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前言随着近几年电力工业的高速发展和环保力度的逐步加大，特别是洁净发电技术的推广应用，循环流化床技术（CFB）得到了较快的发展和普及。提高大型循环流化床锅炉运行的安全性、经济性、环保性和可靠性受到了越来越多的关注和重视。目前已投运的高参数循环流化床锅炉，经过不断的经验交流和总结，已基本能保证锅炉的安全运行，连续运行天数可达百日以上，但在运行经济性方面却不容乐观，如风机电耗高、飞灰大、煤耗高、非计划停炉次数多、点火耗油量大等，因此分析和研究循环流化床锅炉的运行调整和优化运行方式，对提高循环流化床锅炉的运行可靠性和可利用率有着重要的现实指导意义。循环流化床锅炉燃烧技术是一种新型的高效低污染、目前商业化最好的清洁燃烧技术之一，20世纪70年代的能源危机和越来越突出的环保问题促进了这种燃烧技术的发展。循环流化床锅炉兼有鼓泡流化床锅炉和常规煤粉锅炉炉的长处，又克服了鼓泡流化床锅炉燃烧和脱硫效率低、难于大型化等缺点，同时也避免了煤粉炉所需价格昂贵的烟气脱硫装置。流化床燃烧设备按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床，按工作条件分为常压和增压式流化床。第一章循环流化床锅炉的概念原理及特点第一节循环流化床锅炉的概念一、流态化在流化床中，当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为散式流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为聚式流态化。循环流化床锅炉属于聚式流态化。固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。相对于各种流化状态，还有几种不正常的流化状态：1.沟流：一次风流速在未达到临界流速时，空气在床料中分布不均匀，颗粒大小和空隙率不均匀，阻力也有大有小，大量的空气从阻力小的地方穿越料层，其他部分仍处于固定状态，这种现象称为沟流。沟流一般可以分为贯穿沟流和局部沟流。2.气泡与节涌：在床料被流化过程中，一次流化风主要以“气泡”形式在床料中向上运动，在上部小气泡聚集成大气泡。当气泡向上运动达到某一高度时崩裂，气泡中所包含的固体颗粒喷涌而下，这种现象称为节涌。3.分层：床料在流化过程中，较粗较重的颗粒一般在底部，细而轻的颗粒悬浮于上部，这种分层现象在鼓泡床中比较常见，在湍流和快速流化床中则不太明显。二、临界流化速度1.对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然出现“解锁”现象，床层压降降至为床层的静压。如果床料是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉正常运行所需的流化风速一般是2－3倍的临界流化速度。2.影响临界流化速度的因素：（1）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。（2）固体颗粒密度增加时临界流速增加。（3）流体的运动粘度增大时临界流速减小：如床温增高时，临界流速减小。第二节循环流化床锅炉的工作原理当气体通过颗粒床层时，该床层随着气流速度的变化会呈现不同的流动状态。固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的流动状态：固定床、紊（湍）流流化床、快速流化床、气力输送。循环流化床处于紊（湍）流流化床与快速流化床阶段。固定床。此种状态下，气流在颗粒的缝隙中流过，所有的固体颗粒呈静止状态。鼓泡流化床。当气流速度达到一定值时，静止的床层开始松动，当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚集成更大的气泡穿过料层破裂。整个料层呈现沸腾状态。鼓泡流化床存在明显的分界面，其上部为稀相区，包括床层表面至流化床出口间的区域，称为自由空间或悬浮段。下部为密相区，也称为沸腾段。）紊（湍）流流化床。随着气流速度继续上升到一定数值，固体颗粒开始流动，床层分界面逐渐消失，固体颗粒不断被带走，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。此时的气流速度为床料终端速度。快速流化床。当气流速度进一步增大，固体颗粒被气流均匀带出床层。此时气流速度大于固体颗粒的终端速度，床内颗粒浓度基本相等。床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。循环流化床的上升段属于快速流化床。快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速，单位高度床层压降沿床层高度不变。气力输送。分为密相气力输送和稀相气力输送。对于前者，床内颗粒浓度变稀，并呈上下均匀分布状态，其单位高度床层压降沿床层高度不变。增大气流速度，床层压降减小。对于后者，增大气流速度，床层压降上升。密相气力输送的典型特征为：床层压降用于输送颗粒并克服气、固两相与壁面的摩擦。稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。由上述燃烧分类可知，链条炉排炉采用的是固定床燃烧方式，而煤粉炉则采用了最稀相的悬浮燃烧方式。第三节循环流化床的特点在循环流床锅炉中，气固流态处于紊流流化床和－快速流化床、快速流化床－气力输送之间，其主要特点表现在床内无明显稀相区和密相区的分界面，存在颗粒团和返混现象。在结构方面典型循环流化床锅炉结构一般如图1-3所示，其基本流程为：煤和脱硫剂送入炉膛后，迅速被大量惰性高温物料包围，着火燃烧，同时进行脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁和炉内布置的屏式过热器或屏式再热器等其他受热面放热。粗大粒子进入悬浮区域后在重力及外力作用下偏离主气流，从而贴壁下流。气固混合物离开炉膛后进入高温旋风分离器，大量固体颗粒（煤粒、脱硫剂）被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧。未被分离出来的细粒子随烟气进入尾部烟道，以加热对流式过热器、省煤器和空气预热器，经除尘器排至大气。1.低温的动力控制燃烧：由于循环流化床燃烧温度水平比较低，床温一般在850－900℃之间，其燃烧反应控制在动力燃烧区内，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速度主要取决于化学反应速度，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速度的主导因素。循环流化床燃烧的燃烬度很高，性能良好的锅炉燃烧效率可达到98%－99%以上。2.高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程：循环流化床锅炉内的物料参与了炉膛内部的内循环和由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环，共两种循环，整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种循环运动过程中逐步完成的。3.高强度的热量、质量和动量传递过程：在循环流化床锅炉中可以人为地改变炉内物料循环量，以适应不同的燃烧工况。物料分离系统是循环流化床锅炉的结构特征，大量物料参与循环实现整个炉膛内的控制燃烧过程，是循环流床锅炉区别于鼓泡流化床锅炉的根本特点，因为鼓泡流化床锅炉的燃烧主要发生在床内。所以循环流床锅炉燃烧必须具备的三个条件是：（1）要保证一定的流体速度，而且还要保证物料粒度处于适当的、使床层在快速流化区域的粒度。（2）要有足够的物料分离。（3）要有物料回送，要有充分的措施以维持物料的平衡。.一、粒的夹带、扬析当床层流动状态转到紊流流化床时，密相床层和稀相床层的界面开始模糊，颗粒夹带量明显增加。当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。由于扬析过程中更多颗粒被夹带着离开床层，其中终端速度大于床层表观气速的颗粒经过一定的分离高度后会陆续返回床层，因此存在着输送分离高度TDH。此过程就是我们通常所说的循环流化床的内循环。在分离高度TDH以上的空间，颗粒浓度不再降低，床层表面至TDH之间的空间称为自由空间，燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉，其炉膛出口高度通常低于TDH，因此同时存在着夹带和扬析现象。发生扬析现象的颗粒的来源有三个：1．给煤中的细颗粒；2．煤在挥发份析出阶段破碎形成的细颗粒；3．在煤燃烧的同时，由于磨损造成的细颗粒。二、筛分颗粒特性1.宽筛分颗粒定义。循环流化床（气固流化床）床料中的颗粒通常是料径由小到大的宽筛分布，由于颗粒的直径不同，其流动工况和规律也各不相同。这样就需要显示出颗粒大小的分布规律，利用此规律来研究两相流动和燃烧，或者把分散相颗粒直径示平均值，以平均直径来代表分散相颗粒群的运动规律，粒径的分布规律是一个重要特性。除了要知道颗粒尺寸的分布规律外，还要了解各颗粒所占表面积的分布规律扩各颗粒重量的分布规律。2．筛分颗粒分类a类颗粒这类颗粒粒度很细，一般都小于20μm，颗粒间相互作用力很大，很难流态化。b类颗粒这类颗粒粒度比较细。一般为20～90μm，通常很易流化。c类颗粒这类颗粒具有中等粒度，粒度范围为90～650μm，具有良好的流化性能。它在流体速度达到临界流化速度后就会发生鼓泡现象。d类颗粒这类颗粒粒度通常具有较大在粒度和密度，并且在流化状态时颗粒混合性能较差。大多数循环流化床锅炉内的床料和燃料均属于d类颗粒。3.宽筛分颗粒流化时的动力特性1）小于流体密度的物体浮在床层表面，密度大于流体密度的物体会下沉。2）床层表面保持水平，形状保持容器的形状。3）在任一高度的静压近似等于在此高度以上单位床截面积内固体颗粒的重量。4）床层内颗粒混合良好，加热床层时所有床料温度基本均匀。5）床层内固体颗粒可以象流体一样从底部或侧面的孔中排出。6）几个流化床底部联通后，床层高度自动保持同一水平高度。三、循环流化床内的传热1．在循环流化床中存在着各种不同的传热过程1）颗粒与气流之间的传热。2）颗粒与颗粒之间的传热。3）整个气固多相流与受热面之间的传热。4）气固多相流与入床气流间的传热。表1-1循环流化床各部位的传热系数位置（部位）二次风下部二次风上部二次风上部悬吊受热面传热面方位水平或竖直竖直竖直传热系数［W/(m2?K)］300－500150－250150－250可能出现的问题腐蚀、剥蚀、磨损、负荷调节性能差，阻碍颗粒间横向混合传热较好的受热面轻微剥蚀、磨损、减少颗粒间横向混合2．影响循环流化床传热的各种因素：（1）气体物理性质的影响。气膜厚度及颗粒与表面的接触热阻对传热起到主要作用。比如，气体密度增加，传热系数增大；气体粘度增大，传热系数减小；气体导热系数增大，传热系数增大。（2）固体颗粒物理特性的影响。1）固体颗粒尺寸的影响。对于小颗粒床，传热系数随固体颗粒平均直径增大而减小；对于大颗粒床，传热系数随固体颗粒平均直径增大而增大。1）体颗粒密度的影响。传热系数随固体颗粒密度增大而增大。2）形度及表面状态的影响。球形和较光滑的颗粒，传热系数较高。3）固体颗粒导热系数的影响。影响较小。4）固体颗粒粒度分布的影响。对于小颗粒床，粒径越小，传热系数越大；对于大颗粒床，粒径越大，传热系数越大。3.流化风速的影响。对于循环流化床的密相区，传热系数随流化风速的增大而减小。对于循环流化床的稀相区，传热系数随流化风速的增大而增大。4.床温对传热系数的影响。床与传热面间的传热系数随床温的升高而升高。5.管壁温度的影响：传热系数随壁温的升高成线性规律地增大。6.固体颗粒浓度的影响。床层颗粒浓度是影响循环流化床床层与床壁面传热最主要的因素之一。传热系数随床层颗粒浓度的增加而显著增加。7.床层压力的影响。床层压力增大，传热系数增加。四、循环流化床内的燃烧过程1.煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热，首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发份析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥发份析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。煤粒在流化床中的燃烧过程。循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。这些灼热的床料