41-循环流化床锅炉的燃烧与传热

循环流化床锅炉设备及系统5•5/26/2021第三章循环流化床锅炉的燃烧与传热5•5/26/2021第一节循环流化床锅炉燃烧的特点第二节循环流化床锅炉中煤颗粒的燃烧过程第三节循环流化床锅炉的燃烧区域与燃烧份额第四节影响循环流化床锅炉燃烧的因素第五节循环流化床锅炉的传热分析第六节循环流化床锅炉的传热研究与计算第一节

循环流化床锅炉燃烧的特点一、循环流化床锅炉的主要特征1.

燃烧过程=鼓泡流化床（湍流、快速）+气力输送2.

燃烧颗粒不断送回床层循环燃烧3.

物料和燃料粒径＜＜d鼓泡床5•5/26/2021二、循环流化床锅炉燃烧的特点，鼓泡流化床燃烧特点

（1）低温：850℃~950℃→低于DT约100℃~200℃→避免结渣和破坏燃烧条件强化燃烧：qV、qA高（2）炉内温差较大（沿炉膛高度方向）密相区：煤粒多，燃烧放热大，为防止料层温度过高而结焦需敷设埋管吸热稀相区：物料浓度低5•5/26/2021二、循环流化床锅炉燃烧的特点，，鼓泡流化床燃烧特点（3）燃料适应性强密相区积累的大量灼热物料利于燃料的迅速着火和稳定燃烧（4）燃烧效率较低宽筛分燃料中，大颗粒炉内停留时间长小颗粒燃料停留时间短，被烟气带出燃烧室，造成飞灰中可燃物含量增大5•5/26/2021二、循环流化床锅炉燃烧的特点循环流化床锅炉燃烧特点（1）燃烧效率比较高气固相间密切接触发生流态化燃烧反应，且有大量颗粒返混绝大部分高温颗粒送回炉内再次参与燃烧，燃料颗粒在炉内的燃烧时间↑↑R↑→燃烧效率↑——大量未燃尽颗粒的循环燃烧提高了燃料颗粒的燃尽度锅炉设计和运行调整合理5•5/26/2021二、循环流化床锅炉燃烧的特点2.循环流化床锅炉燃烧特点（2）燃料适应性极好“蓄热池”有足够热量加热新燃料而不致引起炉内温度大的变化新燃料炉内停留时间远大于其燃尽所需时间（3）煤的清洁燃烧（循环流化床最主要特点）脱硫——炉内加入石灰石粉或其他脱硫剂脱硝——炉膛下部采用欠氧燃烧和二次风分段给入燃烧份额分配更合理，炉内温度场更均匀5•5/26/2021第二节

煤颗粒的燃烧过程5•5/26/2021一、循环流化床中煤的燃烧过程（一定宽度筛分固体燃料→燃烧复杂）

（1）涉及到气固两相流体的流动、热量和质量的传递、化学反应以及若干相关的物理化学现象（2）众多影响因素燃料本身特性：挥发份含量、反应活性、颗粒粒径分布流化状态、氧气扩散条件、温度

（3）气固两相流中燃料颗粒的燃烧燃料颗粒与颗粒、燃料颗粒与床料颗粒形成的“群体”燃烧，与流动特性密切相关（4）煤颗粒燃烧过程（定性）颗粒被加热和干燥挥发份的析出和燃烧煤颗粒膨胀和破裂（一级破碎）焦炭燃烧和再次破裂（二级破碎）二、煤颗粒的加热和干燥

1.

新鲜给煤进入床内，立即被大量灼热物料包围并被迅速加热到接近床温→受到加热、蒸发水分并被烘干2.

dp↑→加热速率下→加热时间↑5•5/26/2021三、挥发份的析出和燃烧1.

V析出过程煤颗粒因受高温物料加热分解并产生大量气态可燃物质2.

V析出阶段第一稳定析出阶段：500~600℃第二稳定析出阶段：800~1000℃3.

影响V含量和组成成分的因素

煤种、dp分布、加热速率、初始T、 最终T及其下的停留t、析出时的P4.影响V析出时间的因素 煤质、颗粒尺寸、床温、 煤颗粒加热时间5•5/26/2021三、挥发份的析出和燃烧5•5/26/20215.

V析出后达到着火温度即燃烧

细煤颗粒：析出极快，迅速将细煤颗粒包围燃烧，产生扩散火焰，燃烧所需时间很短大颗粒：析出慢，炉内掺混过程慢→影响因素：物料分布和流动6.

V析出与燃烧过程（1~10s）在氧和未燃挥发分边界上进行，由界面处挥发分和氧的扩散控制煤颗粒扩散火焰位置取决于氧的扩散速率和挥发分析出速率7.

V析出、燃烧对煤颗粒着火性能的改善

煤颗粒受热→挥发分析出、燃烧→又加热煤颗粒→颗粒温度迅速升高→利于着火改变煤颗粒空隙结构，改善焦炭的燃烧反应四、焦炭的着火与燃尽5•5/26/20211.定义——挥发分析出后剩下的固体物质2.

燃烧过程（比较复杂）O2到达颗粒表面→在焦炭（多孔颗粒，总面积大）表面与C发生氧化反应→CO2和CO3.

焦炭燃烧工况（1）动力控制燃烧受化学反应速率控制（<<O2扩散速率）发生在启动过程（T低，化学反应速率也低）及细颗粒燃烧（扩散阻力很小）（2）扩散控制燃烧受扩散速率控制（<<化学反应速率）常见于大颗粒焦炭和高温（3）动力—扩散控制燃烧（过渡控制燃烧）化学反应速率=扩散速率常见于鼓泡和中等dp焦炭、细颗粒（4）循环流化床内焦炭燃烧过程焦炭颗粒缩小→气固传输速度增加→扩散控制→动力—控制→动力控制炭颗粒周围发生的一系列反应方程式5•5/26/2021五、煤颗粒的膨胀、破裂和磨损5•5/26/20211.

定义（1）膨胀、破裂热爆性强的煤种，在炉内被加热干燥、析出V的同时会发生，甚至会再次爆裂（2）磨损机械作用，从较大颗粒表煤颗粒在运动中颗粒间存在相互碰撞摩擦等面撕裂和磨损下来许多微小

颗粒（3）一级破碎煤颗粒中析出的V在颗粒内部产生高压而使颗粒产生破裂（4）二级破碎（只在V析出后）焦炭处于动力控制燃烧或动力—扩散燃烧工况，焦炭内部小孔增加，连接力消弱，若气动力大于连接力，焦炭会破裂产生碎片颗粒（5）渗透破裂煤颗粒处于动力控制燃烧工况，整个焦炭均匀燃烧，所有内部化学键急剧瓦解断裂，同时产生破裂5•5/26/20215•5/26/2021五、煤颗粒的膨胀、破裂和磨损2.

煤破裂对锅炉性能的影响（1）偏离设计工况，影响锅炉运行煤dp分布显著改变→物料扬析夹带、传热、密相区和稀相区燃烧份额（2）不完全燃烧热损失磨损产生的细小颗粒不易从烟气中分离（3）利于煤颗粒燃烧燃尽，提高锅炉效率焦炭颗粒表面“灰壳”去除（磨损作用）（4）有燃烧的磨损（燃烧辅助磨损）3.

影响因素（1）磨损：颗粒表面结构特性、机械强度及外部操作条件（2）破裂挤压力（高温颗粒群）热应力（大颗粒内部T分布不均）压力波动（气泡和颗粒团上升）5•5/26/2021第三节

燃烧区域与燃烧份额5•5/26/2021一、循环流化床锅炉的燃烧区域5•5/26/20211.

炉膛下部密相区（二次风口以下）特点充满灼热物料的大“蓄热池”，稳定的着火源，还原性气氛燃烧过程一次风将新给入燃料和未燃尽焦炭流化→燃料V析出，煤颗粒部分燃烧运行操作负荷↑→一次风/二次风↑→输送较多高温物料到炉膛上部区域燃烧，参与热、质交换低负荷→停二次风一、循环流化床锅炉的燃烧区域2.

炉膛上部稀相区（二次风口以上）FC和部分V富氧状态燃烧燃烧反应主要发生区域

返混等现象延长了焦炭颗粒在炉内的停留t，利于燃尽燃烧区域很大5•5/26/2021一、循环流化床锅炉的燃烧区域3.

高温循环灰分离器区

未燃尽颗粒，停留时间短且

O2浓度低，燃烧份额小

部分CO和挥发份燃烧，燃烧份额有所增加5•5/26/2021一、循环流化床锅炉的燃烧区域5•5/26/20214.

不同焦炭颗粒的主要燃烧区域50μm<dp<100μm大部分在稀相区，少量在分离器➢细颗粒部分分离，部分逃离成为飞灰500μm

<

dp

<1000μm（一、二次破碎的碎片）燃尽➢dp>1mm密相区；稀相区；夹带→送回➢粗颗粒停留t长，燃尽度高，炉渣（C低）排出二、循环流化床锅炉的燃烧份额5•5/26/20211.

循环流化床燃烧份额的概念（1）定义炉内每一燃烧区域中燃料燃烧量/燃料总燃烧量（2）表示方法（反映了能量平衡）燃料在各燃烧区域内所释放的热量/燃料总发热量（3）燃烧份额分布求取方法国外——计算

国内——经验

（4）密相区燃烧份额（影响料层温控、炉内传热、连续安全运行→炉内高温结渣）+稀相区燃烧份额=1二、循环流化床锅炉的燃烧份额5•5/26/20212.

燃烧份额分布的主要影响因素（1）煤种V含量高，炉膛上部释热多；否则在炉膛下部（2）dp和燃料筛分相同u0下，小dp在密相区燃烧份额小（扬析到稀相区）（3）u0u0↑→同样dp的煤颗粒在密相区燃烧份额↓（4）Gh（影响炉内热量分配）R↑→循环细颗粒传热量和从密相区带走的热量↑，利于热量平衡；细颗粒循环再燃机会↑，燃烧效率↑二、循环流化床锅炉的燃烧份额2.

燃烧份额分布的主要影响因素（5）过量空气系数α↑→O2浓度↑→床内含C量↓→扬析到上部的C↓→燃烧量增加不明显，甚至下降（6）床温T↑→焦炭反应速率↑、气体扩散速度↑→密相区燃烧份额稍有上升T↑↑→V释放速率、FC燃烧速率↑→密相区上部燃烧份额明显↑→整体燃烧量（7）一、二次风配比气泡相、乳化相传质阻力限制→密相区燃烧份额↑<<一次风比例↑配比与燃料性质有关调整一次风比例即可调节密相区燃烧份额（8）循环灰分离器效率（直接影响）分离效率↓→密相区燃烧份额↑分离效率过低→无法形成大循环量→密相床超温5•5/26/2021第四节

影响燃烧的因素5•5/26/2021一、燃煤特性二、布风装置和流化质量三、给煤方式四、床温五、床体结构和飞灰再燃六、运行水平一、燃煤特性5•5/26/20211.

V含量（1）结构较松软，V含量较高（烟煤、褐煤、油页岩）热解析出V，煤颗粒成多孔松散结构，O2向颗粒内扩散和产物向外扩散阻力小，燃烧速率较高（2）结构密实，V含量少（无烟煤、石煤）热解时化学键不易破裂，V不易析出，O2难以向内扩散，燃烧速率较低（3）V含量少，灰分高，含C量低（劣质煤）煤粒表面燃烧后形成一层坚硬灰壳，阻碍产物向外和O2向内扩散，燃尽困难2.

不同燃料的焦炭物理性质

（1）“不焦结”燃料——粉末状

未燃尽即被带出炉膛，若分离器效率不高，飞灰含C

量增加，加大机械不完全燃烧热损失（2）“弱焦结性”燃料——松散焦块（3）“强焦结性”燃料——坚硬焦块一、燃煤特性5•5/26/20213.

发热量（1）若燃煤发热量比设计值低得多，会使密相区T偏低而影响燃烧（2）对策：密相区少布置受热面4.

灰熔点

（1）危害

煤发热量降低、影响着火和燃烧、污染受热面、影响传热、增加磨损

（2）若达到灰的ST，易结渣→难以维持正常流化态，无法保证有效燃烧，甚会被迫停炉dp↑→炭粒A↑→燃烧速率↑；延长燃尽tdp↓→颗粒数↑→总A↑→燃尽t↓→燃烧速率加快5.

dp（1）对煤颗粒燃烧（2）对单位重量燃料（3）提高燃烧效率的措施

降低扬析情况下适当减少dp，缩小筛分范围二、布风装置和流化质量1.

布风装置（布风板、风帽及风室等）的要求配风均匀以消除死区和粗粒沉积，保证底部流化良好进入床层的空气还要形成气流，以减小初始气泡直径2.

提高燃烧效率有效途径合理的布风结构→减小气泡尺寸、改善流化质量、减少细颗粒带出量3.

提高流化质量的手段采用小d风帽、合理布置风帽数和排列方式，设计良好等压风室5•5/26/2021三、给煤方式1.

燃料加入要求在整个床面上播撒均匀，防止局部C负荷过高造成局部缺氧2.

对策给煤点分散布置，给煤量不宜集中加入3.

缺点给煤点数量太多，给煤系统复杂化，运行可靠性降低4.

原因煤热解，V析出、燃烧→消耗O2

，给煤口附近缺氧→细颗粒无法燃烧，随上升气流进入稀相区→若无足够停留t→飞灰不完全燃烧损失5•5/26/2021四、床温1.

特点提高床温利于提高燃烧速率和缩短燃尽t（V析出速率和C反应速率随之增大）2.

床温限制煤的变形温度（DT）→850~950℃脱硫最佳反应温度→850~870℃3.

稀相区温度（850~900℃）原因：保证送回炉膛的细颗粒中

FC可着火、燃烧措施：根据热量平衡，适当布置受热面5•5/26/2021五、床体结构和飞灰再燃1.

床体结构对燃烧效率的影响流化质量颗粒在炉膛内的停留t2.

床体结构设计原则：合理组织气流，可燃物与空气充分混合、搅拌以利于细颗粒的重力分离

鼓泡床实例：扩大悬浮段面积，降低烟速，延长细颗粒悬浮t→增大炉体结构尺寸5•5/26/2021五、床体结构和飞灰再燃5•5/26/20213.

改善和提高循环流化床燃烧的措施

内循环：设计中适当减少稀相区断A→达到一定u0、εp→颗粒“环核”流动→延长停留t外循环：采用分离性能好的高、中温循环灰分离器4.

改善和提高鼓泡床燃烧的措施加装飞灰回燃装置悬浮段上部用水冷管构成卧式旋风筒收集飞灰悬浮段出口设置U形分离燃尽段六、运行水平

根据负荷和煤质变化，随时调整燃烧工况，保证正常床温和合理风煤比，调整一、二次风比例，组织好密、稀相区燃烧，保证飞灰回送装置正常运行→降低气、固不完全燃烧损失5•5/26/2021第五节

传热分析5•5/26/2021一、循环流化床的主要传热过程二、循环流化床传热的基本方式三、循环流化床锅炉床层与受热面之间的传热四、影响循环流化床锅炉炉内传热的主要因素一、循环流化床的主要传热过程5•5/26/20211.

传热方式（炉内、炉外）气体与固体颗粒、颗粒间床层与水冷壁床层与炉内埋管外置式换热器中鼓泡床层与埋管循环灰分离器或气体一次分离器内2.

炉内传热机理比较煤粉：辐射换热，炉膛温度高循环：对流+辐射换热3.

循环流化床传热过程

气体与固体颗粒（气、固间滑移v大，热边界层薄，传热热阻小）以及颗粒间（频繁碰撞导致热边界层薄）床层与受热面：颗粒对流（导热）、气体对流、辐射二、循环流化床传热的基本方式1.

颗粒对流换热（1）主要特征：固体颗粒聚集成团（2）热量传递方式颗粒团经过气膜热传导直接碰撞——导热（3）炉内传热主要方式的条件：

dp=40~1000μm2.

气体对流换热主要在稀相区，上升气流中所含颗粒增加了气体扰动，