粒的状态发生了质的变化，流态化出现。这时，可以观察到，固体颗粒层体积发生膨胀，被气流悬浮起来，并上下翻腾运动，此时气固两相混全物呈流体的性质。初始流态化时，固体颗粒的总重量与作用在这些颗粒上的曳力和浮力之和相等，床层压降等于床层重量，实质上从力学平衡来看，此时如以床层作为受力分析对象，整个床层处于力的平衡状态。初始流态化速度mf不仅是床层由固定床向流化床转变的标志性参数，而且对实际运行也有意义，在实际运行中，必须保证流化风速成在mf以上，否则就会因床层不流化而结焦。二、鼓泡流化床流化风速继续上升，床内将出现越来越多的气泡，气泡不断定升，合并，破裂，对床层产生搅动，其现象恰似水的沸腾，因此将其称为鼓泡床（或沸腾床），此时，可以将床层分为两相：乳化相，由颗粒与气体均匀混合组成，该相中空隙率大致辞与初始流化时空隙率相等。气泡相，由许多上升的气泡组成，不含固体颗粒，但其运动将对固体颗粒产生影响。床层流化后床层压降保持恒定，且与流化床颗粒的重量大致相行。这种状况在整个鼓泡流化床及湍流流床状态下都将维持不变。与此对应，床层密度随流化风速的变化。 鼓泡床内的气泡随着流化速度的增加，数量与大小都有会增加。三、 湍流床随时气速成的增加，气泡被子打散消失 ，整个床层重新成为一均匀相，颗粒的运动更加剧烈，呈湍流状，因此称为湍流床。与鼓泡床相比，颗料的夹带随气速的增加而逐渐增加，湍流床的床层表面更加模糊，但仍可清楚地观察到由于鼓泡床和湍流床的这一特性，有时将它们一起统称为浓相床。当气流速度继续增加到超过颗粒终端速度后，床内的流动过渡到下一流态。四、 气力输送与快速床气力输送速度是由于气力将固体颗粒夹带走的速度，对于大颗粒来说，其气力输送速度等于终端沉降速度，但由于颗粒团现象的存在，对于细颗粒群，其输送速度会远高于其终端沉降速度。所谓快速床，就是指在浓相小颗粒情况下，颗粒尚未达到气力输送，但气固滑移速度远大于颗粒终端沉降速度，对于单颗粒，其达到输送时的气固滑移速度，即为其终端沉降速度。一般认为快速床是循环流化床的主要特征。快速床的出现与床层密度有密切的关系，床层密度又决定于气流速度与固体颗粒的截面质量流率Gs。在颗粒截面质量流率较小时，会出现稀相气力输送，此时气固滑移速度接近于颗粒终端沉降速度，当颗粒流率增大时，气固滑移速度增大，超过颗粒终端沉降速度，快速床出现。因此，决定快速床出现的条件，除了气流速度外，颗粒截面质量流率也委关键。下面来叙述快速床的形成机理。在气力输送状态，此时颗粒浓度很低，颗粒均匀地弥散在气流中，每一颗粒独立运行。气固之间的相对速度（接近终端沉降速度）将在每个颗粒上部形成 一个尾迹。增加颗粒浓度到某一水平时，固体颗粒相互很容易接触，一个颗粒会很容易进入另一颗粒的尾迹，此时作用于在第一个晨粒上的气流阻力会下降，在重力作用下这个颗粒会下落到尾随的颗粒。这一对新形成的颗粒由于总的有效表面积降低，流体的曳力将小于两颗粒的重力之各，颗粒会进一步下降与其它颗粒碰撞，颗粒数不断增加形成絮状的颗粒团。这就引起气固滑移速度的上升。不过颗粒团的生成不是无限的，因其结合力有限，会被连续不断上升的气流撕裂，从而使颗粒团连续地形成离析。因此，颗粒成团后阻力下降为快速床的形成提供了驱动力，而高颗粒浓度为其提供了机会与条件。在快速床中，其径向的颗粒颁出现不均匀，在流动核心区（中心区），颗粒浓度低，颗粒畴聚较少，气流带着颗粒向上运动，在四周近壁区，颗粒浓度高，它们组成颗粒团向下回流，形成颗粒内循环。在快速床运行状态下，可以得到最佳的能量交换（传热与传质）这也是循环流化床锅炉稀相区传热系数远高于鼓泡床锅炉的原因，这一特性使循环流化床大型化时受热面容易布置。五、异常的流态化状态a、 汽包过大：在流化床中含气泡是气体流化床的基本特征，但气泡过大或过于集中向上涌时，床层表面就形成波浪起伏运行不稳定，因为是一种异常流态化。引起气泡过大或分布不均匀的因素：1 床层太薄，使气泡分布不均匀。2 布风板安装不良，布风不均匀。3 床料的粒径过大。4 床身和床宽比值过大21或正六边形。5 汽流速度过高。b、 节涌：气泡过大的发展，气泡大到接近床层尺寸时，床料被大气泡分割成几段，并形成积塞，在大气泡之间的气泡料如活塞形式向上运动，达到一定高度，颗粒崩裂成单个颗粒和较小的颗粒团，此时大颗粒和颗粒团将穿过上层，气流像雨一样下落，造成沿高度床料不均匀性，增加床层阻力，床压急剧波动，能量损失很大，飞灰增多，燃烧不稳定，甚至大渣沉积导致结焦。原因同气泡过大。c、 沟流：在空气流速未达一到临界流化速度，整个床层处于固定床室，大量气体有可能从床料阻较小的沟道穿过，沟流或局部穿孔，共分为贯穿沟流和局部沟流。沟道自上而下贯穿整个床层厚度贯穿沟流。即使风速超过至正常临界流化速度时床层也不流化，沟道没有贯穿的部分可以流化。原因；颗粒组成不均匀，粉末太多，床层过薄，布风板结构不良，布风不均匀，一般处于风速较低。应先起风，后加料，保证不产生沟流。d、 分层：由于CFB燃用宽筛分燃料，大小粒径配比不一定合适，混有大小不一的颗粒及粒径，不过比重大的金属，在这种床料流化过程中，特别是低风速时，往往形成细粉，粗颗粒和重颗粒在下面的现象。导致风层处局部结焦的原因：破碎粒度没有达到设计要求，我厂要求8mm，但只是对煤，不是对石头。若石头要求4.5mm，因为它影响炉内燃烧且促使冷渣器结块，加大流化风速成及时排出大渣。第三节 循环流化床的流态在循环流化床锅炉中，由于所流化的颗粒为宽筛分的固体颗粒，并且在锅炉的不同部分气流速度，固体颗粒的浓度，粒度均不相同，因此对应于循环流化床锅炉的不同部分有不现的流态：炉膛下部（二次风口以下）湍流床或鼓泡床炉膛上部（二次风口以下）快速床旋风分离器旋涡流动返料立管（料腿）移动床返料器与外置热交换器（如果有）鼓泡床尾部烟道气力输送因此，谈循环流化床时，更侧重于指一种带颗粒循环燃烧的流化床装置，而不太注重炉内具体所处的流态。上述循环流化床各个位置的流态表，也只是目前循环流化床锅炉通常运行的状态，它并不是绝对的，根据具体的运行情况有些位置的流态可能发生变化。比如，当气流速度下降（如锅炉负荷降低时），循环流化床锅炉也会运行在鼓泡床锅炉的运行状态下，即此时循环床锅炉相当于带有分离器的鼓泡床锅炉。同样，鼓泡流化床锅炉也是指其炉膛主要气固流态为鼓泡床流态，将流态与锅炉炉型区分开来，对于循环流化床气固动力学特性的理解是非常重要的。第四章 循环流化床的传热与传质循环流化床锅炉中的传热可以分为炉膛内气固两相物料与受热面（如水冷壁、屏式受热面等）的传热，以及对流烟道中烟气与受热面的传热。循环流化床炉内的传热过程又涉及固体颗粒与固体颗粒，气体与颗粒之间、气体与受热面之间以及固体颗粒与受热面之间的热交换等换热过程。作为运行应用的我们最关心的是循环流化床热介质与水冷壁及过热器等之间的传热。第一节 传热机理简介正如在上一章流动特性中讲到的，在较高气速的作用下，循环流化床内物料在运动中聚合成许多絮状颗粒团，它们时而变形，时而分解，时而重新组合，同时，还有许多分散的固体颗粒存在。在快速床运行中，炉膛中民核心区是向上快速流动的低颗粒浓度的两相流体，而周围四壁是高浓度固体颗粒缓慢下流的近壁区，这些流动特性对传热均产生很大的影响。循环流化床床内受热由一层气膜覆盖，受热面直接与气膜进行热交换，同时，颗粒通过气与气膜接触，其热量以传导和辐射两种方式传给受热面。与此同时，被气膜隔开的颗粒团与受热面进行着辐射换热。因此，将循环流化床床内热介质与受热面的传热系数h分解为三部分：颗粒团对流换热系数hpc，气相对流换热系数hgc，以及辐射换热系数hr，即：hhpchgchr在一分量中，颗粒团对流放热系数是主要部分，其值主要取决于床内是悬浮颗粒的浓度（床层密度）和颗粒浓度；气相对流换热系数远小于颗粒团对流换热系数，因此 常常被处理成单纯气体以空塔速度流过受热面时的对流换热系数；以及辐射换热系数依然服从四次定律，由于利用公式计算换热系数困难，且精度很差，通常对传热系数通过经验公式作为定值来处理。分别对密相区和稀相区给定两具传热系数，并规定密相区高度为二次风喷口以下布风板以上的高度。在循环流化床通常的运行工况下，床内平均放热系数大约在110170w/（m2k）范围内，悬挂在稀相区的屏式受热面，由于颗粒浓度较低，床温也略低，其放热系数大约在90110w/（m2k）左右。第二节 影响传热的主要因素一、 床层密度（床层物料浓度）在快速床中，壁面上悬浮物浓度对于床层与壁面之间的换热影响是最重要的，而壁面