循环流化床锅炉原理与控制 一、循环流化床锅炉的原理及特点 （一）循环流化床的原理 1． 流态化的概念 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，颗粒不再由布风板所支持，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， 相反地，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。颗粒床层从静止状态转变为流态化时的最低速度，称为临界流化速度。 2． 循环流化床的原理 如下图所示，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。快速流态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而且不断形成和解体。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。这种气因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所组成。 3． 循环流化床的特点 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，颗粒团不断形成和解体，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流化床的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〕通过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内调节 9）流化气体的整体性状呈塞状流 10）流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入 （二）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，上述部件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。 下图为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意图。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送人，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。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。 下图为循环流化床锅炉的立体图 循环流化床锅炉的特点如下： 1．低温的动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触。并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程反复循环地组织燃烧。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制.，一般850℃左右，这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低 ，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，等等。 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固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在前面介绍快速流态化的特点时，我们也介绍了炉膛内固体物料的内循环，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动、整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运动的动态过程中逐步完成的。 4． 高强度的热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中．大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。 （三）循环流化床锅炉与煤粉炉的比较 从下面的表格我们可以看出CFBB与煤粉炉的不同之处： （四）循环流化床锅炉的优点 循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备有许多独特的优点，以下分别加以简述。 1、燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1％～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣或砂。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气～固和固～固混合非常好，因此燃料进人炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木头、垃圾等。 2、燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，燃烧效率通常在 97. 5％～99 .5％范围内，可与煤粉锅炉相媲美．循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气～固混合良好；燃烧速率高，特别是对粗粒燃料；绝大部分未燃尽的燃料被再循环至炉膛。 与鼓泡流化床锅炉不同，循环流化床锅炉能在较宽的运行变化范围内保持高的燃烧效率，甚至燃用细粉含量高的燃料时也是如此。 3、高效脱硫 循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。典型的循环流化床锅炉达到90％脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为 1.5～2 .5，鼓泡流化床锅炉达到 90％脱硫效率则需脱硫剂化学当量比为2.5～3，甚至更高，有时即使Ca／S比再高，鼓泡流化床锅炉也不能达到90％的脱硫效率。 与燃烧过程不同，脱硫反应进行得较为缓慢。为了使氧化钙（锻烧石灰石）充分转化为硫酸钙，烟气中的二氧化硫气体必须与脱硫剂有充分长的接触时间和尽可能大的面积。当然，脱硫剂颗粒的内部并不能完全反应。鼓泡流化床锅炉中，气体在燃烧区域平均停留时间为1～2S ，在循环流化床锅炉中则为3～4S。循环流化床锅炉中石灰石常为0.1～0.3mm，而鼓泡流化床锅炉中则为0.5～1mm。0.1 mm颗粒的反应比面积是1 mm 颗粒的数十倍 。因此无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫的脱除率，循环流化床锅炉比鼓泡流化床锅炉更优越。 4、氮氧化物（NOx）排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明，循环床锅炉的NOx排放范围为50～100ppm或40～120mg/MJ。循环流化床锅炉NOx排放低是由于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的筑一般不会生成NOx， 二是分段燃烧抑制燃料中的氮转化为NOx并使部分已生成的NOx得到还原。 5、其他污染物排放低 循环流化床锅炉的其地污染物如CO、HCL、HF等的排放也很低。 6、燃烧强度高，炉膛截面积小 炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的主要优点之一。 循环流化床锅炉的截面热负荷约为3.5～4.5 M W／m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2～3倍。 7、给煤点少 循环流化床锅炉的炉膛截面积较小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。在循环流化床锅炉中，燃料经常给入返料管内，这样在进人炉膛前经历一个预热过程，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。 8、燃料预处理系统简单 循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于12 mm。因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。此外，循环流化床锅炉能直接燃用高水分煤（水分可达到30％以上），当然用高水分燃料时也不需要专门的处理系统。 9、易于实现灰渣综合利用 循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用。如灰渣作为水泥掺和料或做建筑材料、同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。 10、负荷调节范围大、负荷调节速度快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达3～4：1。此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4％ 11、床内不布置埋管受热面 循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，同时长时间压火之后可直接启动 12、投资和运行费用适中 循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常