CFB锅炉培训教材(共161页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上循环流化床锅炉培训资料2005年11月专心-专注-专业前 言为满足我厂循环流化床锅炉培训的需要，根据相关资料编制本教材，全面介绍循环流化床锅炉的基本知识和实用操作方法，使技术人员、操作人员尽快熟悉循环流化床的基本原理和特点，为将来装置的开车和生产运行做好准备。 本书共分十章，第一、二章分别介绍了循环流化床锅炉的概念、基本原理和特点以及循环流化床锅炉的计算机控制系统原理；第三、四章分别介绍了循环流化床的主体结构、关键部位与主要辅助系统；第五章主要介绍循环流化床锅炉的试验与调试方法；第六、七章主要讲述了循环流化床锅炉的开停炉及正常运行调整方法；第八章对循环流化床锅炉的常见

2、运行事故及故障处理方法进行了探讨；第九章主要介绍煤的特性；第十章介绍我厂循环流化床锅炉的工艺状况。本书由霍爱明、刘光明负责编制，季绍卿、徐玉陵审核。由于部分设备厂家资料不全，加之水平所限，书中谬误和不妥之处在所难免。恳请读者批评指正。 二五年十一月八日目录第一章 循环流化床锅炉的概念、原理及特点循环流化床锅炉燃烧技术是一种新型的高效低污染、目前商业化最好的清洁燃烧技术之一，20世纪70年代的能源危机和越来越突出的环保问题促进了这种燃烧技术的发展。循环流化床锅炉兼有鼓泡流化床锅炉和常规煤粉锅炉的长处，又克服了鼓泡流化床锅炉燃烧和脱硫效率低、难以大型化等缺点，同时也避免了煤粉炉所需价格昂贵的烟气脱

3、硫装置。流化床燃烧设备按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床，按工作条件分为常压和增压式流化床。现在大型循环流化床锅炉按锅炉自身特点和开发厂商名称分类的主要炉型有三大流派，分别为：以德国Lurgi公司为代表的鲁奇型和以美国的Foster Wheeler公司、芬兰的Alstorm公司（两者兼并）为代表的FW Pyroflow型和德国Babcock公司的Circofluid型。按物料循环倍率可分为：(1)低循环倍率循环锅炉，循环倍率K15。(2)中循环倍率循环锅炉，循环倍率15K40。第一节 循环流化床锅炉的概念一、流态化在流化床中，当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运

4、动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为散式流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为聚式流态化。循环流化床锅炉属于聚式流态化。当气体通过颗粒床层时，床层随着气流速度的变化会呈现不同的流动状态。如图1-2所示，固体颗粒随着气流速度的增

5、大分别呈现五种不同的流动状态：固定床、鼓泡流化床、湍（紊）流流化床、快速流化床、气力输送。循环流化床处于紊（湍）流流化床与快速流化床阶段。(1)固定床，如图1-1(a)所示。此种状态下，气流在颗粒的缝隙中流过，所有的固体颗粒呈静止状态。(2)鼓泡流化床，如图1-1(b)所示。当气流速度达到一定值时，静止的床层开始松动，当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚集成更大的气泡穿过料层破裂。整个料层呈现沸腾状态。鼓泡流化床存在明显的分界面，其上部为稀相区，包括床层表面至流化床出口间的区域，称为自由空间或悬浮段。下部为密相区，也称为沸腾段。(3)湍（紊）流流化床，如图1-1

6、（c）所示。随着气流速度继续上升到一定数值，固体颗粒开始流动，床层分界面逐渐消失，固体颗粒不断被带走，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。此时的气流速度为床料终端速度。(4)快速流化床，如图1-1(d)所示。当气流速度进一步增大，固体颗粒被气流均匀带出床层。此时气流速度大于固体颗粒的终端速度，床内颗粒浓度基本相等。床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。循环流化床的上升段属于快速流化床。快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速，单位高度床层压降沿床层高度不变。(5)气力输送，如图1-1(e)所示。分为密相气力输送和稀相气力输送。对于前者，床内颗粒浓度变稀，并呈上下均匀分布状态，其单

7、位高度床层压降沿床层高度不变。增大气流速度，床层压降减小。对于后者，增大气流速度，床层压降上升。密相气力输送的典型特征为：床层压降用于输送颗粒并克服气、固两相与壁面的摩擦。稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。图1-1 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态(a)固定床；(b)鼓泡流化床；(c)紊流流化床；(d)快速流化床；(e)气力输送二、临界流态化速度(1)对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然出现“解锁”现象，床层压降降至为床层的

8、静压。如果床料是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化所需的最低速度，称为临界流态化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉正常运行所需的流化风速一般是23倍的临界流化速度。 图1-2 床温与临界流态化风速的关系(2)影响临界流态化速度的因素有：1)料层厚度对临界流速影响不大。2)料层的当量平均料径增大则临界流速增加。3)固体颗粒密度增加时临界流速增加。4)流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小。床温与临界流速比

9、值（qt）的关系如图1-2所示。 三、颗粒的夹带、扬析当床层流动状态转到湍流流化床时，密相床层和稀相床层的界面开始模糊，颗粒夹带量明显增加。当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。由于扬析过程中更多颗粒被夹带着离开床层，其中终端速度大于床层表观气速的颗粒，经过一定的分离高度后会陆续返回床层，因此存在着输送分离高度，英文简称TDH。此过程就是通常所说的循环流化床的内循环。在TDH以上的空间，颗粒浓度不再降低，床层表面至TDH之间的空间称为自由空间，燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉，其炉膛出口高度通常低于TDH，因此同时存在着夹带和扬析现象。发生扬析现

10、象的颗粒的来源有三个：(1)给煤中的细颗粒。(2)煤在挥发分析出阶段破碎形成的细颗粒。(3)在煤燃烧的同时，由于磨损造成的细颗粒。四、宽筛分颗粒特性1宽筛分颗粒定义进入锅炉的燃料颗粒直径一般是不相同的，如果粒径粗细范围较大，即较宽，称为宽筛分；粒径粗细范围较小，称为窄筛分。循环流化床（气固流化床）床料中的颗粒通常是粒径由小到大的宽筛分布，由于颗粒的直径不同，其流动工况和规律也各不相同。这样就需要显示出颗粒大小的分布规律，利用此规律来研究两相流动和燃烧，或者求出分散相颗粒直径的平均值，以平均直径颗粒的运动来代表分散相颗粒群的运动规律，粒径的分布规律是一个重要特性。除了要知道颗粒尺寸的分布规律外，

11、还要了解各颗粒所占表面积的分布规律和各颗粒重量的分布规律。燃料的筛分对锅炉运行的影响较大，一旦锅炉确定下来，其燃料筛分基本就确定下来。对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较大，筛分较宽；对于挥发分较低的煤，其粒径要求较小，筛分较窄。2宽筛分颗粒分类1)C类颗粒。这类颗粒粒度很细，一般都小于20m，颗粒间相互作用力很大，很难流态化。2)A类颗粒。这类颗粒粒度比较细。一般为2090m，通常很易流化。3)B类颗粒。这类颗粒具有中等粒度，粒度范围为90650m，具有良好的流化性能。它在流体速度达到临界流化速度后就会发生鼓泡现象。4)D类颗粒。这类颗粒粒度通常具有较大的粒度和密度，并且在流化状态时颗粒混合性

12、能较差。大多数循环流化床锅炉内的床料和燃料均属于D类颗粒。3.宽筛分颗粒流化时的动力特性1)小于流体密度的物体浮在床层表面，密度大于流体密度的物体会下沉。2)床层表面保持水平，形状保持容器的形状。3)在任一高度的静压近似等于在此高度以上单位床截面积内固体颗粒的重量。4)床层内颗粒混合良好，加热床层时所有床料温度基本保持均匀。5)床层内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔中排出。6)几个流化床底部连通后，床层高度自动保持同一水平高度。第二节 循环流化床锅炉的工作原理一、循环流化床锅炉的典型工作条件循环流化床锅炉的典型工作条件可归纳为表1-1。表1-1 循环流化床锅炉的工作条件项 目数 值项目数

13、 值床层温度（）850950床层压降KPa612流化速度（m/s）48炉内颗粒浓度（kg/m3）150600（炉膛底部）床料粒度（m）100700340（炉膛上部）床料密度（kg/m3）18002600Ca/S摩尔比1.53燃料粒度（mm）013壁面传热系数W/(m2K)130250脱硫剂粒度（mm）02二、循环流化床锅炉的基本构成循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛（流化床燃烧室）、气固分离设备（分离器）、固体物料再循环设备（返料装置或称返料器）和外置换热器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为尾部对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器

14、和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。图1-3为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意。燃料和脱硫剂由炉膛下部进火锅炉，燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成。炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在分离器内被分离和收集，通过返料装置送回炉膛，烟气则进入尾部烟道。 图1-3典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意1炉膛炉膛的燃烧以二次风入口为界分为两个区。二次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区（密相区），二次风入口以上为小粒子氧化气氛燃烧区（稀相区）。燃料的燃烧过程、脱硫过程、NOx和N2O的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。燃烧

15、室内布置有受热面，它完成大约50燃料释热量的传递过程。流化床燃烧室既是一个燃烧设备，也是一个热交换器、脱硫、脱硝装置，集流化过程、燃烧、传热与脱硫、脱硝反应于一体。所以流化床燃烧室是流化床燃烧系统的主体。2分离器循环流化床分离器是循环流化床燃烧系统的关键部件之一。它的形式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的形式和紧凑性，它的性能对燃烧室的空气动力特性、传热特性、物料循环、燃烧效率、锅炉出力和蒸汽参数、对石灰石的脱硫效率和利用率、对负荷的调节范围和锅炉启动所需时间以及散热损失和维修费用等均有重要影响。国内外普遍采用的分离器有高温耐火材料内砌的绝热旋风分离器、水冷或汽冷旋风分离器、各种形式的惯性分离器和

16、方形分离器等。3返料装置返料装置是循环流化床锅炉的重要部件之一。它的正常运行对燃烧过程的可控性、锅炉的负荷调节性能起决定性作用。返料装置的作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部的低压侧（一般为负压）输送到燃烧室下部的高压侧（正压）,分离器收集下来的物料送回流化床循环燃烧，并保证流化床内的高温烟气不经过返料装置短路流入分离器。实现这种输送的动力来自流化后的物料重力。因此，分离器与回料器之间的立管高度和料位高度对回送的实现非常重要。返料装置既是一个物料回送器，也是一个锁气器。如果这两个作用失常，物料的循环燃烧过程建立不起来，锅炉的燃烧效率将大为降低，燃烧室内的燃烧工况变差，锅炉将达不

17、到设计蒸发量。流化床燃烧系统中常用的返料装置是非机械式的。通常采用的返料器主要有两种类型：一种是自动调整型返料器，如流化密封返料器；另一种是阀型返料器，如“L”阀等。自动调整型返料器能随锅炉负荷的变化，自动改变返料量，不需调整返料风量。阀型返料器要改变返料量则必须调整返料风量，也就是说，随锅炉负荷的变化必须调整返料风量。4外置换热器部分循环流化床锅炉采用外置换热器。外置换热器的作用是，使分离下来的物料部分或全部（取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数）通过它，并将其冷却到500左右，然后通过返料器送至床内再燃烧。外置换热器内可布置省煤器、蒸发器、过热器、再热器等受热面。外置换热器的实质是一个细粒子鼓泡

18、流化床热交换器，流化速度是0.30.45m/s，它具有传热系数高、磨损小的优点。采用外置换热器的优点如下：1) 可解决大型循环流化床锅炉床内受热面布置不下的困难；2) 为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供了很好的手段；3) 增加循环流化床锅炉的负荷调节范围；4) 增加同一台锅炉对燃料的适应性；5) 节约锅炉受热面的金属消耗量。三、循环流化床内煤的燃烧过程1煤的加热和干燥。煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热和干燥，加热速率一般在1001000/s的范围内，即加热时间仅有几秒钟。首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发分析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥

19、发分析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。煤粒在流化床中的燃烧过程如图1-4所示。循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。这些灼热的床料成为煤颗粒的加热源，在加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，而煤粒在l0s左右就可以燃烧（颗粒平均直径在08mm），所以对床温的影响很小。2循环流化床内煤的燃料着火。流化床内燃料着火的方式，固体质点表面温度起着关键作用，是产生着火的点灶热源，这类固体近质点可以是细煤粒，也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。当固体质点表面温

20、度上升时，煤颗粒会出现迅猛着火。另外，颗粒直径大小对着火也有很大的影响，对一定反应能力的煤种，在一定的温度水平之下，存在临界的着火粒径，小于这个颗粒直径，因为散热损失过大，燃料颗粒就不能着火，逸出炉膛。图1-4 燃烧烧过程图3循环流化床内煤的破碎特性。煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。影响颗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。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。煤粒进入流化床内时，受到炽热床料的加热，水分蒸发，当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发分反应，对

21、于高挥发分的煤种，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，颗粒内部产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎；对低挥发分煤种，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出，因此颗粒内部也会产生较高的压力，另外，由于高温颗粒群的挤压，颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力，这种热应力都会引起煤颗粒破碎。煤粒破碎后会形成大量的细小颗粒，特别是一些可扬析颗粒会影响锅炉的燃烧效率。细煤粒一般会逃离旋风分离器，成为不完全燃烧损失的主要部分。破碎分为一级破碎和二级破碎。一级破碎是由于挥发分逸出产生的压力和孔隙网络中挥发分压力增加而引起的；二级破

22、碎是由于作为颗粒的联结体形状不规则的联结“骨架”（类似于网络结构）被烧断而引起的破碎。煤的破碎发生的同时也会发生颗粒的膨胀，煤的结构将发生很大的变化。一般破碎和膨胀受下列因素的影响：挥发分析出量；在挥发分析出时，碳水化合物形成的平均质量；颗粒直径；床温；在煤结构中有效的孔隙数量；母粒的孔隙结构等。4焦炭的燃尽。焦炭的燃烧过程通常是在挥发分的析出完成后开始的，有时这两个过程也存在着一定的重叠。即在初期以挥发分的析出与燃烧为主，后期则以焦炭燃尽为主，至于二者的持续时间，则受煤种及运行工况的影响，很难确切划分。一般认为，煤中挥发分的析出时间约为110s，而挥发分的燃烧时间一般小于1s；而焦炭的燃尽时

23、间比挥发分的燃烧时间大两个数量级。也就是说焦炭的燃烧过程控制着煤粒在循环流化床内的整个燃烧时间。在焦炭燃烧过程中，气流中的氧先被传递到颗粒表面，然后在焦炭表面与碳发生氧化反上生成CO2和CO。焦炭是多孔颗粒，有大量不同尺寸和形状的内孔，这些内孔面积要比焦炭外表面积大好几个数量级。在有些情况下，氧通过扩散进入内孔并与内孔表面的碳产生氧化反应。在不同的燃烧工况，焦炭燃烧可在外表面或内孔孔壁发生。燃烧工况由燃烧室的工作条件和焦炭特性所决定，具体可分为三种类型。1）动力燃烧在动力燃烧中，化学反应速率远低于扩散速率。无孔大颗粒焦炭在900左右燃烧以及多孔大颗粒焦炭在600以下燃烧可能属于该工况。对于细颗

24、粒多孔焦炭，如果传质速率很高，可能在800温度范围内燃烧才属于动力燃烧。对于多孔焦炭，氧扩散到整个焦炭颗粒，使燃烧在整个焦炭内均匀进行。因此，随着燃烧的进行，焦炭密度降低而直径不变，氧浓度在焦炭颗粒内是均匀的。动力燃烧主要发生在以下情况：（1）循环流化床锅炉启动过程，此时温度低，化学反应速率也低；（2）细颗粒燃烧，此时扩散阻力很小。2）过渡燃烧在过渡燃烧中，反应速率与内部扩散速率相当。在此工况下，氧在焦炭中的透入深度有限，接近外表面处的小孔消耗掉大部分氧。这种燃烧工况常见于鼓池流化床和循环流化床某些区域中的中等粒度焦炭，此时微孔传质速率和化学反应速率相当。3）扩散燃烧在扩散燃烧中，传质速率远低

25、于化学反应速率。由于化学反应速率很高，传质速率相对较慢的有限氧分在刚到达焦炭外表面就被化学反应所消耗。这种工况常见于大颗粒焦炭，因为此时传质速率比化学反应速率低。我国的循环流化床锅炉和鼓泡流化床锅炉所使用燃煤的粒径大部分为013mm，在相同的床料粒度、床温和氧浓度下，循环流化床的气固传输速率比鼓泡流化床要高得多。随着燃烧的进行，焦炭颗粒缩小，气固传输速率增加，燃烧工况也从扩散燃烧移到过渡燃烧，最后到动力燃烧。四、循化流化床锅炉的燃烧区域不同结构形式的循环流化床锅炉，其燃烧区域略有差别。对于带高温气固分离器的循环流化床锅炉，燃烧主要存在于三个不同的区域，即炉膛下部密相区（二次风口以下）、炉膛上部

26、稀相区（二次风口以上）和高温气固分离器区。采用中温气固分离器的循环流化床锅炉只有炉膛上、下部两个燃烧区域。循环流化床锅炉的其他部分，例如立管、返料装置等，对燃烧的贡献很小，因而从燃烧的角度不再将其划为燃烧区域。在炉膛下部的密相区，充满了灼热的物料，是一个稳定的着火热源，也是一个贮存热量的热库。新鲜的燃料以及从高温分离器收集的未燃尽的焦炭被送入该区域。由一次风将床料和加入的燃料流化。一次风量约为燃料燃烧所需风量的4080，燃料中挥发分的析出和部分燃烧发生在该区域。当锅炉负荷增加时，增加一次风与二次风的比值，使得能够输送数量较大的高温物料到炉膛的上部区域燃烧并参与热量交换和质量交换。当锅炉负荷低而

27、不需要分级燃烧时，二次风也可以停掉，以满足负荷变化的要求。该区域内通常处于还原性气氛。在炉膛上部稀相区，燃烧所需要的空气都会流经此处。被输送到这里的焦炭和一部分挥发分以富氧状态燃烧，大多数的燃烧反应也都发生在这个区域。一般而言，上部区域比下部区域在高度上要大得多。焦炭颗粒在炉膛截面的中心区域向上运动，同时沿截面贴近炉墙向下移动，或者在中心区域随颗粒团向下运动。这样焦炭颗粒在被夹带出炉膛之前已沿炉膛高度循环运动了多次，因而延长了焦炭颗粒在炉膛内的停留时间，有利于焦炭颗粒的燃尽。在高温气固分离器区，未燃尽的焦炭颗粒被夹带出炉膛进入该区域。焦炭颗粒在此停留的时间较短，而且此处的氧浓度较低，因而焦炭在

28、旋风分离器中的燃烧份额很小。不过，一部分一氧化碳和挥发分常常在高温旋风分离器中燃烧，使其燃烧份额略有增加。按照燃烧模式可把循环流化床锅炉中的焦炭分为以下三类，它们主要发生的燃烧区域也不完全相同。1细颗粒焦炭燃烧细颗粒焦炭的粒径一般小于50100m，其燃烧处于动力燃烧工况。在燃用宽筛分煤粒时，其中必然会存在一部分细颗粒；另外，粗颗粒煤在燃烧时经过一级、二级破碎和磨耗也会产生一部分细颗粒焦炭。细颗粒焦炭的燃烧区域大部分在炉膛上部的稀相区，也会有少量在高温分离器内燃烧。部分细颗粒由于随颗粒团运动而被分离器捕集，其余部分则逃离分离器，形成锅炉飞灰，是锅炉末燃尽损失的主要部分。在实际的循环流化床锅炉中，

29、分离效率要比理论计算值高得多。这是因为在快速流化床内进入旋风分离器的气固混合物中固体颗粒浓度比在其他常规旋风分离器中要高得多，这样细颗粒就容易以颗粒团的形式出现，易于被捕集，使分离器的分离效率提高。在循环流化床锅炉中，固体物料除了通过炉膛、旋风分离器和再循环系统的外循环以外，也在炉膛内部产生内循环。细颗粒焦炭在中心区域随气流向上运动，在形成颗粒团和颗粒团被上升气流冲散的过程中，又在贴近炉墙区域向下运动，因此细颗粒焦炭在炉内停留的时间取决于内循环、炉膛高度和分离装置的性能。为使细颗粒焦炭充分燃尽，其停留时间必须大于燃尽所需的时间。2焦炭碎片燃烧焦炭碎片的典型尺寸为5001000m，燃烧通常处于过

30、渡燃烧工况。它由一级破碎和二级破碎产生。焦炭碎片在炉内的停留时间与平均床料的停留时间很接近。对于焦炭碎片，作为飞灰逃离分离器和由床层底部冷渣口排出炉膛的可能性不大，因此外循环倍率是影响焦炭碎片停留时间的主要因素。循环倍率提高，有利于焦炭碎片的燃尽。3粗颗粒焦炭燃烧粗颗粒焦炭直径大于1mm，其燃烧处于扩散燃烧或过渡燃烧工况。这些粗颗粒一部分在炉膛下部密相区燃烧，一部分被带往炉膛上部稀相区继续燃烧。被夹带出炉膛的这些颗粒也很容易被分离器捕集后送回炉膛内再燃，因而粗颗粒在炉内的停留时间长，燃尽度高。粗颗粒一般从炉膛底部的冷渣口排出。粗颗粒炉渣的含碳量很低，由粗颗粒煤粒产生的固体未完全燃烧损失最小。五

31、、循环流化床燃烧过程的特点图1-5典型循环流化床锅炉简图典型循环流化床锅炉结构一般如图1-5所示，其基本流程为：煤和脱硫剂送入炉膛后，迅速被大量惰性高温物料包围，着火燃烧，同时进行脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁、炉内布置的屏式过热器和翼形水冷壁等受热面放热。粗大粒子进入悬浮区域后在重力及外力作用下偏离主气流，从而贴壁下流。气固混合物离开炉膛后进入高温旋风分离器，大量固体颗粒（煤粒、脱硫剂）被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧。未被分离出来的细粒子随烟气进入尾部烟道，以加热对流式过热器、省煤器和空气预热器，经除尘器，由引风机通过烟囱排至大气。1低温的动力控制燃烧循环流化床燃

32、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被捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地进行燃烧，延长了燃料在炉膛内燃烧的时间。大量高温惰性物料的存在改善了燃烧条件。在这种燃烧方式下，既可以实现较高温度燃烧，也可以实现中温燃烧。由于添加了脱硫剂，炉内温度水平受脱硫最佳温度的限制，一般为850950左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“中温燃烧”方式有许多优点：炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉要改善很多；对灰特性的敏感

33、性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来；氮氧化物生成量低；可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区（或过渡区）内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高。通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达98%99%。2高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程从图1-3中可以看出，循环流化床锅炉内的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器

34、和返料装置所组成的外循环，同时有快速流态化的特点，在炉膛内固体物料存在内循环。因此，循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运动的动态过程中逐步完成的。3高强度的热量、质量和动量传递过程在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈的湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，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。这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。运行实践也充分证实了这一点。 物料分离系统是循环流化床锅炉的结构特征，它由高温分离器、立管和回料装置三部分组成组成。

35、大量物料参加循环实现整个炉膛内的控制燃烧过程，是循环流化床锅炉区别于鼓泡流化床锅炉的根本特点。后者的燃烧主要发生于床内，尽管一些鼓泡流化床锅炉带有飞灰复燃系统，但由于灰量很小，床面之上的空间温度仍然很低，不足以形成燃烧环境。 快速流态化特点决定了循环流化床锅炉燃烧必须有三个条件： （1）要保证流化床流态处于快速流化床区域附近范围，并要保证一定的气流速度，同时要保证物料粒径处于适当的、在该流速下能处于快速流化区域的粒度。（2）要有足够的物料分离。（3）要有物料回送。各种燃烧方式的主要特性比较如表1-2所示。（4）在实际运行过程中，要准备必要的物料补充和排出手段以维持物料的平衡。表1-2 各种燃烧

36、方式的主要特性比较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) 3000.03380.020.08燃料燃烧区高度(m)0.21215402745过剩空气系数1.21.31.21.251.11.21.151.3燃烧区域风速(m/s)130.533121530床层与受热面间的传热系数W/ (m2K)5015020050010025050100磨损小中中较小燃烧效率(%)9799.98590909699燃烧烧中心温度()12008509508509501600煤的粒度(mm)6326以下13以下0.1以下截面热负荷(MW/m2)0.51.50.51.53.05.04.06.0脱硫效

37、率(%)80908090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0.40.50.50.850.850.990.980.998温度梯度大很小小显著NOx排放（mg/m3）40060030040050200400600六、循环流化床锅炉的炉内传热循环流化床锅炉内的传热过程是与燃烧过程同时发生的。循环流化床锅炉内的传热包括气体与固体颗粒之间的传热、颗粒与颗粒之间的传热、整个气固多相流与受热面之间的传热、气固多相流与入床气流间的传热等。燃料在燃烧过程中所放出的热量通过气固多相流和受热面之间的换热而传递到管内的工质水，使之汽化产生蒸汽。在热量的

38、传递过程中，存在三种基本的传热方式，即热传导传热、对流传热和辐射传热。热量通过紧贴水冷壁外表面向下流动的内循环灰与水冷壁外表面的传热属于热传导过程；靠近水冷壁外表面的高温粒子和气体对水冷壁外表面的热量传递属于辐射传热；而在水冷壁管的火侧有高温气固混合流，水侧有汽水混合物的两相流动，伴随着两侧流体流动发生的热量从床层传到管壁外表面和从管壁内表面传到汽水混合物的换热过程则属于对流传热。由于循环流化床内存在着复杂的气固两相流动，加之锅炉结构布置的多样化，使得循环流化床锅炉内的传热问题变得比较复杂，目前对于循环流化床锅炉炉内传热的机理尚不十分清楚。下面仅对炉内床层和受热面之间传热的特点及影响因素作一简

39、单介绍。1炉内传热的基本形式对于循环流化床锅炉，炉内传热主要有以下三种基本形式。 图1-6 Pyroflow循环流化床锅炉炉膛1）颗粒对流换热 内沿炉膛高度主导传热方式随固体颗粒聚集成颗粒团是循环流化床的一个主要特征。 （1-）的变化关系。每一颗粒团是由数量众多的颗粒聚集而成的，颗粒团的温度与床温相同，这些颗粒团自成一运动主体。当它们运动到受热面附近时，与受热面形成很大的温差，这时热量很快地从颗粒团经过气膜以热传导方式传给受热面，或者颗粒团直接碰撞受热面把携带的热量传给受热面。受热面被间断的颗粒团扫过而不是为连续的颗粒层所覆盖。颗粒在运行一段距离后就会弥散或离开壁面，壁面处又会被新的颗粒团所取

40、代。颗粒团停留在受热面附近的时间愈长，颗粒团与受热面间的温差则愈小。反之，若颗粒团停留时间愈短，亦即颗粒团更新频率愈 高，则颗粒团与受热面间的温差愈大，热量传递速率就愈高。在其他条件相同的情况下，颗粒尺寸减小，单位受热面上接触的颗粒数量越多，传热就越激烈。此外，当床温升高时，床层与受热面之间的放热系数增大。通常颗粒粒径为40000m时,颗粒对流放热是传热的主要方式。2）气体对流换热 固体颗粒与受热面接触发生热传导的同时，气流也在颗粒与受热面表面间进行对流换热。一般情况下颗粒对流传热的份额要比气体对流传热的份额大得多，但在循环流化床稀相区颗粒浓度极低的情况下气体对流传热就变得重要起来。由于循环流

41、化床中颗粒团以外的部分并非是没有颗粒的，在上升气流中还包含少量的颗粒，这些颗粒增加了气体的扰动，使颗粒间气流处于湍流前的过渡状态或湍流状态，气流的对流放热非常显著，因而在热量传递过程中所占的比例大大增加。3）辐射传热辐射传热也是循环流化床锅炉中的主要传热方式。当床温高于530以后，辐射传热越来越重要，辐射传热的份额更大。当粒子浓度减小时，由于颗粒对流传热的减小，辐射传热的份额也会增大。在循环流化床锅炉的密相区颗粒浓度较高，对受热面的辐射作用则相对减少，而在稀相区颗粒浓度较小，辐射传热所占比例增大。主导传热方式传热系数W/(m2K)固体和气体辐射57141固体对流和辐射141340固体对流340

42、454在循环流化床锅炉中，沿炉膛高度方 表1-3 各主导传热方式的传热系数向，随着炉内两相混合物的固气比不同，不同区段的主导传热方式和传热系数均不相同。图1-6为循环流化床锅炉炉膛内沿炉膛高度主导传热方式随团体颗粒浓度的变化关系。由图中可以看出，沿着炉膛高度方向随着固体颗粒所占的份额（1-）的减小（浓度降低），主导传热过程由炉膛下部的颗粒对流传热为主转变为颗粒对流传热和辐射传热为主，继而转变为炉膛上部的颗粒和气体的辐射传热为主，各部分的传热系数大小如表1-3所示。而对于沿炉膛高度方向上的某一截面，由于边壁处颗粒浓度高于中心区域，所以床中心传热系数最小，而边壁处较大。2循环流化床锅炉下部密相区与

43、受热面之间的传热循环流化床锅炉下部密相区固体颗粒浓度较大，多属湍流流化区，流动状态类似于鼓泡流化床的流化区，其传热也类似于鼓泡流化床的传热。循环流化床密相区与受热面之间的传热包括：气体对流传热、颗粒对流传热和辐射传热。由于密相区颗粒浓度很大，气体对流传热作用较小，对受热面的辐射作用相对也较小，所以颗粒对流传热是循环流化床密相区与受热面间传热的主要部分。对于密相区与受热面之间的传热，许多学者提 图1-7 颗粒团换热模型出了不同的观点，在此仅对大多数学者公认的颗粒团理论进行简要说明。颗粒团理论认为，可以将流化床中的物料看成是由许多“颗粒团”组成的，传热热阻来自贴近受热面的颗粒团。颗粒团在气泡作用下

44、，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放热速率以及颗粒团与壁面的接触频率。图1-7为颗粒团换热模型。 3循环流化床锅炉上部稀相区与受热面之间的传热在循环流化床锅炉上部的稀相区，气团悬浮体与受热面之间的传热也包含了气体对流传热、颗粒对流传热和辐射传热三种形式。在循环流化床上部稀相区极低颗粒浓度的情况下，气体对流传热变得重要起来。另外在上升气流中除颗粒团外还包含少量的分散颗粒，它们对受迫对流传热起重要的作用。颗粒团与分散颗粒交替地与壁面接触进行传热，颗粒团与壁面间的传热热阻包括与壁面的接触热阻和颗粒团本身的热传导热阻两部分。在稀相区，由于颗粒浓度较小，颗粒对流传热下降，辐射传热份额变大。4影响循环流化床锅炉炉内传热的主要因素由前面的分析可知，床层与受热面之间的传热机理十分复杂，各种因素对传热的影响又因三种不同的传热方式而有显著的差别。下面讨论主要的设计和运行参数对传热的影响。1）颗粒浓度的影响在循环流化床内所发生的传热强烈地受到床内物料颗粒浓度的影响。炉内传热系数随着床内物料颗粒浓度的增加而增大，这是因为炉内热量向受热面的传递是由四周沿壁面向下流动的固体颗粒团和中部向上流动的含有分散固体颗粒的气流来完成的，由颗粒团向壁面的导热比起由分散相的对流换热要高得多。较密