燃料与燃烧4——流化床燃烧技术

1.3.2.6 运行水平
流化床的燃烧效率与运行水平亦有密切关系。一台设计比较 好的流化床锅炉，如运行水平不高，技术管理不善，则有可能降 低燃烧效率。锅炉在运行中应根据负荷和煤质的变化，随时调整 燃烧工况，保持正常的床温和合理的风煤比，以降低CO和碳不完 全燃烧损失。 此外，还要维持适当的料层高度，料层过高，会增大风机电 耗。料层过薄，又会导致燃烧工况不稳定，燃料在床内的停留时 间缩短，增加溢流渣含碳量。排放底渣应根据风室静压（一般在 10000Pa左右）变化，勤排少排，避免造成过大的冷渣含碳不完全 燃烧损失。
项目 截面形状 直径/m 高度与当量直径比 反应器壁面 床料分布及平均直径/mm 循环流化床锅炉 大都为矩形 4-8(当量直径） <5(10) 膜式水冷壁（垂直管和鳍片） 约0.2 5-8 <10-15 20-40 <1(0.1-0.4)
表观气体速度/(m/s)
下部 外部循环物料/[kg/(m2.s)] 一次通过平均颗粒停留时间/s 稀相区平均颗粒体积份额/%
循环流化床锅炉炉内流 体动力结构示意图
1.3 燃料在流化床内的燃烧过程
1.3.1 固体燃料在流化床内的燃烧特性
煤粒被加入高温的流化床内后 的燃烧过程将经历如下几个主要过 程：干燥和加热、挥发分析出及燃 烧、焦炭燃烧，期间伴随着颗粒的 膨胀、一次破碎、二次破碎及颗粒 磨损等过程。
煤粒燃烧所经历的几个历程
1.3.2.5 床温
在床层中煤粒挥发分的析出速率和碳的反应速率均随流化床床温 的升高而加快。因此提高床温有利于提高燃烧效率和缩短燃尽时间。 但床温的提高受到灰熔点的限制，考虑到床层断面上温度的不均匀性， 燃料颗粒表面温度高于床层温度，通常要求床温比煤的变形温度低 100-200℃。所以床温的高限应根据煤的变形温度来确定，一般不超过 1000-1050℃。对于采用添加剂在床内进行脱硫的流化床锅炉，脱硫的 最佳反应温度在850℃左右，床温过高尤其当床温高于900℃以上时， 脱硫率会明显降低，钙硫比增大。
煤质对流化床燃烧尤其是循环流化床燃烧过程形成飞灰及底渣性 质及其比例影响很大，一般来说，含灰量少的煤种在燃烧过程中由于 一次破碎、二次破碎剧烈以及磨损过程的影响，所产生的灰渣颗粒较 细，其飞灰份额通常较高，可以达70%以上，而对于煤矸石、石煤等 高灰分燃料由于挥发分含量低、灰分含量高以及煤粒致密等原因，产 生的灰渣颗粒中细颗粒含量相对较少，往往飞灰份额要比底渣份额要 低，有时低于25%。 燃煤粒径及粒径分布对流化床燃烧有极大影响。在流化床中， 大于 1mm的较粗煤粒的挥发分析出和碳的燃烧受扩散控制，挥发 分完全析出时间和碳粒完全燃尽时间与粒径的平方成正比，因此要 缩短挥发分完全析出时间和碳粒完全燃尽时间，减少可燃物损失， 在尽量降低细颗粒扬析的情况下，适当减小燃煤粒径，缩小筛分范 围是提高燃烧效率的一项有效措施。
1.3.2.2 分离效率 分离装臵的分离效率对循环流化床燃烧过程具有很大的影响，主要 表现在： （1）对燃烧效率的影响 分离装臵设臵的目的是希望把不完全燃烧的燃 料颗粒收集下来重新送回炉膛实现多次循环燃烧。分离器效率越高，燃 烧效率越高。
（2）对炉内温度场分布的影响 分离器效率直接影响回送到炉膛内的灰 流量，炉内灰流量越高，意味着从密相区携带出更多的热量进入稀相区， 同时稀相区的传热强度越高，这样不仅使得沿炉膛高度的温度分布更加 均匀，而且炉膛平均温度水平可能降低。
1.3.2.4 给煤方式及二次风的配置
加入到床层的燃料要求在整个床面上播撒均匀，防止局部碳浓度过高， 以免造成局部缺氧、超温。因此，给煤点应分散布臵。对于挥发分含量很高 的烟煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的挥发分都不能在床 层内完全燃尽，进入锅炉尾部受热面后被冷却，形成焦油并与飞灰黏附在受 热面上，堵塞烟气通道，影响锅炉安全运行。 为了有效控制煤燃烧过程中氮氧化物的形成和风机电耗，目前流化床锅 炉通常采用分级燃烧方式。一次风主要保证密相区内的良好流化和必要的燃 烧放热。由于一次风比例不高，而在密相区内的可燃成分浓度较高，所以密 相区通常处于缺氧燃烧气氛下。二次风的加入正是提供燃料进一步燃烧所需 的氧量。由于二次风从壁面加入，同时温度较高的炉膛中心区域更需要补充 氧量，所以二次风的布臵要求二次风应该具有足够的动量，较好的穿透能力， 从而能进入远离壁面的区域和炉内烟气混合均匀，否则就会出现二次风在炉 内混合不均匀，加剧炉膛径向温度分布梯度，不仅降低燃烧效率，而且也容 易引起燃烧过程污染物排放量的增加。
典型的循环流化床燃烧系统
循环流化床燃烧技术具有如下特点和优势： ① 整个燃烧室的颗粒浓度都比较高，而且下部密相区和稀相区的之间存在一个 过渡区域，在这个区域内颗粒浓度从密相区的高浓度逐渐降低到稀相区内的一
个较低的浓度。
② 燃烧室内颗粒的横向混合更加剧烈，燃料加入点数可以大大减少。 ③ 炉膛上部稀相区存在着强烈的物料返混。颗粒在燃烧室上部稀相区的中心区
1.4 流化床内的传热与传质过程
流化床燃烧过程中的传热规律和传热系数对流化床锅炉的设计、 制造和运行可靠性和安全性方面起着举足轻重的作用。
在流化床燃烧炉中存在各种不同的传热过程：
① 颗粒与气流之间的传热（床内颗粒与床内气流）；
② 颗粒与颗粒之间的传热； ③ 整个气固相与受热面（包括壁面与悬吊在床内表面）之间的传热；
1.1.1 循环流化床燃烧技术
燃烧室内的流化床速度提高到4-6m/s甚至更高后，把更多的床料 颗粒从燃烧室下部带到了上部稀相区，这样不仅使得更多的燃料在上 部燃烧，而且也通过这些携带的大量细灰颗粒从密相区带出了大量热 量，从而使得燃烧室上部颗粒浓度增加，燃烧室温度分布均匀。同时 通过布臵飞灰颗粒分离及回送装臵，把携带出燃烧室细灰颗粒中不完 全燃烧的燃烧颗粒或未完全反应的脱硫剂颗粒重新送回到燃烧室内循 环燃烧或利用，从而大大提高燃料燃烧效率和脱硫剂利用率。这种状 态运行的流化床燃烧技术称为循环流化床燃烧技术，近三十年内得到 快速发展的一种新型燃烧技术。
1 流化床燃烧技术原理及过程
1.1 流化床燃烧技术原理及特点 流化床燃烧是一种燃烧化石燃料、废物和各种生物质燃料的燃 烧技术，它的基本原理是燃料颗粒在流态化（流化）状态下进行燃 烧。一般粗粒子在燃烧室下部燃烧，细粒子在燃烧室上部燃烧，被 吹出燃烧室的细粒子采用各种分离器收集下来之后，送回床内循环 燃烧。 流化床燃烧技术是一种介于层燃和悬浮燃烧之间的燃烧方式， 而流化床燃烧技术又可分为鼓泡流化床燃烧技术和循环流化床燃烧 技术。
域随气体向上流动，而在边壁区域内存在着大量向下流动的颗粒。同时，稀相 区内存在着大量的由细灰颗粒聚集或团聚而成的颗粒团，这些颗粒不断形成和 解体，并且向各个方向运动。
④ 颗粒与气体之间的相对滑移速度大和强烈的颗粒返混，使得燃烧室内的气固 两相混合较好。 ⑤ 大量的燃烧颗粒和细灰颗粒被携带到燃烧室上部，不仅使得燃烧室上部区域 燃烧份额提高和更多的热量从密相区进入上部稀相区，而且高颗粒浓度和良好
1.3.2 影响流化床燃烧的主要因素 1.3.2.1 燃煤特性 煤质对流化床燃烧过程影响很大。 ①对于挥发分含量较高、结构 比较松软的烟煤、褐煤和油页岩等燃料，当煤进入流化床受到热解时， 首先析出挥发分，煤粒变成多孔的松散结构，周围的氧向粒子内部扩 散和燃烧产物向外部扩散的阻力减小，可以提高燃烧速率。 ②对于挥发分分量少，结构紧密的无烟煤、石煤等，当煤热解时， 分子的化学键不易破裂、内部挥发分不易析出、四周的氧气难向粒子 内部扩散，燃烧速率降低。 ③ 对于挥发分含量少，挥发分析出后对煤质结构影响不大和那些 灰分高、含碳量又低的石煤、无烟煤等，煤粒表面燃烧后形成一层坚 硬的灰壳，阻碍着燃烧产物向外扩散和氧气向内扩散，煤粒燃烧困难。
同的传热系数，因此流化床料粒径分布不同必然会导致床内传热特性的不同。一 般来说，粒径小，则传热系数就大。
（3）颗粒浓度及颗粒循环量的影响 颗粒浓度越高，颗粒的扰动也越大，相互
之间碰撞的机会也越多，因而传热条件愈好，传热系数愈大。返料量增大，传热 系数也增大。这是因为随着返料量的增加，使床内颗粒量也增加，而风速不变， 使颗粒在床内的停留时间基本保持不变，从而使床内颗粒浓度增加，引起传热系 数增大。 （4）床温的影响 随着床温升高，颗粒传热系数总体上有所增大；但床温高于 400℃后，床温增高时颗粒传热系数几乎不再增大，甚至反而逐渐降低。不过， 这两种趋势下，颗粒传热系数的变化幅度均较小。
的混合强化了稀相区的传热传质过程，这使得循环流化床燃烧室温度分布均匀。
⑥ 循环流化床具有很高的燃烧效率，通过颗粒分离及回送装臵，实现燃料的循环燃 烧，而且燃烧室内的颗粒存在返混，这使得固体物料在床内的停留时间大大延长， 提高了燃烧效率，燃煤循环流化床燃烧效率可达到98-99%。
⑦ 具有很高的炉内脱硫效率和脱硫剂利用率。由于停留时间长，气固两相混合好、 燃烧室温度分布均匀以及颗粒磨损大等特点，使得脱硫剂颗粒在与烟气SO2良好 接触状态下，在合适的温度下长时间反应，而且颗粒磨损可及时剥落颗粒表面的 反应产物而进入颗粒内部反应。这些使得循环流化床锅炉内脱硫过程可以获得比 鼓泡流化床燃烧过程高得多的脱硫效率，而且脱硫剂利用率高，通常情况下，在 钙与燃料中的硫摩尔比Ca/S为1.5-2.5的情况下可以达到90%以上的脱硫效率。 ⑧ 由于运行速度的提高，燃烧室截面小，循环流化床燃烧室的单位截面的热负荷较 高，约为3.5-4.5MW/m2，与煤粉燃烧相当。
G
s

G A
c
b
式中 Gs—循环流化床循环颗粒流率，kg/(m2.s)； Gc—循环物料量，kg/s。 Ab—床截面积，m2。
1.2.2 循环流化床的气固两相流体动力特性
一般来说，循环流化床锅炉炉膛截面积形状大都是矩形或方形的，其高度与截 面当量直径之比要小得多，而且炉膛通常布臵垂直的膜式水冷壁以吸收热量。循环 流化床锅炉的炉内床料是宽筛分的粗颗粒，如中国循环流化床锅炉常用的煤粒粒径 为0-10mm。
循环流化床燃烧技术的典型运行速度是在 5-8m/s之间，在这样的运 行速度下，总会有一部分较粗颗粒不能被携带到炉膛上部空间而一直留 在炉膛下部，与送回的循环物料一起形成比较明显的炉膛下部密相区， 而且气体速度的任何变化都会导致炉膛内颗粒浓度分布的变化。 炉膛内存在下部密相区和上部稀 相区都已被普遍接受，循环流化床锅 炉炉内流体动力结构如图。，炉内颗粒碰撞频 率越高，颗粒磨损严重。
1.3.2.3 布风装置和流化装置
流化床要求布风装臵配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉淀，底部 流化质量良好，减少冷渣含碳量。因此，合理的布风结构是改善流化 质量，降低运行速度，减少细颗粒的带出量，提高燃烧效率的有效途 径。一般采用小直径风帽，合理布臵风帽数量和风帽排列方式，设计 良好的等压风室，合理控制入床的过量空气系数等，对提高流化质量 均收到了明显的效果。
④ 气固相与入床气流之间的传热。
实际上，复杂的床内传热过程是上述各种过程的组合。根据分析， 综合考虑在流化床内的几种传热方式，设计流化床锅炉时一般只需考 虑气固相与受热面间的传热即可。
影响流化床内颗粒传热系数的影响因素
（1）流化风速的影响 随着流化风速的增加，气固之间扰动剧烈，颗粒碰撞也 增强，严重破坏了颗粒边界层，从而使颗粒传热系数增大。 （2）颗粒粒径的影响 粒径对传热系数的影响甚大。不同直径的颗粒对应着不
⑨ 燃烧设备的负荷调节范围大，负荷调节速度快，循环流化床调节比可以达（34）:1，负荷调节速度可以达到每分钟5%左右。
1.2 流化床及其流体动力特性 1.2.1 气固流化
通常流化被定义为当固体粒子群与气体或液体接触时，使固体粒子转化变成 类似流体状态的一种操作。
固定床
鼓泡流化床
湍流流化床
快速流化床
气力输送
不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态
循环物料量是快速流化床运行中一个非常重要的参数，该参数对床内的 流体动力特性、燃烧特性、传热特性以及变工况特性等影响很大。循环物料 量的定量表述一般采用两种方法，第一种方法采用循环倍率的概念，其定义 式如下：
式中 Rs—循环倍率； Gc—循环物料量，kg/s。 Fc—物料加入量，kg/s。 第二种方法是用单位床层面积上的循环物料量直接来表述。