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1、床料粒度及组成对循环流化床锅炉设计的影响-杨励丹 鲍亦令 张子栋 吴文渊 别如山 刘晓阳 越明泉 哈尔滨工业大学动力工程系 2003-06-30 前言 循环流化床（CFB）锅炉技术是从化学工业领域移植过来的。锅炉所用的床料，其粒度组成与化工中常用的催化裂化剂有很多不同，本文仅对床料的几何尺寸对循环流休床锅炉的设计略作分析，提出以煤灰为床料的循环流化床锅炉采用低倍率循环的条件及必要性。 一、分层流化现象 流化床锅炉用的料粒径一般是不均匀的，目前设计中沿用平均粒径的概念即用某一当量粒径来代表宽筛分粒子群的行为。我国工业锅炉计算方法中采用重量平均径欧美诸国多用比表面积平均径（或称调和平均径）。对于由
2、机械破碎而成（不是用不同粒径的煤掺混而成）的08MM的煤粒比表面积平均约为115M床层空截面流速大于临界流化速度UMF，（床层才可能流化，空截面流速大于粒子的终端速度）粒子就可能被气流带出炉膛。对烟煤子在30及85烟气流中及计算值列于表1。 表1烟煤粒子的流化特性 粒径d（mm ）01002505007510015020030Umf（m/s）0008004701760342050507841005Ut（m/s）0485121124233634484672688615850Umf（m/s）0003001900760168029406200998Ut（m/s）0118137727554132505
3、9726411018粒径dmm4681020304030Umf（m/s）1615203423912639385247315470Ut（m/s）12183149501723019264272433336538527850Umf（m/s）23833400418248397239899010442Ut（m/s）22037287903327737039524576424774186 我国鼓泡流化床锅炉已有丰富的经验。通常热态空截面流速约为4MS自表1可见，恰能使8MM的粒子处于临界流化床状态。而此时已达到075MM粒子终端速度。可见，用任何一种平均粒径都不能代表宽筛分离子群的行为通过对宽筛分物料流化现
4、象的实验和理论分析，我们于1983年提出了宽筛分物料分层流化的概念，即在流化过程中，床粒粒径沿床层高度产生分层，由于自下而上的气流的淘洗，细粒子趋向床层的上部，大粒了沉向布风板形成分层流化，为改善底部大粒子的流化，我们提出风帽布置与床料粒径组成有关的设计方法，（2）通常可使布风板底部风速提高167286倍，从而使最大粒子直径提高到12MM左右。 对于灰粒作床料的流化床锅炉，灰粒的尺寸源于给煤粒度。即使将风速提高到6MS热态时也只能使粒径1MM左右的粒子进循环，而较大的粒子仍只能在床底部作鼓泡流化。有人认为，循环流化床锅炉内不存在鼓泡流化状态，只要存在鼓泡流化状态就是循环流化床锅炉，这种看法是错
5、误的。我们在金州热电厂75TH次高压循环流化锅设计方案论证会上已明确指出，以灰粒作床料的循环流化床锅炉，炉膛下部存在鼓泡流化区域。1991年美国出版的循环流化床锅炉设计与运行（3）一书第二章（流体力学）中也指出，循环流化锅炉内床料粒子在不同的部位处于不同的流体力学区域，二次风以上为快速流化区，二次风以下为湍流或鼓泡流化区。可见，不论是鼓泡化床还是循环流化床锅炉，只要是使用宽筛分的物料作床料，都存在分层流化现象。 二、床料的选择： 国外发展循环流化床锅炉，主要是为了降低燃煤锅炉SOX及NOX的排放，即所谓清洁燃烧。在床内添加石灰石，通过下述化学反应，使烟气中的CO2及SO3开成固体的CASO4随
6、床料排出，达到床内脱硫的目的。 CaCO3 - CaO+CO2 CaO +SO2+1/2O2 - CaSO4 根据美国近几年循环流化床锅炉的实际运行情况（4），为使脱硫效率达到90，钙硫摩尔比约需2至3，如石灰石中碳酸钙纯度能达到90，从上述二式可算出，对含硫S 3的煤，每燃用一吨煤，理论上需添加208至312公斤石灰石，对美国一台100TH高压循环流化床锅炉的实地考察发现，其实际耗煤量及石灰石耗量统计平均值分别为14TH及45TH石灰石给入率约为给煤率的30其燃煤及石灰石成分为： 煤C H O N S W A QYdW 571 40 62 11 26 151 139 19220KJKg 石灰
7、石：碳酸钙 碳酸美 氧化硅 水分 CACO3 MGCO3 SIO2 H2O 89 17 73 20 自“循环流化床燃烧技术的分折”（5）中的数据可算出，对于低硫低灰分的煤，石灰石给入率为给煤率的49，对高硫高灰分的煤，此值为236。 对一个装有2台220TH循环流化床锅炉的电厂，如年运行8000小时，参考上述实例，每年消费石灰石将达15万8千吨，可见石灰石的耗量是很大的。了既达到脱硫的目的，又节约石灰石，必须在锅炉运行中根据烟气分折的结果，随时调节石灰石的添加量。这样大量的石灰石在电厂内的破碎筛分、输送、存储、给料等均为一系列实际的工程问题，如电厂设计时未考虑石灰石加料系统，以后再加装也非易,
8、可见选择石灰石或选择灰渣作为床料，对锅炉及电厂设计有非常大的区别，对一个实际以灰渣作为床料的锅炉，临时在炉前加一些石灰石以研究其脱硫效果，是没有实际意义的。 目前国内的循环流化床锅炉电厂，均未考虑石灰石加料系统，实际上锅炉是以灰渣作床料，这一特残的国情使我国的锅炉设计与国外的应有所不同。 NOX排放量与燃烧温度有直接的关系。燃烧温度高于8509000C以后，NOX排放量急剧增加，由于循环流化床的燃烧温度比煤粉炉及;链条炉低很多，加上分级送风，可使NOX排放量进一步降低，从 这一方面看，只要采用流化床燃烧技术，不论采用何种床料，能级使NOX排放量大大降低，起到保护环境作用。 三、床料粒径与循环倍
9、率 1、 美国电力研究所先进动力系统部的一篇题为“循环流化锅炉”（6）的研究报告指出，高倍率循环流化床锅炉的床料一般应属于盖达尔特粒子分类A组。Geldart A组粒子室温下的平均粒径为 d225（PSPF） 式中d-半径um PS/PF- 粒子及气流的密度gCM3 当时，ps1.28-1.6g/cm时， d=176-141um 2.原德国鲁奇公司循环流化床锅炉的主要研究者，现瑞士苏黎士工业大学的罗萨瑞（ROTHAR REH）教授在瑞士化工上发表的一篇论文（7）给出了各种气固条件下的粒子特性相图，从该图可推出可用于循环流化床的 物料最大的阿基米德数为10000按循环流化床的烟气工况可折算出最大
10、粒径为169MM，此时的热态操作风速约为9MS。 3文献（3）指出，对于高于倍率循环流化床锅炉，操作风速与粒子终端速度的比值应为2。文献8中给出了不同物料的终端速度的曲线图，按操作风速求得的物料粒径列于表2。操作速度U0964MS终端速度UT4.532MS平均粒径MM氧化钙0.750.550.42石灰石0.60.450.35煤灰0.50.380.284、美国鲁霍夫，格林电厂循环流化床锅炉运行规程（1990）规定的石灰石粒度列于表3。 表3鲁霍夫格林电厂石灰石粒径美国标准筛号目12203050100140200相当的粒径MM1.750.8410.5950.2970.1490.1060.074筛下
11、物10080704220105重量平均径 0524MM 比表面积平均径0217MM5、CaoS与SO3反应之后，在碳酸钙的表面形成一层致密的硫酸钙，阻碍SO3进一步与粒子核心的钙反应造成石灰石耗量增高。粒径愈大，残留的钙核心愈大，从降低石灰石耗量考虑，采用小粒径的石灰石也是合理的。 综上所述，循环流化床锅炉所用的石灰石粒径是很小的，最大粒径约小于2MM。 对于以石灰石为主要床产的循环流化床锅炉，给煤流量占循环床料流量的25以下（循环倍率大於40时，）文献6指出，给煤粒度对循环流化床锅炉的性能影响不大，国外的一些广告性资料也经常指出循环流化床锅炉对给煤粒度要求不高，但对于石灰石粒径的严格要求避而
12、不谈，对以煤灰粒为床粒的循环流化床锅炉，如果也照搬国外的技术广告，对给煤粒度放得很宽，将使锅炉运行带来极大的困难。 实际上，国外对循环流化床锅炉燃煤的粒度也是有限制的。芬兰奥斯龙公司循环流化床锅炉燃用优质煤时的粒度要求列于表4。 表4 芬兰奥斯龙公司循环流化床锅炉燃煤粒度组成荐值。 无烟煤粒径MM02051.02.03.04.05.06.0筛下物7214475889698.8100平均粒径MM重量法 1490 比表面积法0589烟煤粒径MM0.51357101520筛下物1022587788.595.399100平均粒径MM重量法 350 比表面积法122亚烟煤粒径MM0.5125101520
13、304050筛下物5.812.320.4477285919798.8100平均粒径MM重量法 7796 比表面积法 1920可见，循环倍率与床料粒径有紧密的关系，要采用高循环倍率必须用细床料粒子，如采用煤灰作床料，煤粒直径分布为08或010MM，只能采用低循环倍率。 四、床料粒径与循环流化床锅炉结构布置 燃料在密相区中放出的热量一部分由烟气带出炉膛，其余部分由炉内布置的埋管吸收，或由循环物料将其转送入炉膛上部，由稀相区的受热面吸收。如放热量和吸热量不平衡，则将引起炉温过高而结渣或炉温过低而熄火。 如炉内不布置埋管，密相区放出的热量主要靠循环床料带出，如分离器直接布置在炉膛出口，则回送循环料的温度比炉膛温度低得不多（一般约1020）因此必需有较大的循环物料流率才足以控制密相区床温，即必需采用较高的循环倍率。如以煤灰作床料，很难达到高循环倍率，如按高循环倍率设计，可能因锅炉运行时密相区床温过高而限制给煤量的增加。造成锅炉不易达到设计出力。 如炉内布置埋管，则密相区放出的热量可由埋管管吸收一部分，如分离器设在过热器中间或后面，则分离下来的循环物料温度比炉膛温度低得多，
