內(nèi)蒙古科技大學(xué)-循環(huán)流化床2013,

1、循環(huán)流化床鍋爐原理循環(huán)流化床鍋爐原理 內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古科技大學(xué) 李海廣李海廣 參考教材：1.流態(tài)化原理及其應(yīng)用, 黎強(qiáng) 邱寬嶸 丁玉, 1994年12月第1版 2.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行, 岑可法 倪明江 駱仲泱等, 1998年5月第1版 第一章第一章 緒論緒論流態(tài)化 是固體流態(tài)化的簡(jiǎn)稱，即依靠流體流動(dòng)的作用使固體顆粒懸浮在流體中或隨流體一起流動(dòng)的過程。流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用 固體燃料的燃燒、氣化與焦化； 氣固相催化反應(yīng)； 物料干燥、加熱與冷卻； 吸附和浸??； 物料輸送。第一節(jié) 流態(tài)化技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 流態(tài)化技術(shù)何時(shí)出現(xiàn)、為何人所創(chuàng)? 尚無(wú)定論 流態(tài)化較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用 1926年，德國(guó)，溫克勒

2、建成第一臺(tái)常壓流化床氣化發(fā)生爐。 圖1.1.1 Winkler煤氣發(fā)生爐 流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展 二次大戰(zhàn)時(shí)期 第一臺(tái)工業(yè)化規(guī)模的SODI型催化裂化裝置于1942年建成。催化劑可以自動(dòng)連續(xù)地由反應(yīng)器流到再生器。再由再生器流到反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的連續(xù)化。 采用這種新工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要使用成型的催化劑顆粒，使用粒度較小的粒狀催化劑即可，因而催化劑的生產(chǎn)成本明顯降低。 圖1.1.2 流火催化裂化裝置流態(tài)化技術(shù)燃燒的發(fā)展 四十年代中期 美國(guó)和加拿大等地出現(xiàn)了流態(tài)化焙燒裝置，用于黃鐵礦、石灰石等的焙燒或鍛燒。 這可以視為流態(tài)化燃燒技術(shù)的開始。 流態(tài)化技術(shù)燃燒的發(fā)展 五十年代中期 采用新型的全沸騰風(fēng)帽式流

3、態(tài)化技術(shù)。 在燃燒技術(shù)領(lǐng)域，往往稱這種全風(fēng)帽式沸騰燃燒爐為“第一代沸騰爐”。 流態(tài)化技術(shù)燃燒的發(fā)展 七十年代能源危機(jī) 1973年的石油危機(jī)客觀上促進(jìn)了這種煤燃燒技術(shù)的發(fā)展。 這種燃燒方式有非常廣泛的燃燒適應(yīng)能力，可燃用一般的鍋爐燃料，也可燃用一些其它的固體燃料，如無(wú)煙煤、貧煤、褐煤、石煤、矸石、頁(yè)巖、蔗渣等。 流態(tài)化技術(shù)燃燒的發(fā)展 循環(huán)流化床鍋爐出現(xiàn)1975年 1975年，原西德魯奇(Lurgi)公司在第一代風(fēng)帽式全沸騰爐也稱鼓泡床燃燒爐)的燃燒裝置中引入爐外分離裝置，使燃燒效率大大提高，這就是第二代沸騰爐循環(huán)床沸騰燃燒鍋爐。設(shè)置的分離裝置可較好地實(shí)現(xiàn)氣、固分離，使未燃盡的固體顆粒得以重新回到

4、爐內(nèi)燃燒，因而燃燒效率大大提高。 流態(tài)化技術(shù)燃燒的發(fā)展 循環(huán)流化床鍋爐迅速發(fā)展 1979年，芬蘭生產(chǎn)出第一臺(tái)20th循環(huán)流化床鍋爐，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床的工業(yè)應(yīng)用。 幾乎同時(shí)，原西德的魯奇公司與拔伯葛(Babcock)公司聯(lián)合研制的270t/h循環(huán)流化床鍋爐在燃料適應(yīng)性、燃燒效率、脫硫效率、固氮效率、負(fù)荷調(diào)節(jié)寬度等方面均取得了驚人的成功，解決了流態(tài)化燃燒裝置的大型化問題，使流態(tài)化燃燒技術(shù)成為較有前途的清潔、高效的固體燃料燃燒技術(shù)。1987年美國(guó)科羅拉多州(Colorado)的紐科拉(Nucla)電站，率先投入單臺(tái)蒸發(fā)量420th循環(huán)床鍋爐，蒸汽壓力106bar(11MPa)，汽溫540 ，配110

5、MW汽輪發(fā)電機(jī)組。自投運(yùn)以來，情況良好。 第二節(jié) 氣固流化床的形成 1.2.11.2.1流態(tài)化過程流態(tài)化過程 在垂直的管中裝入固體顆粒氣體自下而上通過顆粒層，隨著氣體流速逐漸增大，管中的固體顆粒將出現(xiàn)以下三種狀態(tài)：固定、流態(tài)化和氣力輸送。圖1.2.1 流態(tài)化過程氣固流化床的形成 1 1固定床固定床 垂直管狀容器中的固體顆粒物料，當(dāng)沒有氣流作用時(shí)，靜止料層高度L0，床層空隙率0。床層空隙率的定義為： 當(dāng)有氣流通入且氣速較低時(shí)，床層高度基本不變，僅上界面處的部分細(xì)物料略有松動(dòng)。氣體此時(shí)對(duì)顆粒的作用力(稱為曳力，方向向上)較小，顆粒間仍保持緊密接觸，靜止不動(dòng)，氣體穿過顆粒間隙到達(dá)床層上部。這時(shí)的顆粒

6、床層即構(gòu)成固定床。 如在床層上下端面通以U形管差壓計(jì)，測(cè)量沿整個(gè)床層高度氣流壓降與氣流速度的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)該壓降值基本隨氣速增大而單調(diào)增加， bedsolidbedVVV氣固流化床的形成 2 2流態(tài)化階段流態(tài)化階段 當(dāng)氣流速度逐漸增大時(shí)，氣流對(duì)顆粒的曳力也逐漸增大，當(dāng)該氣速增大至某一定值時(shí)，固體顆粒達(dá)到受力平衡，即： 氣流對(duì)顆粒的曳力+氣流對(duì)顆粒的浮力顆粒的重力 此時(shí)，固體顆粒有可能在床層中自由浮沉。 由于固定床階段顆粒緊密接觸，彼此有搭橋現(xiàn)象，因而床層有可能不是一下子全部疏松、顆粒全部浮起。上述受力平衡還可以描述為壓降P單位截面積上床層物料的重量 這樣的受力平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖中的A點(diǎn)。 3氣力輸送

7、階段 在正常流態(tài)化階段，由于固體顆粒大小不一，會(huì)有一些細(xì)小顆粒在曳力、浮力作用下被氣流帶出床外，但運(yùn)動(dòng)的固體物料仍可形成一定的上界面(如同液體沸騰時(shí)的表面)。當(dāng)UUc后，被帶出的物料逐漸增多，甚至一些大顆粒也被帶出，原有的床層上界面逐漸消失，對(duì)應(yīng)的料層阻力急劇減小。這就是氣力輸送狀態(tài)。 氣力輸送也稱為氣流床。當(dāng)U很大時(shí)，氣流對(duì)固體顆粒的攜帶能力也很大。這時(shí)的單顆粒受力關(guān)系為： 氣流對(duì)顆粒的曳力十氣流對(duì)顆粒的浮力顆粒受到的重力 1.2.2 1.2.2 流態(tài)化實(shí)現(xiàn)的要素及特點(diǎn)流態(tài)化實(shí)現(xiàn)的要素及特點(diǎn) 1有固體顆粒存在 這些固體顆?？梢詤⒓踊瘜W(xué)反應(yīng)，如氣化、燃燒過程中的煤顆粒；也可以不參加化學(xué)反應(yīng)，如

8、氣相化學(xué)反應(yīng)中的固體催化劑；還可以參與多種物理過程，如熱空氣干燥糧食、化肥等。 2有流體介質(zhì)存在 流態(tài)化技術(shù)中采用的流體介質(zhì)包括： 熱空氣(用于干燥物料或使物料散開等)； 一般空氣(用于流態(tài)化燃燒、煤炭氣化、低溫干餾等)； 蒸汽等。 3固體與流體介質(zhì)在特定條件下發(fā)生作用 這些條件包括： 1)固體顆粒有粒度限制，如一般鼓泡流態(tài)化燃燒鍋爐要求入爐粒度l3mm；循環(huán)流化床要求給煤粒度2mm，如果顆粒過大，或大顆粒較多，則較難實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，因?yàn)榇箢w粒物料很難浮起。 2)流體介質(zhì)應(yīng)具有一定的溫度、壓力，保證正常流態(tài)化的實(shí)現(xiàn)及床內(nèi)反應(yīng)過程的正常進(jìn)行。 3)固體顆粒與流體介質(zhì)在一定的空間(稱反應(yīng)器或流化床)內(nèi)

9、互相作用。 流態(tài)化過程具有以下特點(diǎn)：1類似液體的特性 流化床由于氣體和固體的運(yùn)動(dòng)情況很像沸騰的液體，因而也稱之為沸騰床，它表現(xiàn)出一些類似液體的性質(zhì): 輕小的物料顆粒容易浮起； 當(dāng)容器傾斜時(shí)，流態(tài)化床層的上界面仍保持相對(duì)水平狀態(tài)； 氣、固兩相流體(運(yùn)動(dòng)著的固體粒子群也屬于流體)容易變形、流動(dòng)，沒有固定的形狀。如在容器側(cè)部開口，固體顆粒很容易自孔口流出； 兩個(gè)流態(tài)化容器并聯(lián)相通時(shí)，兩容器的上界面維持相同的高度。 這種似液體性對(duì)于實(shí)現(xiàn)操作過程的連續(xù)化與自動(dòng)化是非常有利的。 2固體顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)與迅速混合 由于流化床內(nèi)顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又由于氣固流化床以氣泡運(yùn)動(dòng)為基本特征，顆粒在氣流或氣泡作用下進(jìn)

10、行強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)，包括上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)，床層基本處于全混狀態(tài)，溫度與濃度趨于均勻，這一均溫特性便于溫度的調(diào)節(jié)控制及維持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。但是當(dāng)固體物料連續(xù)進(jìn)、出床層時(shí)，固體顆粒在床內(nèi)停留時(shí)間并不一致，這對(duì)于要求顆粒充分停留的工藝操作是不利的。 3強(qiáng)烈的碰撞與摩擦 這種碰撞與摩擦是固體顆粒在床內(nèi)強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，包括顆粒之間的碰撞與摩擦，顆粒與容器壁之間的碰按與摩擦。如果床內(nèi)設(shè)置阻擋元件(如沸騰鍋爐床層內(nèi)布置的埋管受熱面)，則固體顆粒與阻擋元件之間的碰撞與摩擦也是非常強(qiáng)烈的。這種特點(diǎn)對(duì)于氣固系統(tǒng)與固體壁畫(容器壁面及阻擋件表面)間的對(duì)流傳熱是極為有利的，對(duì)于固體顆粒表面的更新、促進(jìn)床內(nèi)反應(yīng)過程的進(jìn)行及床層

11、內(nèi)的加熱、冷卻也是很有利的。其缺點(diǎn)是固體壁的磨損。 4顆粒比面積大 流化床的要素之一是限制固體物料的粒徑，因而其物料粒度比固定床小得多，顆粒的比表面積相應(yīng)要大得多，氣固間或兩種不同的固體顆粒間的傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)過程也強(qiáng)烈得多。 5氣體與顆粒的接觸時(shí)間不均勻 在氣固流化床中，大部分氣流以氣泡的形式較快地通過床層，與顆粒的接觸時(shí)間有限、而固體與部分氣體形成的密度相對(duì)均勻的乳化相中氣體與顆粒的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，這就造成了氣、相間接觸時(shí)間的不均勻現(xiàn)象。 1.2.3 流態(tài)化過程中的不正?，F(xiàn)象 1)溝流 又稱穿孔現(xiàn)象，指料層不均勻或氣體介質(zhì)分布不均勻時(shí)，在容器內(nèi)固定床向流化床轉(zhuǎn)化的初始階段，氣流可能從阻力較小

12、的“溝道”處通過，形成氣流短路的現(xiàn)象(見圖1.2.3(a)。有局部溝流和貫穿構(gòu)流兩種情況。前者指溝流現(xiàn)象僅在局部發(fā)生，在溝道未到達(dá)的部分料層仍可以產(chǎn)生沸騰；后者指溝流現(xiàn)象自下而上貫穿整個(gè)床層，此時(shí)即使氣流速度己超過正常的臨界流態(tài)化速度(即UUmf)，料層也不會(huì)沸騰，大量氣流由貫穿溝道處短路通過。 溝流一般發(fā)生在床層阻力極不均勻、氣流速度較低的情況下。例如沸騰爐點(diǎn)火過程中風(fēng)量風(fēng)速都不大，整個(gè)床層還沒有同步到達(dá)流態(tài)化，局部地區(qū)容易出現(xiàn)溝流現(xiàn)象，即局部地區(qū)顆?？障抖壬源?，氣流較易通過。這時(shí)只要人工或采用機(jī)械撥動(dòng)床層即可消除這種現(xiàn)象。如果聽任溝流現(xiàn)象發(fā)展，就會(huì)在局部穿孔處引起結(jié)焦，形成大顆粒渣團(tuán)，影響

13、正常流態(tài)化或不能形成流態(tài)化。 上述點(diǎn)火過程自固定床階段開始，到床層完全進(jìn)入流態(tài)化、床溫達(dá)到規(guī)定下限值以上才算完成，因而點(diǎn)火過程中容易出現(xiàn)溝流現(xiàn)象。如果將惰性床科(不參與反應(yīng)的大密度顆粒物料)與燃煤顆粒預(yù)先混合，在冷態(tài)條件下達(dá)到沸騰狀態(tài)(床層膨脹高度不大的低沸騰狀態(tài))，然后用輕柴油點(diǎn)火裝置加熱引燃并升高床溫。采用這種點(diǎn)火方式就不太容易出現(xiàn)溝流結(jié)渣現(xiàn)象。假如布風(fēng)不均勻問題嚴(yán)重，則這種點(diǎn)火方法也可能產(chǎn)生溝流現(xiàn)象。 一般認(rèn)為，引起溝流的主要原因有：布風(fēng)裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致布風(fēng)不均勻；料層篩分不合理，粉末太多或太少；料層過薄或水分較大，容易引起顆粒粘連；氣流速度偏小等。 圖1.2.3 流態(tài)化過程中的不正常

14、現(xiàn)象（a）溝流 （b）騰涌 (c)分層 (d)氣泡過大2. 騰涌 當(dāng)床層內(nèi)氣泡匯合到大小接近床截面時(shí)，床內(nèi)料層可能會(huì)分成幾段，形成氣塞(見圖1.2.3(b)，像活塞似地運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大氣泡破裂時(shí)，大顆粒下落，細(xì)小的物料可能會(huì)被氣流帶走，這種現(xiàn)象就是騰涌，也叫節(jié)涌。 出現(xiàn)騰涌時(shí)，流化床料層的壓降波動(dòng)很大，不再保持壓差基本不變。對(duì)沸騰燃燒而言，騰涌一旦出現(xiàn)，燃燒很難保持穩(wěn)定，也很難維持流態(tài)化的正常運(yùn)行，而且容易在床層底部引起結(jié)焦。 導(dǎo)致騰涌的原因可能有：布風(fēng)板設(shè)計(jì)不良，如風(fēng)帽尺寸不合適，風(fēng)帽開孔率不當(dāng)?shù)?；流化床高徑?料層高度與床截面寬度之比)較大；篩分不均勻，顆粒偏大；料層太薄或布風(fēng)不均勻等。 3分層

15、 當(dāng)床內(nèi)物料篩分范圍較寬，組顆粒和細(xì)顆粒較多，中間大小的顆粒較少時(shí)，在氣流作用下，細(xì)小物科顆粒被收到床層上部，粗大顆粒沉積在下部，形成物料的分層現(xiàn)象，見圖1.2.3(c)。 當(dāng)氣流速度逐漸增大時(shí)，床內(nèi)的細(xì)粒物料可以達(dá)到流態(tài)化，而粗粒物料仍處于固定床所段，這種分層現(xiàn)象因而被稱為假沸騰現(xiàn)象。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象后，流化介質(zhì)與固體顆粒很難起到應(yīng)有的作用。在燃燒中，這種現(xiàn)象極易引起早期結(jié)焦，影響沸騰燃燒的正常進(jìn)行。 產(chǎn)生分層現(xiàn)象的原因主要與篩分分布有關(guān)。此外，如容器設(shè)計(jì)成漏斗狀(上大下小)也易引起分層，因?yàn)闅饬魉俣茸韵露蠒?huì)變小。 1.2.4 1.2.4 氣固流化床的一般性評(píng)價(jià)氣固流化床的一般性評(píng)價(jià) 就流態(tài)

16、化技術(shù)的發(fā)展而言，這一技術(shù)所表現(xiàn)出的優(yōu)越之處是該技術(shù)能夠得到比較廣泛應(yīng)用的主要原因，良好的床層均溫性 2 較高的傳熱傳質(zhì)速率 3 輸送能力大4 可利用或加工粉末狀物料 流化床除具備上述優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)還表現(xiàn)出下述不足，即1固體物料的停留時(shí)間不均勻 這一點(diǎn)前邊已經(jīng)提到。這是因?yàn)楣腆w顆粒在流化床內(nèi)的混合、運(yùn)動(dòng)比較劇烈，在連續(xù)進(jìn)、排料的生產(chǎn)過程中，床內(nèi)已有物料與部分新入料可能會(huì)同時(shí)排出，造成部分新入料的停流時(shí)間過短。對(duì)有些化工裝置而言，這種物料停留時(shí)間不均勻的現(xiàn)象可能會(huì)影響反應(yīng)速度及反應(yīng)的完全性，還有可能造成副反應(yīng)的增加。 2氣流分布不均會(huì)影響氣固接觸效率 當(dāng)氣固流化床中的氣流分布不均勻時(shí)，氣固間的接觸

17、效率必然受到影響。如果氣相為加工對(duì)象，固體為催化劑，則氣相物質(zhì)的轉(zhuǎn)化或反應(yīng)速度必然會(huì)因?yàn)榇呋Ч儾疃鴾p慢。3顆粒磨損與設(shè)備磨損嚴(yán)重 氣固流化床中固體顆粒的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)造成顆粒之間的碰撞、磨損，形成新的粉未，容易被氣流帶出，導(dǎo)致物料的損失。另一方面，這種碰撞、摩擦在形成新物料表面，提高傳熱傳質(zhì)速度的同時(shí)，必然對(duì)換熱器件及容器壁表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損作用。因而流化床設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造必須相應(yīng)考慮采取防磨措施。 內(nèi)容回顧流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展氣固流態(tài)化形成過程氣固流態(tài)化的優(yōu)缺點(diǎn)第二章第二章 流化床的流體動(dòng)力學(xué)流化床的流體動(dòng)力學(xué)基本術(shù)語(yǔ) 1.布風(fēng)裝置(布風(fēng)板、風(fēng)室、風(fēng)帽) 布風(fēng)裝置由布風(fēng)板、一次風(fēng)室及風(fēng)帽組成。一次

18、風(fēng)經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入一次風(fēng)室，然后通過布風(fēng)板上的小孔和布風(fēng)帽進(jìn)入爐床上面，與給煤及返料混合、燃燒。床料以布風(fēng)板為支撐，一次風(fēng)通過布風(fēng)板對(duì)床料、燃料及石灰石產(chǎn)生向上的動(dòng)力，建立流化狀態(tài)，使床料、燃料、石灰石在床層上強(qiáng)烈摻混，進(jìn)行劇烈的燃燒及傳熱過程。 2.密相區(qū) 布風(fēng)板上部，床層下部的爐膛空間稱為密相區(qū)。密相區(qū)中煤及石灰石的濃度很大，燃料與空氣的反應(yīng)主要發(fā)生在密相區(qū)。為了達(dá)到脫硫效果，密相區(qū)的溫度一般控制在850900。由于密相區(qū)中只送入部分助燃空氣，故該區(qū)燃燒反應(yīng)處于還原性氣氛中。燃料中的大顆粒物質(zhì)在重力的作用下在密相反應(yīng)區(qū)進(jìn)行上、下往返運(yùn)動(dòng)，不斷地與空氣發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸減小到一定程

19、度時(shí)，氣流對(duì)顆粒的氣動(dòng)力大于顆粒的重力及運(yùn)動(dòng)阻力，顆粒進(jìn)入稀相區(qū)繼續(xù)燃燒。 基本術(shù)語(yǔ) 3.稀相區(qū) 床層上部的爐膛空間稱為稀相區(qū)。爐膛中的細(xì)顆粒在床層表面被氣流夾帶進(jìn)入稀相區(qū)。二次風(fēng)在稀相區(qū)送入爐膛，使燃料在爐膛內(nèi)形成強(qiáng)烈的氣旋運(yùn)動(dòng)，氣固兩相流混合充分，燃料和空氣發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)。燃燒放出的熱量與爐膛中的換熱面進(jìn)行熱量交換，使換熱面中的工質(zhì)逐步升溫以滿足要求。爐膛中除布置有水冷壁外，有的循環(huán)流化床鍋爐在稀相區(qū)還布置有各種對(duì)流及幅射受熱面。 4.氣固分離裝置 從CFBB爐膛出來的煙氣中含有大量未燃煤顆粒，若不把這些未燃燃料從煙氣中分離出來，不僅影響燃燒效率，而且會(huì)對(duì)尾部煙道及尾部受熱面造成十分嚴(yán)

20、重的磨損。因此，CFBB在常規(guī)流化床鍋爐的基礎(chǔ)上增加了氣固分離裝置及返料裝置,以把未燃顆粒從煙氣中分離出來并送入爐膛繼續(xù)燃燒。 5. 排渣裝置 CFBB正常運(yùn)行時(shí)要求維持一定的床層厚度。床層太厚不利于燃料進(jìn)入流化狀態(tài)，同時(shí)也加大了送風(fēng)電耗。相反，床層太薄又容易把床料及燃料吹跑，無(wú)法形成床層。CFBB是通過排渣裝置來控制床層厚度的，床層增厚則加大排渣，床層減薄則減少排渣量。 7. 床料 鍋爐啟動(dòng)前，布風(fēng)板上先鋪上一定厚度，一定粒度的“原料”，稱為床料。床料一般由燃煤，灰渣，石灰石粉組成，有的鍋爐床料中還摻入砂子，鐵礦石等，甚至有的鍋爐冷態(tài)熱態(tài)調(diào)試或啟動(dòng)的時(shí)僅用一定粒度的砂子作床料。 8. 物料物

21、料 所謂物料，主要是指循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中，在爐膛及循環(huán)系統(tǒng)（分離器，料腿，回料閥等）內(nèi)燃燒或載熱的固體顆粒。它不僅包含床料成分，還包括鍋爐運(yùn)行中給入的燃料，脫硫劑，返送回來的飛灰以及燃料燃燒后產(chǎn)生的其他固體物質(zhì)。 9. 堆積密度與顆粒密度堆積密度與顆粒密度 如果把固體顆粒燃料或物料自然堆放不加任何“約束”，那么這時(shí)單位體積的燃料質(zhì)量就稱為堆積密度。單個(gè)顆粒的質(zhì)量和其體積的比值稱為顆粒密度或真實(shí)密度。 10. 空隙率空隙率 在電廠中無(wú)論是固體燃料煤還是其他顆粒物料，盡管粒徑大小不同，但是粒子間都有空隙，因此堆積密度總是比顆粒密度小。燃料和床料或物料堆積時(shí)，其粒子間空隙所占的體積份額為堆積空隙率

22、。 11. 物料篩分 進(jìn)入鍋爐的燃料顆粒的直徑一般不相等。如果粒徑粗細(xì)范圍較大，即篩分較寬，稱為寬篩分；粒徑粗細(xì)范圍較小，就為窄篩分。 12. 流化速度 流化速度是指床料或物料流化時(shí)動(dòng)力流體的速度。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐來說，動(dòng)力流體就是空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定能量，通過布風(fēng)板或風(fēng)帽使床料（物料）流化起來。這部分風(fēng)叫做一次風(fēng)。 13. 臨界流化風(fēng)速與臨界流化風(fēng)量 臨界流化風(fēng)速就是床料開始流化時(shí)的一次風(fēng)風(fēng)速，這時(shí)的一次風(fēng)量就是臨界流化風(fēng)量。對(duì)于不同型號(hào)的鍋爐或同型號(hào)而不同物理性質(zhì)的床料，其臨界流化風(fēng)速和臨界流化風(fēng)量不同。具體值可以通過鍋爐冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)測(cè)定。 14. 物料循環(huán)倍率 物料循環(huán)倍率因爐型、系統(tǒng)

23、以及研究方法的不同，有不同的定義。最簡(jiǎn)單通用的是由物料分離器捕捉下來且返回爐內(nèi)的物料量與給進(jìn)的燃料量之比。 第二章第二章 流化床的流體動(dòng)力學(xué)流化床的流體動(dòng)力學(xué) 第一節(jié) 流化床的流動(dòng)特性 影響流化床流動(dòng)特性的因素很多。首先，床層的均勻性和穩(wěn)定性與床層流速有關(guān)系，不同流速下會(huì)形成不同的床層形式。對(duì)應(yīng)不同的粒度、不同的氣速、便會(huì)形成不同的床層，如散式流態(tài)化，聚式流態(tài)化等。 2.1.1 Geldart 的顆粒分類 一般情況下，粒度過細(xì)、密度過小則會(huì)使起始流態(tài)化困難，且易形成嚴(yán)重的溝流。 圖2.1.2 Geldart 的顆粒分類圖Geldart 的顆粒分類 A類顆粒： 這類顆粒粒度較細(xì)，一般為2090m

24、，如化工流化床反應(yīng)器常用的裂化催化劑即屬此類顆粒。這類顆粒通常很易流化，并且在開始流化至開始形成氣泡之間一段很寬的氣速范圍內(nèi)床層能均勻散式膨脹。B類顆粒： 這類顆粒具有中等粒度，典型的粒度范圍為90650m，具有良好的流化性能。流化床常用的石英沙即屬典型的B類顆粒，此種顆粒在流化風(fēng)速達(dá)到臨界流化速度后即發(fā)生鼓泡現(xiàn)象。 Geldart 的顆粒分類C類顆粒： 這些顆粒粒度很細(xì)，一般均小于20m，顆粒間相互作用力很大，屬于很難流態(tài)化的顆粒，由于這種顆粒相互粘著力大，因此當(dāng)氣流通過這種顆粒組成的床層時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)溝流現(xiàn)象。D類顆粒： 這類顆粒通常有較大的粒度和密度，并且在流化狀態(tài)時(shí)顆?；旌闲阅茌^差，大

25、多數(shù)燃煤流化床鍋爐內(nèi)的床料及燃料顆粒均屬于D類顆粒。由于化工領(lǐng)域流化床多集中在C、A、B類顆粒，因而以前對(duì)D類顆粒的流化性能研究得很少。近年來的一些研究結(jié)果說明，D類顆粒的流化性能與A、B類顆粒有較大差別，如氣泡速度低于乳化相間隙氣流速度，即所謂的慢速氣泡流型。 2.1.2 流化床壓降和流速的關(guān)系 1理想流態(tài)化 一般而言，理想流態(tài)化具有以下特點(diǎn)： 有確定的臨界流態(tài)化點(diǎn)和臨界流態(tài)化速度Umf，當(dāng)流速達(dá)Umf以后，整個(gè)顆粒床層開始流化； 流態(tài)化床層壓降為一常數(shù)； 具有一個(gè)平穩(wěn)的流態(tài)化床層上界面； 流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下，都具有一個(gè)代表性的均勻值，不因床層的位置和操作時(shí)間而變化，但隨流速的變

26、大而變大。 2.1.2 流化床壓降和流速的關(guān)系 圖2.1.3 壓降與流速的關(guān)系流化床壓降和流速的關(guān)系 2實(shí)際流態(tài)化 實(shí)際流化床壓降和流速的關(guān)系較復(fù)雜。由于受顆粒之間作用力、顆粒分布、流體分布板結(jié)構(gòu)特性、顆粒外部特征、床直徑大小等因素的影響，造成實(shí)際流化床壓降和流速的關(guān)系偏離理想曲線而呈各種狀態(tài)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 流速在接近臨界流態(tài)化速度時(shí)，在壓降還未達(dá)到單位面積的浮重之前，床層即有所膨脹，若原固定床充填較緊密，此效應(yīng)更明顯。此外，由于顆粒分布的不均勻性以及床層充填時(shí)的隨機(jī)性造成床層內(nèi)部局部透氣性不一致，使固定床和流化床之間的流化曲線不是突變，而是一個(gè)逐漸過渡過程。在此過程中，一部分顆粒

27、先被流化，其它顆粒的重量仍部分由分布板承受。因而此時(shí)床層壓降低于理論值。最后，隨著流速的增加，床層顆粒重量才逐漸過渡到全部由流體支撐，壓降接近理論值，此時(shí)對(duì)應(yīng)床層重量完全由流體承受的最小流速Umf，亦即完全流態(tài)化速度。流化床壓降和流速的關(guān)系 由于顆粒表面并不是理想的光滑表面，造成顆粒之間“架橋”現(xiàn)象。當(dāng)床直徑較小時(shí)，床層和器壁之間的摩擦更為明顯，甚至形成初始流態(tài)化對(duì)應(yīng)床層壓降大于理論值的現(xiàn)象。當(dāng)床層全部流化之后，顆粒和器壁之間以及顆粒之間不再相互接觸或接觸較小，則此現(xiàn)象消失，壓降和理論值相差不大。 當(dāng)顆粒分布不均以及分布板不能使流體分布均勻時(shí)，可能出現(xiàn)局部溝流。結(jié)果，大部分流體短路通過溝道，而

28、床層其余部分仍處于非流態(tài)化狀態(tài)。 因此，實(shí)際流態(tài)化過程總是偏離理想流態(tài)化的，而理想流態(tài)化在實(shí)際中是很難得到的，這與實(shí)際顆粒分布、床中流體分布等很難達(dá)到理想狀態(tài)有關(guān)。 第二節(jié) 床層壓降的計(jì)算 如何計(jì)算流體通過固定床所產(chǎn)生的壓降？首先假定流體由下向上流過容器中的顆粒層:由機(jī)械能守恒，對(duì)于流體：對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)：P= 壓降 L =床高 m =流體粘性 = 空隙率 U or V =流速 dp =顆粒直徑f =流體密度f(wàn)bfhgLp242VDLfhf床層壓降的計(jì)算 圖2.2.1 固定床壓降床層壓降的計(jì)算 假定:忽略重力對(duì)流體的作用，流動(dòng)為層流 (f = 16/Re). VDfRe床層壓降的計(jì)算 關(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)化為

29、計(jì)算流速V和定性尺寸DLb S = 床體積Lb S = 有效流通體積對(duì)單位床高: 流速: SuSu00uu 定性尺寸，床有效直徑: 濕周流通截面積4hD床層壓降的計(jì)算 上式右側(cè)乘以 L/L 濕表面積可流通體積4hDsbbhaSLSLD14as 為顆粒表面積和體積之比。 對(duì)于球形顆粒: psDRRa643342phDD164因此對(duì)于層流: 3220172pDLup 床層壓降的計(jì)算 實(shí)際上，上式?jīng)]有考慮曲折路徑L比較長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的常數(shù)150應(yīng)替代72. 獲得Blake-Kozeny 等式. 32201150pDLup類似地，對(duì)于湍流可得到 the Hagen-Poiseuille 等式： 00

30、0, 1pRe320175. 1pDLup對(duì)于過渡流動(dòng): 3203220175. 11150pbpbDLuDLup這是 Ergun 公式公式. 2.2.2 臨界流化速度 臨界流態(tài)化速度Umf是流態(tài)化操作的最低速度。要使固體顆粒床層在氣流作用下實(shí)現(xiàn)完全流態(tài)化，操作氣速必須大于Umf。 圖2.2.2 臨界流態(tài)化速度實(shí)測(cè)法 在不易實(shí)驗(yàn)確定臨界流態(tài)化速度的場(chǎng)合可采用計(jì)算的辦法來近似求得Umf,因?yàn)椋?固定床壓降和流速之間有一定的關(guān)系；壓降等于顆粒的浮重時(shí)即為臨界流態(tài)化狀態(tài)，二者同時(shí)存在時(shí)可求得臨界流態(tài)化速度Umf。 臨界流態(tài)化速度的計(jì)算 臨界流化狀態(tài)下壓降為：gLPmffsmf)1)(由Ergun公式

31、： 3203220175. 11150pbpbDLuDLup臨界流態(tài)化速度的計(jì)算 psmffmfmfpamfmfmfmfdUdULP23232175. 1)()1 (150232332)()(175. 1)1 (150gddUdUdfsfppmffpmfsfmfpmfamfpfmfmfdURe23)(gdArfsfp1, 4 . 0smf00366. 0Re4 .51Re2Armfmf) 11053. 51(7 .25Re5Armf得到臨界狀態(tài)時(shí)的床層壓降為： 由此可以得到： 雷諾數(shù)： 阿基米德數(shù)： 對(duì)于球形顆粒，則有： 2.2.3 顆粒終端速度 gdfsp)(6浮重力324C摩擦阻力22DU

32、dfp二力相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒速度即為顆粒終端速度Ut，即 fDfsptCgdU)(34000,200Re500 ,43. 0500Re4 . 0 ,Re104 . 0Re ,Re242/1pDppDppDCCC第三節(jié) 流化床中的氣泡 氣泡是氣固流化床固有的現(xiàn)象。一般情況下，當(dāng)固體顆粒物料被流化且氣流速度超過臨界流態(tài)化速度時(shí)，料層即會(huì)出現(xiàn)氣泡。 根據(jù)兩相理論，床層中會(huì)出現(xiàn)顯著不同的兩相：由固體顆粒和氣體構(gòu)成一連續(xù)相(也稱密相或乳化相)，固體顆粒均勻地懸浮于氣流中，其密度等于臨界流化狀態(tài)時(shí)的數(shù)值，氣流上升的速度等于臨界流態(tài)化速度；另一相即氣泡相，它是以氣泡狀態(tài)構(gòu)成的非連續(xù)相，氣泡中通常不含或很少含

33、固體顆粒(實(shí)測(cè)約等于0.21)。 流化床中的氣泡 氣泡的大小及產(chǎn)生頻率(低速時(shí))都和氣流速度有關(guān)。由于氣泡相的存在，鼓泡床與固定床有許多不同之處。氣泡的存在改變了氣體通過床層的流動(dòng)狀態(tài)，并引起顆粒的運(yùn)動(dòng)。這種顆粒運(yùn)動(dòng)造成顆粒迅速而充分的混合，并使氣固兩相(即乳化相)混合均勻。這種均勻性一方面使流化床中溫度梯度較其它類型設(shè)備小，傳熱系數(shù)大，傳熱良好，并且使顆粒表面不斷更新，傳質(zhì)阻力小，有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面也造成氣固相的返混，使物科和氣體的停留時(shí)間不一致，影響傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。因而氣泡對(duì)于流化床中的動(dòng)量、質(zhì)量和熱量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)速率有著重要的影響。 流化床中的氣泡 氣泡和乳化

34、相中氣固分布的不均勻性造成氣體和固體的混合、熱量和質(zhì)量的傳遞等過程主要集中在連續(xù)相中。氣泡在上升過程中與乳化相間存在著熱量和質(zhì)量交換，且兩相之間的交換量與氣泡的運(yùn)動(dòng)速率和氣泡的大小有關(guān)。 流化床中的氣泡 氣泡在上升過程中，會(huì)合并長(zhǎng)大，上升速度也越來越大，并且當(dāng)通過流化床的氣流速度增大時(shí)(一般認(rèn)為氣速增大有利于氣固反應(yīng))，氣泡運(yùn)動(dòng)速度加快，當(dāng)快到一定程度時(shí)，氣泡內(nèi)的氣體來不及和乳化相進(jìn)行交換(因?yàn)槿榛鄡?nèi)的氣量和氣速并不增加或增加很少，大部分氣體仍以氣泡形式通過床層)，因而高氣速和大氣泡又有可能抑制床內(nèi)傳熱和傳質(zhì)的進(jìn)行。 綜上所述，氣泡的存在、大小及其在床內(nèi)的上升速度等等對(duì)床內(nèi)傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反

35、應(yīng)都具有重要影響。 流化床中的氣泡 1.氣泡的生成 氣泡的生成情況不但受到流化氣速和顆粒大小的影響，而且還和分布板的形式有關(guān)。因而分布板的形式對(duì)鼓泡流化床的流化質(zhì)量影響很大。 一般來講，分布板進(jìn)氣孔少時(shí)，床層不均勻性顯著，形成氣泡也較大，并且流化效果差，容易產(chǎn)生溝流等不正常現(xiàn)象。進(jìn)氣孔多時(shí)，床層密度比較均勻，氣泡較小，氣固相接觸較為密切，因而氣體溝流較少。采用致密的多孔燒結(jié)板有助于形成良好的流化床，其缺點(diǎn)是孔板阻力較大。設(shè)計(jì)流化床分布板時(shí)應(yīng)綜合考慮這一情況。 流化床中的氣泡 2. 氣泡上升速度 氣泡上升速度是氣泡的重要參數(shù)之一。根據(jù)流化床的兩相理論，床內(nèi)固體顆粒主要存在于密相中，因此化學(xué)反應(yīng)及

36、其它相互作用主要是在密相中進(jìn)行，而氣泡和密相之間在氣泡通過床層時(shí)存在質(zhì)量變換，從而對(duì)床內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響。 單氣泡上升速度的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：式中db為氣泡的直徑，若氣泡為非球形，則取與氣泡同體積的球體的直徑。 關(guān)于氣泡群的上升速度，一般認(rèn)為，當(dāng)床層中氣流流速超過臨界流態(tài)化速度時(shí)，床層中產(chǎn)生氣泡并通過床層上升。除此之外，氣泡群在上升過程中還會(huì)出現(xiàn)氣泡匯合長(zhǎng)大的現(xiàn)象，從而使氣泡上升速度增加。 2/1)(711. 0bbrgdU流化床中的氣泡 3. 氣泡的尺寸和形狀 氣泡的尺寸和形狀決定其上升的速度，因而氣泡在床內(nèi)停留時(shí)間和氣固相之間的熱量、質(zhì)量交換以及化學(xué)反應(yīng)速度等都將受到氣泡尺寸和形狀的影響。氣泡

37、的尺寸 氣泡的初始尺寸和通過氣泡生成孔的氣體流率G以及分布板形式有關(guān)。通過對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)方程的描述，可得出單個(gè)完整氣泡的體積為： 不同形式的分布板所形成的初始?xì)馀葜睆绞遣煌?。如在直孔多孔板和燒結(jié)板上，產(chǎn)生的初始?xì)馀葜睆骄筒灰粯印?6 . 02 . 12 . 0)6(gGVb流化床中的氣泡 氣泡的形狀氣泡的形狀 流化床中的氣泡形狀隨氣泡尺寸的不同而不同。一般小氣泡接近于球狀，較大時(shí)會(huì)變得扁平并扭曲成非球狀，大氣泡則呈球帽狀。通常假定氣泡形狀為球帽狀，并由此對(duì)氣泡行為進(jìn)行分析。 流化床中的氣泡 4氣泡的暈和尾渦 氣泡在上升過程中，氣泡相中的氣體并非靜止不動(dòng)。除了一部分氣體在氣泡內(nèi)部循環(huán)外，還有一部分

38、氣體從氣泡的上部穹頂處逸出，透過氣泡周圍的一層乳化相，在氣泡的底部又返回氣泡，形成一個(gè)圍繞氣泡的循環(huán)。這一層由氣泡逸出氣流滲透的乳化相稱作氣泡暈。 暈形成的原因在于床層內(nèi)存在壓力梯度，使得壓力沿床高逐漸降低，氣體更容易通過氣泡向上運(yùn)動(dòng)(氣泡對(duì)流動(dòng)沒有阻力，阻力主要來自顆粒)，即氣泡成了床內(nèi)氣體流動(dòng)阻力較小的通道，當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)的氣體從氣泡頂部出來時(shí)，就進(jìn)入沿著氣泡邊緣向下運(yùn)動(dòng)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))的乳化相中，當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)足夠快時(shí)，它們將帶著氣體一起向下運(yùn)動(dòng)，直到壓力場(chǎng)再次將氣體壓入氣泡為止。如此就構(gòu)成氣流不斷通過氣泡向上，又沿著氣泡邊緣向下的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，也就形成了氣泡暈。 由氣泡暈的形成還可以看出，并非所有的氣

39、泡都能形成氣泡暈。只有當(dāng)氣泡相和乳化相相對(duì)速度達(dá)到定值時(shí)才可能出現(xiàn)，即顆粒相對(duì)于氣泡必須是向下運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度可以大到足以帶動(dòng)氣體一起向下運(yùn)動(dòng)時(shí)才能出現(xiàn)氣泡暈。 第四節(jié) 流化床中的顆粒運(yùn)動(dòng)和混合 實(shí)驗(yàn)觀察表明：?jiǎn)为?dú)顆粒在床層中是到處游動(dòng)的，并且具有明顯的上下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。一般而言，顆粒向上運(yùn)動(dòng)較快，向下則較慢。固體顆粒運(yùn)動(dòng)的大部分時(shí)間消耗在向下的緩慢運(yùn)動(dòng)上，但也會(huì)被氣流帶到床層頂部。到達(dá)床層上表面的顆粒在下降之前會(huì)在上表面處停留片刻。當(dāng)顆粒向下運(yùn)動(dòng)時(shí)有較顯著的橫向脈動(dòng)。實(shí)際上對(duì)于流化床內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)，人們關(guān)心的并不是具體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而是整個(gè)床層中顆粒群體的運(yùn)動(dòng)、相互間的混合情況、顆粒在流化床中

40、的停留時(shí)間。 流化床中的顆粒運(yùn)動(dòng)和混合 現(xiàn)在普遍認(rèn)為固體的混合主要是由氣泡通過床層時(shí)的擾動(dòng)引起的；固體顆粒的向上運(yùn)動(dòng)是由氣泡的尾渦夾帶而形成的，而且在夾帶過程中，尾渦內(nèi)的顆粒還和外部顆粒進(jìn)行交換，從而出現(xiàn)一部分混合。為了與尾渦內(nèi)的顆粒向上運(yùn)動(dòng)相平衡，尾渦外的顆粒必然是向下運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)氣泡上升至床層上表面時(shí)，氣泡破裂，尾禍內(nèi)的顆粒又返回床層，落在原來床內(nèi)固體顆粒的上表面，由此產(chǎn)生顆粒混合. 流化床中的顆粒運(yùn)動(dòng)和混合 由于混合主要是由氣泡通過床層產(chǎn)生擾動(dòng)而引起，因而，在臨界條件下進(jìn)行操作時(shí)，由于很少產(chǎn)生氣泡，顆粒團(tuán)之間的混合非常緩慢。 當(dāng)氣速加大時(shí)，氣泡的數(shù)量和大小都呈增加的趨勢(shì)，混合的程度相應(yīng)提高

41、，這與實(shí)驗(yàn)觀察相符合。除了上述影響外，氣泡還引起尾渦中的湍動(dòng)現(xiàn)象，從而因湍動(dòng)而產(chǎn)生渦流擴(kuò)散，這也有助于顆粒間的混合。 流化床中的顆粒運(yùn)動(dòng)和混合 綜上所述，流化床中顆粒的運(yùn)動(dòng)和混合主要因氣泡運(yùn)動(dòng)而引起，顆粒因氣泡的尾渦夾帶而向上運(yùn)動(dòng)，而后又因氣泡的破裂而重新落回床內(nèi)，氣泡不斷地把顆粒帶至床層上表面，乳化相內(nèi)的顆粒不斷向下運(yùn)動(dòng)而維持床內(nèi)平衡。氣泡越大，氣泡的數(shù)量越多，顆粒間的混合也就越強(qiáng)烈。這也是人們提出各種流化床顆粒運(yùn)動(dòng)和混合模型的主要依據(jù)。 循環(huán)流化床鍋爐原理循環(huán)流化床鍋爐原理 第三章第三章 循環(huán)流化床鍋爐原理循環(huán)流化床鍋爐原理 第一節(jié)第一節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐工作原理和特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐工作原理

42、和特點(diǎn) 由圖3.1.1可見，隨著氣流速度的增加，固體顆粒分別出現(xiàn)固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和氣力輸送狀態(tài)。循環(huán)流化床的上升段通常運(yùn)行在快速流化床狀態(tài)下。 圖3.1.1 氣速與流態(tài)化循環(huán)流化床鍋爐原理循環(huán)流化床鍋爐原理 快速流態(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，顆粘團(tuán)向各個(gè)方向運(yùn)功，而且不斷形成和解體。在這種流體狀態(tài)下，氣流還可攜帶一定數(shù)量的大顆粒，盡管其終端速度遠(yuǎn)大于截面平均氣速。這種氣固運(yùn)動(dòng)方式中，存在較大的氣固兩相速度差，即相對(duì)速度。 3.1.13.1.1循環(huán)流化床的

43、特點(diǎn)循環(huán)流化床的特點(diǎn) (1) 不再有鼓泡流化床那樣清晰的界面，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)行流化速度為鼓泡流化床的23倍；(5) 床層壓降隨流化速度和顆粒的質(zhì)量流量而變化； 3.1.2 3.1.2 循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn) 循環(huán)流化床鍋爐可分為兩個(gè)部分。第一部分由爐膛(快速流化床)、氣固物料分離設(shè)備、固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器(有些循環(huán)流化床鍋爐沒有該設(shè)備)等組成，上述部件形成一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為對(duì)流煙道，布置有局

44、部過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)火炬燃燒鍋爐相近。 循環(huán)流化床鍋爐 循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn) 1.低溫動(dòng)力控制燃燒 循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(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。顯然，燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時(shí)間延長(zhǎng)了。在這種燃燒方式下，爐內(nèi)溫度水平因受脫硫最佳溫度限制，一般850左右。這樣的溫度遠(yuǎn)低于普通煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點(diǎn)，這就免去了灰熔化帶來的種種煩惱。 循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋

45、爐的特點(diǎn) 這種“低溫燃燒”方式好處甚多，爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉料爐中要改善很多，對(duì)灰特性的敏感性減低，也無(wú)須很大空間去使高溫灰冷卻下來，氮氧化物生成量低，可于爐內(nèi)組織廉價(jià)而高效的脫硫工藝等等。從燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)控制在動(dòng)力燃燒區(qū)(或過渡區(qū))內(nèi)、由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對(duì)來說溫度不高，并有大量固體顆粒的強(qiáng)烈混合，這種情況下的燃燒速率主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率，也就是決定于溫度水平，而物理因素不再是控制燃燒速率的主導(dǎo)因素。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃料的燃盡度很高，通常，性能良好的循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率可達(dá)9899以上。 循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn) 2高速度、高濃

46、度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過程 循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的固體物料(包括燃料、殘?zhí)?、灰、脫硫劉和惰性床料?經(jīng)歷了由爐膛、分離器和返料裝置所組成的外循環(huán)。同時(shí)在前面介紹快速流態(tài)化的特點(diǎn)時(shí)，我們也介紹了爐膛內(nèi)固體物料的內(nèi)循環(huán)，因此循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)燃燒過程以及脫硫過程都是在這兩種形式的循環(huán)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程中逐步完成的。 循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn) 3高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程 在循環(huán)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，并可改變爐內(nèi)物料的分布規(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、

47、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程是十分強(qiáng)烈的，這就使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。運(yùn)行實(shí)踐也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。 3.1.3 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(NOx)排放低 5. 其他污染物排放低 循環(huán)流化床鍋爐的其他污染物如CO、HCl、HF等的排放也很低。 6燃燒強(qiáng)度高，爐膛截面積小 爐膛單位截面積的熱負(fù)荷高是循環(huán)流化床鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)之一。循環(huán)流化床鍋爐的截面熱負(fù)荷約為3.54.5MWm2，接近或高于煤粉爐。同樣熱負(fù)荷下鼓泡流化床鍋爐需要的爐膛截面積要比循環(huán)流化床鍋爐大23倍。 循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn) 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)

48、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)行費(fèi)用適中 需進(jìn)一步研究的問題 1. 循環(huán)物料的分離 2循環(huán)流化床內(nèi)固體顆粒的濃度選取 3爐內(nèi)受熱面布置和溫度控制 4. 運(yùn)行風(fēng)速(或截面熱負(fù)荷)的確定 5返料機(jī)構(gòu) 6循環(huán)流化床鍋爐部件的磨損 7低污染燃燒 8爐內(nèi)傳熱 9尾部受熱面的設(shè)計(jì) 10除塵 其他諸如自動(dòng)調(diào)節(jié)控制特性、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)配套、灰渣綜合利用等也需進(jìn)步研究。 第二節(jié) 循環(huán)流化床的發(fā)展概況 循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展到現(xiàn)在已有許多不同的流派和型式，其中較有代表性的是芬蘭奧斯龍(Alstrom)公司的Pyroflow循環(huán)流化床鍋爐、德國(guó)魯奇(Lurgi)公司的循環(huán)流化床鍋爐、美國(guó)巴特利(Bat

49、telle)的多固體循環(huán)流化床鍋爐及德國(guó)Babcock公司的Circofluid循環(huán)流化床鍋爐等，以下分別加以簡(jiǎn)要介紹。 圖3.2.1芬蘭奧斯龍(Alstrom)公司Pyroflow 循環(huán)流化床鍋爐圖3.2.2 魯奇公司循環(huán)流化床鍋爐圖3.2.3 美國(guó)巴特利多固體循環(huán)流化床鍋爐圖3.2.4 德國(guó)Babcock公司Circoflow循環(huán)流化床鍋爐第三節(jié) 循環(huán)流化床的流體動(dòng)力學(xué)特性 循環(huán)流化床氣固兩相流體動(dòng)力特性的研究，是循環(huán)流化床研究的重要方面。因?yàn)榱黧w動(dòng)力特性決定著裝置的運(yùn)行風(fēng)速及變工況的極限、輔機(jī)的能耗、床內(nèi)傳熱量、溫度分布、床內(nèi)存料量和受熱面磨損情況等。鑒于流體動(dòng)力特性研究的重要性，從70

50、年代以來，已在循環(huán)流態(tài)化氣固兩相流動(dòng)規(guī)律，諸如顆粒聚集行為、顆粒速度分布、床層空隙率分布、氣體速度分布、顆粒流率、氣固混合等性能方面進(jìn)行了大量的研究。 循環(huán)流化床的氣固兩相流體動(dòng)力特性是十分復(fù)雜的，它不僅取決于流化風(fēng)速、固體顆粒循環(huán)流率、氣固物性，而且受設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸(包括床徑、床高度、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)等)、運(yùn)行參數(shù)(如溫度、壓力)等的影響。 循環(huán)流化床內(nèi)脫硫脫硝一、礦物燃料電站有害氣體的排放一、礦物燃料電站有害氣體的排放 礦物燃料燃燒時(shí)將帶來污染物排放問題。這些污染物可分為三大類：氣體污染物、粉塵與固體棄物、污水。煙氣污染物主要有氯氧化物(包括NO、NO2、N2O)、硫氧化物(包括SO2和SO3)

51、及一氧化碳。此外，煙氣中還含有HCl、HF等鹵化氫氣體。人們注意到，一方面，新技術(shù)的應(yīng)用使燃燒設(shè)備中單位出力的污染排放置大大降低；而另一方面，污染物總量卻并末下降，尤其在發(fā)展中國(guó)家，污染問題還有可能越來越突出。與此同時(shí)，人們還認(rèn)識(shí)到，煙氣污染物與固體棄物、污水排放之間有著相互聯(lián)系，如燃燒脫硫大大降低了氣相SO2的排放，但同時(shí)卻增加了固體棄物和NO的排放量。 二、有害氣體排放的危害性二、有害氣體排放的危害性 1SO2的特性及其對(duì)環(huán)境的影響 二氧化硫是一種天色有刺激性氣體，是對(duì)大氣環(huán)境危害嚴(yán)重的污染物。在陽(yáng)光的催化下，SO2與水蒸氣等進(jìn)行復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸，再經(jīng)雨淋降至地面，即形成酸雨。煤炭是

52、我國(guó)主要化石燃料，1995年我國(guó)SO2排放總量達(dá)1950萬(wàn)t，其中90以上就來自煤炭燃燒。在西南、中南及華東北部等燃用高硫煤的地區(qū)酸雨已帶來嚴(yán)重問題，加重慶市降水pH值已達(dá)3.35，貴陽(yáng)市達(dá)3.44，尤其是在氣象和地理?xiàng)l件不利的地區(qū)，其危害尤為嚴(yán)重。因此，我國(guó)酸雨形勢(shì)已十分嚴(yán)峻，降低SO2排放成為當(dāng)務(wù)之急。 2 2NOxNOx的特性及其對(duì)大氣的影響的特性及其對(duì)大氣的影響 本章討論的氮氧化物有NO、NO2、N2O三種，其中NO是一種無(wú)色有毒氣體，占礦物燃料燃燒所產(chǎn)生NOx總量的90一95。它在大氣層中的生存時(shí)間只有幾秒至幾分鐘，便在大氣層低空內(nèi)被氧化成淺棕色而有強(qiáng)烈刺激性的NO2，即 2NO十O

53、2 2NO2 NO也是導(dǎo)致酸雨的因素之一。同時(shí)，它還參加光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧。另一方面NO還造成了臭氧層的破壞，即NO十O3 NO2十O2N2O是一種有毒的無(wú)色氣體，俗稱笑氣。它和C O2、CH4、O3、二氧化碳及水蒸氣都是溫室效應(yīng)氣體。由于N2O與游離氧原子的反應(yīng)： N2O十O2 NO 是大氣平流層中NO的主要來源，因此N2O對(duì)平流層臭氧的破壞作用是巨大的。此外，SO2及NOx對(duì)建筑物和人身都構(gòu)成危害，這也是誘發(fā)癌癥的原因之一。三. SO2生成機(jī)理 1.無(wú)機(jī)硫生成SO22.有機(jī)硫生成SO23.元素硫生成SO24.H2S和COS生成SO2的機(jī)理四. 影響SO2析出的因素運(yùn)行參數(shù) 停留時(shí)間

54、，原煤粒徑，床溫，過量空氣系數(shù)2. 煤的特性結(jié)構(gòu)參數(shù)五. 燃燒脫硫機(jī)理1.脫硫反應(yīng)機(jī)理2.鈣的利用率和脫硫效率六.影響脫硫效率的主要因素脫硫劑和給煤粒徑的影響脫硫劑特性的影響Ca/S摩爾比的影響過量空氣系數(shù)的影響床溫的影響6. 風(fēng)速的影響7. 循環(huán)倍率的影響8. 循環(huán)倍率的影響9. 分段燃燒的影響10. 給料方式的影響七. NOx生成機(jī)理熱力型NOx 由空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸?。燃料型NOx快速型NOx 它是燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)生成。八. NOx的控制方法空氣分級(jí)低過量空氣系數(shù)燃料分級(jí)催化劑選擇還原非催化劑還原 （如活性炭吸附）第四章第四章 循環(huán)流化床的分離與回送機(jī)構(gòu)循

55、環(huán)流化床的分離與回送機(jī)構(gòu) 第一節(jié)第一節(jié) 高溫分離的要求與形式高溫分離的要求與形式 循環(huán)流化床的分離機(jī)構(gòu)必須滿足下列幾個(gè)要求： (1)能夠在高溫情況下正常工作； (2)能夠滿足極高濃度載粒氣流的分離，因?yàn)檫M(jìn)入分離裝置的固體顆粒含量可達(dá)550kgm3； (3)具有低阻的特性，因?yàn)榉蛛x裝置的阻力增大勢(shì)必要增大風(fēng)機(jī)的壓頭，增加能耗； (4) 具有較高的分離效率； (5)能夠與鍋爐設(shè)計(jì)的流程相適應(yīng)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于設(shè)計(jì)。 高溫飛灰分離器的形式高溫飛灰分離器的形式 (一)高溫旋風(fēng)分離器 高溫旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分離效率高，廣泛用于循環(huán)流化床鍋爐中，典型結(jié)構(gòu)有： (1) 耐火材料制成的高溫旋風(fēng)分離器 分離器內(nèi)

56、部有防磨層和絕熱層，此類型的分離裝置占了已運(yùn)行的和正在建造的循環(huán)流化床分離裝置的絕大部分。Lurgi公司、Ahlstrom公司、Battelle公司、Riley公司設(shè)計(jì)制造的循環(huán)流化床鍋爐均采用了此類形式，在國(guó)內(nèi)，許多35t、75t小循環(huán)流化床鍋爐也采用了這種形式。 這種類型的旋風(fēng)分離器在設(shè)計(jì)上基本套用了常規(guī)旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)方法。從目前的應(yīng)用情況來看，已有百余臺(tái)循環(huán)流化床應(yīng)用了這種高溫分離器，運(yùn)行情況良好，但旋風(fēng)分離器體積較大，受旋風(fēng)分離器最大尺寸的限制，大容量的循環(huán)流化床鍋爐必須配用多個(gè)分離器，且旋風(fēng)分離器工作溫度較高，需用的耐火和保溫材料較厚，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，而且相對(duì)來講散熱損失也較大，如果燃

57、燒組織不良，還會(huì)在旋風(fēng)分離器內(nèi)產(chǎn)生二次燃燒。 (2)水冷、汽冷高溫旋風(fēng)分離器 整個(gè)分離器設(shè)置在一個(gè)水冷或汽冷腔室內(nèi)，此種類型的旋風(fēng)分離器是由Foster wheeler公司提出，采用這種旋風(fēng)分離器不需要很厚的隔熱層，僅為防止飛灰的積累，在水冷壁的防磨層之間襯以少量隔熱材料，這樣可以節(jié)省材料、降低熱損失和縮短啟停時(shí)間。但這種分離器在制造上相對(duì)較復(fù)雜一些，造價(jià)昂貴。 Ahlstrom Pyropower則提出水冷方形旋風(fēng)分離器概念，并將其用于緊湊型循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)之中。他們將圓形分離器改成方形四面由平面水冷壁組成的分離器，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)分離器制造和安裝工藝。 (二)慣性分離器 相對(duì)于旋風(fēng)分離器

58、，慣性分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易與整個(gè)鍋爐設(shè)計(jì)相適應(yīng)，制造簡(jiǎn)單、啟動(dòng)快、維修方便、運(yùn)行費(fèi)用低，種類也較多，典型的有： 瑞典Studsvik Ener8i Technik AB公司提出的迷宮式慣性力分離器，采用槽形粱作分離元件。該公司的這種類型的分離器已十?dāng)?shù)臺(tái)鍋爐在運(yùn)行，據(jù)介紹運(yùn)行情況良好。 Babcock &wilcox公司設(shè)計(jì)了有U形梁慣性分離器的循環(huán)床鍋爐。 第二節(jié) 高溫旋風(fēng)分離器 一、旋風(fēng)分離器的主要形式（a）蝸殼進(jìn)口式；（）蝸殼進(jìn)口式；（b）螺旋面進(jìn)口式；）螺旋面進(jìn)口式；（c）狹縫進(jìn)口式；（）狹縫進(jìn)口式；（d）臥式布置（切向入口周邊卸料）；）臥式布置（切向入口周邊卸料）；（e）帶一次風(fēng)

59、；（）帶一次風(fēng)；（f）帶二次風(fēng)；（）帶二次風(fēng)；（g）軸流反轉(zhuǎn)式；）軸流反轉(zhuǎn)式；（h）軸向直流式；（）軸向直流式；（i）臥式布置；）臥式布置；（j）切流二次風(fēng)；（切流二次風(fēng)；（k）軸流二次風(fēng)；軸流二次風(fēng)； 氣固混合物通過矩形導(dǎo)管切問進(jìn) 入旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器的圓形筒體和氣體的切向入口使氣固混合物進(jìn)入圍繞旋風(fēng)分離器 的兩個(gè)同心渦流，外部 渦流向下，內(nèi)部渦流向上。由于固體密度比煙氣密度大，在離心力作用下固體離開外部渦流移向壁面，分離的固體 沿壁面滑下在旋風(fēng)分離 器的錐形段底部堆積，再?gòu)牡撞苛鬟M(jìn)循環(huán)床回 路再循環(huán)管道。相對(duì)干 凈的氣體通過內(nèi)部渦流向上移動(dòng)，經(jīng)旋風(fēng)分離 器頂部的中心垂直出口離去。 二、

60、影響高溫旋風(fēng)分離器分離特性的有關(guān)因素 1.切向進(jìn)口風(fēng)速的影響 2煙氣溫度的影響 3粒徑的影響 4進(jìn)口顆粒濃度的影響 5切向進(jìn)口寬度和進(jìn)口形式的影響6中心管長(zhǎng)度和直徑的影響 7固體的再夾帶 第三節(jié) 固體物料回送裝置的形式與結(jié)構(gòu) 固體顆?；厮脱b置的基本任務(wù)是將分離器分離的高溫顆粒穩(wěn)定的送回壓力較高的燃燒室內(nèi)，并保證氣體反竄進(jìn)入分離器的量為最小。一般的流量控制裝置分為機(jī)械閥和非機(jī)械閥兩類。 可控型非機(jī)械閥（a）L閥 ；（b）V閥；（c）換向密封閥；（d）J閥；（e）H閥 通流型非機(jī)械閥 （a）流動(dòng)密封閥 ；（b）密閉輸送閥；（c）N閥；（d）多點(diǎn)送風(fēng)J閥； （a）文丘里管式輸送閥 ；（b）噴射式輸送閥； 第