第一章.循环流化床燃烧锅炉概述 看-

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ampresenting

the

situationof

forestry

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Japan,

our

concept

of

soil-to-soil

catalytic

biomass

gasification.循环流化床锅炉原理11/11/2022第一章、绪论1能源与动力工程学院2012年3月第一节、循环流化床燃烧技术11/11/2022第一章、绪论2一、能源与环境SO2排放和酸雨煤的燃烧低效高污染二、清洁煤燃烧技术-循环流化床技术1、硫的污染排放燃烧前脱硫：洗选加工、型煤和水煤浆技术燃烧后脱硫：烟气脱硫技术燃烧中脱硫：钙硫比为2，脱除效率90%。2、常压循环流化床的优点燃烧效率高：燃料适应性强：负荷适应性好：最低可达25%负荷调节方便快捷：7%～12%/min污染物排放少：灰渣便于综合利用：三、流化床燃烧技术的发展历程四、循环流化床燃烧技术的特点1、低温燃烧2、极好的燃料适应性3、低的污染物排放4、燃烧强度大5、床内传热能力强6、负荷调节性能好7、易于操作和维护11/11/2022第一章、绪论38、灰渣便于综合利用五、鼓泡床存在问题1、燃用宽筛分燃料飞灰量大，磨损严重；2、脱硫石灰石利用率低，钙硫比3以上；3、磨损严重；4、截面积热负荷小，限制了大型化。六、循环流化床存在问题1、气固分离和床料循环系统复杂2、燃烧效率受到燃烧温度限制3、磨损和腐蚀仍严重4、脱硫效率低于湿法脱硫11/11/2022第一章、绪论4表1-15各种燃烧方式的主要特性燃烧方式固定床鼓泡流化床循环流化床悬浮燃烧颗粒平均直径（mm）<3000.03~3<80.02~0.08燃料燃烧区高度（m）0.21~215~4027~45过剩空气系数1.2~1.31.2~1.251.1~1.21.15~1.3燃烧区域风速(m/s)1~30.5~33~1215~30床层与受热面间的传热系数[W/(m

2

﹒K)］50~150200~500100~25050~100磨损小中中较小燃烧效率(%)97~99.985~9090~9699燃烧中心温度(℃)1200850~950850~9501600煤的粒度(mm)6~326以下9以下0.1以下截面热负荷(MW/m

2)0.5~1.50.5~1.53.0~5.04.0~6.0脱硫效率80~9080~90低气体混合接近塞柱流复杂二相流弥散塞柱流接近塞柱流固体运动静止上下运动大部分向上、部分向下向上空隙率0.4~0.50.5~0.850.85~0.990.98~0.998温度梯度大很小小显著NOX排放(m1g1//m131)/2022400~600300~400

第一章、绪5论0~200400~600作原理11/11/2022第一章、绪论6一、流化床燃烧方式：

锅炉：利用燃料的热能或工业生产中的余热，将工质加热到一定温度和压力的换热设备。燃料：气体、液体、固体燃料。、

燃烧固体燃料的锅炉主要有：火床燃烧（层燃炉）、火室燃烧（室燃炉）、流化床燃烧。

火床燃烧方式：6～40㎜的煤粒。固定炉排锅炉、活动手摇炉排锅炉、抛煤机倒转炉排锅炉、振动炉排锅炉、下饲式炉排锅炉、往复推饲炉排锅炉。

火室燃烧方式：0.02㎜～0.08㎜，燃烧器喷出呈悬浮燃烧。流化态燃烧1、鼓泡流化床燃烧方式：煤被破碎成小于6㎜的煤粒后加入燃烧室。风箱，布风板，临界流化速度（气流的曳力和浮力之和等于重力），临界流化状态。炉膛气流速度一般为1.5～2.0m/s。2、循环流化床燃烧方式：稀相区、密相区。

存在炉膛中心的颗粒气流垂直向上流动，周围环形区域则存在颗粒反向向下流动的内循环。

炉膛出口装有分离器，大量流出炉膛的颗粒收集后，与新加入的燃料按一定的比例同时送回炉内循环使用。二、循环流化床锅炉的工作原理（一）基本工作原理11/11/2022第一章、绪论711/11/2022第一章、绪论8JEA的300MWe循环流化床锅炉三维模型11/11/2022第一章、绪论9法国Gardanne电厂循环流化床锅炉简图11/11/2022第一章、绪论10内江高坝电厂100MWe循环流化床锅炉11/11/2022第一章、绪论1111/11/2022第一章、绪论12（二）基本概念1、床料：锅炉启动前，布风板上先铺有一定厚度、一定粒度的原料。成分、颗粒直径和筛分特性因炉而定。一般有燃煤、灰渣、石灰石粉等，还有掺入傻子、铁矿石的。11/11/2022第一章、绪论132、物料：主要是指循环流化床运行中，在炉膛内燃烧或载热的物质。不仅包括床料，而且还包括锅炉运行中给入的燃料、脱硫剂、凡送回来的飞灰以及燃料燃烧后产生的其它固体物质。分离器捕捉分离下来通过返料回料阀返送回炉膛的物料叫循环物料。为捕捉下来的称谓飞灰。从炉床下不排出的较大颗粒叫炉渣。3、堆积密度和堆积空隙率：固体颗粒燃料或物料自然堆放不加任何约束，这时单位体积的燃料质量称为堆积密度ρ堆。紧密结合，没有空隙时的密度称为真实密度ρ粒。堆积空隙率ε堆=1－ρ堆/ρ粒11/11/2022第一章、绪论14

空隙率和流化速度、循环倍率有一定关系，对于某一种床料，例如：■流化速度u<3m/s时，空隙率在ε=0.45左右，这时流化状态是鼓泡床；■流化速度u=4～7m/s时，空隙率在ε=0.65～0.75左右，这时流化状态是湍流床；■流化速度u>8m/s时，空隙率在ε=0.75～0.95左右，这时流化状态是快速床.4、颗粒平均直径、当量直径及形状系数：11/11/2022第一章、绪论155、燃料筛分：粒径的粗细范围较大，就称为宽筛分，否则称为窄筛分。6、燃料粒比度：循环流化床对各颗粒的占总量的百分数也有一定要求。燃煤的粒比度也称作燃烧颗粒特性，连续的曲线也称作颗粒特性曲线。7、流化速度u：u=Q/A；8、临界流速与临界流量：开始流化时的一次风风速，称为临界流速umf。这时的一次风量也就称作临界流量。G临=ρ流w临A9、物料循环倍率：11/11/2022第一章、绪论16

影响因素：（1）一次风量；一次风量小，分离器的物料捕捉量小，回送量也少。（2）燃料颗粒特性；颗粒较粗，分离的少，返送就少。（3）分离器效果；（4）回料系统；（三）流化床的形成过程：固定床、流动床、鼓泡床、湍流床、快速床、喷流床（气力输送）。11/11/2022第一章、绪论1711/11/2022第一章、绪论1811/11/2022第一章、绪论1911/11/2022第一章、绪论2011/11/2022

4:06:29A1M1/11/2022第一章、绪论2111/11/2022

4:06:29A1M1/11/2022第一章、绪论22二、循环流化床锅炉的特点：1、燃料适应性广：沙子、砾石、石灰石及煤灰作为床料，

燃料按质量计算占总量1%～3%。循环流化床主要是快速床，存在内循环。2、燃烧效率高：火床炉燃烧效率85%～90%，鼓泡流化床燃烧效率90%～96%，循环流化床燃烧效率达到99%。3、脱硫效果好：脱硫剂，石灰石、白云石，最佳脱硫温度850℃，Ca/S值为2，煤粉炉50%，鼓泡流化床80%，循环流化床90%以上4、氮氧化物NOx排放量低：热力NOx（空气中的N2在高温时氧化形成），快速NOx（燃料燃烧分解时所产生的中间产物与N2反应生成），燃料型NOx（燃料中所含的有机氮化合物在燃烧时氧化生成），燃煤锅炉主要是热力NOx和燃料型NOx，而它们与温度有很大关系。循环流化床锅炉燃烧温度850℃左右，分段送入空气，一次风和过量空气的20%1二1二/11次/202风2

4:。06:29A1M1/11/2022第一章、绪论235、炉膛截面积热负荷高，有利于发展大容量锅炉：炉膛的气体流速是鼓泡流化床锅炉的3～5倍，混合强、传热快，热负荷也远大于鼓泡流化床锅炉，一般为3～5MW/m26、燃料进给口较少：7、锅炉负荷调节范围宽，调节速度快：负荷在25%～30%仍可稳定运行；处理调节速率较快7%/min；8、灰渣可综合利用：固体灰渣排出量是同容量煤粉锅炉的1.5～2倍，而且灰渣中含有大量的氧化钙和硫酸钙，而煤粉炉是以氧化硅为主。三、存在的问题1、大型化问题：燃烧强度大，炉床面积限制。2、自动化水平要求高：3、磨损问题：埋管磨损严重：4、理论和技术问题。11/11/2022

4:06:29A1M1/11/2022第一章、绪论2411/11/2022

4:06:31A1M1/11/2022第一章、绪论25第三节、循环流化床锅炉的主要类型11/11/2022

4:06:31A1M1/11/2022第一章、绪论26一、按分离器工作温度分类1、采用高温分离器的循环流化床锅炉：850～900℃，芬兰Ahlstrom公司的pyrpflow型2、采用中温分离器的循环流化床锅炉：400～600℃，英国Babcock公司的Circofluid3、采用低温分离器的循环流化床锅炉:200～300℃，二、按分离器结构形式分类1、采用旋风分离器的循环流化床锅炉绝热型旋风分离器、水冷型旋风分离器和气冷型旋风分离器立式分离器、卧式分离器。2、采用惯性分离器的循环流化床锅炉11/11/2022

4:06:31A1M1/11/2022第一章、绪论2711/11/2022

4:06:31A1M1/11/2022第一章、绪论28大都布置在炉内，结构简单、热惯性小、造价低、阻力相对较小且高温运行稳定。但是分离效果较差，和旋风分离器配合使用。百叶窗式和撞击式3、采用组合分离器系统的循环流化床锅炉4、采用漩涡分离器的循环流化床锅炉三、按有无外置式换热器分类：四、按物料循环倍率分类：

单位时间内由回料机构送回炉膛的循环物料质量与单位时间内加入炉膛的燃料质量的比值。

高循环倍率（大于20的）、中循环倍率锅炉（物料循环倍率在6～20之间）、低循环倍率（物料循环倍率在1～5之间）五、按固体物料循环方式分类11/11/2022

4:06:31A1M1/11/2022第一章、绪论29炉内旋涡型是内循环，其余都是外循环。六、按炉膛压力分类常压循环流化床锅炉、增压流化床锅炉。七、按工质蒸汽压力分类

低压、中压、高压、超高压、亚临界、超临界压力循环锅炉。八、按锅炉水循环的方式分类

自然循环流化床锅炉、强制循环型（直流型）循环流化床锅炉11/11/2022

4:06:331A1M/11/2022第一章、绪论3011/11/2022

4:06:33A1M1/11/2022第一章、绪论3111/11/2022

4:06:33A1M1/11/2022第一章、绪论3211/11/2022

4:06:33A1M1/11/2022第一章、绪论3311/11/2022

4:06:34A1M1/11/2022第一章、绪论3411/11/2022

4:06:34A1M1/11/2022第一章、绪论3511/11/2022

4:06:34A1M1/11/2022第一章、绪论3611/11/2022

4:06:34A1M1/11/2022第一章、绪论3711/11/2022

4:06:34A1M1/11/2022第一章、绪论38气固流化床的形成1．固定床垂直管状容器中的固体颗粒物料，当没有气流作用时，静止料层高度L0，床层空隙率ε0。床层空隙率的定义为：当有气流通入且气速较低时，床层高度基本不变，仅上界面处的部分细物料略有松动。气体此时对颗粒的作用力(称为曳力，方向向上)较小，颗粒间仍保持紧密接触，静止不动，气体穿过颗粒间隙到达床层上部。这时的颗粒床层即构成固定床。如在床层上下端面通以U形管差压计，测量沿整个床层高度气流压降与气流速度的关系，可以发现该压降值基本随气速增大而单调增加，11/11/2022第一章、绪论39气固流化床的形成11/11/2022第一章、绪论402．流态化阶段当气流速度逐渐增大时，气流对颗粒的曳力也逐渐增大，当该气速增大至某一定值时，固体颗粒达到受力平衡，即：气流对颗粒的曳力+气流对颗粒的浮力＝颗粒的重力此时，固体颗粒有可能在床层中自由浮沉。由于固定床阶段颗粒紧密接触，彼此有搭桥现象，因而床层有可能不是一下子全部疏松、颗粒全部浮起。上述受力平衡还可以描述为压降ΔP＝单位截面积上床层物料的重量这样的受力平衡点对应图中的A点。气固流化床的形成11/11/2022第一章、绪论413．气力输送阶段在正常流态化阶段，由于固体颗粒大小不一，会有一些细小颗粒在曳力、浮力作用下被气流带出床外，但运动的固体物料仍可形成一定的上界面(如同液体沸腾时的表面)。当U＞Uc后，被带出的物料逐渐增多，甚至一些大颗粒也被带出，原有的床层上界面逐渐消失，对应的料层阻力急剧减小。这就是气力输送状态。气力输送也称为气流床。当U很大时，气流对固体颗粒的携带能力也很大。这时的单颗粒受力关系为：气流对颗粒的曳力十气流对颗粒的浮力＞颗粒受到的重力1.2.2流态化实现的要素及特点1．有固体颗粒存在11/11/2022第一章、绪论42这些固体颗粒可以参加化学反应，如气化、燃烧过程中的煤颗粒；也可以不参加化学反应，如气相化学反应中的固体催化剂；还可以参与多种物理过程，如热空气干燥粮食、化肥等。2．有流体介质存在流态化技术中采用的流体介质包括：热空气(用于干燥物料或使物料散开等)；一般空气(用于流态化燃烧、煤炭气化、低温干馏等)；蒸汽等。3．固体与流体介质在特定条件下发生作用11/11/2022第一章、绪论43这些条件包括：固体颗粒有粒度限制，如一般鼓泡流态化燃烧锅炉要求入炉粒度＜l3mm；循环流化床要求给煤粒度＜2mm，如果颗粒过大，或大颗粒较多，则较难实现流态化，因为大颗粒物料很难浮起。流体介质应具有一定的温度、压力，保证正常流态化的实现及床内反应过程的正常进行。固体颗粒与流体介质在一定的空间(称反应器或流化床)内互相作用。流态化过程具有以下特点：11/11/2022第一章、绪论441．类似液体的特性流化床由于气体和固体的运动情况很像沸腾的液体，因而也称之为沸腾床，它表现出一些类似液体的性质:①轻小的物料颗粒容易浮起；②当容器倾斜时，流态化床层的上界面仍保持相对水平状态；③气、固两相流体(运动着的固体粒子群也属于流体)容易变形、流动，没有固定的形状。如在容器侧部开口，固体颗粒很容易自孔口流出；④两个流态化容器并联相通时，两容器的上界面维持相同的高度。这种似液体性对于实现操作过程的连续化与自动化是非常有利的。11/11/2022第一章、绪论452．固体颗粒的剧烈运动与迅速混合11/11/2022第一章、绪论46由于流化床内颗粒处于悬浮运动状态，又由于气固流化床以气泡运动为基本特征，颗粒在气流或气泡作用下进行强烈的运动，包括上下运动和左右运动，床层基本处于全混状态，温度与浓度趋于均匀，这一均温特性便于温度的调节控制及维持稳定的运动。但是当固体物料连续进、出床层时，固体颗粒在床内停留时间并不一致，这对于要求颗粒充分停留的工艺操作是不利的。3．强烈的碰撞与摩擦11/11/2022第一章、绪论47这种碰撞与摩擦是固体颗粒在床内强烈运动的结果，包括颗粒之间的碰撞与摩擦，颗粒与容器壁之间的碰按与摩擦。如果床内设置阻挡元件(如沸腾锅炉床层内布置的埋管受热面)，则固体颗粒与阻挡元件之间的碰撞与摩擦也是非常强烈的。这种特点对于气固系统与固体壁面(容器壁面及阻挡件表面)间的对流传热是极为有利的，对于固体颗粒表面的更新、促进床内反应过程的进行及床层内的加热、冷却也是很有利的。其缺点是固体壁的磨损。4．颗粒比面积大11/11/2022第一章、绪论48流化床的要素之一是限制固体物料的粒径，因而其物料粒度比固定床小得多，颗粒的比表面积相应要大得多，气固间或两种不同的固体颗粒间的传热、传质和反应过程也强烈得多。5．气体与颗粒的接触时间不均匀11/11/2022第一章、绪论49在气固流化床中，大部分气流以气泡的形式较快地通过床层，与颗粒的接触时间有限、而固体与部分气体形成的密度相对均匀的乳化相中气体与颗粒的接触时间较长，这就造成了气、相间接触时间的不均匀现象。1.2.3流态化过程中的不正常现象11/11/2022第一章、绪论501)沟流又称穿孔现象，指料层不均匀或气体介质分布不均匀时，在容器内固定床向流化床转化的初始阶段，气流可能从阻力较小的“沟道”处通过，形成气流短路的现象(见图1.2.3(a))。有局部沟流和贯穿构流两种情况。前者指沟流现象仅在局部发生，在沟道未到达的部分料层仍可以产生沸腾；后者指沟流现象自下而上贯穿整个床层，此时即使气流速度己超过正常的临界流态化速度(即U＞Umf)，料层也不会沸腾，大量气流由贯穿沟道处短路通过。沟流一般发生在床层阻力极不均匀、气流速度较低的情况下。例如沸腾炉点火过程中风量风速都不大，整个床层还没有同步到达流态化，局部地区容易出现沟流现象，即局部地区颗粒空隙度稍大，气流较易通过。这时只要人工或采用机械拨动床层即可消除这种现象。如果听任沟流现象发展，就会在局部穿孔处引起结焦，形成大颗粒渣团，影响正常流态化或不能形成流态化。11/11/2022第一章、绪论51上述点火过程自固定床阶段开始，到床层完全进入流态化、床温达到规定下限值以上才算完成，因而点火过程中容易出现沟流现象。如果将惰性床科(不参与反应的大密度颗粒物料)与燃煤颗粒预先混合，在冷态条件下达到沸腾状态(床层膨胀高度不大的低沸腾状态)，然后用轻柴油点火装置加热引燃并升高床温。采用这种点火方式就不太容易出现沟流结渣现象。假如布风不均匀问题严重，则这种点火方法也可能产生沟流现象。一般认为，引起沟流的主要原因有：布风装置设计不当，导致布风不均匀；料层筛分不合理，粉末太多或太少；料层过薄或水分较大，容易引起颗粒粘连；气流速度偏小等。11/11/2022第一章、绪论52图1.2.3流态化过程中的不正常现象（a）沟流（b）腾涌(c)分层(d)气泡过大11/11/2022第一章、绪论532.

腾涌11/11/2022第一章、绪论54当床层内气泡汇合到大小接近床截面时，床

内料层可能会分成几段，形成气塞(见图

1.2.3(b))，像活塞似地运动。当大气泡破裂时，大颗粒下落，细小的物料可能会被气流带走，这种现象就是腾涌，也叫节涌。出现腾涌时，流化床料层的压降波动很大，不再保持压差基本不变。对沸腾燃烧而言，腾涌一旦出现，燃烧很难保持稳定，也很难维持流态化的正常运行，而且容易在床层底部引起结焦。导致腾涌的原因可能有：布风板设计不良，如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等；流化床高径比