CFBB的原理及特点

前言
能源与环境是当今社会发展的两大问题。

我国是产煤大国，也是用煤大国。

目前一次能源消耗中煤炭占76%，可在可见的今后若干年内还有上升趋势，而这些煤炭中又有84%是直接用于燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，以致于我国每年排入大气的87%SO2和67%NOx均来源于煤的直接燃烧，发展高效，低污染清洁燃烧技术是当前亟待解决的问题。

循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，重要特点在于燃烧和脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx 排放，90%的脱硫率和与煤粉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广，负荷调节性能好，灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。

我国在近年来也有100多台循环流化床锅炉投入运行或正在制造中，100MW级的循环流化床锅炉已有投运，而且更大容量的电站循环流化床锅炉在国际上正在示范运行，已被发电行业所接受和公认。

可以预见，在未来的几年将是CFBB 技术迅速发展的一个重要时期。

我厂2*135MW机组技改工程正是顺应这一潮流，锅炉设备采用哈锅生产的440t/h的循环流化床锅炉，匹配135MW汽轮发电机组。

机组在投运前的生产准备工作中，我们通过各种学习途径，对循环流化床锅炉有了一个较全面的认识。

在此基础上，为更好的了解循环流化床锅炉，进一步熟悉设备为新机组投运打下良好的基础。

同时也为循环流化床锅炉的理论培训工作做些有益的探索进行经验总结。

全书共分为十二章，第一、二、三、章分别讨论了循环流化床锅炉的起源和发展状况、原理及其流体动力学特性，着重探讨了循环流化床锅炉的工作特点，从鼓泡床过渡到循环流化床的各中特性，循环流化床内气固两相运动特性；第四章着重分析了循环流化床内的传热，传质特性；第五章探讨了煤粒在循环床内的燃烧过程及燃烧特性；第六章分析了脱硫脱氮的机理及排放控制；第七章介绍了循环流化床锅炉的结构及主要设备；第八章介绍了循环流化床锅炉的辅机，突出其特有性；第九章专门讨论了循环流化床锅炉的点火启动及正常运行；第十章讨论了循环流化床锅炉的控制与调节；第十一章探索了循环流化床锅炉的金属件及耐火材料的磨损及其各种预防措施；第十二章探索和分析了循环流化床锅炉的灰渣的综合利用及其发展前景；
循环流化床燃烧技术作为一种新型的洁净燃烧技术，正处于发展和完善阶段。

由于试验条件及运行实践等因素的局限性，在理论上至今尚未形成一致结论。

由于水平所限，其中缺点和错误难免，欢迎批评指正。

2003年6月20日
第一章 CFBB的起源和发展状况
第一节CFBB的起源
在谈循环流化床技术之前，首先要涉及到流态化技术，正如各种技术的形成一样，循环流化床技术的问世，也是一个逐渐被发展和完善的过程。

循环流化床技术是在最初被发现并应用的流态化技术的基础上发展起来的。

流态化技术最初来源于化工生产中的流态化反应器。

第一台成功运行的流化床是德国人温克勒于1921年发明的，他将燃烧产生的烟气引入一个装有焦碳颗粒的炉室的底部，然后观察到固体颗粒因受到气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体，这也是工业应用的流化床的雏形。

此后流态化技术才开始在燃烧领域应用。

流态化燃烧技术的应用最初是鼓泡床技术，其大概的工作过程是：碾碎的小颗粒燃烧通过给煤口送入炉内，床内布置有埋管蒸发受热面，空气由风室通过床下布风板送入床层，将燃料颗粒吹起上升，吹起的颗粒上升到一定的高度，在重力作用下又落下，再由空气吹起，然后又落下，如此反复上升，落下，好像水在沸腾时的状态一样，固体颗粒层也膨胀起来，此时固体颗粒便进入流化状态，这便是最初的鼓泡床燃烧。

从以上鼓泡床燃烧特点来看，其飞灰含碳量大，不完全燃烧损失大。

由于鼓泡床在燃烧宽筛分燃料尤其是劣质燃料时，固体未完全燃烧损失很大，加入石灰石脱硫效率低，埋管受热面和炉墙磨损大以及大型化时床面积过大受热面难以布置等缺点的限制，由于以上种种原因，人们便开始新的探索，力图在此基础上进行改进，克服固有缺点，循环流化床燃烧技术便应运而生。

提到循环流化床燃烧技术，不得不提到芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司。

新一代循环流化床燃烧技术真正得到应用始于上世纪七十年代末和八十年代初，奥斯龙公司对循环流化床锅炉的开发是60年代末期在鼓泡床的基础上开始的。

为提高燃烧效率，奥斯龙公司对运行风速为3m/s的鼓泡流化床采用高温旋风分离器来实现细粉的再循环进行了实验，结果表明燃烧效率得到提高，随后，奥斯龙公司在芬兰建造了第一台商用循环流化床锅炉，该锅炉的热功率为15MW。

在此基础上，循环流化床燃烧技术不断被发展，并形成几大技术流派，在工业领域迅速的得到大面积应用。

第二节循环流化床锅炉发展状况
一、流化床锅炉发展状况
自从第一台专门设计用于生产蒸汽的循环流化床锅炉投运以来，经过十多年技术开发和工程化的应用实践，CFBB发展到目前以生产许多不同流派和炉型，技术上也渐趋成熟。

其中较有代表性的是德国鲁奇（Lurgi）公司的CFBB，芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司的Pyroflow的CFBB，美国FW 公司的（FosterWheelerEnergyInternationalic）的FW型CFBB。

以下将分别予以介绍。

1、Lurgi型CFBB锅炉
典型的Lurgi型CFBB由主床燃烧室，高温旋风分离室，外置流化床换热器，回料器及其尾部对流烟道组成。

燃料及石灰石从主床密相区给入，在床内燃烧和反应；燃烧室温度控制在850~950℃左右，在较高气流速度作用下，固体物料拨撒充斥整个炉膛，物料从炉顶部被携带出燃烧室。

经高温旋风分离器分离后，一部分热物料被直接送回主床燃料室；另一部分送至外置床。

在外置床中热物料与埋管受热面和空气进行热交换，被冷却至400~600℃后，送回主床燃烧室或直接排出炉外。

由旋风分离器出口的高温烟气，经对流烟道受热面传热后，经静电除尘器或布袋除尘器排入烟囱。

Lurgi型CFBB最主要的技术特点是设置了外置流化床换热器。

分离器分离后的固体颗粒可以直接返回燃烧室，或进入外置换热器后再返回燃烧室。

通过调节进入外置换热器的物料量可以调节循环床的运行温度。

Lurgi型循环床锅炉燃用高灰高硫煤时床温一般控制在900℃，以利于碳燃尽；燃用低灰份煤时的床温控制在850℃，以加强石灰石的利用率。

Lurgi型循环流化床锅炉能够燃用多种不同的燃料，当燃料性质发生变化时可改变下述参数：1）燃烧室温度和过剩空气量；2）一、二次风比例。

Lurgi型CFB锅炉的燃料适应性较广，有在一台锅炉设计燃用多种燃料的业绩。

当燃料品质变
动较大时，通常采用调节进入外置床的灰流量，一、二次风配比及风量等手段，来保证锅炉稳定及较好的经济性能和环保性能。

对于外置流化床换热器的作用，Lurgi公司认为具有三个优点（1）是床温控制仅需调节进入外置流化床换热器与直接返回燃烧室的固体物料比例，比较灵活，无需改变循环倍率等其它因素；（2）是将燃烧与传热基本分离，可使二者均达到最佳状态；（3）是将再热器或过热器布置在流化床换热器中，调节汽温非常灵活，甚至无需喷水调节。

但该方案的缺点是增加了设备的投资与维护。

2、Pyroflow型CFBB
Pyroflow型锅炉主要由燃烧室，高温旋风分离器，回料器，尾部对流烟道等组成。

燃烧室下部由水冷壁延伸部分，刚板外壳及耐火衬里组成；上部炉膛四周为膜式水冷壁，炉膛中部布置有Ω型过热器或在炉膛上部布置翼墙过热器。

炉膛出口烟气携带的固体颗粒绝大部分被高温旋风分离器分离后，经回料器送回炉膛。

旋风分离器可布置在锅炉前面，两侧或炉膛与对流烟道之间，布置自由灵活。

一次风从炉底的布风装置送入，约占总风量的60~70%。

二次风在布风板上方两个或者三个不同高度送入，约占总风量的1~2%高压空气经回料器送入炉膛。

与Lurgi技术最大的不同在于Pyroflow不设外置换热器。

高温旋风分离器允许入口烟温为900℃，一般可达99%的分离效率，阻力约1000Pa。

其临界分离粒径约为70μm，小于70μm的飞灰进入对流烟道，经静电除尘器收集排除或部分进行飞灰再循环。

3、FW型CFB锅炉
FW型CFB锅炉的主要特点是采用蒸汽冷却旋风分离器，大型再热FW型CFBB还布置有换热器。

FW型CFB锅炉主要参数如下：
炉膛下部密相区流化风速4m/s~5m/s
炉膛上部稀相区运行风速5~5.5m/s
运行床温850~900℃
分离器内温度850~900℃
二、国内CFB锅炉开发应用现状
我国最早开始循环流化床燃烧技术的看法和应用是在八十年代初，与国外稍有不同的是，国外促使循环流化床燃烧技术发展的主要因素是其有利于环境保护污染排放低的优点，而国内促使循环流化床燃烧技术发展的因素主要是其能燃烧劣质燃料利用能源的优点。

早期开发研制主要由高等院校及科研单位与中小锅炉制造厂合作。

至八十年代末至九十年代初，已有一批35t/h、75t/h各种型式的循环流化床锅炉先后投入运行。

我国中小循环流化床燃烧技术虽然发展很快，炉型较多，制造厂分布较广，但是缺乏基础研究工作，市场急需的大容量循环流化床锅炉开发力度不足。

从应用角度来看，我国小型循环流化床锅炉应用较多，大多分布在化工，纺织，热电等企业，均没加石灰石脱硫，可见其发展并非环保因素。

我国电力生产是以火电发电为主的国家，煤炭资源分布极为不均衡，又多高硫劣势煤，随着我国经济的快速增长，能源需求的增加与防治环境污染的矛盾日渐突出，而传统的煤粉炉尾气脱硫投资较高，所以循环流化床锅炉技术及其产品将具有更大的市场潜力和良好的社会效益。

其广阔的市场前景促进了大型骨干锅炉制造企业重视循环流化床锅炉技术的发展。

先后有哈尔滨锅炉有限责任公司，东方锅炉股份公司等采取国际合作，技术引进等不同方式为国内化工及发电行业提供数台220t/h高压无再热循环锅炉。

同时，国际上的循环流化床锅炉供货商普遍看好中国市场。

至今已有石油，化工，电力等部门从国外购进一批的220t/h，410t/h 循环流化床锅炉。

国内各科研部门与哈锅和东锅合作，引进国外先进技术，正在开发和研制400t/h 以上级别，带中间再热的CFBB，随着我国能源政策的调整，CFBB必将具有广阔的发展前景。

第三节发展流化床锅炉的意义
一、节约燃料和利用劣煤
我国是一个以煤为能源的国家，煤炭资源仅次于前苏联，美国，煤炭年产量占世界第一位。

已探明我国煤炭储量达7700亿吨，南北煤炭储量和质量差别很大。

北方煤炭资源丰富，煤质好。

南方煤炭资源贫乏，煤质差。

多年来煤矸石可达4000~5000万吨，可装机2000~3000MW。

流化床燃烧锅炉能烧优质煤，也能少劣质煤。

带飞灰燃尽床的鼓泡床锅炉和循环流化床锅炉燃烧效率高，发展流化床的意义是不言而喻的。

二、保护大气环境
燃烧过程中生成的SO x，NOx等有害气体已威胁到全球，我国每年排入大气中的SO x约87%和NOx约67%来自煤的燃烧，造成了大面积酸雨，严重影响工业和农业的生产。

燃烧过程中生成的CO2和N2O和是产生地球温室效应的气体，更引起世界各国科学家密切关注。

研究报告指出，1988年的地球平均温度比前一些年提高了6℃。

由于气候变暖，地球的海平面在过去的100年中升高了14cm。

专家估计：如果现在地球变暖的趋势不加控制。

如孟加拉国领土的15%将被海水淹没，埃及12%~15%的可耕地将变成海洋。

总之，这一情况对岛国的影响十分严重。

就我国来说，将涉及到上海等沿海大中城市的淹没。

总之，燃烧过程中产生的有害气体，温室效应气体引起的全球变暖是没国界的，保护环境，保护地球，也就是保护人类本身，应作为头等大事列入联合国的议事日程。

流化床燃烧，采用石灰石作添加剂能实现燃烧中脱硫。

另外，流化床燃烧温度可控制在850~950℃，燃烧过程中生成的NOx能满足环保的要求。

三、流化床燃烧有利回收CO2
C2O是温室效应气体。

流化床燃烧首先采用床内脱硫，然后再用湿法脱除烟气中的C2O残余含量极微的情况下，用压力3.535×10×5Pa的蒸汽轰击烟气能回收C2O，使其压缩和液化，最后通过过滤达到食用等级的质量，以液体和干冰得到直接的经济效益。

由于减少了温室效应，阻止地球变暖而带来的海平面上升所得到的社会效益是无法用数字表示清楚的。

综上所述，流化床燃烧是一种很有前途的燃烧方式。

第二章CFBB的原理及特点
第一节流化床的基本概念（CFBB的原理）
一、颗粒流态化的概念（循环流化床的工作原理）：
1．流态化现象
当气体或液体以一定的速度向上流过固体颗粒层时，固体颗粒层呈现出类似于液体状态的现象，称为流态化现象。

2．流态化的定义
当气体或液体以一定的速度流过固体颗粒层，并且气体或液体对固体颗料产生的作用力与固体颗粒所受的其他外力相平衡时，固体颗粒层会呈现出类似于液体状态的现象或者当固体颗粒群与气体或液体接触时，固体颗粒转变成类似流体状态，这种操作状态称为流态化。

3．流态化过程及临界流化速度
当流体向上，流过颗粒床层时，固体颗粒的运动状态是变化的。

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。

当流速增加到某一速度后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的磨擦力所承托。

此时，对于单个颗粒来讲，它不再依靠与其他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，固体颗粒具有许多类似流体的性质。

固体颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低的流体流速，称为临界流化速度。

4．“散式”流态化和“聚式”流态化
一般的固体流态化，由于颗粒均匀地分散于床层中，故称为“散式“流态化。

而一般的气固流
态化，由于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，颗粒则被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，因此这种流态化称为“聚式”流态化。

二、液态化的流体力学特性
流化床流态化后，具有与流体一样的性质。

主要表现在以下几个方面：
1．浮力定律：密度小于流体密度的物体会浮在床层表面上。

2．液面特性：床表面保持水平，形状保持容器和形状。

3．小孔射流：在流化床侧面开孔，流化床固体物料象流体一样射流，离床层上表面越近,射流距离越小，越靠近流化床底部，射流距离越大，也可以从底部流出来。

4．连通效应：几个流化床底部连通后，床层高度自动保持同一水平高度。

气固流化床类似流体的性质还有：
1．在任一高度的静压似于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量。

2．密度高于床层表面密度的物体在床内下沉，密度小于床层表面密度的物体浮在床面上。

3．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。

三、循环流化床的原理及特征
在气流以不同速度通过固体颗粒床层时，固体颗粒床层会呈现不同的流动状态。

随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床，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。

快速流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。

颗粒团向各个方向运动，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，循环流化床由快速流化床（上升段）气固物料分离装置和固体物料回送装置组成。

循环流化床的特点可归纳如下：
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，颗粒团不断表成和解体，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。

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．强烈的颗粒返混，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．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．流化气体和整体性状呈塞状流。

10．流化气体根据需要可在反器器的不同高度加入。

四、循规蹈矩环流化床的一些基本术语。

为了便于对下面具体介绍循环流化床原理的理解，先简要介绍一些常用的基本名词术语。

为了理解方便，将在具体用到时再作解释。

1．空塔速度：也称空塔流化速度，表观速度，空床速度，其定义为单位截面空气的名义流速。

即：μ＝Q/A m/s (式中的A为床层截面面积，单位为m2；Q为总风量，单位为m3/s。

)。

由于实际运行时床内具有一定量的固体颗粒，且各个区域固体颗粒浓度各不相同，它们会占支部分空气流通面积。

因此空气的实际流通面积小于床面积A且随时发生变化，空塔速度也小于气流穿过的实际速度。

但是，引入这一假想的速度，对于定量表征床内流动的强弱。

对于不同流化床流态的比较，仍然是方便和有效的，可以说空塔速度流化风速等，均指空塔速度。

2．空隙率ε：床层空隙率ε表示床层单位体积中气相所占的体积份额。

则（1－ε）表示固相所占的体积份额，即：ε＝V b－V s / V b式子中：V b表示床层体积，单位为m3；V s表示在V b内固体
颗粒所占的体积，单位为m3。

容易推得：ε＝P s－P sp / P s 。

其中P s为颗粒真实比重，单位为kg/m3.；P sp为床层密度，单位为kg/m3。

3．循环倍率K：单位时间内循环流化床循环物料量与入炉煤量的比值，即：K＝G／B其中，G表示循环物料的质量流率（单位时间通过循环物料的质量），单位为kg/s . B表示给煤的质量流率（单位时间内通过的煤量），单位为kg/s
由于给煤量B是与锅炉容量成正比的，因此循环倍率表示了循环流化床中循环物料量的相对大小，K值越大，表示物料在单位时间内在床内的循环次数越多。

煤粒的燃尽与循环倍率有关，K值越大，越有利于煤的燃尽。

但当K值增加到一定程度后，对改善煤的燃尽就没有什么显著作用了。

相反过高的循环倍率要求更高的风机电耗，并带来更大的磨损。

因此，近年来，各种炉型的高温分离循环流化床锅炉的循环倍率纷纷以早期的60~70（甚至更高）降至目前的30~35左右。

东方锅炉厂的循环倍率5.5~5.7倍。

哈尔宾锅炉厂的循环倍率5.4~6倍。

循环倍率与流化风速直接相关，目前循环流化床的流化风速一般在4~6m/s范围内，我厂在5.68m/s。

4．断面固体流率G s：单位时间内通过单位床层截面的固体物料量，即：G s＝G／A kg/(m3·s)其中，G为固体物料质量流率，单位为kg/s；A为床层截面积，单位为m3。

5．固气比M：通过单位床截面的固体质量流率与气体质量流率之比，即在标准状况下单位体积的气体含固体粒子的重量，单位为kg/m3。

M＝G s／ρgυo，其中G s为断面固体流率
ρg为气体密度
υo为气体流速
容易推得：M＝G s／ρgυo ＝G／Aρgυo ＝G／G g，式中G为固体颗粒质量流率，单位为kg/m；G g为气体质量流率，单位为kg/s。

6．沉降速度
在研究颗粒携带及颗粒分离的工作中，通常将最主要的几个影响因素，如颗粒粒径、密度和流体物性，综合起来用沉降速度表示。

颗粒在静止空气中以初速为零自由下落，当下落速度增至某数值时，颗粒受到的阻力、重力和浮力之间将出现平衡。

颗粒则以匀速向下运动，这一临界速度称为沉降速度，用μt表示，若液体在垂直管中向上流动，颗粒自由落下，当流速增至某一值时，颗粒将呈悬浮状态，流速再增大，颗粒即被带出，这一速度称为带出速度。

仅当管径远大于粒径时，带出速度与沉降速度数值相等。

7．分离高度（TDH）
悬浮段中的颗粒并非全部由沉降速度或带出速度的颗粒组成，实际上还存在着粒径大到其沉降速度μt远超过流化速度μ的颗粒。

由鼓泡床颗粒携带现象可知，气泡上升时床层局部气速较高。

气泡在界爆裂时将颗粒抛向自由空间，取决于这些颗粒的沉降速度，在界面将被输送到所获得的初速度及流化速度，颗粒将被输送到不同的高度。

其中μt＞μ的大颗粒在向上运动中逐渐减速，最后折回到床内；μt＜μ的小颗粒则被气流携带向上运动，最终达到气力输送时的饱合携带状态。

因而，床界面上的颗粒浓度挑起随高度而下降，达到某一高度后，床中只存在μt＜μ的小颗粒，这段允许大颗粒从气流中得到分离的高度称为分离高度TDH（F）。

当达到颗粒浓度不再下降时的高度则定义为输送分离高度TDH（C）。

8．携带与扬析
携带与扬析是两个不现的概念，应用的场合也不同。

携带一般是指单一颗粒或多组分系统中气体从床层中带出颗粒的现象；扬析表示从混合物中分离和带走细颗粒的现象。

扬析：气流穿过各种直径颗粒混合物组成的流化床层时，一些终端速度小于表现速度的细粒子将陆续地被上升气流带出。

携带：对燃煤CFB密相区处于聚式湍流流化床锅炉，床内存在大量气泡，由于气泡在床表面爆破，而使许多粒子被抛掷向上，并被上升气流夹带上行，其中一些终端速度大于表观速度的粒子，。