循环流化床基础知识

我国的电力工业是国民经济发展的基础产业，在我国，电力生产主要以燃煤火力发电为主，由于燃
煤发电的直接污染较大，特别是SO
2、NO
X
的排放。

SO
2
的排放是造成酸雨的主要原因，为了通过炉内
燃烧技术的改进，降低SO
2、NO
X
排放量，我国从60年代开始对循环流化床锅炉进行研究，并在90
年代以后和外国公司联合研究并取得了较大有发展，现在循环流化床锅炉已发展成熟并在全国广泛应用。

流化床燃烧设备按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床，按工作条件分为常压和增压式流化床。

循环流化床锅炉技术是一种新型的高效低污染清洁的燃烧技术，上世纪70年代的能源危机和越来越突出的环保问题使人们促进了这种燃烧技术的发展。

现在大型循环流化床锅炉的主要炉型有三大流派，分别为：以德国Lurgi公司为代表的鲁奇型和以美国的Foster Wheeler 、芬兰的Alstorm公司（两者兼并）为代表的FW Pyroflow型和德国Babcock公司的Circofluid型。

我国东方锅炉厂采用的是FW公司的Pyroflow型的改进型循环流化床锅炉。

北京B＆W锅炉厂采用的是德国Babcock公司的架构和技术。

哈尔滨锅炉厂有限责任公司(HBC)与美国PPC(奥斯龙技术)以及国内的科研单位合作也开发了自己的大型循环流化床锅炉。

上海锅炉厂引进美国ＡＬＳＴＯＭ技术、消化吸收自行设计制造了自己的循环流化床锅。

由于国内各大锅炉厂商的参与，我国的大型循环流化床技术已趋于成熟
[trade] 第一节循环流化床锅炉的概念
循环流化床锅炉是在鼓泡床锅炉（沸腾炉）的基础上发展起来的，因此鼓泡床的一些理论和概念可以用于循环流化床锅炉。

但是又有很大的差别。

早期的循环流化床锅炉流化速度比较高，因此称作快速循环循环床锅炉。

快速床的基本理论也可以用于循环流化床锅炉。

鼓泡床和快速床的基本理论已经研究了很长时间，形成了一定的理论。

要了解循环流化床锅炉的原理，必须要了解鼓泡床和快速床的理论以及物料从鼓泡床→湍流床→快速床各种状态下的动力特性、燃烧特性以及传热特性。

一．流态化：
当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。

对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为“散式”流态化。

而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒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，这种流态化称为“聚式”流态化。

循环流化床锅炉属于“聚式”流态化。

固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。

二．临界流化速度
1. 对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然解锁，床层压降降至床层的静压。

如果床层是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。

颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。

随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。

循环流化床锅炉一般的流化风速是2－3倍的临界流化速度。

2. 影响临界流化速度的因素：
（1）料层厚度对临界流速影响不大。

（2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。

（3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。

（3）流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小。

床温与临界流速的关系如图所示。

第二节循环流化床锅炉的工作原理
一、流化过程
如图所示，固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的流动状态：固定床、、紊（湍）流流化床、快速流化床、气力输送。

循环流化床处于紊（湍）流流化床与快速流化床阶段。

固定床：此种状态下，气流在颗粒的缝隙是流过，所有固体颗粒呈静止状态。

鼓泡流化床：当气流速度达到一定值时，静止的床层开始松动，当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚集成更大的气泡穿过料层并破裂。

整个料层呈现沸腾状态。

鼓泡流化床存在明显的分界面，其上部为稀相区，包括床层表面至流化床出口间的区域，也称为自由空间或悬浮段。

下部为密相区，也称为沸腾段。

紊（湍）流流化床：随着气流速度继续上升到一定数值，固体颗粒开始流动，床层分界面逐渐消失，固体颗粒不断被带走，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。

此时的气流速度为床料终端速度。

快速流化床：当气流速度进一步增大，固体颗粒被气流均匀带出床层。

此时气流速度大于固体颗粒的终端速度，床内颗粒浓度基本相等。

床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。

循环流化床的上升段属于快速流化床。

快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速，单位高度床层压降沿床层高度不变。

气力输送：分为密相气力输送和稀相气力输送。

对于前者，床内颗粒浓度变稀，并呈上下均匀分布状态，其单位高度床层压降沿床层高度不变。

增大气流速度，床层压降减小。

对于后者，增大气流速度，床层压降上升。

密相气力输送的典型特征为：床层压降用于输送颗粒并克服气、固与壁面的摩擦。

稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。

由上述燃烧分类可知，链条炉排炉采用的是固定床燃烧方式，而煤粉炉则采用了最稀相的悬浮燃烧方式。

二、循环流化床的特点：
典型循环流化床锅炉结构如图所示，其基本流程为：煤和脱硫剂送入炉膛后，迅速被大量惰性高温物料包围，着火燃烧，同时进行脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热。

粗大粒子进入悬浮区域后在重力及外力作用下偏离主气流，从而贴壁下流。

气固混合物离开炉膛后进入高温旋风分离器，大量固体颗粒（煤粒、脱硫剂）被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧。

未被分离出来的细粒子随烟气进入尾部烟道，以加热过热器、省煤器和空气预热器，经除尘器排至大气。

1、低温的动力控制燃烧：由于循环流化床燃烧温度水平比较低，一般在850－900℃之间，其燃烧反应控制在动力燃烧区内，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速度主要取决于化学反应速度，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速度的主导因素。

循环流化床燃烧的燃烬度很高，其燃烧效率往往可达到98%－99%以上。

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物料参与了炉膛内部的内循环和由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环两种循环，整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种循环运动过程中逐步完成的。

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可以人为改变炉内物料循环量，以适应不同的燃烧工况。

物料分离系统是循环流化床锅炉的结构特征，大量物料参与循环实现整个炉膛内的控制燃烧过程，是循环流床锅炉区别于鼓泡流化床锅炉的根本特点，因为鼓泡流化床锅炉的燃烧主要发生在床内。

所以循环流床锅炉燃烧必须具备的三个条件是：（1）要保证一定的流体速度，而且还要保证物料粒度处于适当的、使床层在快速流区域的粒度。

（2）要有足够的物料分离。

（3）要有物料回送，要有充分的措施以维持物料的平衡。

各种燃烧方式的主要特性比较如下表：[/trade]
三、颗粒的夹带、扬析
当床层流动转到紊流流化床时，密相床层和稀相床层的界面开始模糊，颗粒夹带量明显增加。

当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。

，由于扬析过程中更多颗粒被夹带着离开床层，其中终端速度大于床层表观气速的颗粒经过一定的分离高度后会陆续返回床层，因此存在着输送分离高度TDH。

此过程就是我们通常所说的循环流化床的内循环。

在分离高度TDH以上的空间，颗粒浓度不再降低，床层表面至TDH之间的空间称为自由空间，燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉，其炉膛出口高度通常低TDH，因此同时存在着夹带和扬析现象。

发生扬析现象的颗粒的来源有三个：①给煤中的细颗粒；②煤在挥发份析出阶段破碎形成的细颗粒；③在煤燃烧的同时，由于磨损造成的细颗粒。

五、影响循环流化床传热的各种因素：
1、气体物理性质的影响：气膜厚度及颗粒与表面的接触热阻对传热起到主要作用。

另外，气体密度增加，传热系数增大；气体粘度增大，传热系数减小；气体导热系数增大，传热系数增大。

2、固体颗粒物理特性的影响
（1）固体颗粒尺寸的影响：
对于小颗粒床，传热系数随固体颗粒平均直径增大而减小；
对于大颗粒床，传热系数随固体颗粒平均直径增大而增大。

（2）固体颗粒密度的影响：传热系数随固体颗粒密度增大而增大。

（3）球形度及表面状态的影响：球形和较光滑的颗粒，传热系数较高。

（4）固体颗粒导热系数的影响：影响较小。

（5）固体颗粒粒度分布的影响：对于小颗粒床，粒径越小，传热系数越大；对于大颗粒床，粒径越大，传热系数越大。

3、化风速的影响：
对于循环流化床的密相区，传热系数随流化风速的增大而减小。

对于循环流化床的稀相区，传热系数随流化风速的增大而增大。

4、床温对传热系数的影响：
床与传热面间的传热系数随床温的升高而升高。

5、管壁温度的影响：传热系数随壁温的升高成线性规律地增大。

6、固体颗粒浓度的影响：床层颗粒浓度是影响循环流化床床层与床壁面传热最主要的因素之一。

传热系数随床层颗粒浓度的增加而显著增加。

7、床层压力的影响：床层压力增大，传热系数增加。

六、循环流化床内的燃烧过程
1、煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热，首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发份析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。

其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥发份析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。

煤粒在流化床中的燃烧过程如图所示。

循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。

循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。

这些灼热的床料成为煤颗粒的加热源，在加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，而煤粒在10秒钟左右就可以燃烧（颗粒平均直径在0～8mm），
所以对床温的影响很小。

2、循环流化床内煤的燃料着火
流化床内燃料着火的方式，固体质点表面温度起着关键作用，是产生着火的点灶热源，这类固体近质点可以是细煤粒，也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。

当固体质点表面温度上升时，煤颗粒会出现迅猛着火。

另外，颗粒直径大小对着火也有很大的影响，对一定反应能力的煤种，在一定的温度水平之下，有一临界的着火粒径，小于这个颗粒直径，因为散热损失过大，燃料颗粒就不能着火，逸出炉膛。

3.循环流化床内煤的破碎特性
煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。

但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。

影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。

磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。

煤粒进入流化床内时，受到炽热床料的加热，水份蒸发，当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发份反应，对于高挥发份的煤种，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，颗粒内部产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎；对低挥发份煤种，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出，因此颗粒内部也会产生较高的压力，另外，由于高温颗粒群的挤压，颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力，这种热应力都会引起煤颗粒破碎。

煤粒破碎后会形成大量的细小粒子，特别是一些可扬析粒子会影响锅炉的燃烧效率。

细煤粒一般会逃离旋风分离器，成为不完全燃烧损失的主要部分。

破碎分为一级破碎和二级破碎，一级破碎是由于挥发份逸出产生的压力和孔隙网络中挥发份压力增加而引起的。

二级破碎是由于作为颗粒的联结体------形状不规则的联结“骨架”（类似于网络结构）被烧断而引起的破碎。

煤的破碎发生的同时也会发生颗粒的膨胀，煤的结构将发生很大的变化。

一般破碎和膨胀受下列因素的影响：挥发份析出量；在挥发份析出时，碳水化合物形成的平均质量；颗粒直径；床温；在煤结构中有效的孔隙数量；母粒的孔隙结构等。

（七）循环流化床的优点
1、燃料适应性强
由于循环流化床中的燃料仅占床料的1%－3%，不需要辅助燃料而燃用任何燃料，可以燃用各种劣质煤及其它可燃物，特别包括煤矸石、高硫煤、高灰煤、高水分煤、煤泥、垃圾等，可以解决令人头疼的环境污染问题。

2、燃烧效率高
循环流化床比鼓泡床流化床燃烧效率高，燃烧效率通常在97%以上，基本与煤粉相当。

3、脱硫率高
循环流化床的脱硫方式是最经济的方式之一，其脱硫率可以达到90%。

4、氮氧化物排放低
这是循环流化床另外一个非常吸引人的特点。

其主要原因是：一低温燃烧，燃烧温度一般控制在850－900℃之间，空气中的氮氮一般不会生成NOX；二分段燃烧，抑制氮转化为NOX，并使部分已生成的NOX得到还原。

5、燃烧强度高，炉膛截面积小
这是循环流化床的主要优点之一。

其截面热负荷约为3－6MW/m2，接近或高于煤粉炉。

6、负荷调节范围大，调节速度快
这主要上相对于煤粉炉来说的。

其原因是循环流床内床料的蓄热能力非常大，不会象煤粉炉那样低负荷时需投油枪助燃，最大的好处在于可以压火热备用，熄火后可以马上热态启动，比煤粉炉有更好的调峰能力。

循环流化床的负荷调节比可达（3－4）：1，其调节速率可达4%－5%。

7、易于实现灰渣综合利用
由于其灰渣含炭量较低，属于低温烧透，有着更大的利用价值。

8、燃料预处理系统简单
其燃料的粒度一般小于12mm,破碎系统比煤粉炉更为简化。

（二）循环流化床锅炉与常规煤粉锅炉在结构与运行方面的区别：
1、燃烧室底部布风板，其主要作用是流化风均匀地流入料层，并使床料流化。

对布风板的要求是：在保证布风均匀地条件下在，丰风板压降越低越好。

2、床料循环系统：是由高温旋风分离器和飞灰回送装置组成，其作用是把飞灰中粒径较大、含炭量高的颗粒回收重新送入炉内燃烧。

3、入炉煤粒大。

4、循环灰参数对锅炉运行的影响：循环流化床锅炉运行时，其单位时间内的循环灰量可高达同单位时间内燃煤量20－40倍。

由于灰的热容大得多，因此循环灰对燃烧室下部的温度平衡有很大影响，循环流化床锅炉燃烧室下部一般卫燃带或根本不布置受热面，煤粒燃烧产生的热量则由烟气和循环灰共同带走。

而在煤粉炉中，煤粉的燃烧产生的热量是由烟气和工质带走的。

在煤粉炉中，蒸发受热面的出力主要取决于炉膛温度，而在循环流化床锅炉中，温度基本不随负荷变化，运行中烟气携带的飞灰颗粒量成为影响蒸发受热面的重要因素。

因此，循环流化床锅炉可以从热量平衡和飞灰循环倍率两个方面来调节锅炉负荷。

5、控制系统要求高。

由于循环流化床锅炉内流态化工况、燃烧过程较煤粉炉复杂，加之有飞灰循环，因此其控制系统较同等容量的煤粉炉要求高。

九、循环流化床锅炉目前存在的主要问题
1、炉膛、分离器和回送装置及其之间的膨胀和密封问题。

由于流化床其表面附着一层厚厚的耐磨材料与保温材料并且各个部位受热时间和程度不完全一致，所以会产生热应力而造成膨胀不均，导致出现颗粒外漏现象。

2、由于设计和施工工艺不当造成的磨损问题。

锅炉部件的磨损主要与风速、颗粒浓度以及流场的不均匀性有关，研究表明：磨损与风速的3.6次方和浓度成正比。

炉膛、分离器和回送装置内由于大量高浓度物料的循环流动，一些局部位置，如烟所改变方向的地方会开始磨损，然后逐渐扩大到整个炉膛。

3、飞灰含炭量高的问题。

对于循环流化床来说，其底渣含炭量较低，但其最佳脱硫温度的限制，飞灰含炭量却比较高。

4、N
2O排放较高。

流化床燃烧技术可有效抑制NOX、SO2的排放，但流化床低温燃烧是产生N
2
O
最主要的原因。

5、厂用电率高。

由于循环流化床锅炉具有布风板、分离器结构和炉料层的存在烟风阻力比煤粉炉大得多，相应的通风电耗也较高。

锅炉的燃烧控制
循环流化床锅炉的燃烧过程是一个复杂的物理过程，对于自动控制来说是一个复杂的多变耦合系统。

循环流化床锅炉燃烧控制的主要目的就是解决锅炉热负荷与出力之间的及时匹配。

由于循环流化床锅炉的特殊的燃烧方式，不仅要考虑其热迟滞性，还要考虑其床层温度、床层差压和回料量的变化，以及为控制二氧化硫的排放加入石灰石后对燃烧工况的影响等。

一个典型的循环流化床锅炉的燃烧控制应包括以下功能：
负荷指令；
主汽压调节；
床层温度调节；
床层差压调节；
给煤量调节；
一次风量调节；
二次风量调节；
炉膛压力调节；
石灰石量调节；
高压流化风量调节；
启动燃烧器燃油流量调节；
启动燃烧器风量调节；
播煤风量调节；
底灰排放量、温度调节。

其控制流程如下：
通过蒸汽母管的压力（经过蒸汽母管压力调节器处理后）和蒸汽实际流量（经过温度修正）得出锅炉的负荷指令，作为一个燃料、氧量控制、床温、一次风量的远方给定值进行控制。

在控制燃料量的同时也引入了床温的控制。

根据循环流化床锅炉的燃烧特点，其燃烧控制系统又分为：1、燃料控制系统；2、送风及炉膛压力控制系统；3、床温控制系统；4、床压控制系统。

燃料控制系统
锅炉主控系统发出的燃料指令即是总燃料指令，通过与总风量比较后取小值作为调节器的设定值，保证锅炉指令增加时风量始终大于燃料量，也同时保证了先加风后加燃料、先减燃料后减风。

调节器输出煤、石灰石给定值指令。

总煤量取所有落煤管煤量之合，启动燃烧器和风道燃烧器燃油流量之合经折算成相应煤量后，加上总煤量作为总燃料量。

这样才能保证燃烧的安全和输入、输出量的平衡。

2、送风及炉膛压力控制系统
锅炉主控系统发出的风量指令即为总风量指令。

总风量中一、二次风所占比例最大，同时一次风和二次风直接影响锅炉的运行及燃烧工况。

所以，总风量调节系统通过改变一、二次风量的调节指令来保证锅炉所需配风（其中一次风量应是经过床温调节补偿过的）。

锅炉主控系统得到的总风量指令与燃料量测量值进行交叉限制后（取大值）作为总风量控制系统的给定值，以保证负荷增加时先加风后加燃料、负荷减小时先减燃料后减风的要求，从而保证一定的过剩空气系数。

在炉膛压力调节系统中，炉膛出口压力测量值与给定值一起送入PID中进行运算，运算结果动作引风机耦合器（或调节挡板）执行器，从而控制炉膛出口压力满足机组运行要求。

由于循环流化床锅炉燃烧的特殊性，一次风量和二次风量发生变化时，需经过一段时间炉膛出口压力才发生变化，因此必须把总风量（一次风机出口风量和二次风总风量之和）的微分量作为前馈信号送入PID控制输出中，以提高一、二次风量变化时控制系统响应的快速性。

3、床温控制系统
循环流化床锅炉的最佳运行床温为850℃－900℃。

在这一温度范围内，大多数煤都不易结焦。

生成量也很少。

石灰石脱硫剂在这个温度时具有最佳脱硫效果，并且NO
X
的含量，影响循环流化床床温的因素很多，如给煤量、石灰床温调节的目的是优化和减少烟气中SO
2
石供给量、排渣量、一次风量、二次风量、返料风量等。

给煤量主要用来调节主汽压力，床温对给煤调节的影响要求并不高，因此给煤量仅为调节床温的手段之一。

石灰石供给量对床温的影响比较小，且其影响也可间接体现在给煤量上，故在构造床温控制系统时不考虑石灰石的影响。

排渣量主要用来控制床层厚度，若床层厚度基本恒定则排渣量对床温的影响也可不予考虑。

控制床温的最好手段是通过再分配燃烧室不同燃烧风风量而总风量不变保持最佳的床温。

床温测量值来自于炉膛密相区下部床温的平均值。