燃料与燃烧4-流化床燃烧技术

1流化床燃烧技术原理及过程1.1流化床燃烧技术原理及特点流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃烧技术，它的基本原理是燃料颗粒在流态化（流化）状态下进行燃烧。一般粗粒子在燃烧室下部燃烧，细粒子在燃烧室上部燃烧，被吹出燃烧室的细粒子采用各种分离器收集下来之后，送回床内循环燃烧。流化床燃烧技术是一种介于层燃和悬浮燃烧之间的燃烧方式，而流化床燃烧技术又可分为鼓泡流化床燃烧技术和循环流化床燃烧技术。1.1.1循环流化床燃烧技术燃烧室内的流化床速度提高到4-6m/s甚至更高后，把更多的床料颗粒从燃烧室下部带到了上部稀相区，这样不仅使得更多的燃料在上部燃烧，而且也通过这些携带的大量细灰颗粒从密相区带出了大量热量，从而使得燃烧室上部颗粒浓度增加，燃烧室温度分布均匀。同时通过布置飞灰颗粒分离及回送装置，把携带出燃烧室细灰颗粒中不完全燃烧的燃烧颗粒或未完全反应的脱硫剂颗粒重新送回到燃烧室内循环燃烧或利用，从而大大提高燃料燃烧效率和脱硫剂利用率。这种状态运行的流化床燃烧技术称为循环流化床燃烧技术，近三十年内得到快速发展的一种新型燃烧技术。典型的循环流化床燃烧系统循环流化床燃烧技术具有如下特点和优势：①整个燃烧室的颗粒浓度都比较高，而且下部密相区和稀相区的之间存在一个过渡区域，在这个区域内颗粒浓度从密相区的高浓度逐渐降低到稀相区内的一个较低的浓度。②燃烧室内颗粒的横向混合更加剧烈，燃料加入点数可以大大减少。③炉膛上部稀相区存在着强烈的物料返混。颗粒在燃烧室上部稀相区的中心区域随气体向上流动，而在边壁区域内存在着大量向下流动的颗粒。同时，稀相区内存在着大量的由细灰颗粒聚集或团聚而成的颗粒团，这些颗粒不断形成和解体，并且向各个方向运动。④颗粒与气体之间的相对滑移速度大和强烈的颗粒返混，使得燃烧室内的气固两相混合较好。⑤大量的燃烧颗粒和细灰颗粒被携带到燃烧室上部，不仅使得燃烧室上部区域燃烧份额提高和更多的热量从密相区进入上部稀相区，而且高颗粒浓度和良好

的混合强化了稀相区的传热传质过程，这使得循环流化床燃烧室温度分布均匀。⑥

循环流化床具有很高的燃烧效率，通过颗粒分离及回送装置，实现燃料的循环燃烧，而且燃烧室内的颗粒存在返混，这使得固体物料在床内的停留时间大大延长，提高了燃烧效率，燃煤循环流化床燃烧效率可达到98-99%。⑦

具有很高的炉内脱硫效率和脱硫剂利用率。由于停留时间长，气固两相混合好、燃烧室温度分布均匀以及颗粒磨损大等特点，使得脱硫剂颗粒在与烟气SO2良好

接触状态下，在合适的温度下长时间反应，而且颗粒磨损可及时剥落颗粒表面的反应产物而进入颗粒内部反应。这些使得循环流化床锅炉内脱硫过程可以获得比鼓泡流化床燃烧过程高得多的脱硫效率，而且脱硫剂利用率高，通常情况下，在钙与燃料中的硫摩尔比Ca/S为1.5-2.5的情况下可以达到90%以上的脱硫效率。⑧ 由于运行速度的提高，燃烧室截面小，循环流化床燃烧室的单位截面的热负荷较高，约为3.5-4.5MW/m2，与煤粉燃烧相当。⑨ 燃烧设备的负荷调节范围大，负荷调节速度快，循环流化床调节比可以达（3-4）:1，负荷调节速度可以达到每分钟5%左右。1.2流化床及其流体动力特性1.2.1气固流化通常流化被定义为当固体粒子群与气体或液体接触时，使固体粒子转化变成类似流体状态的一种操作。固定床鼓泡流化床

湍流流化床

快速流化床不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态气力输送循环物料量是快速流化床运行中一个非常重要的参数，该参数对床内的流体动力特性、燃烧特性、传热特性以及变工况特性等影响很大。循环物料量的定量表述一般采用两种方法，第一种方法采用循环倍率的概念，其定义式如下：式中

Rs—循环倍率；Gc—循环物料量，kg/s。Fc—物料加入量，kg/s。第二种方法是用单位床层面积上的循环物料量直接来表述。式中

Gs—循环流化床循环颗粒流率，kg/(m2.s)；Gc—循环物料量，kg/s。Ab—床截面积，m2。1.2.2循环流化床的气固两相流体动力特性一般来说，循环流化床锅炉炉膛截面积形状大都是矩形或方形的，其高度与截面当量直径之比要小得多，而且炉膛通常布置垂直的膜式水冷壁以吸收热量。循环流化床锅炉的炉内床料是宽筛分的粗颗粒，如中国循环流化床锅炉常用的煤粒粒径为0-10mm。项目循环流化床锅炉截面形状大都为矩形直径/m4-8(当量直径）高度与当量直径比<5(10)反应器壁面膜式水冷壁（垂直管和鳍片）床料分布及平均直径/mm约0.2表观气体速度/(m/s)下部5-8外部循环物料/[kg/(m2.s)]<10-15一次通过平均颗粒停留时间/s20-40稀相区平均颗粒体积份额/%<1(0.1-0.4)循环流化床燃烧技术的典型运行速度是在5-8m/s之间，在这样的运行速度下，总会有一部分较粗颗粒不能被携带到炉膛上部空间而一直留在炉膛下部，与送回的循环物料一起形成比较明显的炉膛下部密相区，而且气体速度的任何变化都会导致炉膛内颗粒浓度分布的变化。炉膛内存在下部密相区和上部稀相区都已被普遍接受，循环流化床锅炉炉内流体动力结构如图。循环流化床锅炉炉内流体动力结构示意图1.3.1固体燃料在流化床内的燃烧特性煤粒被加入高温的流化床内后的燃烧过程将经历如下几个主要过程：干燥和加热、挥发分析出及燃烧、焦炭燃烧，期间伴随着颗粒的膨胀、一次破碎、二次破碎及颗粒磨损等过程。煤粒燃烧所经历的几个历程1.3燃料在流化床内的燃烧过程影响流化床燃烧的主要因素燃煤特性煤质对流化床燃烧过程影响很大。①对于挥发分含量较高、结构比较松软的烟煤、褐煤和油页岩等燃料，当煤进入流化床受到热解时，首先析出挥发分，煤粒变成多孔的松散结构，周围的氧向粒子内部扩散和燃烧产物向外部扩散的阻力减小，可以提高燃烧速率。②对于挥发分分量少，结构紧密的无烟煤、石煤等，当煤热解时，分子的化学键不易破裂、内部挥发分不易析出、四周的氧气难向粒子内部扩散，燃烧速率降低。③对于挥发分含量少，挥发分析出后对煤质结构影响不大和那些灰分高、含碳量又低的石煤、无烟煤等，煤粒表面燃烧后形成一层坚硬的灰壳，阻碍着燃烧产物向外扩散和氧气向内扩散，煤粒燃烧困难。煤质对流化床燃烧尤其是循环流化床燃烧过程形成飞灰及底渣性质及其比例影响很大，一般来说，含灰量少的煤种在燃烧过程中由于一次破碎、二次破碎剧烈以及磨损过程的影响，所产生的灰渣颗粒较细，其飞灰份额通常较高，可以达70%以上，而对于煤矸石、石煤等高灰分燃料由于挥发分含量低、灰分含量高以及煤粒致密等原因，产生的灰渣颗粒中细颗粒含量相对较少，往往飞灰份额要比底渣份额要低，有时低于25%。燃煤粒径及粒径分布对流化床燃烧有极大影响。在流化床中，大于1mm的较粗煤粒的挥发分析出和碳的燃烧受扩散控制，挥发

分完全析出时间和碳粒完全燃尽时间与粒径的平方成正比，因此要缩短挥发分完全析出时间和碳粒完全燃尽时间，减少可燃物损失，在尽量降低细颗粒扬析的情况下，适当减小燃煤粒径，缩小筛分范围是提高燃烧效率的一项有效措施。1.3.2.2分离效率分离装置的分离效率对循环流化床燃烧过程具有很大的影响，主要表现在：对燃烧效率的影响分离装置设置的目的是希望把不完全燃烧的燃料颗粒收集下来重新送回炉膛实现多次循环燃烧。分离器效率越高，燃烧效率越高。对炉内温度场分布的影响分离器效率直接影响回送到炉膛内的灰流量，炉内灰流量越高，意味着从密相区携带出更多的热量进入稀相区，同时稀相区的传热强度越高，这样不仅使得沿炉膛高度的温度分布更加均匀，而且炉膛平均温度水平可能降低。颗粒磨损分离效率越高，炉内灰颗粒浓度越高，炉内颗粒碰撞频率越高，颗粒磨损严重。1.3.2.3布风装置和流化装置流化床要求布风装置配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉淀，底部流化质量良好，减少冷渣含碳量。因此，合理的布风结构是改善流化质量，降低运行速度，减少细颗粒的带出量，提高燃烧效率的有效途径。一般采用小直径风帽，合理布置风帽数量和风帽排列方式，设计良好的等压风室，合理控制入床的过量空气系数等，对提高流化质量均收到了明显的效果。1.3.2.4给煤方式及二次风的配置加入到床层的燃料要求在整个床面上播撒均匀，防止局部碳浓度过高，以免造成局部缺氧、超温。因此，给煤点应分散布置。对于挥发分含量很高的烟煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的挥发分都不能在床层内完全燃尽，进入锅炉尾部受热面后被冷却，形成焦油并与飞灰黏附在受热面上，堵塞烟气通道，影响锅炉安全运行。为了有效控制煤燃烧过程中氮氧化物的形成和风机电耗，目前流化床锅

炉通常采用分级燃烧方式。一次风主要保证密相区内的良好流化和必要的燃

烧放热。由于一次风比例不高，而在密相区内的可燃成分浓度较高，所以密

相区通常处于缺氧燃烧气氛下。二次风的加入正是提供燃料进一步燃烧所需

的氧量。由于二次风从壁面加入，同时温度较高的炉膛中心区域更需要补充

氧量，所以二次风的布置要求二次风应该具有足够的动量，较好的穿透能力，从而能进入远离壁面的区域和炉内烟气混合均匀，否则就会出现二次风在炉

内混合不均匀，加剧炉膛径向温度分布梯度，不仅降低燃烧效率，而且也容

易引起燃烧过程污染物排放量的增加。1.3.2.5床温在床层中煤粒挥发分的析出速率和碳的反应速率均随流化床床温的升高而加快。因此提高床温有利于提高燃烧效率和缩短燃尽时间。但床温的提高受到灰熔点的限制，考虑到床层断面上温度的不均匀性，燃料颗粒表面温度高于床层温度，通常要求床温比煤的变形温度低

100-200℃。所以床温的高限应根据煤的变形温度来确定，一般不超过1000-1050℃。对于采用添加剂在床内进行脱硫的流化床锅炉，脱硫的最佳反应温度在850℃左右，床温过高尤其当床温高于900℃以上时，脱硫率会明显降低，钙硫比增大。1.3.2.6运行水平流化床的燃烧效率与运行水平亦有密切关系。一台设计比较好的流化床锅炉，如运行水平不高，技术管理不善，则有可能降低燃烧效率。锅炉在运行中应根据负荷和煤质的变化，随时调整燃烧工况，保持正常的床温和合理的风煤比，以降低CO和碳不完全燃烧损失。此外，还要维持适当的料层高度，料层过高，会增大风机电耗。料层过薄，又会导致燃烧工况不稳定，燃料在床内的停留时间缩短，增加溢流渣含碳量。排放底渣应根据风室静压（一般在

10000Pa左右）变化，勤排少排，避免造成过大的冷渣含碳不完全燃烧损失。1.4流化床内的传热与传质过程流化床燃烧过程中的传热规律和传热系数对流化床锅炉的设计、制造和运行可靠性和安全性方面起着举足轻重的作用。在流化床燃烧炉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整个气固相与受热面（包括壁面与悬吊在床内表面）之间的传热；④气固相与入床气流之间的传热。实际上，复杂的床内传热过程是上述各种过程的组合。根据分析，综合考虑在流化床内的几种传热方式，设计流化床锅炉时一般只需考虑气固相与受热面间的传热即可。影响流化床内颗粒传热系数的影响因素流化风速的影响随着流化风速的增加，气固之间扰动剧烈，颗粒碰撞也增强，严重破坏了颗粒边界层，从而使颗粒传热系数增大。颗粒粒径的影响粒径对传热系数的影响甚大。不同直径的颗粒对应着不同的传热系数，因此流化床料粒径分布不同必然会导致床内传热特性的不同。一般来说，粒径小，则传热系数就大。颗粒浓度及颗粒循环量的影响颗粒浓度越高，颗粒的扰动也越大，相互之间碰撞的机会也越多，因而传热条件愈好，传热系数愈大。返料量增大，传热系数也增大。这是因为随着返料量的增加，使床内颗粒量也增加，而风速不变，使颗粒在床内的停留时间基本保持不变，从而使床内颗粒浓度增加，引起传热系数增大。床温的影响随着床温升高，颗粒传热系数总体上有所增大；但床温高于400℃后，床温增高时颗粒传热系数几乎不再增大，甚至反而逐渐降低。不过，这两种趋势下，颗粒传热系数的变化幅度均较小。2流化床燃烧设备及其部件流化床燃烧设备流化床燃烧设备的主要类型流化床燃烧设备按照压力工作条件，可分为常压流化床锅炉和增压流化床锅炉。流化床锅炉的主要类型（a）常压循环流化床锅炉（b）增压循环流化床锅炉燃烧室压力10-15MPa2.1.2循环流化床锅炉的型式循环流化床锅炉一般由燃烧室、分离装置、回送装置、尾部受热面及外置式受热面等主要部件构成，其主要的区别在于分离器的位置、分离器的型式和外置式受热面等。（1）按分离器不同工作温度分类的循环流化床锅炉①高温分离型循环流化床锅炉是目前应用最广泛的循环流化床锅炉型式。850-950℃②中温分离型循环流化床锅炉采用中温分离型循环流化床锅炉，是指其分离器的工作温度一般为400-600℃。典型的如Circofluid型循环流化床锅炉。③低温分离型循环流化床锅炉低温分离器的工作温度是一般指200-300℃，这种分离器单独使用时，一般适用于鼓泡流化床的飞灰回燃，即在低烟温区，用分

离器将飞灰分离收集后再用气力回送装置送回炉膛内回燃。（2）按分离器型式分类的循环流化床锅炉按不同的分离型式分，循环流化床锅炉可分成如下几种型式。①旋风分离型循环流化床锅炉旋风分离器的循环流化床锅炉又可分为采用常用的上出气型旋风分离器锅炉，下出气型旋风分离器锅炉和气冷型旋风分离器锅炉等。②炉内漩涡循环流化床锅炉漩涡循环流化床锅炉的目的是简化循环流化床结构，同时具有燃料适应性广，燃烧及脱硫效率高等优点。目前，该型循环流化床锅炉可达到88.5%的脱硫效率和99%以上的燃烧效率。③组合分离型循环流化床锅炉采用组合分离的型式，即在高温区域布置惯性力分离，在低温区域用多管或其他高效分离方式将固体颗粒收集，再回送床层。2.1.3循环流化床锅炉燃料性能的影响量分配，煤的发热量高、挥发分低、灰分少，单位质量燃料在主循环①燃料性质决定了燃烧室最佳运行的工况，若燃用高硫燃料，如石油焦、高硫煤时，燃烧室运行温度可取850℃，以利于最佳脱硫和脱硫剂的应用。若燃用低硫、低反应活性的燃料，如无烟煤、石煤等，燃烧室应运行在较高的床温或过剩空气量下，或二者均较高，以利于最佳燃烧。燃料

最佳燃烧温度/℃

燃烧产物与输入热量比

燃烧室出口温度带出热量与输②煤的元素成分、挥发分的高低影/(k响g/循MJ)环燃烧系统和尾入热部量受比热/(面MJ/的MJ热)废木片

850

0.571

0.571无烟煤

900

0.436

0.436回路褐中煤的有效放热85量0

就大。相反，在0.4主42循环回路中的放热量0就.43小1

。烟煤不8同50燃料种类对应的最0.佳42流6

化床温度及热量分配0.400目前，流化床锅炉采用的布风装置主要由两种，即风帽型和密孔板型。风帽型布风装置由风室、花板、风帽和隔热层组成；密孔板型布风装置由风室和密孔板构成。在中国流化床锅炉中使用最广泛的是风帽型布风板。由风机送入的空气从位于布风板下部的风室通过风帽底部的通道，从风帽上部径向分布的小孔流出，从风帽小孔中喷出的气流具有较高的速度和动能，进入床料底部，使风帽周围和冒头顶部造成强烈的扰动和气流垫层，使床料中煤粒与空气均匀混合，强化风帽型布风装置结构1-风帽；2-隔热层；3-花板；4-排渣管；5-风室了气固间热质传递过程，延长了煤粒在床内的停留时间，建立了良好的流化状态。2.2布风装置的结构因此，布风装置的设计要求如下：①能均匀、密集地分配气流，避免在布风板上面形成停滞区。②布风板上面的床料与空气要产生强烈扰动和混合，风帽小孔出口气流需具有较大动能。③空气通过布风板阻力损失不能太大，但又需要一定阻力。④具有足够强度和刚度，能支撑本身和床料的重量，压火时布风板防止受热变形，风帽不烧损，并考虑到检修清理方便。2.3气固分离机构循环流化床的分离结构是循环流化床中关键部件，其主要作用是将大量

高温固体物料从气流中分离下来，送回燃烧室，以维持燃烧室的快速流化状

态，保证燃料和脱硫剂多次循环，反复燃烧和反应，达到理想的燃烧效率和

脱硫效率。循环流化床分离机构的性能，直接影响循环流化床锅炉总体设计、系统布置安装及锅炉运行性能。分离回送示意图循环硫化床分离装置的种类很多，一般可分为旋风分离器和惯性分离器两大类，旋风分离器又以高温旋风分离器居多。2.3.1高温旋风分离器旋风分离器是利用旋转含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出的一种干式气-固分离装置。旋风分离器没有可动部件，结构简单，效率高，运行性能稳定，维护方便，特别适合于循环流化床锅炉。从目前应用的情况来看，高温旋风分离器运行情况良好；但旋风分离器体积较大，同时受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量的循环流化床锅炉必须配用多个分离器，且旋风器工作温度较高，需用的耐火材料和保温材料较厚，启动时间长，散热损失相对较大，如果燃烧组织不良，还会在旋风分离器内产生二次燃烧。旋风分离器种类繁多，分类也各有不同。按其性能分为：①高效率旋风分离器。筒体直径较小，用来分离较细的粉尘，其除尘效率在95%以上。②高流量旋风分离器。筒体直径较大，用于处理很大的气体流量，其除尘效率为50-80%。③介于上述两者之间的通用旋风分离器，用于处理适当的中等气体流量，其除尘

效率为80-95%。2.3.2惯性分离器型式及结构惯性分离器结构简单，易与整个锅炉设计相适应，热惯性小，运行费用低，广泛应用于循环流化床锅炉中。在惯性分离器内，主要是

使气流急速转向，或冲击在挡板上再急速转向，其中颗粒由于惯性效

应，其运动轨迹就与气流轨迹不一样，使两者获得分离。气流速度高，这种惯性效应就大。惯性分离器具有下述特点：①由于不采用高温旋风分离器，不需要很厚的保温层，分离器四周可比较容易地布置受热面，结构比较紧

凑，启停炉亦比较容易；②分离器不受单个最大尺寸的限制，且可以使锅炉受热面的设置保持传统的紧凑型式，有利于锅炉的大型化；③分离器阻力相对较小，有利于降低能耗。百叶窗式分离器百叶窗式分离器主要部分是一系列平行排列的对来流气体呈一定倾角的叶栅。将气固分离分两级进行：第一级为高温分离，用百叶窗对粗颗粒进行分离；第二级为低温分离，用百叶窗加旋风分离器抽气对细颗粒进行分离。旋风分离器用来分离第二级百叶窗尾部浓缩了的含尘气流，提高百叶窗的分离效率。因此，称为百叶窗式分级分离循环流化床锅炉。百叶窗式分级分离器循环流化床锅炉2.4固体物料回送装置回送装置的任务是将分离装置中分离下来的固体物料送回循环流化床燃烧室内。其基本任务是将分离器分离的高温固体颗粒稳定地送回压力较高的燃烧室内，并且保证气体反窜到分离器的量为最小。回送装置一般由立管和返料阀两部分组成。立管的主要作用是防止气体反窜，形成足够的压差来克服分离器与炉膛之间的负压差；返料阀起调节和开闭固体颗粒流动的作用。在各种类型的回送装置中，立管差别不大，主要差别在返料阀部分。由于在循环流化床锅炉中，循环物料温度较高，机械装置在高温下会产生膨胀和高温氧化；其次运动部件中还极易进入固体颗粒，产生卡塞现象；此外，由于固体颗粒的高速运动，高温工作下的部件磨损也相当严重。所以机械阀在

循环流化床中的应用很少，几乎全部采用非机械阀。2.5高温灰渣冷却装置流化床锅炉排出的高温灰渣带走了大量的物理热，恶化了灰场运行条件，灰渣中残留的硫和氮仍可以再炉外释放出二氧化硫和氮氧化物，造成环境污染。对灰分高于30%的中低热值燃料，如果灰渣不经冷却，灰渣物理热损失可达2%以上，这一部分热量通过适当的传热面布置时可以回收利用的。另一方面，炽热灰渣的处理和输送十分麻烦，不利于机械化操作。一般灰处理机械可承受的温度上限大多在150-300℃之间，故灰渣冷却是必需的。高温灰渣与冷却介质之间的相互流动方式是多种多样的，有顺流、逆流、交叉流和混合流动方式等。按照热交换方式来看，有间接式和接触式两种，前者指高温物料与冷却介质在不同流道中流动，通过间接进行换热，而后者则指两者直接混合进行传热，一般用于空气作冷却介质的场合。单管式冷渣器搁管式冷渣器流化床式冷渣器多层送风移动床式冷渣器3.燃煤循环流化床锅炉3.1鲁奇（Lurgi）型循环流化床锅炉燃料及石灰石脱硫剂从流化床燃烧室布风板上部给入，在床内燃烧和反应，燃烧温度控制在850℃左右。在较高气流速度的作用下，燃烧充满整个炉膛，并有大量固体颗粒被携带出燃烧室，经高温旋