第5—4流化床燃烧方式及其设备

西安交通大学锅炉研究所§5—4流化床燃烧方式及其设备一、流化床燃烧简介流化床具有流体的性质主要体现在以下几点：(1)任一高度处的静压近似等于在此高度以上单位床截面内固体颗粒的重量；(2)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；(3)床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出；(4)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；(5)床内颗粒混合良好，当加热床层时，整个床层的温度基本均匀。西安交通大学锅炉研究所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。西安交通大学锅炉研究所1921年，德国人温克勒（Winkler）进行了这样的试验：将燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室的炉底，观察到固体颗粒因受气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体。这个小试验标志着流态化工艺的开始。因此，流态化(简称流化)技术于20世纪20年代初在德国首先应用于工业。此后，流化技术在美国、法国和英国等发达国家均开始研究开发和应用。至40年代，流化技术几乎在各工业部门(如石油、化工、冶炼、粮食、医药等)中都有应用。20世纪60年代开始，流化床被用于煤的燃烧，并且很快成为三种主要燃烧方式（即固定床燃烧、流化床燃烧和悬浮燃烧）之一。流化床燃烧过程的理论和实践也大大推动了流态化学科的发展。目前流化床燃烧已成为流态化的主要应用领域之一，并愈来愈得到人们的重视。西安交通大学锅炉研究所流化床燃烧设备按流体动力特性可分为鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉，按工作条件又可分为常压和增压流化床锅炉。这样流化床燃烧锅炉可分为常压鼓泡流化床锅炉、常压循环流化床锅炉、增压鼓泡流化床锅炉和增压循环流化床锅炉。其中前三类已得到工业应用，增压循环流化床锅炉正在工业示范阶段。西安交通大学锅炉研究所我国从1964年起，一直不同规模地进行着沸腾炉的研究和实践，取得了一定的成绩。目前全国使用的沸腾炉已为数不少，蒸发量小至0.5t／h，大到130t／h，能燃用各种各样的劣质燃料。我国对循环流化床的研究是从50年代末在中科院化学冶金研究所开始的。此后，特别是在80年代以来，国内各主要高等院校和研究所也相继开始循环流化床的研究开发工作。西安交通大学锅炉研究所随着燃煤联合循环发电技术的迅速发展，煤气化得到重视，流化床煤气化装置是三种主要气化装置之一(另两种煤气化装置分别为固定床气化装置和夹带流气化装置)。流化床煤气化装置按流动特性和工作压力也可分为常压鼓泡流化床煤气化装置、常压循环流化床煤气化装置、增压鼓泡流化床煤气化装置和增压循环流化床煤气化装置。西安交通大学锅炉研究所流化床燃烧方式是一种介乎层状燃烧和悬浮燃烧之间的燃烧方式。它具有高传热率、高热强度、燃料适应性极强、能有效地脱硫除硝等—系列优点，受到各国的高度重视。但在发展流化床燃烧锅炉过程中，由于国情不同，研究和使用的侧重点也颇不相同。例如，我国重点在于燃用劣质煤，英国在于利用埋管的高效传热和炉膛热强度高的特点来减小大容量锅炉的体积和降低成本，而美国则侧重于保护环境，控制SOx和NOx的排放。随着技术的进步，上述各自不同的侧重点已经得到兼顾。西安交通大学锅炉研究所二、鼓泡流化床燃烧方式及其设备1.鼓泡流化床的特征在流化床中，当燃料颗粒上下翻滚，如同液体沸腾时，此时的流化床又称为“沸腾床”，沸腾燃烧就是取这种状态而工作的。由于此时的沸腾床中有大量的气泡，因此又称为鼓泡流化床。燃料层开始沸腾时的气流速度'0w叫临界速度。燃料颗粒开始被气流带走的气流速度0w称为极限速度或飞出速度。显然，要使燃料层形成沸腾床，条件'0w0w0w。西安交通大学锅炉研究所图9—9料层的特性曲线0w一按空截面计算的气流速度西安交通大学锅炉研究所3.几种异常沸腾床当沸腾炉的设计和运行操作不当时，会出现一些使沸腾床工作极端恶化的异常沸腾床。常见的异常沸腾床有以下几种：图9-8异常的沸腾床a)气泡b)节涌c)沟流d)分层西安交通大学锅炉研究所4.沸腾炉内的燃烧沸腾炉的燃烧，具有一系列的优越条件：(a)床中保持着很厚的灼热料层，相当于一个很大的蓄热池，新加入的燃料大约只占5％。由于床层内固体颗粒之间的剧烈扰动和混合，新燃料迅速受到强烈而稳定的加热，从而使任何难以引燃的燃料得以迅速着火燃烧。(b)正因为炉内存在着很厚的料层，而且这些炉料又不断进行上下循环翻腾，因而大大地增长了燃料颗粒在沸腾床内的停留时间。保证燃尽。西安交通大学锅炉研究所(c)空气和颗粒的相对速度较大，同时扰动剧烈，因此空气和燃料的接触和混合比较完善。大量气泡的存在，将整个沸腾床分隔为气泡相和颗粒相。气泡内包含的燃料颗粒极少，约为床层中颗粒的0.2%～1.0%左右，而气泡以外的颗粒则处于浓度最大的临界沸腾状态。尽管气泡相和颗粒相之间存在着一定程度的物质交换，但是相对于两者浓度的巨大差别来说，气泡的存在，特别是大气泡的出现就意味着这部分气体的某种程度的短路，从而恶化了气固二相的接触。西安交通大学锅炉研究所沸腾床燃烧的不利条件是燃烧的温度受限制。过高的炉温会导致燃料的结渣，从而破坏了流化床的工作。通常，沸腾床的平均温度控制在燃料灰分的开始变形温度()以下200℃，约为850℃～950℃左右，因此属于低温燃烧，燃烧温度低虽然会减慢燃烧的化学反应速度，但是根据目前某些分析可知，对于在沸腾炉中燃烧的0.2～8mm的燃料颗粒而言，当平均床温为900～950℃时，它的燃烧速度不是取决于燃烧的化学反应速度，而是取决于气体的扩散速度，包括氧气从两相交界面由气泡相扩散到颗粒相，以及氧气在颗粒相中扩散到每个燃烧着的燃料颗粒。西安交通大学锅炉研究所采取下述措施对强化燃烧有利：(a)防止局部碳量过分集中。为此，可采用多点给煤，最好使用气力给煤装置。(b)减小床层中的气泡直径。为此，应采用诸如小孔风帽结构等。(c)减小燃料颗粒直径，即应采用比较细的燃料。西安交通大学锅炉研究所总之，从以上所述可知，在沸腾床燃烧中，由于着火条件极好，混合条件也比较好，温度虽低，但未必是决定因素，因此燃烧强度是很高的，属于低温强化燃烧。其容积可见热负荷可达Vq＝1.7～2.1MW／m3，是煤粉炉的10倍，其炉排面热负荷lpq=2.9～3.5MW／m3，是链条炉的5倍。同时，燃尽程度也极高，溢流灰渣含碳量一般不超过1%。西安交通大学锅炉研究所5.沸腾层中的传热根据稳定状态的热平衡计算可知，当沸腾层保持950～1000℃时，需要从床层中吸取走的热量占燃料燃烧后所放出热量的45％～55%。否则，床层温度就会升高而造成结渣。但是，大家知道，沸腾层的容积是不大的，可见沸腾层中埋管受热面的传热是极其强烈的。西安交通大学锅炉研究所沸腾层中热交换的重要特点是床层温度场很均匀，和具有很高的传热系数。前一点是由于沸腾层内的扰动和混合很剧烈所致，后一点则完全在于运动着的固体颗粒的作用结果。传热系数可达230～290W／(m2．K)，甚至更高，而一般对流系统的传热系数则要低得多。对比试验表明，沸腾床的传热系数为固定床(相当于沸腾前的埋管传热)的10倍，为空管(即无固体颗粒时)的75—100倍。根据这一事实，人们作出了种种设想，并提出了这类传热的各种物理模型。可惜根据这些理论所推导出来的计算公式，由于其准确度较差。这说明至今对沸腾层传热机理的认识仍不十分深刻。西安交通大学锅炉研究所影响沸腾床传热系数K的主要因素有：(a)空截面气流速度。当气流速度增高时，固体颗粒的运动速度加快，对传热起了促进作用。但是这时床层体积膨胀，颗粒浓度减小，因而减少了颗粒对管壁的碰撞，这又对传热不利。试验表明，这二个相反的影响程度在不同的气流速度下是不同的。在开始沸腾以后，起初增加气流速度时，由于沸腾猛增，颗粒速度增加很快，其影响超过了浓度的降低，因而传热系数不断增大。至假液化系数W=2～5时，达到最大。在这以后再增大气流速度时，颗粒浓度减小的影响占了主要，因而传热系数就开始减小。一般在沸腾炉工作的气流速度范围内(＝0.5～1.0m／s)，传热系数的变化是不大的。西安交通大学锅炉研究所(b)颗粒尺寸。燃料颗粒尺寸减小，颗粒团的尺寸也随之减小，这就导致流动阻力减小，颗粒团的转移速度和频率增加，因而传热系数增大。有试验发现，沸腾床上半部的传热系数要比下半部的高出20％左右。可能就是由于沸腾床上半部中细颗粒较多所致。不过，颗粒尺寸的影响是有一定限度的，过分减小颗粒尺寸对提高传热系数无多大作用。对于宽筛分燃料来说，颗粒尺寸对传热系数的影响更为复杂。西安交通大学锅炉研究所(c)埋管的几何特性。减小埋管的横向节距和管子直径，以及增加管子排数会阻碍颗粒的沸腾运动或使管壁与颗粒的接触变差，因而导致传热系数的降低。(d)沸腾床温度。床温变化主要影响传热的辐射部分。随着床温的升高，辐射传热增强，这部分传热所占的份额也增加。固体颗粒尺寸增大时，气泡尺寸会增大，辐射传热量所占的份额也增加。后者一般占10％～30％左右。根据试验测定，在采用风帽型布风装置的沸腾床中，对于垂直埋管，其传热系数K=230～270W／(m2．K)，对于倾斜式埋管，K＝270～290W／(m2．K)。西安交通大学锅炉研究所7.沸腾炉的结构特点(1)布风装置沸腾炉的炉篦在流态化技术上称为布风装置，其作用和结构都和普通火床炉的炉篦有所不同。沸腾炉布风装置的主要作用是均匀地分配气体，使空气沿炉膛底部截面均匀地进入炉内，以保证燃料颗粒的均匀流化。只有在停沸的状态下，才需要起支承燃料的作用。西安交通大学锅炉研究所布风装置是沸腾炉的关键部件。沸腾床的流化质量，也就是沸腾炉工作的好坏，在很大程度上取决于布风装置的结构。目前在沸腾炉中使用最广泛的是风帽式布风装置。它是由花板(多孔板)、风帽和风室等组成。其中花板和风帽组成一体，统称为布风板。(a)花板花板是由钢板或铸铁板制成的多孔平板，它用来固定风帽，并使之按一定方式排列，以达到均匀布风。花板的尺寸应与炉膛相应部位的内截面相适应，厚度为20～35mm左右。风帽插孔一般按等边三角形布置，孔距为风帽直径的1.3～1.7倍，帽沿间的最小间距不得小于20mm。通常每1.3～1.5m2中开一个108mm的放灰孔。西安交通大学锅炉研究所(b)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。空气在花板下进行“分流”，分别从各风帽的下端流入各风帽。空气在风帽中向上流至颈部后，即从所有小孔沿侧面向各个方向高速喷散出来。大量细小、高度分散和强烈扰动的高速气流，在布风板上形成一层均匀的“气垫”，后者为均匀配风创造了优越的条件；实践表明，风帽小孔的喷散作用对空气的分配质量起了主要作用，而小孔风速则是一个最重要的参数。小孔风速有一合理的数值范围，一般为35～45m／s，相应的开孔率为2.2%～2.8%左右。所谓开孔率，即是风帽小孔总面积和布风板面积之比。西安交通大学锅炉研究所风帽有菌形(蘑菇形)，柱形、球形和伞形等型式。其中应用最广的是菌形风帽，柱状风帽是目前应用较多的一种新型风帽。图9-10风帽的结构及其固定a)菌形风帽b)柱状风帽c)风帽的固定1一风帽2一耐火混凝土充填(保护)层3一花板柱状风帽由于去消帽沿，因而尺寸更紧凑，构造也更简单。而且还克服了菌形风帽的一些缺点，因此工作性能更为良好。西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所(c)风室(风箱)风室是进风管和布风板之间的空气均衡容积，它的结构对于布风的均匀性也有一定的影响。目前，实用中已有很多种风室结构，但是结构简单且使用效果最好的却只是所谓等压风室，如图所示等压风室的结构特点是具有一个倾斜的底面，后者能使风室内的静压沿深度保持不变，从而有利于提高风量分配的均匀性。实践表明，为了稳定风室气流，在斜底以上留出一稳定段是必要的。稳定段的高度D不宜小于500mm。同时风室的进口风速也必须加以控制，一般不宜超过10m／s；风室进口直段C不宜小于水力直径的1～3倍。西安交通大学锅炉研究所(