循环流化床基础知识.docx

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循环流化床基础知识

一、流化床锅炉涉及的概念和定义

底料：

锅炉启动前，布风板上先铺设有一定厚度、一定粒度的“原料”，称为底料或床料。

一般由燃煤、灰渣等组成。

物料：

主要是指循环流化床锅炉运行中在炉膛内燃烧或载热的物质。

一般指燃煤、灰渣和脱硫剂。

流化速度：

是指床料或物料流化时动力流体的速度。

这里的动力流体是指一次风。

临界流化速度与临界流量：

临界流速是使床料开始流化时的一次风风速，此时的一次风风量就是临界流量。

物料循环倍率：

通常是指由物料分离器捕捉下来且返送回炉内的物料量与给进的燃料量之比。

二、循环流化床基础理论

1．流态化过程

当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。

流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过。

当增加到某一速度之后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。

每天学习锅炉知识，关注微信公众号锅炉圈，此时，对于单个颗粒来讲，它再现依靠与其它邻近颗粒的接触而维持它的空间位置，相反地，在失去了以前的机械支承后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。

这种状态就被称为流态化。

2．不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态（绘图简单示意）

随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、流动床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床、气力输送状态。

简单画图示意。

固定床：

当空气流速不大时，空气穿过底料颗粒间隙而向上逸出，底料高度未发生变化。

流动床：

当气流速度继续增加，底料开始膨胀，高度发生变化，扰动不强烈，未产生气泡。

鼓泡流化床：

当气流速度又继续增加，底料将产生大量气泡，气泡不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂。

如果在鼓泡床的甚而上不断的继续加大空气流速，将依次出现以下三种状态。

湍流流化床：

底料内气泡消失，气固两相混合更加剧烈，虽然存在密相区和稀相区，但是没有明显的界线。

此时的流化速度一般为4~5m/s。

快速流化床：

随着气流速度的增加，底料上下浓度更趋于一致，但细小的颗粒将聚成小颗粒团上移，在上移过程中有时小颗粒团又聚集成较大颗粒团，较大颗粒团一般沿流动方向呈条状。

此时的流化速度一般为6~10m/s。

气力输送状态：

随着气流速度的增加，底料将最终会均匀的全部喷出床外，称喷流床或气力输送。

需要指出，循环流化床锅炉正常运行中，应处于湍流流化床、快速流化床状态，而在动态点火过程中，一般处于流动床和鼓泡床状态。

国内流化床炉的密相区通常运行在湍流床状态中，虽然风速可能达到5m/s以上，因为我国的流化床炉选用宽筛分的煤不可能达到快速床状态，而稀相区则是运行在快速床状态。

3．流化床类似流体的性质主要有以下几点（湍流流化床、快速流化床）：

在任一高度的静压近似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量；

无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；

床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出；

密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上；

床内颗粒混合良好，因此，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。

一般的气、固流态化，气体并不均匀地流过颗粒床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒则分成群体作湍流运动，床层中的空隙率位置和时间的不同而变化，因此这种流态化称为“聚式”流态化。

4．循环流化床的原理和特点

我们知道，随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、流动床、鼓泡床、湍流床、快速床和喷流床（气力输送状态）。

循环流化床的上升段通常运行在湍流床和快速床状态下。

快速流态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粒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。

每天学习锅炉知识，关注微信公众号锅炉圈，颗粒团向各个方向运动，而且不断形成和解体。

在这种流体状态下，一定数量的颗粒被气流所携带出炉膛，物料分离器将固体颗粒分离下来并返送回炉床内再燃烧，如此反复循环，就形成了循环流化床。

这就是所谓的循环流化床锅炉。

与鼓泡床比较，循环流化床有如下特点：

1.不再有清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间；

2.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；

3.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；

4.运行流化速度为鼓泡床的2~3倍，一般为4~10m/s；

5.床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化；

6.颗粒横向混合良好；

7.强烈的物料返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升段内温度分布均匀；

8.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；

9.流化气体的整体形状呈塞状流；

5．循环流化床锅炉的燃烧特点

可概括如下：

1、低温的动力控制燃烧；

2、高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程；

3、高强度的热量、质量和动量传递过程。

循环流化床锅炉的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，并具有了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。

循环流化床锅炉内的物料参与了外循环（分离器）和内循环（炉膛内返混）两种循环运动。

每天学习锅炉知识，关注微信公众号锅炉圈，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，并可改变物料在炉内的分布规律，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，使整个炉膛高度的温度分布均匀。

6．循环流化床炉内的换热（热交换）

A．循环流化床炉内的传热过程包括：

颗粒与气流之间的传热，颗粒与颗粒之间的传热，整个气固多相流与受热表面之间的传热，气固多相流与入炉气流之间的传热。

B．循环流化床炉内换热机理分析：

目前，主要有两种观点。

一种认为炉内换热主要依靠烟气对流、固体颗粒对流和辐射来实现的。

另一种认为是颗粒团沿壁面滑动时实现热量的传递。

但无论哪种观点都可总结为炉内传热主要通过物料对受热面的固体对流和固体、气体辐射换热实现的。

C．运行中各种参数调整对循环流化床炉的传热的影响：

床温的影响。

床温升高，不仅减少颗粒的热阻力，而且辐射传热随着床温的升高而增大。

物料浓度的影响。

物料浓度超高，炉内传热系数越大。

循环倍率的影响。

循环倍率越大，炉内传热系数越大。

流化速度的影响。

不同的流化速度对传热的影响很小。

颗粒尺寸的影响。

仅仅考虑颗粒尺寸，对传热的影响也很小。

7．循环流化床锅炉的优点

1.燃料适应性广，

2.燃烧效率高，

3.高效脱硫，

4.氮氧化物排放低，

5.其它污染物排放低，

6.燃烧强度高，炉膛截面积小，

7.给煤点少，

8.燃料预处理系统简单，

9.易于实现灰渣综合利用。

10.负荷调节范围大，负荷调节快，

11.床内不布置埋管受热面，

12.投资和运行调节费用适中。

8．循环流化床锅炉尚待研究的问题

1，合适的炉膛高度。

2，最有利的循环倍率。

3，循环物料的分离。

4，进一步的防磨措施。

5，锅炉大型化问题。

6，其它经济性问题。

9．煤粒在流化床内的燃烧过程

当煤粒通过给煤机进入流化床后，将依次发生如下过程：

1，煤粒得到高温床料的加热并干燥；

2，热解及挥发分燃烧；

3，对某些煤种会发生颗粒膨胀和一级破碎现象；

4，焦炭燃烧并伴随着二级破碎和磨损现象。

实际上煤粒在流化床中的燃烧过程并不能简单地以上述步骤绝对地划分成各阶段，往往有时几个过程会同时进行。

2mm的煤粒着火时间大约在8.5秒左右，6mm的煤粒着火时间大约在21秒左右。

循环流化床床内沿高度方向依然非常显著地可划分为密相区（布风板上部）和稀相区（炉膛上部），并且密相区往往仍运行在鼓泡床和湍流床状态。

循环流化床床内床料绝大部分是惰性的灼热灰渣，其可燃物含量只占很小一部分，因此，加到床中的煤粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣所包围。

由于床内混合剧烈，煤粒很快着火。

每天学习锅炉知识，关注微信公众号锅炉圈，在煤被加热过程中，煤所吸收的热量只占总热量的千分之几，因而对床温影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性广的原因所在。

10．循环流化床中煤的燃烧特性

A.煤粒在流化床中的破碎特性。

简单讲，是指煤粒在进入高温流化床后其粒度发生急剧减小的一种性质。

引起破碎的原因：

煤粒在进入高温流化床后，达到热解温度时，发生脱挥发分反应。

由于热解作用，颗粒物理化学特性发生急剧的变化，颗粒内部将产生明显的压力梯度，当压力超过一定值，煤粒会崩裂形成破碎。

另外，煤粒受到高温颗粒群的挤压、大颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力以及流化床中气泡和颗粒絮状物上升引起的压力波动等均会影响到颗粒的破碎特性。

B.流化床内煤粒的磨损特性。

磨损就其本身而言是一种缓慢的破碎过程，它着重于煤粒间的机械摩擦作用，因此，影响煤粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。

煤粒燃烧而在其表面有一灰壳生成，因而煤粒的磨损是有利于燃烧的，但大煤粒由于磨损和破碎而生成的大量细颗粒，并以扬析夹带形式离开床层造成的燃烧损失也不可忽视。

C.煤中挥发分的析出及燃烧。

挥发分的析出（热解）过程是煤料受到高温加热后分解并产生大量气态物质的过程，热解产物由焦油和气体组成。

每天学习锅炉知识，关注微信公众号锅炉圈，一方面，挥发分的析出改变了煤粒的孔隙结构，改善了焦炭的反应活性，另一方面，大量挥发分的析出并燃烧，反过来加热了煤粒，使煤粒温度迅速升高。

因此，挥发分含量越高的煤，其着火性能也就越好。

挥发分的析出分两个阶段：

低温的高挥发分析出速率阶段（几秒至10秒左右）和高温的缓慢析出挥发分阶段（持续时间较长，有时达数分钟）。

挥发分的燃烧时间一般小于1秒。

焦炭的着火与燃尽。

在流化床燃烧条件下，煤粒中挥发分的析出与燃烧及焦炭的燃烧过程存在着一定的重叠，即在初期以挥发分的析出与燃烧为主，后期以焦炭的燃烧为主。

焦炭的燃烧过程控制着煤粒在流化床中整个燃烧过程，焦炭的燃尽时间比挥发分大两个数量级。

11．循环流化床内的气化过程

燃料在炉内的气化过程包括水分蒸发、燃料的热解、挥发分的析出、焦炭与气相进行非均相反应和均相反应。

1．水分蒸发和挥发分析出。

挥发分析出主要包括两个方面：

挥发分的析出速度和挥发分析出量、成分。

煤种、粒径、加热速度、床温等都对挥发分产生影响。

2．均相反应和均相反应。

由于水分和挥发分析出时间占总气化时间时间极短，因此，炉内主要反应是焦炭与气相进行这两种极其复杂的化学反应。

影响气化过程的诸多因素：

1．水分和挥发分，水分和挥发分在不同程度上分别反映煤的变质程度。

水分直接关系到煤的热值和实用价值，水分过高，降低生成气产率并对气化过程带来麻烦。

2．灰分。

气化过程中，由于部分碳表面被灰壳所覆盖而减少气化剂与碳表面接触面积，降低了燃料的反应活性，还会使灰渣可燃物含量增加。

3．硫分。

加重对金属的腐蚀作用，加重气体净化过程的负担。

4．煤的化学特性。

煤的反应活性，在此是指煤同氧、蒸汽或二氧化碳反应的能力。

反应活性高的煤有利于燃烧。

5．成渣性能。

易于成渣的煤，使排渣和气化剂的均匀分布困难，同时也易产生颗粒内部反应不完全情况。

6．机械强度。

机械强度差，在气化过程中易破裂成粉末而增加可燃物损失。

7．热稳定性。

煤在受高温后的粉碎程度称为煤的热稳定性。

热稳定性差的煤易于碎裂，不完全反应碳损失增加。

8．粒度。

粒度小，反应表面大，利于气化反应。