流化床燃燒技術(shù)

1流化床燃燒技術(shù)原理及過程1.1流化床燃燒技術(shù)原理及特點

流化床燃燒是一種燃燒化石燃料、廢物和各種生物質(zhì)燃燒的燃燒技術(shù)，它的基本原理是燃料顆粒在流態(tài)化（流化）狀態(tài)下進(jìn)行燃燒。一般粗粒子在燃燒室下部燃燒，細(xì)粒子在燃燒室上部燃燒，被吹出燃燒室的細(xì)粒子采用各種分離器收集下來之后，送回床內(nèi)循環(huán)燃燒。流化床燃燒技術(shù)是一種介于層燃和懸浮燃燒之間的燃燒方式，而流化床燃燒技術(shù)又可分為鼓泡流化床燃燒技術(shù)和循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。1.1.1循環(huán)流化床燃燒技術(shù)

燃燒室內(nèi)的流化床速度提高到4-6m/s甚至更高后，把更多的床料顆粒從燃燒室下部帶到了上部稀相區(qū)，這樣不僅使得更多的燃料在上部燃燒，而且也通過這些攜帶的大量細(xì)灰顆粒從密相區(qū)帶出了大量熱量，從而使得燃燒室上部顆粒濃度增加，燃燒室溫度分布均勻。同時通過布置飛灰顆粒分離及回送裝置，把攜帶出燃燒室細(xì)灰顆粒中不完全燃燒的燃燒顆?；蛭赐耆磻?yīng)的脫硫劑顆粒重新送回到燃燒室內(nèi)循環(huán)燃燒或利用，從而大大提高燃料燃燒效率和脫硫劑利用率。這種狀態(tài)運行的流化床燃燒技術(shù)稱為循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，近三十年內(nèi)得到快速發(fā)展的一種新型燃燒技術(shù)。典型的循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有如下特點和優(yōu)勢：①整個燃燒室的顆粒濃度都比較高，而且下部密相區(qū)和稀相區(qū)的之間存在一個過渡區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)顆粒濃度從密相區(qū)的高濃度逐漸降低到稀相區(qū)內(nèi)的一個較低的濃度。②燃燒室內(nèi)顆粒的橫向混合更加劇烈，燃料加入點數(shù)可以大大減少。③爐膛上部稀相區(qū)存在著強(qiáng)烈的物料返混。顆粒在燃燒室上部稀相區(qū)的中心區(qū)域隨氣體向上流動，而在邊壁區(qū)域內(nèi)存在著大量向下流動的顆粒。同時，稀相區(qū)內(nèi)存在著大量的由細(xì)灰顆粒聚集或團(tuán)聚而成的顆粒團(tuán)，這些顆粒不斷形成和解體，并且向各個方向運動。④顆粒與氣體之間的相對滑移速度大和強(qiáng)烈的顆粒返混，使得燃燒室內(nèi)的氣固兩相混合較好。⑤大量的燃燒顆粒和細(xì)灰顆粒被攜帶到燃燒室上部，不僅使得燃燒室上部區(qū)域燃燒份額提高和更多的熱量從密相區(qū)進(jìn)入上部稀相區(qū)，而且高顆粒濃度和良好的混合強(qiáng)化了稀相區(qū)的傳熱傳質(zhì)過程，這使得循環(huán)流化床燃燒室溫度分布均勻。循環(huán)流化床具有很高的燃燒效率，通過顆粒分離及回送裝置，實現(xiàn)燃料的循環(huán)燃燒，而且燃燒室內(nèi)的顆粒存在返混，這使得固體物料在床內(nèi)的停留時間大大延長，提高了燃燒效率，燃煤循環(huán)流化床燃燒效率可達(dá)達(dá)到98-99%。具有很高的爐內(nèi)脫硫效率和脫硫劑利用率。由于停留時間長，氣固兩相混合好、燃燒室溫度分布均勻以及顆粒磨損大等特點，使得脫硫劑顆粒能充分燃燒，在與煙氣SO2良好接觸狀態(tài)下，在合適的溫度下長時間反應(yīng)，而且顆粒磨損可及時剝落顆粒表面的反應(yīng)產(chǎn)物而進(jìn)入顆粒內(nèi)部反應(yīng)。這些使得循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)脫硫過程可以獲得比鼓泡流化床燃燒過程高得多的脫硫效率，而且脫硫劑利用率高，通常情況下，在鈣與燃料中的硫摩爾比Ca/S為1.5-2.5的情況下可以達(dá)到90%以上的脫硫效率。由于運行速度的提高，燃燒室截面小，循環(huán)流化床燃燒室的單位截面的熱負(fù)荷較高，約為3.5-4.5MW/m2，與煤粉燃燒相當(dāng)。燃燒設(shè)備的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，循環(huán)流化床調(diào)節(jié)比可以達(dá)（3-4）:1，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度可以達(dá)到每分鐘5%左右。1.2流化床及其流體動力特性1.2.1氣固流化通常流化被定義為當(dāng)固體粒子群與氣體或液體接觸時，使固體粒子轉(zhuǎn)化變成類似流體狀態(tài)的一種操作。固定床鼓泡流化床湍流流化床快速流化床氣力輸送不同氣流速度下固體顆粒床層的流動狀態(tài)

循環(huán)物料量是快速流化床運行中一個非常重要的參數(shù)，該參數(shù)對床內(nèi)的流體動力特性、燃燒特性、傳熱特性以及變工況特性等影響很大。循環(huán)物料量的定量表述一般采用兩種方法，第一種方法采用循環(huán)倍率的概念，其定義式如下：式中Rs—循環(huán)倍率；

Ge—循環(huán)物料量，kg/s。

Fc—物料加入量，kg/s。第二種方法是用單位床層面積上的循環(huán)物料量直接來表述。式中Gs—循環(huán)流化床循環(huán)顆粒流率，kg/(m2.s)；

Ge—循環(huán)物料量，kg/s。

Ab—床截面積，m2。1.2.3循環(huán)流化床的氣固兩相流體動力特性

一般來說，循環(huán)流化床鍋爐爐膛截面積形狀大都是矩形或方形的，其高度與截面當(dāng)量直徑之比要小得多，而且爐膛通常布置垂直的膜式水冷壁以吸收熱量。循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)床料是寬篩分的粗顆粒，如中國循環(huán)流化床鍋爐常用的煤粒粒徑為0-10mm。項目循環(huán)流化床鍋爐截面形狀大都為矩形直徑/m4-8(當(dāng)量直徑）高度與當(dāng)量直徑比<5(10)反應(yīng)器壁面膜式水冷壁（垂直管和鰭片）床料分布及平均直徑/mm約0.2表觀氣體速度/(m/s)下部5-8外部循環(huán)物料/[kg/(m2.s)]<10-15一次通過平均顆粒停留時間/s20-40稀相區(qū)平均顆粒體積份額/%<1(0.1-0.4)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的典型運行速度是在5-8m/s之間，在這樣的運行速度下，總會有一部分較粗顆粒不能被攜帶到爐膛上部空間而一直留在爐膛下部，與送回的循環(huán)物料一起形成比較明顯的爐膛下部密相區(qū)，而且氣體速度的任何變化都會導(dǎo)致爐膛內(nèi)顆粒濃度分布的變化。

爐膛內(nèi)存在下部密相區(qū)和上部稀相區(qū)都已被普遍接受，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)流體動力結(jié)構(gòu)如圖。循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)流體動力結(jié)構(gòu)示意圖1.3.1固體燃料在流化床內(nèi)的燃燒特性

煤粒被加入高溫的流化床內(nèi)后的燃燒過程將經(jīng)歷如下幾個主要過程：干燥和加熱、揮發(fā)分析出及燃燒、焦炭燃燒，期間伴隨著顆粒的膨脹、一次破碎、二次破碎及顆粒磨損等過程。煤粒燃燒所經(jīng)歷的幾個歷程1.3燃料在流化床內(nèi)的燃燒過程1.3.2影響流化床燃燒的主要因素1.3.2.1燃煤特性

煤質(zhì)對流化床燃燒過程影響很大。①對于揮發(fā)分含量較高、結(jié)構(gòu)比較松軟的煙煤、褐煤和油頁巖等燃料，當(dāng)煤進(jìn)入流化床受到熱解時，首先析出揮發(fā)分，煤粒變成多孔的松散結(jié)構(gòu)，周圍的氧向粒子內(nèi)部擴(kuò)散和燃燒產(chǎn)物向外部擴(kuò)散的阻力減小，可以提高燃燒速率。

②對于揮發(fā)分分量少，結(jié)構(gòu)緊密的無煙煤、石煤等，當(dāng)煤熱解時，分子的化學(xué)鍵不易破裂、內(nèi)部揮發(fā)分不易析出、四周的氧氣難向粒子內(nèi)部擴(kuò)散，燃燒速率降低。

③對于揮發(fā)分含量少，揮發(fā)分析出后對煤質(zhì)結(jié)構(gòu)影響不大和那些灰分高、含碳量又低的石煤、無煙煤等，煤粒表面燃燒后形成一層堅硬的灰殼，阻礙著燃燒產(chǎn)物向外擴(kuò)散和氧氣向內(nèi)擴(kuò)散，煤粒燃燒困難。

煤質(zhì)對流化床燃燒尤其是循環(huán)流化床燃燒過程形成飛灰及底渣性質(zhì)及其比例影響很大，一般來說，含灰量少的煤種在燃燒過程中由于一次破碎、二次破碎劇烈以及磨損過程的影響，所產(chǎn)生的灰渣顆粒較細(xì)，其飛灰份額通常較高，可以達(dá)70%以上，而對于煤矸石、石煤等高灰分燃料由于揮發(fā)分含量低、灰分含量高以及煤粒致密等原因，產(chǎn)生的灰渣顆粒中細(xì)顆粒含量相對較少，往往飛灰份額要比底渣份額要低，有時低于25%。

燃煤粒徑及粒徑分布對流化床燃燒有極大影響。在流化床中，大于1mm的較粗煤粒的揮發(fā)分析出和碳的燃燒受擴(kuò)散控制，揮發(fā)分完全析出時間和碳粒完全燃盡時間與粒徑的平方成正比，因此要縮短揮發(fā)分完全析出時間和碳粒完全燃盡時間，減少可燃物損失，在盡量降低細(xì)顆粒揚析的情況下，適當(dāng)減小燃煤粒徑，縮小篩分范圍是提高燃燒效率的一項有效措施。1.3.2.2分離效率

分離裝置的分離效率對循環(huán)流化床燃燒過程具有很大的影響，主要表現(xiàn)在：（1）對燃燒效率的影響分離裝置設(shè)置的目的是希望把不完全燃燒的燃料顆粒收集下來重新送回爐膛實現(xiàn)多次循環(huán)燃燒。分離器效率越高，燃燒效率越高。（2）對爐內(nèi)溫度場分布的影響分離器效率直接影響回送到爐膛內(nèi)的灰流量，爐內(nèi)灰流量越高，意味著從密相區(qū)攜帶出更多的熱量進(jìn)入稀相區(qū)，同時稀相區(qū)的傳熱強(qiáng)度越高，這樣不僅使得沿爐膛高度的溫度分布更加均勻，而且爐膛平均溫度水平可能降低。（3）顆粒磨損分離效率越高，爐內(nèi)灰顆粒濃度越高，爐內(nèi)顆粒碰撞頻率越高，顆粒磨損嚴(yán)重。1.3.2.3布風(fēng)裝置和流化裝置

流化床要求布風(fēng)裝置配風(fēng)均勻，以消除死區(qū)和粗顆粒沉淀，底部流化質(zhì)量良好，減少冷渣含碳量。因此，合理的布風(fēng)結(jié)構(gòu)是減小氣泡尺寸，改善流化質(zhì)量，降低運行速度，減少細(xì)顆粒的帶出量，提高燃燒效率的有效途徑。一般采用小直徑風(fēng)帽，合理布置風(fēng)帽數(shù)量和風(fēng)帽排列方式，設(shè)計良好的等壓風(fēng)室，合理控制入床的過量空氣系數(shù)等，對提高流化質(zhì)量均收到了明顯的效果。1.3.2.4給煤方式及二次風(fēng)的配置

加入到床層的燃料要求在整個床面上播撒均勻，防止局部碳濃度過高，以免造成局部缺氧、超溫。因此，給煤點應(yīng)分散布置。對于揮發(fā)分含量很高的煙煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的揮發(fā)分都不能在床層內(nèi)完全燃盡，進(jìn)入鍋爐尾部受熱面后被冷卻，形成焦油并與飛灰黏附在受熱面上，堵塞煙氣通道，影響鍋爐安全運行。

為了有效控制煤燃燒過程中氮氧化物的形成和風(fēng)機(jī)電耗，目前流化床鍋爐通常采用分級燃燒方式。一次風(fēng)主要保證密相區(qū)內(nèi)的良好流化和必要的燃燒放熱。由于一次風(fēng)比例不高，而在密相區(qū)內(nèi)的可燃成分濃度較高，所以密相區(qū)通常處于缺氧燃燒氣氛下。二次風(fēng)的加入正是提供燃料進(jìn)一步燃燒所需的氧量。由于二次風(fēng)從壁面加入，同時溫度較高的爐膛中心區(qū)域更需要補(bǔ)充氧量，所以二次風(fēng)的布置要求二次風(fēng)應(yīng)該具有足夠的動量，較好的穿透能力，從而能進(jìn)入遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域和爐內(nèi)煙氣混合均勻，否則就會出現(xiàn)二次風(fēng)在爐內(nèi)混合不均勻，加劇爐膛徑向溫度分布梯度，不僅降低燃燒效率，而且也容易引起燃燒過程污染物排放量的增加。1.3.2.5床溫

在床層中煤粒揮發(fā)分的析出速率和碳的反應(yīng)速率均隨流化床床溫的升高而加快。因此提高床溫有利于提高燃燒效率和縮短燃盡時間。但床溫的提高受到灰熔點的限制，考慮到床層斷面上溫度的不均勻性，燃料顆粒表面溫度高于床層溫度，通常要求床溫比煤的變形溫度低100-200℃。所以床溫的高限應(yīng)根據(jù)煤的變形溫度來確定，一般不超過1000-1050℃。對于采用添加劑在床內(nèi)進(jìn)行脫硫的流化床鍋爐，脫硫的最佳反應(yīng)溫度在850℃左右，床溫過高尤其當(dāng)床溫高于900℃以上時，脫硫率會明顯降低，鈣硫比增大。1.3.2.6運行水平

流化床的燃燒效率與運行水平亦有密切關(guān)系。一臺設(shè)計比較好的流化床鍋爐，如運行水平不高，技術(shù)管理不善，則有可能降低燃燒效率。鍋爐在運行中應(yīng)根據(jù)負(fù)荷和煤質(zhì)的變化，隨時調(diào)整燃燒工況，保持正常的床溫和合理的風(fēng)煤比，以降低CO和碳不完全燃燒損失。此外，還要維持適當(dāng)?shù)牧蠈痈叨?，料層過高，會增大風(fēng)機(jī)電耗。料層過薄，又會導(dǎo)致燃燒工況不穩(wěn)定，燃料在床內(nèi)的停留時間縮短，增加溢流渣含碳量。排放底渣應(yīng)根據(jù)風(fēng)室靜壓（一般在10000Pa左右）變化，勤排少排，避免造成過大的冷渣含碳不完全燃燒損失。1.4流化床內(nèi)的傳熱與傳質(zhì)過程

流化床燃燒過過程中的傳熱規(guī)律和傳熱系數(shù)對流化床鍋爐的設(shè)計、制造和運行可靠性和安全性方面起著舉足輕重的作用。在流化床燃燒爐中存在各種不同的傳熱過程：①顆粒與氣流之間的傳熱（床內(nèi)顆粒與床內(nèi)氣流）；②顆粒與顆粒之間的傳熱；③整個氣固相與受熱面（包括壁面與懸吊在床內(nèi)表面）之間的傳熱；④氣固相與入床氣流之間的傳熱。實際上，復(fù)雜的床內(nèi)傳熱過程是上述各種過程的組合。根據(jù)分析，綜合考慮在流化床內(nèi)的幾種傳熱方式，設(shè)計流化床鍋爐時一般只需考慮氣固相與受熱面間的傳熱即可。循環(huán)流化床中熱量吸收的分布圖1-壁面；2-懸吊受熱面；3-分離器；4-尾部煙道位置（部位）傳熱面方位傳熱量傳熱系數(shù)/[W/(m2.K)]可能出現(xiàn)的問題二次風(fēng)下部水平或豎直qdb300-500腐蝕、剝蝕、磨損、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差，阻礙顆粒間橫向混合二次風(fēng)上部壁面豎直q170-200傳熱較好的受熱面二次風(fēng)上部懸吊受熱面豎直q2150-250輕微剝蝕、磨損、減少顆粒間橫向混合外置式換熱器水平或豎直q3200-500磨損循環(huán)流化床鍋爐各部位的傳熱系數(shù)影響流化床內(nèi)顆粒傳熱系數(shù)的影響因素（1）流化風(fēng)速的影響隨著流化風(fēng)速的增加，氣固之間擾動劇烈，顆粒碰撞也增強(qiáng)，嚴(yán)重破壞了顆粒邊界層，從而使顆粒傳熱系數(shù)增大。（2）顆粒粒徑的影響粒徑對傳熱系數(shù)的影響甚大。不同直徑的顆粒對應(yīng)著不同的傳熱系數(shù)，因此流化床料粒徑分布不同必然會導(dǎo)致床內(nèi)傳熱特性的不同。一般來說，粒徑小，則傳熱系數(shù)就大。（3）顆粒濃度及顆粒循環(huán)量的影響顆粒濃度越高，顆粒的擾動也越大，相互之間碰撞的機(jī)會也越多，因而傳熱條件愈好，傳熱系數(shù)愈大。返料量增大，傳熱系數(shù)也增大。這是因為隨著返料量的增加，使床內(nèi)顆粒量也增加，而風(fēng)速不變，使顆粒在床內(nèi)的停留時間基本保持不變，從而使床內(nèi)顆粒濃度增加，引起傳熱系數(shù)增大。（4）床溫的影響隨著床溫升高，顆粒傳熱系數(shù)總體上有所增大；但床溫高于400℃后，床溫增高時顆粒傳熱系數(shù)幾乎不再增大，甚至反而逐漸降低。不過，這兩種趨勢下，顆粒傳熱系數(shù)的變化幅度均較小。2流化床燃燒設(shè)備及其部件2.1流化床燃燒設(shè)備及其設(shè)計2.1.1流化床燃燒設(shè)備的主要類型

流化床燃燒設(shè)備按照壓力工作條件，可分為常壓流化床鍋爐和增壓流化床鍋爐。其中，前三種流化床燃燒設(shè)備已得到工業(yè)應(yīng)用，而增壓循環(huán)流化床鍋爐正在工業(yè)示范階段。流化床鍋爐的主要類型（a）常壓循環(huán)流化床鍋爐（b）增壓循環(huán)流化床鍋爐2.1.2循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計循環(huán)流化床鍋爐的總體設(shè)計思路大致如下：①根據(jù)給出的循環(huán)流化床的類型，首先確定所要設(shè)計的循環(huán)流化床鍋爐的爐型。②分析循環(huán)流化床鍋爐燃用燃料的特性，并確定其相應(yīng)的熱量平衡及能量分配。根據(jù)熱量平衡和設(shè)計要求，分析并確定循環(huán)流化床鍋爐安全運行的主要熱力參數(shù)。根據(jù)相應(yīng)的要求，設(shè)計計算循環(huán)流化床鍋爐的爐膛；根據(jù)確定的熱力參數(shù)，對循環(huán)流化床鍋爐的過熱器和受熱面進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)以上分析，計算和選取循環(huán)流化床鍋爐各主要部件的型式和方法。對以上的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行重復(fù)驗證，盡量尋求合理的設(shè)計值。2.1.3.1循環(huán)流化床鍋爐的型式

循環(huán)流化床鍋爐一般由燃燒室、分離裝置、回送裝置、尾部受熱面及外置式受熱面等主要部件構(gòu)成，其主要的區(qū)別在于分離器的位置、分離器的型式和外置式受熱面等。

（1）按分離器不同工作溫度分類的循環(huán)流化床鍋爐①高溫分離型循環(huán)流化床鍋爐是目前應(yīng)用最廣泛的循環(huán)流化床鍋爐型式。②中溫分離型循環(huán)流化床鍋爐采用中溫分離型循環(huán)流化床鍋爐，是指其分離器的工作溫度一般為400-600℃。典型的如Circofluid型循環(huán)流化床鍋爐。③低溫分離型循環(huán)流化床鍋爐低溫分離器的工作溫度是一般指200-300℃，這種分離器單獨使用時，一般適用于鼓泡流化床的飛灰回燃，即在低煙溫區(qū)，用分離器將飛灰分離收集后再用氣力回送裝置送回爐膛內(nèi)回燃。Circofluid型循環(huán)流化床鍋爐（2）按分離器型式分類的循環(huán)流化床鍋爐按不同的分離型式分，循環(huán)流化床鍋爐可分成如下幾種型式。①旋風(fēng)分離型循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器的循環(huán)流化床鍋爐又可分為采用常用的上出氣型旋風(fēng)分離器鍋爐，下出氣型旋風(fēng)分離器鍋爐和氣冷型旋風(fēng)分離器鍋爐等。②爐內(nèi)漩渦循環(huán)流化床鍋爐漩渦循環(huán)流化床鍋爐的目的是簡化循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)，同時具有燃料適應(yīng)性廣，燃燒及脫硫效率高等優(yōu)點。目前，該型循環(huán)流化床鍋爐可達(dá)到88.5%的脫硫效率和99%以上的燃燒效率。③組合分離型循環(huán)流化床鍋爐采用組合分離的型式，即在高溫區(qū)域布置慣性力分離，在低溫區(qū)域用多管或其他高效分離方式將固體顆粒收集，再回送床層。漩渦循環(huán)流化床鍋爐2.1.3.2循環(huán)流化床鍋爐燃料性能的影響以及熱量平衡和能量分配（1）燃料性能的影響燃料特性對循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計及運行有很大的影響。①燃料性質(zhì)決定了燃燒室最佳運行的工況，若燃用高硫燃料，如石油焦、高硫煤時，燃燒室運行溫度可取850℃，以利于最佳脫硫和脫硫劑的應(yīng)用。若燃用低硫、低反應(yīng)活性的燃料，如無煙煤、石煤等，燃燒室應(yīng)運行在較高的床溫或過?？諝饬肯拢蚨呔^高，以利于最佳燃燒。②煤的元素成分、揮發(fā)分的高低影響循環(huán)燃燒系統(tǒng)和尾部受熱面的熱量分配，煤的發(fā)熱量高、揮發(fā)分低、灰分少，單位質(zhì)量燃料在主循環(huán)回路中的有效放熱量就大。相反，在主循環(huán)回路中的放熱量就小。燃料最佳燃燒溫度/℃燃燒產(chǎn)物與輸入熱量比/(kg/MJ)燃燒室出口溫度帶出熱量與輸入熱量比/(MJ/MJ)廢木片8500.5710.571無煙煤9000.4360.436褐煤8500.4420.431煙煤8500.4260.400不同燃料種類對應(yīng)的最佳流化床溫度及熱量分配（2）熱量平衡及能量分配循環(huán)流化床鍋爐中，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量一部分由高溫?zé)煔鈳е廖膊渴軣崦妫捎诟邷責(zé)煔獠豢赡軒ё呷咳紵艧?，所以必須在固體顆粒循環(huán)回路中布置受熱面，受熱面的不同布置型式就決定了循環(huán)流化床的熱量分配。

目前，流化床鍋爐采用的布風(fēng)裝置主要由兩種，即風(fēng)帽型和密孔板型。風(fēng)貌型布風(fēng)裝置由風(fēng)室、花板、風(fēng)帽和隔熱層組成；密孔板型布風(fēng)裝置由風(fēng)室和密孔板構(gòu)成。在中國流化床鍋爐中使用最廣泛的是風(fēng)帽型布風(fēng)板。風(fēng)帽型布風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)1-風(fēng)帽；2-隔熱層；3-花板；4-排渣管；5-風(fēng)室

由風(fēng)機(jī)送入的空氣從位于布風(fēng)板下部的風(fēng)室通過風(fēng)帽底部的通道，從風(fēng)帽上部徑向分布的小孔流出，從風(fēng)帽小孔中噴出的氣流具有較高的速度和動能，進(jìn)入床料底部，使風(fēng)帽周圍和冒頭頂部造成強(qiáng)烈的擾動和氣流墊層，使床料中煤粒與空氣均勻混合，強(qiáng)化了氣固間熱質(zhì)傳遞過程，延長了煤粒在床內(nèi)的停留時間，建立了良好的流化狀態(tài)。2.2布風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)及設(shè)計因此，布風(fēng)裝置的設(shè)計要求如下：①能均勻、密集地分配氣流，避免在布風(fēng)板上面形成停滯區(qū)。②布風(fēng)板上面的床料與空氣要產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動和混合，風(fēng)帽小孔出口氣流需具有較大動能。③空氣通過布風(fēng)板阻力損失不能太大，但又需要一定阻力。④具有足夠強(qiáng)度和剛度，能支撐本身和床料的重量，壓火時布風(fēng)板防止受熱變形，風(fēng)帽不燒損，并考慮到檢修清理方便。2.3流化床鍋爐爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1

爐膛的配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

在循環(huán)流化床鍋爐中，風(fēng)量配置通常是將燃燒用的空氣分成一、二次風(fēng)送入爐內(nèi)。因此，如何確定一、二次風(fēng)比例就成為爐膛配風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的主要問題。①降低NOx排放采用分段燃燒可降低NOx的生成，特別是對于高揮發(fā)分的煤種，在爐膛下部缺氧燃燒時有助于焦炭和CO對NO的還原，從而使NO還原為N2，從降低NOx的角度來講二次風(fēng)率較大為佳，但在實際設(shè)計中還必須考慮下述其他因素。②因為一次風(fēng)通常由布風(fēng)板送入，這樣一次風(fēng)就必須克服布風(fēng)板和循環(huán)床底部密相區(qū)的阻力，因而，需要采用高壓風(fēng)機(jī)，而二次風(fēng)在爐膛密相區(qū)上方給入，風(fēng)機(jī)所需壓頭較低，可將降低總能耗。綜合考慮，當(dāng)燃用劣質(zhì)燃料時，應(yīng)采用較高的一次風(fēng)率，而燃用高揮發(fā)分的燃料時可采用較低的一次風(fēng)率。2.3.2爐膛的設(shè)計計算①爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括爐膛的截面尺寸、爐膛高度等；②爐膛內(nèi)受熱面的布置；③爐膛內(nèi)各開孔的結(jié)構(gòu)及位置；④循環(huán)流化床的布風(fēng)裝置等。2.3.2.1爐膛尺寸的確定（1）爐膛尺寸應(yīng)滿足的要求爐膛尺寸主要為爐寬、爐深、爐高和爐膛下部截面收縮部分的尺寸，爐膛尺寸的確定需要考慮一系列因素。例如，爐膛的橫截面尺寸應(yīng)滿足爐膛運行風(fēng)速的要求，應(yīng)保證爐膛內(nèi)布置足夠的受熱面以確保工質(zhì)的吸熱和最佳的脫硫脫硝爐溫。此外，還應(yīng)保證二次風(fēng)的穿透程度、燃料揮發(fā)分的爐內(nèi)擴(kuò)散均勻性和尾部受熱面的合理布置等問題。爐膛高度應(yīng)保證燃料中低于分離器能捕集到的顆粒臨界直徑的細(xì)小顆粒在爐膛中一次通過時能燃盡，應(yīng)保證脫硫所需最少的煙氣在爐內(nèi)的停留時間，應(yīng)保證爐內(nèi)能布置所需的全部或大部分鍋爐蒸發(fā)受熱面并保證最佳爐溫。此外，還應(yīng)保證回料結(jié)構(gòu)立管側(cè)有足夠的保持循環(huán)回路中循環(huán)物料流動所需的靜壓頭和保證自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)安全可靠。（2）爐膛橫截面、爐寬與爐深的確定在進(jìn)行鍋爐設(shè)計計算前，鍋爐容量、蒸汽參數(shù)、煤的元素分析、排煙溫度、脫硫劑的成分、鈣硫比、脫硫效率、離開鍋爐的灰渣溫度、灰中含碳量、給水溫度和冷、熱空氣溫度均已給定或選定。首先進(jìn)行燃燒和脫硫所需的理論空氣量和實際空氣量計算。再進(jìn)行燃燒1Kg煤產(chǎn)生的理論煙氣量和實際煙氣量計算，并算出各種溫度下的煙氣焓值和灰渣焓值，得到相應(yīng)的溫焓表。此后，進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐的熱平衡計算，算出鍋爐的各項熱損失、有效利用熱量和鍋爐總輸入熱量，由此求出鍋爐熱效率和燃料消耗量。同時，進(jìn)行鍋爐固體物料的質(zhì)量平衡計算，得出單位時間的固體廢料的排出量及排出部位。算出總空氣量、總煙氣量和脫硫劑給料量。選定爐膛溫度，求出該溫度的煙氣密度。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗選擇一個能保證流化的爐膛運行風(fēng)速，根據(jù)該爐溫下的煙氣容積流量即可求得鍋爐爐膛的橫斷面積。將鍋爐總輸入熱量除以爐膛橫斷面積可得出相應(yīng)的爐膛斷面熱負(fù)荷。如此值在一般允許的斷面熱負(fù)荷值范圍內(nèi)，則可認(rèn)為初步檢驗合格。在爐寬和爐深的確定方面，一般可采用深寬比為1：1或1：2來算得。但爐深不宜超過8m，以保證二次風(fēng)的穿透。(3)爐膛高度的確定循環(huán)流化床鍋爐爐膛高度是循環(huán)流化床設(shè)計的一個關(guān)鍵參數(shù)。爐膛越高，則鍋爐的鋼架就越高，因此鍋爐的造價也會提高。因此，在滿足鍋爐和爐膛的下述要求的情況下，盡可能地降低爐膛高度。①保證分離器不能捕集的細(xì)粉在爐膛內(nèi)一次通過時能夠燃盡；②爐膛高度應(yīng)容納爐膛能布置全部或大部分蒸發(fā)受熱面；③爐膛高度應(yīng)保證返料機(jī)構(gòu)料腿一側(cè)有足夠的物料靜壓頭，使循環(huán)回路中有足夠的循環(huán)物料流動；④爐膛高度應(yīng)保證脫硫所需最短氣體停留時間；⑤爐膛高度應(yīng)和循環(huán)流化床鍋爐的尾部煙道或?qū)α鞫嗡韪叨认嗥ヅ?；⑥爐膛高度應(yīng)保證鍋爐在設(shè)計壓力下水循環(huán)安全。（4）爐膛下部區(qū)域的設(shè)計在循環(huán)流化床鍋爐中，由于空氣分成一、二次風(fēng)送入，在二次風(fēng)口以下的床層如果截面積保持與上部區(qū)域相同，則流化風(fēng)速會下降，特別是低負(fù)荷時，會產(chǎn)生床層流化不良甚至不流化等現(xiàn)象，所以循環(huán)流化床鍋爐的二次風(fēng)口以下區(qū)域總是采用較小的橫截面積。在設(shè)計時截面收縮可以采用兩種不同的方法：第一種是下部區(qū)域采用較小的截面，在二次風(fēng)口送入位置采用漸擴(kuò)的錐形擴(kuò)口，擴(kuò)口的角度小于45°；第二種方法是在爐膛布風(fēng)板上就呈錐形擴(kuò)口，這有助于在布風(fēng)板附近區(qū)域提高流化風(fēng)速，以減少床內(nèi)分層和大顆粒沉底的可能性。作為一般的考慮，可以使床層下部和上部的流化風(fēng)速相等，并且使床層下部密相區(qū)在低負(fù)荷情況下仍能保持穩(wěn)定的流化。2.3.2.2爐膛開孔的確定

在爐膛內(nèi)的各種開孔的大小、數(shù)量和位置應(yīng)該適當(dāng)，兼顧物料出入和爐膛水冷壁的性能要求，保證循環(huán)流化床鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運行。通常爐膛需要開設(shè)的孔口有燃料入口、脫硫劑入口、排渣口、循環(huán)物料進(jìn)口、一次風(fēng)及二次風(fēng)入口、爐膛出口以及爐門、防爆門、觀察孔、測量孔等。這些開孔的數(shù)量和位置必須恰當(dāng)，否則將影響循環(huán)流化床鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運行。鍋爐輸入熱量/MW燃料入口個數(shù)每個入口輸入熱量/MW每個入口對應(yīng)的床層面積/m2750126320500412535500863183756632431565317300650161202601590190202.3.2.3爐膛的設(shè)計步驟①結(jié)合燃料種類和粒度，確定流化風(fēng)速或容積熱負(fù)荷；確定一二次風(fēng)比例及二次風(fēng)口高度，并根據(jù)確定的風(fēng)速計算密相區(qū)及稀相區(qū)床層截面積；確定循環(huán)流化床的循環(huán)倍率；確定稀相區(qū)和密相區(qū)的燃燒份額，并分別進(jìn)行密相區(qū)和稀相區(qū)的熱量平衡；確定爐膛高度，根據(jù)熱量平衡布置爐膛受熱面?zhèn)鳠嶂匦麓_定爐膛高度，并進(jìn)行傳熱計算；對比兩個爐膛高度，一般選用二者之中較大值，二者的差值部分可敷設(shè)耐火材料；確定爐膛其他開口，如循環(huán)物料出口、排渣口及耐火材料的敷設(shè)及防磨等。2.4氣固分離機(jī)構(gòu)

循環(huán)流化床的分離結(jié)構(gòu)是循環(huán)流化床中關(guān)鍵部件，其主要作用是將大量高溫固體物料從氣流中分離下來，送回燃燒室，以維持燃燒室的快速流化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)，反復(fù)燃燒和反應(yīng)，達(dá)到理想的燃燒效率和脫硫效率。循環(huán)流化床分離機(jī)構(gòu)的性能，直接影響循環(huán)流化床鍋爐總體設(shè)計、系統(tǒng)布置安裝及鍋爐運行性能。分離回送示意圖

循環(huán)硫化床分離裝置的種類很多，一般可分為旋風(fēng)分離器和慣性分離器兩大類，旋風(fēng)分離器又以高溫旋風(fēng)分離器居多。2.4.1高溫旋風(fēng)分離器

旋風(fēng)分離器是利用旋轉(zhuǎn)含塵氣體所產(chǎn)生的離心力，將粉塵從氣流中分離出的一種干式氣-固分離裝置。旋風(fēng)分離器沒有可動部件，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，運行性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，特別適合于循環(huán)流化床鍋爐。

從目前應(yīng)用的情況來看，高溫旋風(fēng)分離器運行情況良好；但旋風(fēng)分離器體積較大，同時受旋風(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分離器，且旋風(fēng)器工作溫度較高，需用的耐火材料和保溫材料較厚，啟動時間長，散熱損失相對較大，如果燃燒組織不良，還會在旋風(fēng)分離器內(nèi)產(chǎn)生二次燃燒。

旋風(fēng)分離器種類繁多，分類也各有不同。按其性能分為：①高效率旋風(fēng)分離器。筒體直徑較小，用來分離較細(xì)的粉塵，其除塵效率在95%以上。②高流量旋風(fēng)分離器。筒體直徑較大，用于處理很大的氣體流量，其除塵效率為50-80%。③介于上述兩者之間的通用旋風(fēng)分離器，用于處理適當(dāng)?shù)闹械葰怏w流量，其除塵效率為80-95%。2.4.2慣性分離器型式及結(jié)構(gòu)

慣性分離器結(jié)構(gòu)簡單，易與整個鍋爐設(shè)計相適應(yīng)，熱慣性小，運行費用低，廣泛應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐中。在慣性分離器內(nèi)，主要是使氣流急速轉(zhuǎn)向，或沖擊在擋板上再急速轉(zhuǎn)向，其中顆粒由于慣性效應(yīng)，其運動軌跡就與氣流軌跡不一樣，使兩者獲得分離。氣流速度高，這種慣性效應(yīng)就大。

慣性分離器具有下述特點：①由于不采用高溫旋風(fēng)分離器，不需要很厚的保溫層，分離器四周可比較容易地布置受熱面，結(jié)構(gòu)比較緊湊，啟停爐亦比較容易；②分離器不受單個最大尺寸的限制，且可以使鍋爐受熱面的設(shè)置保持傳統(tǒng)的緊湊型式，有利于鍋爐的大型化；③分離器阻力相對較小，有利于降低能耗。百葉窗式分離器

百葉窗式分離器主要部分是一系列平行排列的對來流氣體呈一定傾角的葉柵。將氣固分離分兩級進(jìn)行：第一級為高溫分離，用百葉窗對粗顆粒進(jìn)行分離；第二級為低溫分離，用百葉窗加旋風(fēng)分離器抽氣對細(xì)顆粒進(jìn)行分離。旋風(fēng)分離器用來分離第二級百葉窗尾部濃縮了的含塵氣流，提高百葉窗的分離效率。因此，稱為百葉窗式分級分離循環(huán)流化床鍋爐。百葉窗式分級分離器循環(huán)流化床鍋爐2.5固體物料回送裝置

回送裝置的任務(wù)是將分離裝置中分離下來的固體物料送回循環(huán)流化床燃燒室內(nèi)。其基本任務(wù)是將分離器分離的高溫固體顆粒穩(wěn)定地送回壓力較高的燃燒室內(nèi)，并且保證氣體反竄到分離器的量為最小?；厮脱b置一般由立管和返料閥兩部分組成。立管的主要作用是防止氣體反竄，形成足夠的壓差來克服分離器與爐膛之間的負(fù)壓差；返料閥起調(diào)節(jié)和開閉固體顆粒流動的作用。在各種類型的回送裝置中，立管差別不大，主要差別在返料閥部分。由于在循環(huán)流化床鍋爐中，循環(huán)物料溫度較高，機(jī)械裝置在高溫下會產(chǎn)生膨脹和高溫氧化；其次運動部件中還極易進(jìn)入固體顆粒，產(chǎn)生卡塞現(xiàn)象；此外，由于固體顆粒的高速運動，高溫工作下的部件磨損也相當(dāng)嚴(yán)重。所以機(jī)械閥在循環(huán)流化床中的應(yīng)用很少，幾乎全部采用非機(jī)械閥。2.6高溫灰渣冷卻裝置

流化床鍋爐排出的高溫灰渣帶走了大量的物理熱，惡化了灰場運行條件，灰渣中殘留的硫和氮仍可以再爐外釋放出二氧化硫和氮氧化物，造成環(huán)境污染。對灰分高于30%的中低熱值燃料，如果灰渣不經(jīng)冷卻，灰渣物理熱損失可達(dá)2%以上，這一部分熱量通過適當(dāng)?shù)膫鳠崦娌贾脮r可以回收利用的。另一方面，熾熱灰渣的處理和輸送十分麻煩，不利于機(jī)械化操作。一般灰處理機(jī)械可承受的溫度上限大多在150-300℃之間，故灰渣冷卻是必需的。①冷卻鍋爐排渣；②加熱給水/空氣，起省煤器/空預(yù)器的作用；③作為烘煤裝置；④同時加熱水和空氣；⑤保持爐膛存料量和良好流化；⑥細(xì)顆粒分選回送，提高燃燒效率和脫硫效率。

高溫灰渣與冷卻介質(zhì)之間的相互流動方式是多種多樣的，有順流、逆流、交叉流和混合流動方式等。按照熱交換方式來看，有間接式和接觸式兩種，前者指高溫物料與冷卻介質(zhì)在不同流道中流動，通過間接進(jìn)行換熱，而后者則指兩者直接混合進(jìn)行傳熱，一