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1、 大家好 第一章循环流化床锅炉介绍 我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一 目前每年煤炭消费量约13亿吨 其中80 通过燃烧被利用 然而 燃烧设备陈旧 效率低 排放无控制造成了能源和环境污染严重 能源节约与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题 因此 寻求一种高效 低污染燃烧技术 开发新的燃烧设备成为当务之急 循环流化床锅炉燃烧技术 CFBBC CirculatingFluidizedBedBoilerCombustion 是新一代高效 低污染清洁燃烧技术 主要特点 1 低温动力的控制燃烧 其燃烧速度主要取决于化学反应速度 决定于温度水平 物理因素不再是控制燃烧的主导因素 2 高速
2、度 高浓度 高通量的固体物料流态循环过程 循环流化床锅炉的所有燃烧都在这两种形式的循环运动中逐步完成的 3 高强度的热量 质量和动量传递过程 循环流化床锅炉的热量主要靠高速度 高浓度 高通量的固体物料来实现循环的 炉内的热量 质量和动量的传递交换非常迅速 从而使整个炉膛内温度分布很均匀 循环流化床锅炉的典型结构 流化床锅炉的原理 流化床锅炉是一种可燃用劣质燃料及添加脱硫剂来产生蒸汽的装置 锅炉的燃烧室运行在一种特殊的流体动力特性下 细颗粒以超过平均粒径终端速度的气流输送离开流化床 并存在着大量物料的返混 以保证流化床的温度分布均匀及足够大的热容量 离开流化床的大部分颗粒通过炉膛进入到旋风分离器
3、被捕捉下来并以足够的速度经返料装置重新送回到炉膛 物料在炉膛内的循环称为内循环物料在炉膛外通过旋风分离器捕捉并经返料装置被送回的循环过程称为外循环 颗粒浓度沿床截面径向分布规律 循环床内径向颗粒浓度分布存在不均匀性 在床层中心区颗粒浓度低 而靠近壁面处颗粒浓度较高 床截面平均颗粒浓度高时 沿径向的颗粒浓度变化就比较大 反之则小 根据固体颗粒径向分布的规律 我们可以看出 在循环流化床中 除了固体颗粒在分离器内被分离再送回床内的外部循环外 固体颗粒在核心和边壁处的上升和下落也构成了床内的内循环 床层的温度能保持均匀分布是内外循环共同作用的结果 循环流化床锅炉的主要优点 优点 1燃料适应性广2有利于
4、环境保护3负荷调节性能好 4燃烧热强度大5炉内传热能力强6灰渣综合利用性能好 循环流化床锅炉的主要缺点 缺点 1大型化问题2烟风系统阻力较高 风机用电量大3自动化水平要求高 4磨损问题5对辅助设备要求较高6理论和技术问题 第二章循环流化床空气动力学特性 2 1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 称为床料 床料的成分 颗粒粒径和筛分特性因炉而定 床料一般由燃煤 灰渣 石灰石粉等组成 有的锅炉床料还掺入砂子 铁矿石等成分 甚至有的锅炉冷态 热态调试或启动时仅用一定粒度的砂子做床料 2 物料所谓物料 主要是指循环流化床锅炉运行中在炉膛及循环系统 分离器 料腿 回料
5、阀等 内燃烧或载热的固体颗粒 它不仅包含床料成分 还包括锅炉运行中给入的燃料 脱硫剂 返送回来的飞灰以及燃料燃烧后产生的其他固体物质 分离器捕捉分离下来通过回料阀返送回炉膛的物料叫循环物料 而未被捕捉分离下来的细小颗粒一般称为飞灰 炉床下部排出的较大颗粒叫炉渣 也称为大渣 因此飞灰和炉渣是炉内物料的废料 3 堆积密度与颗粒密度把固体颗粒燃料或物料自然堆放不加任何 约束 那么这时单位体积的燃料质量就称为堆积密度 单个颗粒的质量与其体积的比值称为颗粒密度或真实密度 4 空隙率燃料 床料或物料堆积时 其粒子间的空隙所占的体积份额为堆积空隙率 5 燃料筛分进入锅炉的燃料颗粒的直径一般是不相等的 如果粒
6、径粗细范围较大 即筛分较宽 就称做宽筛分 粒径粗细范围较小 就称为窄筛分 6 流化速度流化速度是指床料或物料流化时动力流体的速度 7 临界流化风速与临界流化风量临界流化风速就是床料开始流化时的一次风风速 这时的一次风风量也就称为临界流化风量 8 物料循环倍率循环流化床锅炉一般流化速度u 4m s 甚至达到u 8m s 这时大量的物料被烟气带出炉膛 其中含有未被燃烬的燃料煤粒和焦炭颗粒 若不收集返送回炉膛再燃烧 必然降低锅炉燃烧效率 并且炉内的物料也很快被烟气带走 因此 物料分离收集和返送回炉膛的量多少就显得十分重要 从而提出了物料循环倍率的概念 它是循环流化床锅炉独有的 物料循环倍率最简单 最
7、通用的概念是 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 即式中 K 物料循环倍率 W 返送回炉内的物料量 t h B 燃煤量 t h 影响物料回送量W的因素较多 主要有如下几点 1 一次风量 2 燃料颗粒特性 3 分离器效率 4 回料系统 9 颗粒终端速度当一个颗粒在无限大的静止介质中 在重力的作用下做自由力作用下加速 而浮力和流体曳力则阻碍这种趋势 当颗粒加速直至达到一个不再增加的稳定的速度时 这速度就叫该颗粒的终端速度 在稳定状态下颗粒的受力平衡式为颗粒的终端沉降速度ut为 10 流态化流态化的定义为 使颗粒通过与气体或液体的接触而转变成类似流体的一种运行状况 当颗粒处于
8、流态化状态时 作用在固体颗粒上的重力与气流的曳力相互平衡 此时颗粒处于一种拟悬浮状态 从而使流化床具有类似于流体的性质 主要有以下几点 1 在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量 2 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 3 床内固体颗粒可以像液体一样 从底部或侧面的孔口中排出 4 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 5 床内颗粒混合良好 当加热床层时 整个床层的温度基本上均匀 2 2 流化床的形成过程当空气流速由小到大穿过床料颗粒间隙 床层经历了由固定床 鼓泡床 湍流床 快速床以及气力输送等一系列状态的变化 图2
9、 6 2 3 几种不正常的流化状态 1 沟流锅炉在冷态试验和点火时 一次风的流速在未达到临界流速时 空气流在料层中的分布是不均匀的 床料中颗粒大小的分布及空隙率也是不均匀的 在阻力小的地方气流速度较大 在阻力大的地方气流速度较小 有时大量的空气从阻力小的地方穿过料层而其他部位仍处于固定床状态 这种现象就称为沟流 图2 15 产生沟流的主要原因是 1 运行中一次风速太低 未达到设计要求 2 料层 床内一定厚度的床料 太薄 或严重不均 或炉床内结焦 3 给煤太湿 播煤风 回料风调整不合理 造成在给煤口下或回料口处形成堆集现象 4 布风板设计不合理 风帽数太少 节距太大 消除沟流的方法就是查出是哪种
10、原因产生沟流 针对原因采取措施就可避免沟流的发生 2 气泡与节涌床料在流化过程中形成湍流前 流化一次风主要是以 气泡 形式在料层中向上运动的 其实 料层中含有气泡是正常现象 但是气泡过大或集中上涌 就属不正常流化 如果料层中的气泡聚集汇合接近炉床宽度时 料层就被分成几层 一层比较稠密的床料 一层稀疏床料的 空气 向上运动 当达到某一高度后崩裂固体颗粒喷雨而下 这种现象称为节涌 图2 16 节涌现象易在鼓泡床与湍流床之间的流化过程中产生 因此 通常把鼓泡床与湍流床之间的流化状态称为不稳定流化状态 锅炉应尽可能避免在这一状态下运行 不正常气泡和节涌的产生 主要与布风板 风帽设计不合理 床料颗粒过粗
11、 料层过薄等因素有关 3 分层床料在流化过程中 较粗较重的颗粒一般在底部 细而轻的颗粒悬浮于上部 这种分层现象 在移动床和低速鼓泡床中比较清楚 在湍流床和快速床中 分层的趋势就不太明显 2 4循环流化床炉内流体动力特性 一 炉内气 固两相流动状态1 炉内不同区域流型分布在循环流化床锅炉中 高温固体物料沿着一个封闭的循环回路运动 在这个循环回路中的不同区域固体颗粒处于不同的流动状态 如下表所示 2 床内气泡与颗粒运动在较低的气流速度下 流化床中的空气以气泡的形式向上运动 小气泡在运动中不断地形成较大的气泡 床内颗粒的混合主要依靠气泡运动所带来的扰动 图2 18 循环流化床锅炉由于流化速度较鼓泡床
12、锅炉大大提高 一般为5 10m s 流化介质在床内不再以气泡形式通过物料 固体颗粒的运动方式也发生了变化 在颗粒流型上 快速流化床明显存在着颗粒絮状物的运动 图2 19 当物料呈湍流床时 沿四周壁面的物料浓度较中心大 并沿壁面向下流动 而中心区物料颗粒相对稀少 浓度低 并随气流向上运动 当气流速度再增大时 沿壁面明显下降的高浓度气 固两相流出现湍动 下降环流与上升中心流发生掺混 在炉内产生循环 这种物料在炉内掺混循环 称为 内循环 图2 20 二 床内压力波动在鼓泡流化床床层内 压力波动主要是由气泡运动所致 在早期的流化床研究中 床内压力波动的大小往往被用来评定流化质量的好坏程度 好的流化质量
13、应该对应于高频率 低振幅的压力波动 床内压力波动的增加是由于气泡的急剧合并而使气泡尺寸增加所致 当气泡破碎速率大于其合并速率时 气泡尺寸开始减小 床内压力波动的程度亦就逐渐减小 这就意味着压力波动幅值正比于床内平均气泡直径 一般地说 沿高度方向 整个循环流化床会同时呈现鼓泡流态化 湍流流态化 快速流态化和气力输送流动型态 然而要正确地划分其界限是困难的 目前 有关循环流化床锅炉在采用大颗粒和高温时的流体动力特性研究结果尚很欠缺 有待进一步深化研究 三 影响临界流化风速的主要因素分析临界流化风速与床料粒径 密度和流化气体的物性参数有关 1 温度的影响图2 32中系列1 8为厄贡计算式计算的结果
14、系列9为浙江大学计算式计算的结果 从图中可以看出 在大粒子 2 5mm 范围内 两类计算式结果相近 故认为可信 同时可看出 随温度升高 临界流化风速呈上升趋势 这是因为颗粒所受曳力与气体的密度和粘度有关 粘度越大或密度越大 曳力越大 所需临界流化风速就越小 当温度升高时 气体粘度变大 密度变小 但粘度变化对流化风速影响较小 最终因气体密度下降 须提高风速才能保持相同的曳力 2 颗粒粒径的影响当其他条件不变 只是颗粒的平均粒径变化时 由浙大计算式推出其临界流化风速之比值即床料的当量直径增大时 临界流化风量就随着增加 3 颗粒密度的影晌当其他条件不变 只是颗粒的密度变化时 由浙大计算式推出其临界流
15、化风速之比值即颗粒密度增大时 临界流化风量也随着增大 循环流化床燃烧与炉内传热 3 1 三种类型的燃烧 1 动力燃烧 当温度较低时 化学反应速度较慢 物理混合速度较快 燃烧速度取决于化学条件 既温度的高低 这种燃烧称为动力燃烧 或燃烧处于动力区 2 过渡燃烧 在过渡燃烧中 化学反应速度与内部扩散速度相当 氧气在焦碳中的渗透能力不强 接近外表面处的小孔消耗了很大部分的氧量 3 扩散燃烧 在扩散燃烧过程中 传质速度远低于化学反应速度 由于化学反应速度很快 传质速度相对较慢的氧量在刚到达焦炭外表面就被化学反应消耗 这种工况常见于大颗粒焦炭的燃烧 3 2循环流化床煤粒的燃烧过程 由于炉内温度低 且煤颗
16、粒直径相对较粗 燃烧方式不同于链条炉固定床 所以煤粒进入燃烧室后大致经历了四个连续的过程 1 煤粒被加热和干燥 2 挥发分的析出和燃烧 3 煤粒膨胀和破裂 一级破碎 4 焦炭燃烧和再次破裂 二级破碎 及炭粒磨损 一 加热和干燥新鲜煤粒被送入流化床后立即被不可燃的大量灼热的床料所包围并被加热到接近床温 被加热干燥 把水分蒸发掉 加热速率在100 1000 s的范围 影响加热速率的因素很多 其中之一为煤的粒度 粒度越大 其表面和中心达到800 的时间间隔越长 二 挥发分的析出和燃烧挥发分的第一个稳定析出阶段在500 600 之间 第二个稳定析出阶段在800 1000 之间 挥发分的精确含量和构成受多种因素的影响 对于细小微粒 挥发分的析出非常快 无须循环返送炉内 大颗粒的挥发分的析出及在炉内的分散掺混要慢得多 且很大一部分在炉膛中部燃烧 实际上挥发分析出和燃烧是重叠进行的 三 焦炭燃烧燃烧工况由燃烧室的工作条件和焦炭特性决定 1 动力控制燃烧此时 化学反应速率远低于扩散速率 2 过渡燃烧此时 化学反应速率和扩散速率相当 3 扩散控制燃烧此时 传质速率远低于化学反应速率 四 煤粒的膨胀 破碎
