能源与环保课题

课题 能源转换与环境保护 浅谈循环流化床锅炉在电厂的应用 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 在可见的今后若干年内还有上升的趋势 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 可见发展高效 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 其主要特点在于燃料及脱硫剂 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 效率和与煤粉炉相近的燃烧效率 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 我国近几年来也有 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 未来的几年将是 CFBB 技术飞速发展的一个重要时期 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装有焦炭颗粒的炉室的底部 然后观察到了固体颗粒因受气体的阻力 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 此后流态化技术一直 在化工领域被应用并发展 直到上个世纪五 六十年代 流态化技术才开始在燃烧领域应用 流化床燃烧技术的应用最初是鼓泡床技术 其大概的工作过程就是 碾碎的小颗粒燃料通过给煤口送入炉 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 吹起的颗粒上 升到一定高度 在重力作用下又落下 再由空气吹起上升 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可以看出 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 由于上述种种原因 人们便开始新的探索 力图在此基础 上进行改进 克服其固有弱点 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未八十年代初 奥斯龙公司对循环流化床炉的开发是 60 年代未期在鼓泡流化床 炉的基础上开始的 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试验 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 在这个基础上 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 由于我国电力生产是以火力发电为主的国家 煤炭资源分布极为不均衡 又多高硫劣质煤 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将日益突出 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产品将具有巨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 东方锅炉股份有限公 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 高压无再热循环流化床 锅炉 同时 国际上的循环流化床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 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 运动 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高 燃烧 传质 传热剧烈 温度分布均匀 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 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 也无需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 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 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运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 环流化床锅炉具有许多不替代的优点 除以上主要特点外 同其它燃烧方式相比循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 850 900 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 石煤以至矸石等固体燃料 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 一 循环流化床的原理及特点 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 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 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 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 运行流化速度为鼓泡床的 2 3 倍 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化 颗粒横向混合良好 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 升段内温度分布均匀 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 流化气体的整体性状呈塞状流 流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入 二 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 运动 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高 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 炉膛内是一些粒度为 0 6mm 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 较细的颗粒被气流夹带飞出炉膛并由旋风分离器 也可以是其它分离器 分离收集 并通过分离器 下面的料腿与返料器送回炉膛循环燃烧 烟气和不被分离器捕集的细颗粒排入尾部烟道 尾部烟道和除尘 等与常规煤粉炉相似 三 循环流化床锅炉传热和传质 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 1 传热机理简介 在较高气速的作用下 循环流化床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 炉膛中心 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面由一层气膜覆盖 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 2 影响传热的主要因素 1 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 而壁面上悬浮物浓度与整个 床截面的床层密度成正比 因此随着床层密度的增加 传热系数增大 在循环流化床密相区 由于颗粒浓 度高 因此其总的传热系数也比稀相区高很多 粒子浓度随着床高而变化 在循环流化床锅炉的运行中 可通过调节一 二次风的比例来控制床内沿床高方向的颗粒浓度分布 进而达到控制温度分布和传热系数 以及负荷调节的目的 2 流化速度 流化风速对传热系数的影响 在快速床中主要通过对床层密度影响从而产生间接影响 比如在保持循环倍 率一定时 随着流化风速的增加 床层密度下降 会引起传热系数下降 在保持床层密度一定时 不同的 流化速度下 传热系数的变化很小 流化速度对传热没有明显的直接影响 这是因为若保持固体颗粒的循环量不变 当流化速度增加时 床内 的颗粒浓度就会减小 从而造成传热系数的下降 而与此同时 由于流化速度的增加又会引起传热系数的 上升 这两个相反趋势的共同作用使得当床层粒子浓度一定时传热系数在不同流动速度下变化很小 3 平均粒径 由于小颗粒具有较大的比表面积 因此在同样的床层密度条件下 小颗粒与受热面的接触面积与频率都高 于大颗粒 因此随颗粒平均粒径的增加传热系数下降 4 床温 床温的增加一方面使颗粒团与受热面的辐射换热增强 另一方面温度升高导热系数也会升高 因此循环流 化床传热系数随床温的升高而上升 5 循环倍率 在床层密度不变的情况下 不同的循环倍率意味着不同的颗粒运行速度 研究表明 当循环倍率增加 100 时 传热系数的增加只有 10 因此 颗粒循环倍率对循环床传热性能的影响是不明显的 四 流化床内颗粒与流体的传质 物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质 亦称质量传递 正如温度差是热量传递的推动力那样 浓度差是质量传递的推动力 流化床内的传质是指流体流过壁面或液体表面时 如果主流与界面间有浓度 差 就引起传质 通常流化床内的传质是对流传质 它和热交换中的对流换热相类似 循环流化床中的传质系数是较高的 它随着气体流速的增大而增大 但随着固体颗粒流速的增大而减小 这主要是由于固体的屏蔽作用所致 随着固体颗粒粒径的增大其交换表面积减小 和传热系数一样 传质 系数减小 另外 传质系数在床层入口附近随床高增加而增加 这说明由于颗粒的聚集及强烈混合 大大 强化了气固接触 当进一步增加床高时 由于颗粒聚集倾向减弱 故传质系数随床高而减小 五 煤在循环流化床内的燃烧过程及燃烧特性 循环流化床锅炉气固两相流动的复杂性以及煤粉炉完全不同的气固两相流动带来循环流化床锅炉燃烧方面 与众不同的特点 其燃烧机理极为复杂 但是 传统煤燃烧理论所认为的燃烧的主要因素 即燃烧时间 燃烧温度以及湍流度仍然是循环流化床组织良好燃烧的必要条件 循环流化床物料循环的特点 沿床高 包括旋风分离器 足够高且均匀的温度分布 以及强烈湍流带来的物料强烈掺混 为循环流化床内煤颗 粒创造了良好的燃烧环境 一 煤的燃烧阶段 给入流化床的煤颗粒将依次经历如下过程 煤干燥与加热 挥发份析出和燃烧 煤颗粒的膨胀和一次爆裂 破碎 焦碳燃烧和二次爆裂 磨损 新鲜的煤粒加入流化床后 被加热与干燥的过程是很快的 这主要是 由于循环流化床床层内强烈的掺混作用 在鼓泡床运行中由于气泡的运动 破裂 使得颗粒横向掺混非常 剧烈 而循环床随着床层流化速度的提高 这一掺混作用还将得到大大的加强 在 2 3 秒内就可能达到 几米宽度的床表面 同时 由于给煤一般由密相区加入 而密相区聚集着大量处于床温的燃烧着的颗粒 及惰性床料 而通常给煤量只占床料量的 1 3 这些灼热床料包围着新鲜的煤粒 使其被加热干燥 在我厂循环流化床中给煤与循环灰一起给入 因此 进到炉膛前煤颗粒就得到了加热 一般煤颗粒在炉膛 内的加热率在 100 S 至 1000 S 的范围 挥发份的析出主要有两个稳定阶段 第一个稳定析出阶段在 500 600 范围内 第二个稳定析出阶段在 800 1000 范围内 析出的挥发份由多种 C H 化合物组成 煤种与挥发份的析出有很大的关系 煤的工 业分析为挥发份的析出量提供了大致的范围 但挥发份的析出量与成份受许多因素的影响 如 加热速率 初始温度和床温 停留时间 煤的粒度与种类 挥发份析出时的压力等 焦碳燃烧通常是挥发份析出完成后开始的 有时与上述过程也有重叠 在焦碳的燃烧中 氧气扩散到焦碳 表面并反应生成 CO 和 CO2 由于焦碳是多孔颗粒 焦碳表面确切地说并不完全指碳的外表面 还包括其 内孔面积 并且这些内孔面积要比焦碳表面积大好几个数量级 对燃烧过程起决定性作用的因素主要有两个 一个是燃烧反应本身的化学反应速度 在燃料性质一定的条 件下 主要受反应所处环境温度的影响 温度越高化学反应速度越快 另一个决定性的因素是燃料所需的 氧气的供应 氧气供应主要是指煤颗粒周围氧气到达反应物表面对燃烧反应所需氧气进行补充的速度 如 果氧气供应充分 燃烧反应能够得到足够的氧气补充 燃烧反应就进行的剧烈 对氧气的供应起主要作用 的是煤颗粒的表面积与环境中氧气的浓度 燃烧过程可分为扩散控制和动力控制 所谓扩散控制 就是指 对燃烧反应起决定性的因素是氧气向燃烧颗粒表面的扩散速度 此时氧气一到达反应物表面即进行燃烧反 应 氧气的扩散对燃烧反应的快慢起着决定性作用 而温度对反应速度的影响不显著 动力控制反应与此 相反 此时燃烧反应所需的氧气供给充分 燃烧反应的速度由化学反应速度即主要由温度控制 挥发份燃烧过程通常是由挥发份和氧的扩散所控制 对于大颗粒煤 粒径大于 1 mm 挥发份析出时间与煤 粒在流化床中整体混合所需时间有相同的量级 因此在循环流化床锅炉中 在炉膛顶部有时也能观察到大 颗粒团的挥发份火焰 对挥发份析出时间的研究对煤粒在循环流化床内的着火燃烧 尤其是启动点火有着 重要的意义 进入循环流化床的燃料中 有大量粗颗粒存在 经挥发份析出 膨胀和破碎后 仍有大量粒度为 0 6mm 范围内的焦碳存在 这些颗粒在循环流化床中比鼓泡床高的多的传质速率进行混合燃烧 但由于颗粒粒度 较大 燃烧反应的化学反应速率远高于扩散速率 燃烧反应为扩散控制 随着颗粒温度的升高 挥发份析 出的增加 颗粒内孔不断增加焦碳颗粒缩小 燃烧反应的反应速率与内部扩散速率逐步相当 但氧在焦碳 中的深入深度有限 接近外表面处的小孔消耗掉大部分氧 这种燃烧情形的焦碳粒径为中等粒度 随着燃 烧的继续进行 反应进入第三个阶段 此时化学反应速度远低于扩散速率 反应为动力控制 对于多孔焦 碳 氧扩散至整个焦碳颗粒 使燃烧在整个焦碳内均匀进行 在循环流化床锅炉内 煤的燃烧过程伴随着煤颗粒尺寸的逐渐减小 煤颗粒度的减小主要是由于燃烧过程 的膨胀 爆裂和颗粒之间以及颗粒与四壁的磨损造成的 煤颗粒燃烧时的膨胀与爆裂主要是由于挥发份的 析出与焦碳的燃烧产生的 它们使颗粒的体积膨胀 颗粒的小孔增大 增加 使煤粒的内部结合力下降 这种爆裂产生的颗粒比由于磨损产生的细颗粒碳 一般小于 100 m 大一个数量级 磨损是由于颗粒之 间以及颗粒与床四壁之间的碰撞和摩擦产生的 在燃烧使碳粒表面的连接力下降后 这种作用得到了加强 细颗粒的形成对煤的燃尽 特别是大颗粒的燃尽是很有利的 它增大了碳颗粒的接触表面 但是 太细的 颗粒会逃离旋风分离器 形成固体未完全燃烧损失的一部分 二 影响循环流化床燃烧的主要因素 1 床温 循环流化床床温的选取是从多方面考虑的 850 900 是最理想的循环流化床运行温度 这主要是出于下 述考虑 在该温度下灰不会熔化 从而减少了结渣的危险性 脱硫反应的最佳温度为 850 左右 在该温度下碱金属不会升华 这样就可降低锅炉受热面的结渣 燃烧空气中的氮不能大量转化成 NO x 当然 选取这一温度的前提还是需保证煤的燃尽 循环流化床锅炉之所以可以选择比煤粉炉低的多燃烧温 度 一方面是因为循环流化床沿床高的温度 甚至包括旋风分离器与返料装置的温度 可以控制的非常均 匀 煤在上述整个空间进行燃烧 这就保证了一次通过炉膛的细颗粒和循环燃烧的粗颗粒都能够很好的燃 尽 另一方面还因为循环流化床锅炉的床温比较容易维持 不会因为较小温度 浓度造成灭火与停炉 事实上 如果单从有利于燃烧的角度来讲温度高是有其优点的 因为逃离分离器的细颗粒带来的未燃烧碳 损失是由动力反应控制 提高燃烧温度可缩短燃尽时间 从而降低飞灰未完全燃烧热损失 当然 综合上 述因素 床温的控制仍然不宜超过 950 在运行中 应控制床温在变形温度下 100 200 以防止炉膛 结渣 应当看到 将床温控制在 850 左右是其他燃烧方式 如煤粉炉 所无法办到的 这也是循环流化 床的一大优点 2 一二次风比例 与鼓泡床相比 循环流化床锅炉炉膛上部燃烧分额增加 因此二次风比例也相应升高 一次风量约为燃料 所需化学当量值 60 80 一次风主要起流化和下部密相区燃烧的作用 因为在炉膛下部区域燃料完全燃 烧所需风量大于实际风量 一次风量 因此该区域通常处于还原性气氛 二次风口通常位于炉膛下部密 相区以上 作为燃尽风并控制炉膛的深度分布均匀 尤其在锅炉启动阶段 当锅炉负荷增加时一次风比例 增加 能够输送数量较大的高温物料到炉膛上部区域 二次风另一重要作用是进行分级燃烧 即随着燃烧的进行逐步补充燃烧风以控制燃烧区域的风量 使处于 还原性状态 这对于 NOx 排放的降低很有好处 3 停留时间 停留时间是决定煤燃尽的一个重要参数 在炉膛上部区域 一方面挥发分已经析出 同时处于富氧状态 焦碳的燃烧主要发生在此 焦碳颗粒在炉膛截面中间向上运动 同时沿四壁往下流或者上下运动 这样焦 碳颗粒在被夹带出炉膛前已在炉膛高度循环多次 因此对于大多数颗粒而言 在炉膛停留时间远大于以气 速穿过炉膛所需要的时间 被夹带出炉膛的未燃尽焦碳颗粒进入旋风分离器并继续燃烧 粗颗粒被分离下 来进入炉膛 细颗粒作为飞灰排入尾部烟道 循环流化床与其他燃烧方式不同 它不要求所有送入的燃料在一次通过炉膛就实现完全燃烧 送入炉内的 煤颗粒有粗有细 处于一定的粒度范围 其中凡终端速度小于气流速度的细小煤粒都将被气流吹走 带往 旋风分离器 这部分颗粒中大于旋风分离器临界分离直径的煤粒被分离器捕获 经回料器送回炉内反复进 行燃烧 因此只有粒径大于临界分离粒径和终端速度不大于气流速度的中 间尺寸煤粒 在炉内多次循环燃烧 而所有小于临界分离直径的煤粒则要求一次经过炉膛即能燃尽否则就 会形成飞灰未完全燃烧损失 至于一切终端速度大于气流速度的粗大颗粒最终作为底渣排出炉膛 当然 由于前面提到的原因 粗颗粒在不断变成细颗粒 但是这部分细颗粒在床内已经停留很长时间 一般能保 证燃尽 4 旋风分离器 旋风分离器是循环流化床关键部位 也是循环流化床在结构上不同于煤粉炉的一个重要特征 由上图可以 清楚看出 理想的旋风分离器设计应当保证其临界分离粒径不大于燃尽曲线与停留曲线的交点 A 所对应的 粒径值 这样设计的旋风分离器就能保证飞出炉膛且不被分离器收集的细颗粒能够一次燃尽 而不能一次 燃尽的粗颗粒能被收集而循环燃烧 从而也能得到燃尽的目的 旋风分离器的分离效率随风筒直径增大而 下降 因此选取适当直径的旋风分离器并进行合理布置是循环流化床大型化过程中需要研究解决的问题 旋风分离器的设计一方面应保证分离器对细颗粒的分离以保证燃尽 另一方面还需要对分离器的布置进行 考虑 为了降低成本和减少系统的复杂性 设计中总是尽可能采用大直径的旋风筒 直径为 7 8 米的旋 风筒在循环流化床中已显示出可靠的运行性能 5 燃煤的粒度 进入流化床的煤颗粒的粒度分布大约在 0 8mm 范围内 粒度对循环流化床燃烧和传热很重要 但是颗粒 粒度的具体构成对燃烧和传热起着更重要的作用 进入循环流化床床内的颗粒大体可分为三种形式存在 一种是粗颗粒 主要在床内停留与燃烧 最终以底渣的形式排出炉外 一部分很细小的会逃离炉膛和旋风 分离器作为飞灰排出 循环流化床锅炉飞灰份额大约在 30 60 内 受粒度分布与性能影响 第三部分 在循环流化床床内循环燃烧直至磨细作为飞灰排除 粗大颗粒太多会降低传热并不能使流化不均 如果颗 粒中构成循环灰的中等粒度颗粒很多且不易磨碎 由于在目前循环流化床锅炉设计运行中 一般都不排放 循环灰 循环灰在炉内会越积越多 使床压升高 炉膛上部颗粒浓度升高 正如在传热部分谈到的 颗粒 浓度将极大的影响传热性能 使实际运行锅炉偏高设计值 因此适当选取颗粒粒度对循环流化床锅炉流动 传热与燃烧非常重要 6 流化风速和循环倍率 循环倍率是指循环灰质量与入炉煤质量之比 高循环倍率能强化燃烧与传热 使锅炉尺寸紧凑 钢材消耗 量低 但与此同时风机消耗与受热面的磨损也增大 目前普遍认为循环风速应控制在 4 6m s 范围内 高 温分离的循环流化床循环倍率为 30 35 左右 三 循环流化床燃烧方式的特点 循环流化床独特的燃烧方式带来了其他常规燃烧方式无法比拟的优点 1 燃料适应性广 燃料适应性广是循环流化床的一个突出优点 它能够烧常规煤粉炉无法烧的许多劣质 燃料 在循环流化床燃料按重量计只占灼热床料的 1 3 其余则是不可燃的固体颗粒 如脱硫剂 飞灰或砂等 循环流化床特殊的流体动力特性使得气固混合和固固混合进行得非常快 保证燃料充分燃烧 因此当燃 料进入炉内后即被周围的高温床料加热至着火温度并发生燃烧 而与此同时 床层温度又没有显著的降低 只要燃料热值大于加热燃料本身和所需的空气至着火温度所需的热量 上述特点就能使循环流化床不需要 辅助燃料即可燃用任何燃料 因此一台循环流化床在不需要大的改动条件下就可燃用范围很广的燃料 从 普通的烟煤 无烟煤 褐煤到泥煤 矸石 油页岩 废木材 生活垃圾等等 可以说循环流化床为有效利 用这些劣质燃料提供了一条很好的途径 2 负荷调节闭和负荷调节快 循环流化床由于截面气速高和吸热容易控制 使得负荷调节很快 同时 由于大量惰性床料 吸附剂 沙子和灰渣 的存在 床内蓄热很大 使循环流化床锅炉在低负荷时也能保 证锅炉稳定燃烧 从而使其负荷调节比可达 3 4 比 1 这使得循环流化床作为调峰电厂具有特别的优势 此外 前面提到的循环流化床燃烧方式带来的高燃烧效率 低温燃烧使其脱硫非常简便 且效率高同时 NOx 排放低等等 这些都为循环流化床的迅速发展创造了必要条件 六 脱硫脱氮机理及其排放控制 二氧化硫和氮氧化物是大气污染的两种主要排放物 它们对人类健康和生态环境的一个主要危害是形成酸 雨 二氧化硫和氮氧化物一经排入大气后 会在阳光的催化下与大气中的水蒸汽进行复杂的反应而形成酸 性物质 这些酸性物质降至地面就形成酸雨 一 脱硫机理及其排放控制 不同煤种的煤含硫差异很大 一般都在 0 1 10 之间 并以三种形式存在于煤中 即黄铁矿硫 有机硫和 硫酸盐硫 其中黄铁矿硫和有机矿硫是燃煤中 SO2 生成的主要来源 1 so2 的生成 燃煤给入循环流化床锅炉后 其中的硫份 黄铁矿硫和有机硫 首先被氧化生成 SO2 其 反应为 S O2 SO2 296KJ mol 其中一部分 SO2 由于燃煤矿物质中会有 CaO 而具有自脱硫能力 能脱去部分的 SO2 CaO O2 SO2 CaSO4 486KJ mol 部分 SO2 还会反应生成 SO3 SO2 O2 SO3 但是 由于 SO3 的生成在高温高压下进行的更加活跃 一般情况下 在循环流化床中 由于反应温度控制 的很低 850 左右 SO3 生成的速率很低 只有很少部分的 SO2 转化成 SO3 SO2 和 SO3 如果不经处理 直接排入大气与空气中的水蒸汽反应 就会形成酸雨 2 so2 的固定 所谓 SO2 的固定是指将 SO2 由气态转入固态化合物中 从而能达到脱出 SO2 的目的 循 环流化床采用向炉内添加石灰石颗粒的方法来脱除 SO2 之所以采用石灰石很大的原因是世界上分布极广 蕴藏量极为丰富且价格相对低廉的矿物 石灰石加入炉内后 首先发生煅烧反应 CaCO3 CaO CO2 183KJ mol 生成的 CaO 进一步与 SO2 反应 生成相对惰性和稳定的 CaSO4 固体 CaO SO2 CaSO3 CaSO3 O2 CaSO4 SO2 O2 SO3 CaO SO3 CaSO4 反应的第二途径 即经过 SO3 的反应 只是在重金属盐作为催化剂时才发生反应 3 石灰石的有效利用 1 摩尔 S 反应需要 1 摩尔的 Ca 将实际使用的石灰石中 Ca 摩尔数与煤中需要脱除 S 的摩尔数之比 称为钙硫摩尔比 用 Ca S 表示 钙硫摩尔比越高 石灰石的利用率越低 影响石灰石有效利用的一个重要因素是由于 CaSO4 生成后形成一层外壳 阻止了 CaO 与 SO2 的进一步反应 在煅烧反应时随着 CO2 的析出 吸收剂内部形成了许多孔隙 SO2 会通过这些孔隙进到吸收剂内部与 CaO 反应 1 摩尔 CaCO4 反应将生成 1 摩尔 CaSO4 由于 1 摩尔 CaCO4 的体积为 36 9cm3 而 1 摩尔 CaSO4 的体 积为 55 2cm3 因此 CaO 反应生成 CaSO4 后体积是膨胀的 在吸收剂内部有机会与 SO2 完全反应之前 吸 收剂的孔隙及孔隙入口已经由于产物体积增大而被堵塞 使吸收剂表面形成一层 CaSO4 壳 阻止 SO2 继续 与氧化碳反应 吸收剂只有一部分得到了利用 这也就是鼓泡床加入石灰石脱硫时难以取得满意脱硫效率的原因 例如 对含硫 5 的高硫煤 鼓泡床要 达到 80 的脱硫效果 所需要的钙硫摩尔比要达到 3 以上 为了提高吸收剂利用率 可以增加吸收剂的反 应接触表面 这通常采用将吸收剂磨得更细来实现 但是 在鼓泡床中 颗粒太细会被直接吹出炉膛 吸 收剂同样得不到有效利用 在循环流化床锅炉中加入石灰石以后 由于旋风分离器的分离作用 吸收剂在床内反复循环利用 因此石 灰石的粒度很细 从而有效地增加了吸收剂与 SO2 地接触面 同时生成的 CaSO4 保护膜也因为在床内不断 磨损而不断剥离 使未反应的 CaO 继续与 SO2 反应 因此在循环流化床中 加入石灰石作为脱硫剂时 石 灰石的利用率大大提高了 比如在循环流化床中 要得到 90 以上的脱硫效果 当采用高活性的石灰石时 所需的 Ca S 摩尔比在 1 5 2 5 范围 4 影响脱硫效率的因素 4 1 吸收剂的反应活性 吸收剂的反应活性简单地来讲 是指吸收剂与 SO2 进行表面化学反应地难易程 度 不同产地的石灰石在反应活性上有很大区别 因此在选择脱硫剂时 应对其化学反应性能进行分析 尽可能选取高反应活性的石灰石 以降低 Ca S 摩尔比 4 2 床温 硫酸盐化的反应速度一开始随温度升高而升高 在 800 850 时达到最佳值 之后随温度升 高 反应速度开始下降 这是因为氧化钙的孔隙被迅速生成 CaSO4 堵塞而阻止了吸收剂的进一步的反应 在更高的床温下 CaSO4 还会逆向分解放出 SO2 进一步降低硫酸盐化的化学反应速度 4 3 气相停留时间及炉膛高度 SO2 在炉内停留时间越长 与吸收剂的接触时间越长 越有利于 SO2 的 脱除 但硫酸盐化反应的速度取决于 SO2 的浓度 因此循环流化床增加炉膛高度以延长 SO2 停留时间对脱 硫效果的促进作用是按指数衰减的 一般循环流化床内脱硫反应主要发生在炉膛内二次风以下的区域 为达到