循环流化床讲解

一、循环流化床锅炉的原理（一）循环流化床的工作原理1．流化态过程当流体向上流过颗粒床层时，其运动状态是变化的。

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之后，颗粒不再由分布板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。

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，相反的，在失去了以前的机械支撑后，每个颗粒可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质。

这种状态就被称为流态化。

颗粒床层从静止转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。

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。

2．循环流化床锅炉的基本工作原理高温炉膛的燃料在高速气流的作用下，以沸腾悬浮状态（流态化）进行燃烧，由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。

一次风由床底部引人以决定流化速度，二次风由给煤口上部送人，以确保煤粒在悬浮段充分燃烧。

炉内热交换主要通过悬浮段周围的膜式水冷壁进行。

（二）流化床燃烧设备的主要类型流化床操作起初主要应用在化工领域，本世纪60年代开始，流化床被用于煤的燃烧。

并且很快成为三种主要燃烧方式之一，即固定床燃烧、流化床燃烧和悬浮燃烧。

流化床燃烧过程的理论和实践也大大推动了流态化学科的发展。

目前流化床燃烧已成为流态化的主要应用领域之一，并愈来愈得到人们的重视。

流化床燃烧设备按流体动力特性可分为鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉，按工作条件又可分为常压和增压流化床锅炉。

这样流化床燃烧锅炉可分为常压鼓泡流化床锅炉、常压循环流化床锅炉、增压鼓泡流化床锅炉和增压循环流化床锅炉。

其中前三类已得到工业应用，增压循环流化床锅炉正在工业示范阶段。

循环流化床又可分为有和没有外部热交换器两大类。

（如图a和b）（三）循环流化床锅炉的特点1．循环流化床锅炉的主要工作条件项目数值项目数值温度（℃）850—950 床层压降（kPa）11—12流化速度（m/s）4—6 炉内颗粒浓度150—600（炉膛底部）（kg/m3）床料粒度（μm）100—700 Ca/S摩尔比 1.5—4床料密度（kg/m3）1800—2600 壁面传热系数[W/210—250（m2·K）]燃料粒度（mm）<12脱硫剂粒度（mm）1左右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，上述部分形成了一个固体物料循环回路。

第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。

循环流化床燃烧锅炉的基本特点如下：（1）燃料适应性广，几乎可燃烧一切煤种；（2）低污染燃烧，脱硫效率高达90% （3）燃烧热强度大，炉膛体积比一般常规锅炉小得多；（4）床内传热系数高，可减少受热面的金属磨损，使受热面布置紧凑；（5）负荷调节性能好、范围大（30%－100%），低负荷下稳定燃烧特性好；（6）灰渣可综合利用；（7）循环流化床锅炉电耗比煤粉炉小10%；（8）只需将煤破碎，不必制成煤粉，可节约磨煤费用。

二、循环流化床锅炉的主要设备循环流化床锅炉主要由燃烧系统、气固分离循环系统、对流烟道三部分组成。

其中燃烧系统包括风室、布风板、燃烧室、炉膛、给煤系统等几部分；气固分离循环系统包括物料分离装置和返料装置两部分；对流烟道包括过热器、省煤器、空气预热器等几部分。

其中气化装置、分离装置和固体物料回送装置是循环流化床锅炉有别于其他类型锅炉的主要部件，下面分别介绍这三种主要设备。

1．气化工艺（1）气化剂：在煤的气化过程中，使用不同的气化剂可得到不同质量的产品气。

通常采用的气化剂有氧（包括空气）、水蒸气、二氧化碳和氢，它们和煤反映的速率都不同。

例如，氧气反应速率比水蒸气高3个数量级。

（2）气化炉：流化床气化炉由于具有床温均一、气固接触良好、气化强度高、气体中焦油含量少且适合于粉煤等特点，普遍受到人们的重视，目前已开发了十多种该类型的气化炉。

各种气化炉的主要区别为供热方式（自热式、循环热载体）、排灰方法（干法、熔聚法）以及为改善碳转化率而采取的措施，目前最典型的第二代流化床煤气化炉有HTW（高温温克勒）、KRW和U-Gas炉。

（3）循环流化床的气化工艺a. 循环流化床气化灰熔聚工艺近几年来，循环流化床气化技术迅速发展，循环流化床气化炉相对鼓泡床，由于采用了更高气速，气固接触时间增加，气化强度和碳转化率得以提高。

循环流化床的气化剂由下部鼓入，与给入的煤和石灰石进行气化反应和脱硫反应，气化炉运行温度为 750～1100℃。

煤气和炭粒经炉膛出口高温分离器分离后，大部分粗炭粒由下料管进人流化床返料器，再返回气化炉下部。

从高温分离器出来的粗煤气中含有大量高含碳量细灰，如这部分不加以利用，将直接影响碳转化率；但如直接将这部分细灰分离下来，送回气化炉内，由于这些细粒子太细，将立即被从炉内吹走，从而碳转化率提高不大。

目前，一般采用细灰熔聚技术，即高温粗煤气经热交换器冷却后，进人高效多管分离器分离，分离下来的细灰送至流化床式返料器燃烧，使熔聚成大块，再返回气化炉气化。

但如何实现细灰熔聚而不至于形成大粒度或结焦，导致返料器运行恶化，目前该技术仍处在研究阶段。

b。

循环流化床气化燃气一蒸汽联产工艺我国目前民用煤气供应严重短缺，除少数大城市外，大部分中小城市居民仍用煤做饭取暖，不但生活很不方便，而且环境污染严重，燃料浪费大。

解决广大中小城市、工厂居民煤气供应问题是目前迫切而又首要的任务。

但长期以来煤的气化工艺都追求煤的完全气化，为生产中热值煤气，采用细粉给料、高温高压运行、纯氧鼓风等，装置投资成本很高，无法为中小城镇所接受，寻求一种简单、投资省的煤制气工艺，一直是人们追求的目标。

为此，浙江大学热能工程研究所在1986年提出了煤干馏和部分气化产生民用煤气，半焦送燃烧炉燃尽、产汽发电方案，使煤中成分得到合理利用。

该方案中最关键的是气化炉热源和半焦燃烧问题。

循环流化床技术的发展为解决半焦燃烧和采用循环热载体提供气化热源提供了可能。

燃料经给料机给入气化室，首先受热裂解，析出高热值挥发分，半焦中部分碳和气化剂反应形成水煤气，气化吸热由燃烧室的高温循环物料来提供。

气化后半焦随循环物料送入燃烧室燃尽，燃烧室为快速床，空气鼓风，运行温度为900～950℃，燃用气化室来的半焦，产生热量，加热从气化炉来的低温循环物料变为高温物料，再送至气化室，提供气化吸热和产生水蒸气。

从气化炉出来的高温煤气，经煤气冷却器冷却，净化器净化，除去灰、焦油、水后，变成净煤气输出供民用。

从燃烧室出来的高温烟气经烟气冷却器冷却，除尘器除尘后，排入大气。

由燃烧室、煤气冷却器、烟气冷却器产生的蒸汽，除少量供气化炉用汽外，大部分用于发电、供热，也可制冷。

如此实现厂煤气热电三联产或煤气热电冷四联产。

2．气固高温分离装置：（1）分离及回送对循环流化床锅炉的重要性循环流化床的分离机构是循环流化床的关键部件之一，其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的快速流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应。

这样，才有可能达到理想的燃烧效率和脱硫效率。

因此，循环流化床分离机构的性能，将直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置及锅炉运行性能。

循环流化床的分离机构必须满足下列几个要求：①能够在高温情况下正常工作；②能够满足极高浓度载粒气流的分离；③具有低阻的特性，因为分离装置的阻力增大势必要增大风机的压头，增加能耗；④具有较高的分离效率，实际上循环倍率在很大程度上是靠分离器的效率来保证的，这里较高的效率不完全是对于大颗粒，而且也指小煤粒或脱硫剂，因为稳定运行后床内参与循环运动的固体颗粒可能会较粗、较重，分离器仅分离这一部分颗粒也能达到很高的分离效率；⑤能够与锅炉设计的流程相适应，使锅炉结构紧凑，易于设计。

（2）分类：主要有高温旋风分离器和惯性分离器a．高温旋风分离器：旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将颗粒从气流中分离出的一种干式气-固分离装置。

高温旋风分离器分离效率高，但体积庞大，结构复杂，且这种分离器工作温度高，需用的耐火和保温材料厚，启动时间长，相对来说散热损失也较大。

b。

惯性分离器：在惯性分离器内，主要是气流急速转向或冲击在挡板上后再急速转向，其中颗粒由于惯性效应，运动轨迹与气流轨迹不一样，从而使两者获得分离。

惯性分离器不需要很厚的保温层，结构比较紧凑，启动和停炉也比较容易。

但其分离效率较低。

3．固体物料回送装置（1）回送装置的作用：循环流化床锅炉的最基本特点之一是大量固体颗粒在燃烧室、分离机构和回送装置（有些炉型还包括外置式换热器）所组成的固体颗粒循环回路中循环。

由于分离装置中固体颗粒出口处的压力低于炉膛内固体颗粒人口处的压力，所以固体颗粒回送装置的基本任务是将分离器分离的高温固体颗粒稳定地送回压力较高的燃烧室内，并且保证气体反窜进入分离器的量为最小。

综上所述，对固体物料回送装置的基本要求有如下三点：a．物料流动稳定。

这是保证循环流化床锅炉正常运行的一个基本条件。

由于固体物料温度较高，回送装置中又有充气，在设计时应保证在回送装置中不结焦，流动通顺。

b。

无气体反窜。

由于分离器的压力低于燃烧室的压力，回送装置是将物料从低压区送到高压区，而类似于旋风分离器这一类分离装置如果有气体从下料管进人会降低分离效率，从而影响物料循环，所以回送装置必须保证产生足够的压差来克服负压差，既起到气体的密封作用而又能将固体颗粒送回床层。

c。

物料流量可控。

即能够稳定地开启或关闭固体颗粒的循环，同时能够调节或自动平衡固体物料流量，从而适应锅炉运行工况变化的要求。

（2）回送装置的类型：回送装置一般由立管和阀两部分组成。

立管的主要作用是防止气体反窜，形成足够的压差来克服分离器与炉膛之间的负压差，而阀则起调节和开闭固体颗粒流动的作用。

在各种类型的回送装置中，立管的差别不是很大，主要的差别是在阀的部分。

一般的流量控制装置可分为机械阀和非机械阀两大类。

机械阀靠机械构件动作来达到控制和调节固体颗粒流量的目的，如球阀、蝶阀、闸阀等。

但由于在循环流化床锅炉中循环物料温度较高，阀需在高温下工作，机械装置在高温状态下会产生膨胀和高温氧化，运动部件中还极易进人固体颗粒，产生卡塞等现象。

又由于固体颗粒的运动，在高温状态下工作的部件的磨损也相当严重，所以机械阀在循环流化床中的应用变得十分困难，除了极少数炉型曾报道采用机械阀外，循环流化床锅炉中几乎全部采用非机械阀。

非机械阀无须任何外界机械力的作用，仅采用气体推动固体颗粒运动，实现在高温工况下简单、可靠地输送固体物料。