1、 循环流化床技术探讨 黄建春 渝 石 网 络 2010.12.14 内 容?流化床概述?循环流化床的核心部件 一、流化床概述一、流化床概述?传统燃煤方式带来的环境问题?洁净煤燃烧技术的兴起?流化床的基本原理?第一代流化床鼓泡床锅炉?第二代流化床循环流化床锅炉?循环流化床的分类 1.传统燃煤方式带来的环境问题 电站锅炉的传统煤燃烧方式?层燃燃烧 包括固定炉排和链条炉?悬浮燃烧 包括固态排渣炉和液态排渣炉 存在的问题 1.不能充分利用劣质燃料（如煤矸石、焦碳、垃圾等）2.不易控制污染物排放（SO2、NOx）3.灰渣综合利用受限制 带来的环境问题?酸雨?大气污染?灰场污染?矸石山污染 2.洁净煤技术
2、的兴起洁净煤技术的兴起?日益严峻的环境问题迫使我们采取必要措施?以煤为主的一次能源格局在相当长时期内不会改变；?为了人类生存的环境，应设法使煤“清洁”利用；?由此在国际上掀起“洁净煤技术”研究热潮。“洁净煤技术”使煤清洁利用的技术?燃烧前可采取的措施 煤的清洗 煤的加工（水煤浆）煤的转化（气化、液化）?燃烧中可采取的措施 清洁燃烧?燃烧后可采取的措施 烟气脱硫 目前西方发达工业国家采用较成熟的烟气脱硫，脱硫效率高，但投资和运行费用昂贵，不适合中国国情。因此，燃烧中脱硫、脱氮成为首选，即清洁燃烧 我国发展循环流化床锅炉的目的?解决劣质燃料利用问题；?减少有害气体（NOx、SOx)排放，减轻环境压
3、力。3.流化床的基本原理流化床的基本原理 流态化的概念 定义：使颗粒通过与气体或液体的接触而转变成类似流体的一种运行状况。当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗粒上的重力与气流的曳力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有类似于流体的性质，主要有以下几点：?在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量；?无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状；?床内固体颗粒可以像液体一样，从底部或侧面的孔口中排出；?密度高于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。?床内颗粒混合良好，当加热床层时整个床层的温度基本上均匀。生活中的例子：大风
4、将沙尘扬起，形成沙尘天气和沙尘暴；河水携带泥沙，造成水土流失。流化介质：流化介质：气体和液体 流态化分类：散式流态化 聚式流态化 流化态的性质流化态的性质?如果将一个大而轻的物体压入床中，并且一旦松手便会很快跳起并浮在床表面(4)。?当容器倾斜时，床层的表面会保持水平(2)。?当在床体侧边开一个孔后，床内颗粒将会以喷射状自由流出床外(3)。?当两个床体在水平方向连通后，颗粒将从一个床层流向另一个床层，并且两个床层将最终趋于平衡(即同高度的床表面)。?床内沿高度方向任意两点的压差基本上等于这两点间的床层静止压头。从直观形态看，密相气体流化床与处于沸腾状态的液体非常相像，并且在许多方面具有液体一样
5、的特性 流化床的起源流化床的起源?流化床1921年最早出现于德国，应用于粉煤气化?二战期间应用于石油催化裂化?后广泛应用于石油、化工、冶炼、粮食、医药等部门 流化床的形成过程流化床的形成过程 1.流化态的典型形态 当气体通过布风板自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的床料时，整体床层将随气流速度的不断增大而呈现完全不同的状态：床层将依次历经固定床鼓泡床湍流床快速床以及气力输送等一系列状态的变化。如下图所示：流化床的形成过程流化床的形成过程?固定床 当气体通过布风板上的小孔进入由固体颗粒组成的床层并穿过颗粒间隙向上流动时，如果床层静止于布风板上，这种床层称为固定床或填充床。其主要特点：(1)固体颗
6、粒之间无相对运动。(2)当气体流经固体颗粒时，它对颗粒有曳力，这样会引起气体通过床层有压力损失。流化床的形成过程流化床的形成过程?鼓泡流化床 如果通过固定床的气体流量增加，气体压降会连续地上升，直至悬浮气速达到一个临界值临界流化风速为止。在该流态下，过余的气体以气泡的形式上行，床料内将产生大量气泡，气泡不断上移，小气泡聚集成较大气泡穿过料层并破裂，这时气(空气)固(床料)两相有比较强烈的混合，与水被加热沸腾时的情况差不多。由于这时的床料中产生有大量的气泡，故这时的流化状态称做鼓泡床，其主要特点：通过床层的压力降近似等于床层的重量 床层与自由空间有一个明显的界面(1)气泡是一个仅有很少颗粒或没有
7、颗粒的气体空腔(2)临界流化速度umf是当床层压降等于床层颗粒重量时所对应的流体速度，按布风板通流面积计算的空气流速。(3)床内气泡外面的部分称作乳化相 几个重要的概念 流化床的形成过程流化床的形成过程?湍流流化床 当通过鼓泡流化床的气速增加到最小鼓泡速度以上时，床层会膨胀，继续不断地增加气速会最终使床层膨胀型式产生变化。这可能是由于气泡份额增加，乳化相膨胀，及分隔气泡的乳化相壁厚度减弱而引起的。在该状态下，气泡相由于快速的合并和破裂而失去了确定形状，气固混合更加剧烈，大量颗粒被抛入床层上方的悬浮空间，床层仍有表面，但已相当弥散，看不清料层界面，但床内仍存在一个密相区和稀相区，下部密相区的床料
8、浓度比上部稀相区的浓度大得多。其主要特点：直观特征是“舌状”气流 床面有规律地周期性上下波动 床层空隙率一般在0.65 0.75范围内 运行风速一般在细颗粒和粗颗粒的终端速度之间。颗粒的终端速度ut:当上升气流的速度大到恰好能将固体颗粒浮起并维持静止不动时的气流速度。空隙率表示气相所占的体积与两相流体总体积之比。流化床的形成过程流化床的形成过程?快速流流化床 在湍流床状态下继续增大流化风速，颗粒夹带量将随之急剧增加。此时，如果没有颗粒循环或较低位置的床料连续补给，床层颗粒将很快被吹空；当床料补给速率大于床内颗粒飞出速率时，床层呈现快速流态化形态。其主要特点如下：?床内气泡消失，无明显密相界面；
9、?床内颗粒浓度一般呈现上希下浓的不均匀分布，但沿整个床截面颗粒浓度分布均匀；?存在颗粒成团与颗粒返混现象；?在床层底部压力梯度比较高，在床的顶部比较低?气力输送 如果在快速流态化状态下将流化风继续增大到一定值或减少床料补给量，床料颗粒会被夹带离开，床内颗粒浓度变希，床层将过渡到气力输送状态。在不同的气固接触流型下 运行的各种商业燃烧系统示意图 固定床4.第一代流化床锅炉第一代流化床锅炉 鼓泡床锅炉鼓泡床锅炉?二十世纪50年代，“能源危机”使西方发达国家重新认识煤在一次能源中的重要地位，开始寻求先进的燃煤技术，于是流化床开始应用于煤的燃烧。二十世纪60年代初，出现了“流化床锅炉”。?“流化床锅炉
10、”燃料在流化状态下进行燃烧的锅炉叫流化床锅炉。鼓泡床锅炉结构示意图鼓泡床锅炉结构示意图 该种炉子的底部为一多孔的布风板，空气以高速穿过孔眼，均匀地进入布风板上的床料层中。床层中的物料为炽热的灰渣粒子和煤粒，其中布置有埋管受热面。当高速空气穿过时，床料上下翻滚，形成“沸腾”状态，因此鼓泡流化床又称“沸腾床”。燃料在炽热的沸腾物料中被加热、着火、燃烧。鼓泡流化床燃烧技术一出现，便显现出强大的生命力。其最吸引人的优点是燃料适应性好和低污染排放。鼓泡床锅炉几乎适用于任何固体燃料，甚至适用于有一定发热量的垃圾；其低温燃烧也有利于脱硫和降低NOx 排放。鼓泡床锅炉的特点和主要部件鼓泡床锅炉的特点和主要部件
11、 特点：?燃料颗粒大，流化风速低?床层中有明显的气泡?气固两相类似沸腾的水?燃烧温度一般为850950 主要部件?布风板?风室?埋管受热面?冷渣口和溢流口(维持稳定的床层高度并自动排出渣料)鼓泡床锅炉的优点鼓泡床锅炉的优点 1.燃料适应性广 可以燃烧各种煤、煤矸石、焦碳、油页岩、垃圾等（劣质燃料）原因：下部密相区提供了燃料着火和燃烧的最佳条件。?充足的热源?混合强烈，热质传递快?适当高浓度的氧(床层物料中含碳低（2-5%），只供热而不争夺氧)鼓泡床锅炉的优点鼓泡床锅炉的优点 2.清洁燃烧(1)高效、廉价脱硫?脱硫率达90%?脱硫反应 CaO+SO2+O2=CaSO4 煤粉炉炉内喷钙脱硫，钙停留
12、时间短，脱硫剂利用率不到20%?炉膛温度为最佳脱硫反应温度850 脱硫最佳温度：850-870 ；煤粉炉在此温度下不能稳定燃烧，所以其脱硫不能保持在最佳反应温度下进行。1 2 鼓泡床锅炉的优点鼓泡床锅炉的优点 2.清洁燃烧(2)减少NOx排放?燃煤NOx的主要来源 燃料型：挥发分中的有机氮、固定碳中的碳基氮被氧化；氧化性气氛中容易生成 热力型：空气中的氮在高温下被氧化。高温下容易生成?流化床NOx生成量为煤粉燃烧的1/31/4 鼓泡床锅炉的优点鼓泡床锅炉的优点 2.清洁燃烧 低NOx排放的原因：a.低温燃烧，减少热力型NOx生成 1200以下时，热力型NOx生成不明显。（煤粉炉因燃烧温度高，热
13、力型NOx占总NOx生成量的25%-30%）b.分级燃烧，减少燃料型NOx生成 空气分级供入，浓相区处于还原性气氛，抑制燃料型NOx生成 分级燃烧是抑制NOX生成非常有效的手段。一次空气从底部给入，它供应燃烧所需氧量的5060，二次风在离一次风有一定距离的炉膛上方给入。在二次风给入的水平，炉膛气氛由还原性转变成氧化性。燃料挥发分的逸出和着火发生在贫氧区，因此NOX总体排放量降低。鼓泡床锅炉的优点鼓泡床锅炉的优点 3.负荷调节性能好 低负荷下仍可保持燃烧稳定；负荷调节比达4：1，甚至可以压火备用。4.灰渣综合利用性能好 低温燃烧后的灰渣没有经历烧结过程，活性好，非常适合做水泥填料 鼓泡床锅炉的缺
14、点鼓泡床锅炉的缺点 1.燃烧损失大 燃料宽筛分（0-10mm)，未燃尽细颗粒飞出量大。2.埋管磨损严重 为了控制密相区床温，密相区布置有埋管，但其磨损问题不易解决。3.大型化受到限制 截面热负荷低，为煤粉炉的1/4，如一台400t/h的鼓泡床截面积约200m2。4.脱硫剂利用效率低 脱硫剂颗粒大(细颗粒易飞出），利用率低。5.第二代流化床锅炉第二代流化床锅炉 循环流化床锅炉循环流化床锅炉 循环流化床锅炉概述循环流化床锅炉概述 二十世纪80年代初，国外研制出第二代流化床锅炉 循环流化床锅炉“循环”的概念飞出炉膛的物料被气固分离器收集，返回炉膛，循环燃烧和利用。循环流化床锅炉在保留沸腾床锅炉的优点
15、的基础上，克服了其不足，从而显示出强大的生命力。燃料适应性广、清洁燃烧特性 循环流化床锅炉的结构特点循环流化床锅炉的结构特点 1、炉膛 2、旋风分离器 3、过热器 4、外置式换热器 5、煤仓 6、返料装置 7、石灰石进料口 8、灰冷却器 9、省煤器 10、空气预热 11、除尘器 12、引风机 13、尾部烟道 14、汽包 与鼓泡床相比，循环流化床锅炉有以下优势与鼓泡床相比，循环流化床锅炉有以下优势 1、燃烧效率提高（可达97.5-99%)?炉膛沿高度基本恒温（850），延长了燃烧时间；?物料通过分离器多次循环回炉内，延长了燃烧时间；2、没有埋管，彻底解决埋管磨损问题、没有埋管，彻底解决埋管磨损问
16、题 密相区燃烧份额小，不需埋管即可控制床温；3、为大型化提供了可能 燃烧、传热不仅仅局限于浓相区，炉膛截面热负荷提高2-3倍，更易实现大型化；4、脱硫剂利用率提高?脱硫剂颗粒变细（0.1-0.3mm），利用率提高；?SO2气体在燃烧区停留时间延长,鼓泡床1-2s，循环流化床3-4s;?脱硫剂循环利用，停留时间延长。循环流化床锅炉存在的问题循环流化床锅炉存在的问题（1）大型化困难。尽管循环流化床锅炉发展很快，已投运的单炉容量已大于1000t/h，更大容量的锅炉正在研制中。但由于受技术和辅助设备的限制，更大容量难实现。（2）自动化水平要求高。系统比常规锅炉复杂。（3）磨损严重。磨损仍比常规锅炉大得
17、多。6.循环流化床锅炉的分类 分类的标准：主要以分离器的类型和工作温度，以及 是否设置外是否设置外部换热器部换热器等。1.按分离器型式：1)旋风分离型循环流化床锅炉。2)惯性分离型循环流化床锅炉。3)炉内卧式分离型循环流化床锅炉。4)炉内旋涡型分离型循环流化床锅炉。5)组合分离型循环流化床锅炉。2.按分离器工作温度：1)高温分离型循环流化床锅炉；2)中温分离型循环流化床锅炉；3)低温分离型循环流化床锅炉(适合鼓泡床)。4)组合分离型循环流化床锅炉(两级分离)。更趋于采用高温分离器！6.循环流化床锅炉的分类 3.按有无外置式流化床换热器：1)有外置式流化床换热器的循环流化床锅炉。2)无外置式流化
18、床换热器的循环流化床锅炉。(a)带外置式换热器；(b)、(c)无外置式换热器(带不同数量的屏式过热器)有无外置式流化床换热器，形成对应的两大流派。6.循环流化床锅炉的分类 4.按固体颗粒物料的循环倍率：按固体颗粒物料的循环倍率：物料循环量是设计和运行控制中的一个十分重要的参数，通常用循环倍率来描述物料循环量，定义：1)低倍率循环流化床锅炉15。2)中倍率循环流化床锅炉620。3)高倍率循环流化床锅炉大于20。高倍率循环流化床锅炉的循环倍率最高可达40200。投煤量循环物料量?R二、循环流化床的核心部件二、循环流化床的核心部件?概述?炉膛及布风装置?循环灰分离器?飞灰回送装置 1.概述 循环流化
19、床锅炉系统通常由流化床燃烧室、循环灰分离器、飞灰回送装置、尾部受热面和辅助设备等组成。燃烧室燃烧室 分离器分离器 回料阀回料阀 其中燃烧室、分离器和回料阀共同构成了循环流化床锅炉的物料循环系统物料循环系统 2.炉膛及布风装置 循环流化床锅炉的燃烧室由膜式水冷 壁构成，低部为布风板，以二次风入口为 分界分为两个区；二次风入口以下的锥形 段为大颗粒还原气氛燃烧区，二次风以上 为小颗粒氧化气氛燃烧区。燃料的燃烧过 程主要在炉膛内进行。由于炉膛内布置有 受热面，大约50%燃料释放热量的传递过 程在炉膛内完成。燃烧室也可以在加压状态下工作（一般将燃烧室空气加压到0.61.6MPa），此时称为增压循环流化
20、床(PCFB)。增压流化床联合循环的燃烧系统一般是将煤和脱硫剂制成水煤浆，用泵将其注入流化床燃烧室内(另一种方法是用压缩空气将破碎后的煤粒吹入流化床燃烧室内)。压缩空气经床底部和压力风室和布风板吹入炉膛，使燃料流化、燃烧，在流化床燃烧室中部注入二次风使燃料燃尽。床内燃烧温度一般 850950C。炉膛出口的高温高压烟气经除尘后驱动燃气轮机，燃气轮机一方面提供压缩空气的动力，另一方面带动发电机发电。同时，锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机，带动发电机发电。炉膛 炉膛结构（膜式水冷壁、下部敷设耐磨耐火材料）图4-2 炉膛 炉膛形状（矩形截面、下部收缩）图4-4 炉膛 锅炉大型化后炉膛的变化 布风装置 布风
21、装置是流化床实现流态化燃烧的关键部件。目前流化床锅炉采用的布风装置主要有两种形式：风帽式和密孔板式，我国主要采用风帽式布风装置。风帽式布风装置由一次风室、布风板、风帽和隔热层组成。1 风帽 2 隔热层 3 花板 4 冷渣管 5 风室 风室 一次风室连接在布风板下部，其功能是使从风道进入的空气降低速度，动压转化为静压；同时，在一定的布风板压降下，布风板上的气流可以分布得更为均匀，起到稳压和均流的作用。一般来说，风室内气流的上升 速 度 不 超 过1.5m/s，进入风室的气流速度低于10 15m/s。图e是循环流化床锅炉最常用的等压风室，其结构特点是具有倾斜的底面，这样能使风室的静压沿深度保持不变
22、，有利于提高布风的均匀性。布风板及风帽 要求：保证床料流化质量，使之流化均匀、气泡小、不留死角。布风板及风帽（1）布风板 作用：作用：?支承风帽和床料；?对气流产生一定的阻力，使流化空气在炉膛横截面上均匀分布，维持流化床层的稳定；?通过安装在它上面的排渣管及时排除沉积在炉膛底部的大颗粒和炉渣，维持正常的流态化。按冷却条件的不同，布风板一般有水冷式和非冷式两种 注意:在排渣口周围的风帽一般加大开孔，或布置特殊的风帽。布风板及风帽（2）风帽 风帽是一种弹头状的物 体，它的上端封闭，称为 帽头，下端敞开，制成插 头，垂直地插于花板上的 插孔中。风帽的颈部开有 一圈水平的或略向下倾斜 的小孔。小孔风速
23、有一合理的数值范围，一般为3545ms，相应的开孔率（风帽小孔总面积和布风板面积之比）为2.2%2.8%左右。由于风帽容易烧坏，一般采用耐热铸铁制造，如高硅耐热球墨铸铁RQTSi5.5，或一般耐热铸铁RTSi5.5。1.小孔风帽 2.导向风帽 3.猪尾型风帽 4.T型风帽 5.钟罩式风帽 布风板及风帽?小孔风帽 分为圆顶和柱形等多种形式，每个风帽上开孔612个，开孔直径4 6mm。布风板及风帽?导向风帽 开孔方向特定的风帽 布风板及风帽?猪尾型风帽 由20mm钢管弯制而成，钢管全部埋入绝热层内。布风板及风帽?T型风帽 这种风帽采用大喷口，射出的气流有足够的动量，能将沉积在床底的大颗粒灰渣及杂物
24、流化。布风板及风帽?钟罩式风帽 A.直径为159mm，布置间距270 x270mm;B.物料不会漏进风室；C.罩体上孔径大（22.5mm）使其不易被颗粒堵塞；D.罩体与进风管采用螺纹连接，罩体损坏后易于更换。E.不足：定向排渣功能较弱；风帽暴露于浓相区，易受进入炉膛的物料的磨损；螺纹连接在经过长时间高温后可能产生变形，而使拆装困难。3.循环灰分离器 循环流化床锅炉的物料分离器是其关键的部件之一，其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回炉膛，以维持燃烧室的快速流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环，反复燃烧和反应，保证理想的燃烧效率和脱硫效率。分离器的分类 按分离原理分类：?离心分离?
25、惯性分离?组合分离(离心分离惯性分离)分离器的分类 按进口温度分类：?高温分离(物料温度800850)?中温分离(一般不高于600)?低温分离(一般小于300)，属于鼓泡流化床锅炉 分离器的分类 按是否冷却分类：?绝热式?水（汽）冷式 高温绝热分离器 说明：装配时中心筒装配反了 4.飞灰回送装置 飞灰回送装置的功能是将循环灰分离器分离下来的高温固体颗粒连续稳定地回送至压力较高的炉膛内，并使反窜到分离器的气体量为最小。物料回送机构?控制流量?可开可关?防止烟气反窜 “阀”的概念 回料阀的种类很多，目前使用较多的是U型阀、J型阀、L型阀、V型阀等。U型阀 U型阀是一种普遍的非机械阀，实际是一个小流化床。阀的底部布置有风室和布风板，布风板由花板和风帽组成。阀体由下降段和上升段组成，下降段与立管连通，物料在其中向下移动；上升段为一鼓泡流化床，通过回料管与炉膛连通，物料在流化状态下向上溢流进入炉膛，下降段与上升段之间有水平孔口使物料通过。物料在阀内先向下运动，通过水平通道再折转向上，溢流进入炉膛，整个流动路线象字母U，因此称为U型阀 U型阀 U型阀的工作原理 高压流化风 U型回料阀 水管 U型阀 U型阀的工作过程 U型阀 U型阀自平衡回料原理 P1 P2 小流量 大流量 U型阀 小循环量 大循环量 飞灰回送装置示例 垃圾循环流化床锅炉 谢 谢
