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循環(huán)流化床基礎(chǔ)知識(shí)

2022-10-08 0次

一、流化床鍋爐涉及的概念和定義

底料：鍋爐啟動(dòng)前，布風(fēng)板上先鋪設(shè)有一定厚度、一定粒度的“原料”，稱為底料或床料。一般由燃煤、灰渣等組成。

物料：主要是指循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中在爐膛內(nèi)燃燒或載熱的物質(zhì)。一般指燃煤、灰渣和脫硫劑。

流化速度：是指床料或物料流化時(shí)動(dòng)力流體的速度。這里的動(dòng)力流體是指一次風(fēng)。

臨界流化速度與臨界流量：臨界流速是使床料開始流化時(shí)的一次風(fēng)風(fēng)速，此時(shí)的一次風(fēng)風(fēng)量就是臨界流量。

物料循環(huán)倍率：通常是指由物料分離器捕捉下來且返送回爐內(nèi)的物料量與給進(jìn)的燃料量之比。

二、循環(huán)流化床基礎(chǔ)理論

1．流態(tài)化過程

當(dāng)流體向上流過顆粒床層時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是變化的。流速較低時(shí)，顆粒靜止不動(dòng)，流體只在顆粒之間的縫隙中通過。當(dāng)增加到某一速度之后，顆粒不再由分布板所支持，而全部由流體的摩擦力所承托。此時(shí)，對(duì)于單個(gè)顆粒來講，它再現(xiàn)依靠與其它鄰近顆粒的接觸而維持它的空間位置，相反地，在失去了以前的機(jī)械支承后，每個(gè)顆?？稍诖矊又凶杂蛇\(yùn)動(dòng)；就整個(gè)床層而言，具有了許多類似流體的性質(zhì)。這種狀態(tài)就被稱為流態(tài)化。

2．不同氣流速度下固體顆粒床層的流動(dòng)狀態(tài)

隨著氣流速度的增加，固體顆粒分別呈現(xiàn)固定床、流動(dòng)床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床、氣力輸送狀態(tài)。簡(jiǎn)單畫圖示意。

固定床：當(dāng)空氣流速不大時(shí)，空氣穿過底料顆粒間隙而向上逸出，底料高度未發(fā)生變化。

流動(dòng)床：當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加，底料開始膨脹，高度發(fā)生變化，擾動(dòng)不強(qiáng)烈，未產(chǎn)生氣泡。

鼓泡流化床：當(dāng)氣流速度又繼續(xù)增加，底料將產(chǎn)生大量氣泡，氣泡不斷上移，小氣泡聚集成較大氣泡穿過料層并破裂。

如果在鼓泡床的甚而上不斷的繼續(xù)加大空氣流速，將依次出現(xiàn)以下三種狀態(tài)。

湍流流化床：底料內(nèi)氣泡消失，氣固兩相混合更加劇烈，雖然存在密相區(qū)和稀相區(qū)，但是沒有明顯的界線。此時(shí)的流化速度一般為4~5 m/s。

快速流化床：隨著氣流速度的增加，底料上下濃度更趨于一致，但細(xì)小的顆粒將聚成小顆粒團(tuán)上移，在上移過程中有時(shí)小顆粒團(tuán)又聚集成較大顆粒團(tuán)，較大顆粒團(tuán)一般沿流動(dòng)方向呈條狀。此時(shí)的流化速度一般為6~10 m/s。

氣力輸送狀態(tài)：隨著氣流速度的增加，底料將最終會(huì)均勻的全部噴出床外，稱噴流床或氣力輸送。

需要指出，循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行中，應(yīng)處于湍流流化床、快速流化床狀態(tài)，而在動(dòng)態(tài)點(diǎn)火過程中，一般處于流動(dòng)床和鼓泡床狀態(tài)。國內(nèi)流化床爐的密相區(qū)通常運(yùn)行在湍流床狀態(tài)中，雖然風(fēng)速可能達(dá)到5 m/s以上，因?yàn)槲覈牧骰矤t選用寬篩分的煤不可能達(dá)到快速床狀態(tài)，而稀相區(qū)則是運(yùn)行在快速床狀態(tài)。

3．流化床類似流體的性質(zhì)主要有以下幾點(diǎn)(湍流流化床、快速流化床)：

在任一高度的靜壓近似于在此高度以上單位床截面內(nèi)固體顆粒的重量；

無論床層如何傾斜，床表面總是保持水平，床層的形狀也保持容器的形狀；

床內(nèi)固體顆?？梢韵窳黧w一樣從底部或側(cè)面的孔口中排出；

密度高于床層表觀密度的物體在床內(nèi)會(huì)下沉，密度小的物體會(huì)浮在床面上；

床內(nèi)顆粒混合良好，因此，當(dāng)加熱床層時(shí)，整個(gè)床層的溫度基本均勻。

一般的氣、固流態(tài)化，氣體并不均勻地流過顆粒床層，一部分氣體形成氣泡經(jīng)床層短路逸出，顆粒則分成群體作湍流運(yùn)動(dòng)，床層中的空隙率位置和時(shí)間的不同而變化，因此這種流態(tài)化稱為“聚式”流態(tài)化。

4．循環(huán)流化床的原理和特點(diǎn)

我們知道，隨著氣流速度的增加，固體顆粒分別呈現(xiàn)固定床、流動(dòng)床、鼓泡床、湍流床、快速床和噴流床(氣力輸送狀態(tài))。

循環(huán)流化床的上升段通常運(yùn)行在湍流床和快速床狀態(tài)下?？焖倭鲬B(tài)化流體動(dòng)力特性的形成對(duì)循環(huán)流化床是至關(guān)重要的，此時(shí)，固體物料被速度大于單顆粒物料的終端速度的氣流所流化，以顆粒團(tuán)的形式上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高度的返混。顆粒團(tuán)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而且不斷形成和解體。在這種流體狀態(tài)下，一定數(shù)量的顆粒被氣流所攜帶出爐膛，物料分離器將固體顆粒分離下來并返送回爐床內(nèi)再燃燒，如此反復(fù)循環(huán)，就形成了循環(huán)流化床。這就是所謂的循環(huán)流化床鍋爐。

與鼓泡床比較，循環(huán)流化床有如下特點(diǎn)：

1.不再有清晰的界面，固體顆粒充滿整個(gè)上升段空間；

2.有強(qiáng)烈的物料返混，顆粒團(tuán)不斷形成和解體，并且向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；

3.顆粒與氣體之間的相對(duì)速度大，且與床層空隙率和顆粒循環(huán)流量有關(guān)；

4.運(yùn)行流化速度為鼓泡床的2~3倍，一般為4~10m/s；

5.床層壓降隨流化速度和顆粒的質(zhì)量流量而變化；

6.顆粒橫向混合良好；

7.強(qiáng)烈的物料返混、顆粒的外部循環(huán)和良好的橫向混合，使得整個(gè)上升段內(nèi)溫度分布均勻；

8.通過改變上升段內(nèi)的存料量，固體物料在床內(nèi)的停留時(shí)間可在幾分鐘到數(shù)小時(shí)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

9.流化氣體的整體形狀呈塞狀流；

5．循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特點(diǎn)

可概括如下：

1、低溫的動(dòng)力控制燃燒；

2、高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過程；

3、高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程。

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒是一種在爐內(nèi)使高速運(yùn)動(dòng)的煙氣與其所攜帶的湍流擾動(dòng)極強(qiáng)的固體顆粒密切接觸，并具有了大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程；同時(shí)，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集，并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過程，反復(fù)循環(huán)地組織燃燒。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)(分離器)和內(nèi)循環(huán)(爐膛內(nèi)返混)兩種循環(huán)運(yùn)動(dòng)。流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈湍流下通過爐膛，通過人為操作可改變物料循環(huán)量，并可改變物料在爐內(nèi)的分布規(guī)律，以適應(yīng)不同的燃燒工況，在這種組織方式下，爐內(nèi)的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程是十分強(qiáng)烈的，使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。

6．循環(huán)流化床爐內(nèi)的換熱 (熱交換)

A．循環(huán)流化床爐內(nèi)的傳熱過程包括：

顆粒與氣流之間的傳熱，顆粒與顆粒之間的傳熱，整個(gè)氣固多相流與受熱表面之間的傳熱，氣固多相流與入爐氣流之間的傳熱。

B．循環(huán)流化床爐內(nèi)換熱機(jī)理分析：

目前，主要有兩種觀點(diǎn)。一種認(rèn)為爐內(nèi)換熱主要依靠煙氣對(duì)流、固體顆粒對(duì)流和輻射來實(shí)現(xiàn)的。另一種認(rèn)為是顆粒團(tuán)沿壁面滑動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。

但無論哪種觀點(diǎn)都可總結(jié)為爐內(nèi)傳熱主要通過物料對(duì)受熱面的固體對(duì)流和固體、氣體輻射換熱實(shí)現(xiàn)的。

C．運(yùn)行中各種參數(shù)調(diào)整對(duì)循環(huán)流化床爐的傳熱的影響：

床溫的影響。床溫升高，不僅減少顆粒的熱阻力，而且輻射傳熱隨著床溫的升高而增大。

物料濃度的影響。物料濃度超高，爐內(nèi)傳熱系數(shù)越大。

循環(huán)倍率的影響。循環(huán)倍率越大，爐內(nèi)傳熱系數(shù)越大。

流化速度的影響。不同的流化速度對(duì)傳熱的影響很小。

顆粒尺寸的影響。僅僅考慮顆粒尺寸，對(duì)傳熱的影響也很小。

7．循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)

1.燃料適應(yīng)性廣，

2.燃燒效率高，

3.高效脫硫，

4.氮氧化物排放低，

5.其它污染物排放低，

6.燃燒強(qiáng)度高，爐膛截面積小，

7.給煤點(diǎn)少，

8.燃料預(yù)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單，

9.易于實(shí)現(xiàn)灰渣綜合利用。

10.負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)快，

11.床內(nèi)不布置埋管受熱面，

12.投資和運(yùn)行調(diào)節(jié)費(fèi)用適中。

8．循環(huán)流化床鍋爐尚待研究的問題

1，合適的爐膛高度。

2，最有利的循環(huán)倍率。

3，循環(huán)物料的分離。

4，進(jìn)一步的防磨措施。

5，鍋爐大型化問題。

6，其它經(jīng)濟(jì)性問題。

9．煤粒在流化床內(nèi)的燃燒過程

當(dāng)煤粒通過給煤機(jī)進(jìn)入流化床后，將依次發(fā)生如下過程：

1，煤粒得到高溫床料的加熱并干燥；

2，熱解及揮發(fā)分燃燒；

3，對(duì)某些煤種會(huì)發(fā)生顆粒膨脹和一級(jí)破碎現(xiàn)象；

4，焦炭燃燒并伴隨著二級(jí)破碎和磨損現(xiàn)象。

實(shí)際上煤粒在流化床中的燃燒過程并不能簡(jiǎn)單地以上述步驟絕對(duì)地劃分成各階段，往往有時(shí)幾個(gè)過程會(huì)同時(shí)進(jìn)行。

2mm的煤粒著火時(shí)間大約在8.5秒左右，6mm的煤粒著火時(shí)間大約在21秒左右。循環(huán)流化床床內(nèi)沿高度方向依然非常顯著地可劃分為密相區(qū)(布風(fēng)板上部)和稀相區(qū)(爐膛上部)，并且密相區(qū)往往仍運(yùn)行在鼓泡床和湍流床狀態(tài)。循環(huán)流化床床內(nèi)床料絕大部分是惰性的灼熱灰渣，其可燃物含量只占很小一部分，因此，加到床中的煤粒被相當(dāng)于一個(gè)“大蓄熱池”的灼熱灰渣所包圍。由于床內(nèi)混合劇烈，煤粒很快著火。在煤被加熱過程中，煤所吸收的熱量只占總熱量的千分之幾，因而對(duì)床溫影響很小，而煤顆粒的燃燒，又釋放出熱量，從而能使床層保持一定的溫度水平，這也是流化床一般著火沒有困難，并且煤種適應(yīng)性廣的原因所在。

10．循環(huán)流化床中煤的燃燒特性

A. 煤粒在流化床中的破碎特性。簡(jiǎn)單講，是指煤粒在進(jìn)入高溫流化床后其粒度發(fā)生急劇減小的一種性質(zhì)。引起破碎的原因：煤粒在進(jìn)入高溫流化床后，達(dá)到熱解溫度時(shí)，發(fā)生脫揮發(fā)分反應(yīng)。由于熱解作用，顆粒物理化學(xué)特性發(fā)生急劇的變化，顆粒內(nèi)部將產(chǎn)生明顯的壓力梯度，當(dāng)壓力超過一定值，煤粒會(huì)崩裂形成破碎。另外，煤粒受到高溫顆粒群的擠壓、大顆粒內(nèi)部溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力以及流化床中氣泡和顆粒絮狀物上升引起的壓力波動(dòng)等均會(huì)影響到顆粒的破碎特性。

B. 流化床內(nèi)煤粒的磨損特性。磨損就其本身而言是一種緩慢的破碎過程，它著重于煤粒間的機(jī)械摩擦作用，因此，影響煤粒磨損的主要因素是顆粒表面的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械強(qiáng)度以及外部操作條件等。煤粒燃燒而在其表面有一灰殼生成，因而煤粒的磨損是有利于燃燒的，但大煤粒由于磨損和破碎而生成的大量細(xì)顆粒，并以揚(yáng)析夾帶形式離開床層造成的燃燒損失也不可忽視。

C. 煤中揮發(fā)分的析出及燃燒。揮發(fā)分的析出(熱解)過程是煤料受到高溫加熱后分解并產(chǎn)生大量氣態(tài)物質(zhì)的過程，熱解產(chǎn)物由焦油和氣體組成。一方面，揮發(fā)分的析出改變了煤粒的孔隙結(jié)構(gòu)，改善了焦炭的反應(yīng)活性，另一方面，大量揮發(fā)分的析出并燃燒，反過來加熱了煤粒，使煤粒溫度迅速升高。因此，揮發(fā)分含量越高的煤，其著火性能也就越好。

揮發(fā)分的析出分兩個(gè)階段：

低溫的高揮發(fā)分析出速率階段(幾秒至10秒左右)和高溫的緩慢析出揮發(fā)分階段(持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)達(dá)數(shù)分鐘)。揮發(fā)分的燃燒時(shí)間一般小于1秒。

焦炭的著火與燃盡。在流化床燃燒條件下，煤粒中揮發(fā)分的析出與燃燒及焦炭的燃燒過程存在著一定的重疊，即在初期以揮發(fā)分的析出與燃燒為主，后期以焦炭的燃燒為主。焦炭的燃燒過程控制著煤粒在流化床中整個(gè)燃燒過程，焦炭的燃盡時(shí)間比揮發(fā)分大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

11．循環(huán)流化床內(nèi)的氣化過程

燃料在爐內(nèi)的氣化過程包括水分蒸發(fā)、燃料的熱解、揮發(fā)分的析出、焦炭與氣相進(jìn)行非均相反應(yīng)和均相反應(yīng)。

1．水分蒸發(fā)和揮發(fā)分析出。揮發(fā)分析出主要包括兩個(gè)方面：揮發(fā)分的析出速度和揮發(fā)分析出量、成分。煤種、粒徑、加熱速度、床溫等都對(duì)揮發(fā)分產(chǎn)生影響。

2．均相反應(yīng)和均相反應(yīng)。由于水分和揮發(fā)分析出時(shí)間占總氣化時(shí)間時(shí)間極短，因此，爐內(nèi)主要反應(yīng)是焦炭與氣相進(jìn)行這兩種極其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

影響氣化過程的諸多因素：

1．水分和揮發(fā)分，水分和揮發(fā)分在不同程度上分別反映煤的變質(zhì)程度。水分直接關(guān)系到煤的熱值和實(shí)用價(jià)值，水分過高，降低生成氣產(chǎn)率并對(duì)氣化過程帶來麻煩。

2．灰分。氣化過程中，由于部分碳表面被灰殼所覆蓋而減少氣化劑與碳表面接觸面積，降低了燃料的反應(yīng)活性，還會(huì)使灰渣可燃物含量增加。

3．硫分。加重對(duì)金屬的腐蝕作用，加重氣體凈化過程的負(fù)擔(dān)。

4．煤的化學(xué)特性。煤的反應(yīng)活性，在此是指煤同氧、蒸汽或二氧化碳反應(yīng)的能力。反應(yīng)活性高的煤有利于燃燒。

5．成渣性能。易于成渣的煤，使排渣和氣化劑的均勻分布困難，同時(shí)也易產(chǎn)生顆粒內(nèi)部反應(yīng)不完全情況。

6．機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度差，在氣化過程中易破裂成粉末而增加可燃物損失。

7．熱穩(wěn)定性。煤在受高溫后的粉碎程度稱為煤的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性差的煤易于碎裂，不完全反應(yīng)碳損失增加。