循环流化床锅炉原理-第五章-传热课件

循环流化床锅炉-传热传热系统密相区传热稀相区传热传热机理模型传质传热系数的准确性，对于循环流化床锅炉的设计、制造和运行可靠性、安全性均起着举足轻重的作用。在锅炉设计中，传热系数决定着受热面的布置、数量及结构，如果传热系数选取不当，就难以达到稳定燃烧和最佳经济效益，甚至出现受热面损坏的现象。与传统流化床一样，在循环流化床中存在各种不同的传热过程：1)颗粒与气流之间的传热(床内颗粒与床内气流)；2)颗粒与颗粒之间的传热；3)整个气固多相流与受热表面(包括壁面与悬吊在床内的表面)之间的传热，4)气固多相流与入床气流之间的传热。第一节密相区传热循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理

影响传热的各种因素

(一)三个控制传热过程的因素1．气体对流传热系数2．辐射传热系数3.颗粒对流传热系数循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理(二)密相区传热理论1．颗粒与壁面的碰撞传热过程一个固体颗粒与一热望面的碰撞传热过程与碰壁频率有关，还与相对贴壁时间以及颗粒直径有关。对于一个小颗粒，可写出以下热平衡方程：

循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理2．气膜理论气膜理论认为，传热表面和流化床之间的传热热阻主要来自一层流体气膜层。气膜厚度不仅取决于流体速度和性质，而且受固体颗粒湍流程度的影响，运动的固体颗粒冲刷这一膜层，减小了膜层热阻，因而使得传热表面和流化床之间的传热大大强于单相气体对流传热。

循环流化床下部密相区与受热面间的传热机理3．颗粒团理论该理论认为，可以将流化床中的浮化相看成是由许多“颗粒团”组成的，传热热阻来自近受热面的颗粒团。颗粒团在气泡作用下，在换热壁面附近周期性地更替，流化床与壁面之间的传热速率依赖于这些颗粒团的加热速率及颗粒团同壁面的接触频率。传热系数与流化风速的关系曲线上出现最大的传热系数，是由于颗粒团在壁面上接触的频率增加和传热壁面上气泡数的增加同时发生的缘故。后来又发展出连续介质假设模型，离散颗粒模型，交替层模型

4．薄膜一乳化相理论靠近浸埋面的第一层是气膜，第二层是与壁面平行流动的乳化相。传热热阻包括气膜的阻力和乳化相的阻力。这类机理把运动的固体颗粒在传热中起的作用看成是主要的，同时亦考虑了通过壁面边界层的热传导。模型认为，流化床的传热性质可以同一个充分搅拌的液体的传热相比拟，这是由于颗粒与气体相比较时，热容较大的固体颗粒扰动使膜的减薄所增加的传热量是有限的，数量上仅占8％一12％。Wicke和Fening用类似方法处理了他们的实验结果。热量首先从壁面以传导方式经过一定厚度的气膜，然后此热量在另外乳化相边界层内被与壁面平行流动的固体颗粒所吸收。在乳化相区域内，热流量的一部分变为固体颗粒的显热，其余部分通过固体颗较间的交换传到床层的中心部位。影响传热的各个因素气体物性的影响固体颗粒物理特性的影响流化风速的影响床温和壁温的影响固体颗粒浓度的影响颗粒循环率的影响床压的影响加翅片后的影响1．气体物性的影响（1）气体密度和比定压热容：由于压力对传热的影响主要是通过气体密度来起作用，而传热系数随着床层压力的增加而增加，故随着气体密度的增加将导致的增加。床层与受热面之间的传热系数与气体密度和比热容乘积呈指数规律变化

（2）气体粘度：许多学者研究认为，传热系数随着气体粘度的增加而减小。（3）气体导热系数：在流化床传热中，气体边界起着重要作用，因此气体的导热系数对有着相当大的影响。2固体颗粒物理特性的影响（1）固体颗粒尺寸的影响：不同粒径的颗粒床是由不同的传热机理在起控制作用的。对于小颗粒床，颗粒的冷却特征时间小于其在受热面上的停留时间，颗粒主要通过气膜与受热面进行热交换，这是一个非稳态过程，所以当流化速度增加时，颗粒在表面的停留时间缩短，使得传热系数迅速增加。对于大颗粒床，其临界流化速度较高，气体的对流换热作用加强，颗粒与受热面间的换热作用因气膜厚度加大而相对减弱，因此传热系数随不同流化速度的变化不如小颗粒床那么剧烈。(2)固体颗粒密度的影响：传热系数随着颗粒密度的增加而增加。颗粒密度对传热系数的影响程度随着粒径的增大而减弱。(3)球形度及表面状态：球形和较光滑的颗粒，换热系数较高。(4)颗粒比定压热容的影响：换热系数随着比定压热容的增加而增加。(5)固体颗粒导热系数的影响：影响很小3．流化风速对传热的影响在循环流化床中，运行风速对传热过程的影响是比较复杂的，一般而言，风速增大时，一方面使气体对流传热增强，另一方面则由于颗粒浓度减小而使传热系数减小。在循环流化床中，对于固体浓度较大的床下部浓相区，颗粒以非稳态导热为主，传热系数随风速增大而减小；而对于颗粒浓度较小的稀相区，则气体对流将比较明显，因而传热系数可能随流化风速增大而增大。不过，由于在稀相区固体颗粒贴壁下滑，而气流对流分量比固体分量要小得多，因此在固体颗粒浓度一定时，传热系数基本上不随流化风速变化。

4．床温和壁温对传热系数的影响在循环流化床的密相区中，床与传热面之间的传热系数随着床温的升高而升高。传热系数随壁温的升高成直线规律变化，其变化斜率为0.44

传热系数与壁温的关系

床温对传热系数的影响5．固体颗粒浓度的影响循环流化床中传热系数受床内固体颗粒浓度的影响是十分强烈的，其值随固体颗粒浓度的增加而增加。

7．颗粒循环流率的影响在一定气体流速下，传热系数随颗粒循环速率增大而增大，而当颗粒循环速率一定时，传热系数随操作气体流速增大而减小。考虑到床层颗粒浓度随操作条件的变化规律，可见传热系数主要受颗粒浓度的影响。8．床层压力的影响床层压力增大，传热系数增加。目前世界各国均在积极开展对增压流化床的研究，通过增加床层压力，从而提高传热系数，增加单位受热面积的传热能力，降低钢耗和节省空间。9．加翅片后对传热的影响从床层把热量传到埋管中的水，主要热阻来自管子外侧，采用翅片管加大传热表面积能大大改善传热效果。不过，翅片管在床中的放置方式不同，其肋片效率也不同。将纵肋管水平放置于床层内，由于肋片的阻挡，不均一的“乳化团”不易撞击到受热面内部，肋片效率仅为31％左右，而如果把试验管倾斜50。左右进行试验，肋片效率达74.7％。关联式第二节稀相区传热循环流化床上部稀相区的传热过程

影响传热的各种因素关联式

(一)三个控制传热过程的因素1．气体对流传热系数2．辐射传热系数3.颗粒对流传热系数稀相区和密相区传热特点比较1．密相区和稀相区的传热系数随时间的动态变化当流化速度和循环率相同时，在所有高度上的瞬态传热系数都是剧烈波动的，其中的降值表明有颗粒团与测量探头接触。不过，各处的气固流体特性是有区别的。在床上部的稀相区中的传热系数最大。2．浓相区和稀相区传热系数在不同颗粒浓度下的对比除了较低颗粒浓度情况外，如果固体颗粒浓度相同，床中浓、稀相区的传热系数基本上是一样的。这是因为，固体颗粒浓度在传热中扮演主角之故。3．沿循环床高度传热系数的变化循环流化床中，传热系数沿床层高度方向是下降的，这主要是由于循环流化床内固体颗粒浓度沿床层的高度方向降低造成的。影响传热的各个因素流化风速的影响粒径的影响颗粒筛分分布的影响颗粒浓度的影响床温的影响流化风速的影响如果颗粒浓度，颗粒直径和物料不变，改变流化风速时，对流换热系数改变很小，引起的辐射换热和颗粒对流换热的变化基本可以忽略不计。这是因为流化风速的变化范围较小。流化风速和颗粒物性相互联系，颗粒直径分布及物理性质变换后，流化风速也改变。颗粒直径，筛分分布以及颗粒浓度对流传热系数的影响随着颗粒直径的增大，传热系数会下降。当颗粒组成发生变化时，如果细颗粒的百分比增加则传热系数也增加，反之减小。但细颗粒增大到一定数量比例时，传热系数会达到最大值，再增加反而会下降。颗粒浓度增加时，上下部传热系数机理相同，增加规律几乎接近于高斜率的线性增加。床温的影响一般情况下，床温的提高即可以提高床层与换热壁面的换热温差，在其他条件不变的情况下，传热系数必然显著增加。这种增加呈线性关系。同时，辐射换热系数也几乎随着床温的升高呈线性增加。关联式1.Basu等学者提出了稀相区对流换热系数计算公式式中Y为稀相区颗粒浓度的体积百分比；为稀相区颗粒密度；为颗粒的导热率；dp为颗粒平均直径；cp和cg分别为颗粒和气体的定压比热容；和分别为颗粒和气体的密度；ut为截面平均流化速度；为稀相区和密相区交界处的气体换热公式。2.根据颗粒团更新理论，提出了采用纯气体对流换热公式进行修正后的计算稀相区对流换热系数的公式L和Deg为稀相区的高度和截面直径3.辐射换热系数计算公式ep和ew分别为固体颗粒和壁面的辐射率；Tb和Tw分别是床层和换热壁面的温度；为辐射换热的玻耳兹曼常数，5.67x10－84.Palchonok对流换热关联式Palchonok提出颗粒对流换热是通过气膜进行换热的，即，传热过程首先在气膜表面，然后热量通过气膜到达换热表面，提出如下换热系数关联式式中S为惰性粒子和冲刷粒子的直径比；为床层的空隙率；为气体的热导率；为壁面附近进行有效换热的气膜当量厚度；di,da和dmin为惰性粒子，煤粒子和最小粒子的直径。5.中间区的对流换热系数

在循环流化床底部的密相区到上部的稀相区，实际流动和换热的分布是连续的。在稀相区和密相区中间的区域计算如下式中和分别是密相区和稀相区换热系数的计算值；和分别是密相区和稀相区的空隙率；换热截面处床层的直径；气体的热导率；固体颗粒的辐射换热吸收率。6.中间区辐射换热系数的计算Ta和Tb分别为床层温度和换热壁面的温度；和分别为稀相区和密相区的平均空隙率。第三节传热机理模型第四节颗粒传质研究循环流化床内颗粒的传热和传质，对了解颗粒与颗粒、颗粒与传热壁面之间的传热机理十分重要。同时，床内单颗颗粒的传热、传质系数对于循环流化床理论模型的建立也十分重要，对这两个参数计算的正确与否直接影响着颗粒温度、燃烧速率，从而影响整个模型计算的正确与否。一般来说，对于床内颗粒与床内气流、床内颗粒与颗粒之间传热的计算较少，但在某些情况下，如进料口、布风板附近、二次风口附近等处均需考虑颗粒与气流、颗粒与颗粒之间的传热情况，因为这些传热情况对于燃料的着火、燃烧等均有重要影响，颗粒与气流之间的传热还影响着循环流化床燃烧室中的瞬态情况。流化床内颗粒的传热过程由于气固流化床的不稳定性，其中的流体动力特性是很复杂的。粒子速度随机脉动，颗粒之间不断碰撞，使颗粒表面的边界层被不断地撕裂并重新发展。气流与颗粒相对速度的脉动值使床内颗粒处于不稳态传热过程中。当颗粒进入床内时，假定颗粒的升温仅由气流对其传热所引起，而颗粒升温至床内气体温度所需的时间可用下式计算：对上式积分，当气温与颗粒温度之差衰减到初始值的1％时，也就是气体与颗粒间基本上达到热平衡时所需的时间为：

影响流化床内颗粒传热的有关因素单个颗粒的热传导方程为：初始条件：，，，表示固体颗粒内部温度。边界条件：，，

，，流化床内颗粒传热的准则方程循环流化床中单颗小球的传热系数准则方程

第四章物料循环量对燃烧的影响物料循环量是循环流化床锅炉设计、运行中的一个非常重要的参数，该参数对锅炉的流体动力特性、燃烧特性、传热特性以及变工况特性等影响很大。物料循环量的定量表述一般采用三种方法。第一种方法采用循环倍率的概念，其定义式如下：式中R——循环倍率；——循环物料量，kg/h；——投煤量，kg/h。采用循环倍率概念的最大优点是直观，计算比较方便，并可对循环流化床锅炉进行大致的分类，目前它被广泛地应用在循环物料量的定量描述中。但采用循环倍率的概念也有其不足之处，首先同一容量的锅炉由于燃煤品质不同，投煤且也不相同，这样在同样的团体颗粒循环量下循环倍率也不相同。其次，在采用脱硫剂时其物料循环量也与投煤量相比，则从概念上讲不尽合理。第三，由于许多燃用优质煤的循环流化床锅炉，需添加惰性物料，作为循环物料，而这一部分也与投煤量相关联，因此也不尽合理。所以近来许多人采用了第二种方法，即用单位床层面积上的物料循环量来直接描述，即。第三种方法是，确定的循环倍率为床内上升段中采用循环技术与不采用循环技术时的灰量之比。目前一般采用第一或第二种方法运行参数对循环量的影响（一）燃料特性对确定物科循环量的影响燃料特性对确定物料循环量的影响燃料特性对确定物料循环量有很大的影响，一般认为，对燃料热值高的煤循环倍率也高，但对挥发分高的煤，则可取较小的循环倍率。但这只是一个总的原则，由于各制造厂本身选取的循环倍率值相差甚大，目前很难给出一个适合各种类型锅炉的循环倍率值.（二）热风温度及回送物料温度对循环倍率的影响热风温度变化时，如果循环物料的回送温度及循环倍率均不变，则床层温度会提高。如果考虑床层温度固定在脱硫最佳温度或某一定值时，此时应增加循环倍率，从而保持床温一定。提高循环物料回送温度时，如果其他参数不变，则根据床内热量平衡，床层温度会提高，此时若需保证床层温度维持在一定值，则应提高循环倍率。循环量对运行的影响(一)物料循环量对燃烧的影响物料循环量增大时对床内燃烧的影响，主要体现在如下几个方面。首先是物料循环量增加，使理论燃烧温度下降，特别是当循环物料温度较低时尤为如此。郭晓宁曾计算了循环倍率为30时理论燃烧温度的变化。其次，由于固体物料的再循环而使燃料在炉内的停留时间增加，从而使燃烧效率提高。当然如果燃烧效率已经很高，再增加循环物料量对燃烧效率的影响就会很小。第三，物料循环使整个燃烧温度趋于均匀，相应地也降低了燃烧室内的温度，这样使脱硫和脱硝可以控制在最佳反应湿度，但对于燃烧则降低了反应速度，燃烧处于动力燃烧工况。(二)物料循环量对热量分配的影响当循环物料回送温度低于550℃时，省煤器应布置在分离器的前后，当回送温度大于550℃时，省煤器可单级布置于分离器之后，回送温度低于730℃以前，对过热器的影响不很明显，过热器仅需双级布置；但当回送温度大于730℃以后，过热器经常布置成三级，其中一级布置在分离器后的对流竖井中；当回送温度上升时．炉膛部分的吸热增加；当回送温度达到850℃时，对流区段也就不复存在(三)物料循环量与变负荷的关系一般的煤粉炉当处于低负荷运行时，炉内温度水平大大降低．炉膛出口温度也下降、这是由于对于低负荷而言。相对于正常负荷时、水冷壁受热明显得过大，为了维持低负荷时汽温仍维持征额定范围内，在设计锅炉时，除了额定工况的计算外还必须进行70％负荷的计算．这时一般要大大增加过热器受热面，以保证低负荷时温压大大降低的情况下仍能达到汽温的要求。但对于循环流化床锅炉，则可不必这样考虑，改变循环倍率即可满足负荷变化的要求。降低循环倍率可使理论燃烧温度上升，从而可以弥补由于在低负荷时相对于正常负荷时过大的水冷壁受热面而造成的烟气过度冷却。同时，也可以降低水冷壁的传热系数，从而使炉膛出口温度不变。在正常负荷下，保持循环倍率设计值运行，随着负荷的下降，循环倍率也随之下降，到达到1／3一l／4负荷时，循环流化床锅炉按鼓泡流化床方式运行。物料循环量为零。此时可以保证汽温、汽压在允许的范围内。由此可见，只要适当调节物料循环量，循环流化床锅炉就有很好的负荷适应能力和良好的汽温调节性能。(四)物料循环量对脱硫、脱硝的影响第五章燃烧控制系统循环流化床锅炉在结构及燃烧方式上均与普通煤粉炉不同,因此其控制要求及控制方案与普通煤粉炉也有一定差异。由于循环流化床锅炉采用布风板上床层流化燃烧方式,其燃烧控制方案与煤粉炉完全不一样。由于流化床锅炉要在炉内进行石灰石脱硫,故循环流化床锅炉必须增加石灰石料控制系统。另外，循环流化床锅炉烟气中的未燃粒子经过旋风分离器后要由返料装置送回炉床继续燃烧，所以循环流化床锅炉必须具有返料控制系统。循环流化床锅炉正常燃烧时需要控制一定的床层厚度，而床层厚度由排渣系统进行控制，所以循环流化术锅炉必须具有排渣控制（床层高度控制）系统。一般认为汽水控制系统与煤粉炉、链条炉等普通锅炉的控制基本相同。而燃烧控制则被国内外公认为控制上的一个难题.CFBB燃烧过程控制的主要任务是使燃料燃烧所提供的热量应锅炉蒸汽负荷的需要，维持主蒸汽压力的稳定:将床温控制在850℃-950℃之间，保证锅炉安全燃烧;同时还要保证锅炉安全经济运行。1）最小流化风量测取最小流化风量是一次风量最小值，以维持炉正常循环流化状态.炉内事先放入大量炉灰，由锅炉厂提供数据。在正常运行过程中，流灰量基本不变，随着新煤渣的产生，床层加厚，自动排放，维持床层厚度。即灰量基本不变。CFBB炉燃烧物只占3%左右，大量热煤灰为底火，是加热新煤使其燃烧烧的热源，故CFB可以低温燃烧而不会熄火.当一次风量由0逐渐增加时，风室压力逐渐增大，炉内先进入鼓泡状态，再进入流化状态，最后进入循环流化状态。当进入流化状态以后，一次风量继续增加而风室压力变化不大，出现一平坦区，意味着进入流化状态。该一次风量为临界流化风量,最小流化风量要比它高些2）一次风－床温特性分析一次风影响床温有多种方式:1、密相区增加了空气，过剩量燃烧份额增加，发热量增加，有升温的趋势，前提是密相区为缺氧状态。2、一次风增加，流化状态加剧，密相区提高，密度下降，床温分布上升，有下降趋势。3、过量空气冷却作用，使床温下降，多发生在富氧状态。4、总风量增加，排烟换热大，总体灰温下降。返料后影响床温下降。以上几个因素共同作用，与炉内状态有关。如密相层积煤很多，增煤过快，负荷较大，密相区严重缺氧状态下，增加一次风综合效果可能会升床温，或先增加床温持续一段时间后再降回来，或反应不灵敏。实测结果表明，用一次风实时控制床温不可靠。响应唯一性差，而状态又难以在线确定。因为床温与一次风的关系受其它炉内状态影响很大.若能自动控制床厚，情况会好一些。3）二次风-床温曲线多次实验证明，二次风与床温之间的关系比较稳定，与一次风比较响应快，幅度较稳定。直观的看来,一次风影响床温更快些。实际情况看，二次风响应快。分析原因认为二次风不影响流化状态，主要通过返料影响床温，比较单纯直接。一次风先影响流化床状态，增温、减温现象并存，过程不确定，表现出变化趋势唯一，幅度不一，滞后时间不一。由此得出床温由二次风控制比用一次风控制好。4）煤-床温-负荷-O2当煤发生阶跃变化时，将引起一系列的变化。实际运行中，控制是多方面的，若稳定其他输入，仅改变给煤量，将发生如下变化。煤粒度<10mm，不均，含水。入炉后经热灰加温，蒸发掉水份，爆裂，到600℃左右开始氧化发热，这期间是吸热的，约1－2分钟，视粒度、水份、挥发性、热值等而别。若进煤速度过高，吸热大于前期进煤发出的热量，将表现出床温下降。故进煤要限速。速度多少，在得知负荷、煤停留时间、循环倍率等数据后可以估算。从当前采用的控制方法看，在堵煤后控制过程中，煤进速度很高。5）炉内温度场变化床温、炉膛温度、炉膛出口温度，返料温度，几乎在同一水平上，并无固定的上升、下降规律。有时递升，有时递降，与煤质、一次风设置有关。从CFBB设计上，也无此规律说明，而是讲偏差在内均属正常。在煤质较好，粒度较小，水分少，一次风偏低情况下，温度可能呈现递减趋势，反之有递增趋势，这一估计与实际情况符合的程度不高。一般情况下，返料温要低于床温。但据，挥发份高时燃烧过快，床温会升高耐控，运行人员也反映煤好床温商。在初始点炉时，为防循环流化不适合，一次风量过大，结果多次出现返料温度高于床温现象。可能是一次风过大，循环过大，较大粒子未燃，火进入返料。使返料温度过高，首先，据反映，返料处的可能性大于密相区。国外有些CFBB外冷式返料装置，可通过冷却返料控制床温，很有效。国内CFBB未见这种结构.因此，对循环倍率有一定限制，大粒未燃尽的高温灰避免进入返料。6)堵煤由于煤比较潮湿，而且从煤仓到螺旋给煤机的管道比较窄，所以在天气比较冷或者比较潮湿的时候煤很容易粘在管道上而调不下去，造成“堵煤”，这样相当于给煤量然减少三分之一，扰动很大。当发生堵煤的时候，反应最快的是烟气含氧量，反应速度最快的也是烟气含氧量。而且一般烟气含氧量在5%-8%之间。所以我们可以根据烟气含氧量的变化速度和变化量的大小来判断是否堵煤。可以大约计算出:当氧气含氧量超过10%或者变化速度大于0.5%的时候我们就断定发生堵煤。系统组成1.一次风量调节系统燃料要在锅炉内安全、经济地进行燃烧，必须及时地送入适量的助燃空气。循环流化床中助燃空气分为一次风和二次风，其中一次风除满足燃料燃烧初期的空气量供给外，还起到流化床料及燃料的作用。为保证床料流化状态良好，一次风量既不能太小，也不能太大，如果一次风量太大，则床料及燃料将处于气相输送状态。相反，如果一次风量太小，则床料流化不起来，只能处于固定床状态。上述两种情况均不利于循环流化床炉内燃烧及换热过程的组织，应当加以避免。一次风量占总风量的比例随煤种，负荷等条件变化而变化，一般为60％左右。锅炉负荷指令经过函数处理后作为一次风量调节系统的给定值，与一次风量的测量值一起送入PID中进行运算，其运算结果去控制一次风门挡板开度，以调节送入炉膛的一次风量。锅炉负荷指令在进行处理时，需要考虑煤质的特性及负荷变化情况。煤种不同时，助燃空气量会有所不同。同时，负荷变化时一次风量占总风量的比例也会发生变化。由于一次风对锅炉床温具有调节作用，故在构造一次风量调节系统时也考虑了床温修正。如果床温偏高，在一定范围内可增大一次风量。如果床温偏低，在一定范围内可减少一次风量。由于床温主要靠给煤及返料来控制，一次风量不作为调节床温的主要手段，故在一次风量控制系统中床温信号仅作为修正信号。一次风量调节系统如图所示，其中一次风量的测量值在考虑了温度修正和压力修正后才送入PID中进行运算。2.二次风量调节系统循环流化术锅炉中二次风的作用有两点：一是送入燃料燃烬所需的空气量，二是采用分段燃烧降低NOX生成量。循环流化术锅炉不仅能有效地降低SO2生成量,而且可以通过低温分段燃料有效地降低NOX生成量。二次风量的大小也受煤种和负荷的影响，通过测量烟气含氧量来构造控制策略。二次风量调节系统采用串级控制系统。烟气含氧量测量值与给定值一起送入主调中进行PID运算，其结果作为副调的给定值与二次风量值进行PID运算，运算结果经限幅及手操控制后控制二次风量调节系统的执行机构，以使二次风量满足机组运行要求。由于给煤量变化到烟气含量变化需要一段时间，故在图5的控制方案中直接对给煤量进行处理，把其结果作为前馈信号加到控制