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1、循环流化床锅炉原理 主讲人：董长青 博士Email: Mobile Phone: +86-13911857726华北电力大学（北京）动力工程系 第三章 循环流化床锅炉原理 第一节 循环流化床锅炉工作原理和特点由图3.1.1可见，随着气流速度的增加，固体颗粒 分别出现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速 流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段通常 运行在快速流化床状态下。 图3.1.1 气速与流态化循环流化床锅炉原理 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，颗粘团向各个方向运功
2、，而 且不断形成和解体。在这种流体状态下，气流还可 携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截 面平均气速。这种气固运动方式中，存在较大的气 固两相速度差，即相对速度。 3.1.1循环流化床的特点 (1) 不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，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流化床的23倍； (5) 床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化； 3.1.2 循环流化床锅炉的特点 循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由 炉膛(快速
3、流化床)、气固物料分离设备、固体物料 再循环设备 和外置热交换器(有些循环流化床锅炉 没有该设备 )等组成，上述部件形成一个固体物料循 环回路。第二部分为对流烟道，布置有局部过热器 、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃 烧锅炉相近。 循环流化床锅炉循环流化床锅炉的特点 1.低温动力控制燃烧循环流化床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。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这 种燃烧方式下，炉内温度水平因
4、受脱硫最佳温度限 制，一般850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。 循环流化床锅炉的特点 这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及 碱金属析出均比煤粉料炉中要改善很多，对灰特性 的敏感性减低，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
5、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9899 以上。循环流化床锅炉的特点 2高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过 程循环流化床锅炉内的固体物料(包括燃料、残炭 、灰、脱硫刘和惰性床料等)经历了由炉膛、分离器 和返料装置所组成的外循环。同时在前面介绍快速 流态化的特点时，我们也介绍了炉膛内固体物料的 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。循环流化床锅炉的特点 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
6、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。 3.1.3 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(NOx)排放低 5. 其他污染物排放低循环流化床锅炉的其他污染物如CO、HCl、HF等的 排放也很低。 6燃烧强度高，炉膛截面积小炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主 要优点之一。循环流化床锅炉的截面热负荷约为3.5 4.5MWm2，接近或高于煤粉炉。同
7、样热负荷下鼓泡流化 床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大23倍 。 循环流化床锅炉的优点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投资和运行费用适中 需进一步研究的问题 1. 循环物料的分离 2循环流化床内固体颗粒的浓度选取 3炉内受热面布置和温度控制 4. 运行风速(或截面热负荷)的确定 5返料机构 6循环流化床锅炉部件的磨损 7低污染燃烧 8炉内传热 9尾部受热面的设计 10除尘 其他诸如自动调节控制特性、风机系统配套、灰渣 综合利用等也需进步研究。 第二节 循环流化床的发展概况 循环流化床锅炉发展到现在已
8、有许多不同的流派和 型式，其中较有代表性的是芬兰奥斯龙(Alstrom)公司 的Pyroflow循环流化床锅炉、德国鲁奇(Lurgi)公司的 循环流化床锅炉、美国巴特利(Battelle)的多固体循环 流化床锅炉及德国Babcock公司的Circofluid循环流化 床锅炉等，以下分别加以简要介绍。 图3.2.1芬兰奥斯龙(Alstrom)公司Pyroflow 循环流化床锅炉图3.2.2 鲁奇公司循环流化床锅炉图3.2.3 美国巴特利多固体循环流化床锅炉图3.2.4 德国Babcock公司Circoflow循环流化床锅炉第三节 循环流化床的流体动力学特性 循环流化床气固两相流体动力特性的研究，
9、是循 环流化床研究的重要方面。因为流体动力特性决定着装 置的运行风速及变工况的极限、辅机的能耗、床内传热 量、温度分布、床内存料量和受热面磨损情况等。鉴于 流体动力特性研究的重要性，从70年代以来，已在循环 流态化气固两相流动规律，诸如颗粒聚集行为、颗粒 速度分布、床层空隙率分布、气体速度分布、颗粒流率 、气固混合等性能方面进行了大量的研究。 循环流化床的气固两相流体动力特性是十分复 杂的，它不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率 、气固物性，而且受设备的结构尺寸(包括床径、床 高度、进出口结构等)、运行参数(如温度、压力)等 的影响。 循环流化床内脱硫脱硝一、矿物燃料电站有害气体的排放矿物燃料
10、燃烧时将带来污染物排放问题。这些污染物可分 为三大类：气体污染物、粉尘与固体弃物、污水。烟气污染物 主要有氯氧化物(包括NO、NO2、N2O)、硫氧化物(包括SO2和SO3) 及一氧化碳。此外，烟气中还含有HCl、HF等卤化氢气体。人 们注意到，一方面，新技术的应用使燃烧设备中单位出力的污 染排放置大大降低；而另一方面，污染物总量却并末下降，尤 其在发展中国家，污染问题还有可能越来越突出。与此同时， 人们还认识到，烟气污染物与固体弃物、污水排放之间有着相 互联系，如燃烧脱硫大大降低了气相SO2的排放，但同时却增加 了固体弃物和NO的排放量。 二、有害气体排放的危害性1SO2的特性及其对环境的影
11、响二氧化硫是一种天色有刺激性气体，是对大气环 境危害严重的污染物。在阳光的催化下，SO2与水蒸 气等进行复杂化学反应，形成硫酸，再经雨淋降至 地面，即形成酸雨。煤炭是我国主要化石燃料， 1995年我国SO2排放总量达1950万t，其中90以上就 来自煤炭燃烧。在西南、中南及华东北部等燃用高 硫煤的地区酸雨已带来严重问题，加重庆市降水 pH值已达3.35，贵阳市达3.44，尤其是在气象和地 理条件不利的地区，其危害尤为严重。因此，我国 酸雨形势已十分严峻，降低SO2排放成为当务之急。 2NOx的特性及其对大气的影响本章讨论的氮氧化物有NO、NO2、N2O三种，其中NO是一种 无色有毒气体，占矿物
12、燃料燃烧所产生NOx总量的90一95 。它在大气层中的生存时间只有几秒至几分钟，便在大气层低 空内被氧化成浅棕色而有强烈刺激性的NO2，即2NO十O2 2NO2NO也是导致酸雨的因素之一。同时，它还参加光化学反应，形 成光化学烟雾。另一方面NO还造成了臭氧层的破坏，即 NO十O3 NO2十O2 N2O是一种有毒的无色气体，俗称笑气。它和C O2、CH4、O3、二氧 化碳及水蒸气都是温室效应气体。由于N2O与游离氧原子的反应 ：N2O十O2 NO 是大气平流层中NO的主要来源，因此N2O对平流层臭氧的破坏作 用是巨大的。 此外，SO2及NOx对建筑物和人身都构成危害，这也是诱发癌症的 原因之一。
13、三. SO2生成机理 1.无机硫生成SO22.有机硫生成SO23.元素硫生成SO24.H2S和COS生成SO2的机理四. 影响SO2析出的因素 运行参数停留时间，原煤粒径，床温，过量空气系数 2. 煤的特性结构参数五. 燃烧脱硫机理1.脱硫反应机理2.钙的利用率和脱硫效率六.影响脱硫效率的主要因素 脱硫剂和给煤粒径的影响 脱硫剂特性的影响 Ca/S摩尔比的影响 过量空气系数的影响 床温的影响6. 风速的影响 7. 循环倍率的影响 8. 循环倍率的影响 9. 分段燃烧的影响 10. 给料方式的影响七. NOx生成机理 热力型NOx 由空气中的氮气在高温下氧化生成。 燃料型NOx 快速型NOx它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子 团反应生成。八. NOx的控制方法 空气分级 低过量空气系数 燃料分级 催化剂选择还原 非催化剂还原（如活性炭吸附）
