循環流化床概況

循環流化床鍋爐技術是近幾十年來迅速發展起來的一項高效低污染清潔燃煤技術。現根據我國近幾年來出版的關于循環流化床鍋爐理論設計與運行中有關循環流化床鍋爐的原理、特點、啟動和運行等方面的情況介紹如下：

一、 循環流化床鍋爐的工作原理：

（一） 流態化過程：

當流體向上流動流過顆粒床層時，其運行狀態是變化的。流速較低時，顆粒靜止不動，流體只在顆粒之間的縫隙中通過。當流速增加到某一速度之后，顆粒不再由分布板所支持，而全部由流體的摩擦力所承托。此時對于單個顆粒來講，它不再依靠與其他鄰近顆粒的接觸面維持它的空間位置。相反地，在失去了以前的機械支承后，每個顆?？稍诖矊又凶杂蛇\動；就整個床層面言，具有了許多類似流體的性質。這種狀態就被稱為流態化。顆粒床層從靜止狀態轉變為流態化時的最低速度，稱為臨界流化速度。

流化床類似流體的性質主要有以下幾點

（1）在任一高度的靜止近似于在此高度以上單位床截面內固體

顆粒的重量。

（2）無論床層如何傾斜，床表面總是保持水平，床層的形狀也保持容器的形狀；

（3）床內固體顆?？梢韵窳黧w一樣從底部或側面的孔口中排出；

（4）密度高于床層表觀察的物體化床內會下沉，密度小的物體會浮在床面上；

（5）床內顆粒混合良好，顆粒均勻分散于床層中，稱之為“散式”流態化。因此，當加熱床層時，整個床層的溫度基本均勻。而一般的氣、固體態化，氣體并不均勻地流過顆粒床層。一部分氣體形成氣泡經床層短路逸出，顆粒則被分成群體作湍流運動，床層中的空隙率隨位置和時間的不同而變化，因此這種流態化稱之為“聚式”流態化。

煤的燃燒過程是一個氣、固流態化過程。

二、循環流化床的原理和特點：

循環流化床在不同氣流速度下固體顆粒床層的流動狀態也不同。隨著氣流速度的增加，固體顆粒分別呈現固體床、鼓泡流化床、湍流流化床和氣力輸送狀態。循環流化床的上升階段通常運行在快速流化床狀態下，快速流化床流體動力特性的形成對循環流化床是至關重要的，此時，固體燃料被速度大于單顆燃料的終端速度的氣流所流化，以顆粒團的形式上下運動，產生高度的返混。顆粒團向各個方向運動，而且不斷形成和解體，在這種流體狀態下氣流還可攜帶一定數量的大顆粒，盡管其終端速度遠大于截平均氣速。這種氣、固運行方式中，存在較大的氣、固兩相速度差，即相對速度，循環流化床由快速流化床（上升段）氣、固燃料分離裝置和固體燃料回送裝置所組成。

循環流化床的特點可納如下：

（1）不再有鼓泡流化床那樣的界面，固體顆粒充滿整個上升段空間。

（2）有強力的燃料返混，顆粒團不斷形成和解體，并向各個方面運行。

（3）顆粒與氣體之間的相對速度大，且與床層空隙率和顆粒循環流量有關。

（4）運行流化速度為鼓泡流化床的2-3倍。

（5）床層壓降隨流化速度和顆粒的質量流量而變化。

（6）顆粒橫向混合良好。

（7）強烈的顆粒返混，顆粒的外部循環和良好的橫向混合，使得整個上升段內溫度分布均勻。

（8）通過改變上升段內的存料量，燃料在床內的停留時間可在幾分鐘到數子時范圍內調節。

（9）流化氣體的整體性狀呈塞狀流。

（10）流化氣體根據需要可在反應器的不同高度加入。

三、流化床燃料設備的主要類型：

流化床操作起初主要用在化工領域，自60年代開始，流化床被用于煤的燃料，并且很快成為三種主要燃料方式之一，即固定床燃料（層燃），流化床燃料和懸浮燃燒（煤粉燃燒）流化床燃燒過程的理論和實踐也大大推動了流態化學科的發展，目前流化床燃燒已成為流態化的主要應用領域之一，愈來愈得到人們的重視。

流化床燃燒設備按流體動力特性可分為鼓泡流化床鍋爐，和循環流化床鍋爐，按工作條件分又可分為常壓和增壓流化床鍋爐，這樣流化床燃燒鍋爐可分為常壓鼓泡流化床鍋爐，常壓循環流化床鍋爐，增壓鼓泡流化床鍋爐和增壓循環流化床鍋爐正在工業示范階段。

（四）循環流化床鍋爐的特點：

（1）循環流化床鍋爐的工作條件：

項目 數值 項目 數值

溫度（℃） 850-950 床層壓降KPa 11-12

流化速度（m/s） 4-6 爐內顆粒濃度kg/m3 150-600爐膛底部

床料粒度（μm） 100-700 10-40爐膛上部

床料密度（kg/m3） 1800-2600 Ca/s 摩爾比 1.5-4

燃料粒度（mm） ＜12 壁面傳 210-250

脫硫劑粒度（mm） 1左右

（2）循環流化床鍋爐的特點：

循環流化床鍋爐可分為兩個部份，第一部份由爐膛（塊速流化床）氣，固物料分離設備，固體物料再循環設備，（旋風份離器）等組成，上述部分形成了一個固體物料循環回路。第二部份為對流煙道，布置有過熱器，再熱器，省煤器和空氣予熱器等。

典型循環流化床鍋爐燃燒系統，燃燒所需的一、二次風分別從爐膛的底部和爐膛側墻送入，燃料的燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置水冷壁，用于吸收燃料所產生的部分熱量，由氣流帶出爐膛的固體物料在氣、固體分離裝置中被收集并通過返料裝置返回爐膛再燃燒

循環流化床燃燒鍋爐的基本特點：可概括以下：

1、低溫的動力控制燃燒：

循環流化床燃燒是一種在爐內使高速運行的煙氣與其所攜帶的湍流擾動極強的固體顆粒密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態化燃燒反應過程，同時，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集，將這部分顆粒送回爐內再次參予燃燒過程，反復循環地組織燃燒。顯然，燃料在爐膛內燃燒的時間延長了，在這種燃燒方式下，爐內溫度水平因受脫硫最佳溫度限制，一般850℃左右，這樣的溫度遠低于普通煤粉爐中的溫度水平（一般1300-1400℃），并低于一般煤的灰烤點（1200-1400℃），這就免去了灰熔化帶來的種種煩惱。

這種低溫燃燒方式好處較多，爐內結渣，及堿金屬，析出均比煤粉爐中要改善很多，對灰特性的敏感性減低，也無須用很大空間去使高溫灰冷卻下來，氮氧化合物生成量低。并可與爐內組織廉價而高效的脫硫工藝。從燃燒反應動力學角度看，循環流化床鍋爐內的燃燒反應控制在動力燃燒區（或過渡區）內。由于循環流化床鍋爐內相對來說燃燒溫度不高，并有大量固體顆粒的強烈混合，這種狀況下的燃燒速率主要取決于化學反應速率，也就決定于燃燒溫度水平，面燃燒物理因素不再是控制燃燒速率的主導因素，循環流化床鍋爐內燃料燃盡度很高，通常，性能良好的循環流化床鍋爐燃燒率可達98-99%以上。

2、高速度、高濃度、高通量的固體物料流態化循環過程：

循環流化床鍋爐內的固體物料（包括燃料殘炭，脫硫劑和惰性床料等）經由爐膛，分離器和返料裝置所組成的外循環。同時，循環流化床鍋爐內的物料參于爐內、外兩種循環運行。整個燃燒過程的及脫硫過程都是在這兩種形式的循環運行的動態過程中逐步完成的。

3、高強度的熱量、質量和運行傳遞過程：

在循環流化床鍋爐中，大量的固體物料化強烈湍流下通過爐膛，通過人為操作可改變物料循環量，并可改變爐內物料的分布規律，以適應不同的燃燒工況，在這種組織方式下，爐內的熱量、質量和動量傳遞是十分強烈的，這就使整個爐膛高度的溫度分布均勻，實踐也充分證實際這一點。

4、循環流化床鍋爐與其它爐型相比較：

一般固體燃料的燃燒可分為：層燃、流化床燃燒和緊浮燃燒，流化床燃燒又可分為鼓泡流化床和循環流化床燃燒。為了解循環流化床鍋爐的優點以及需要進一步研究解決的問題，有必要對循環流化床鍋爐與其他爐型爐進行比較。

（1）燃燒過程的比較：

特征 層燃爐 循環流化床 懸物燃燒爐

燃料顆粒平均直徑（mm） ＜300 0.05-0.1 0.02-0.08

燃料室區域風速（m/s） 1-3 3-12 15-30

固體運行狀態 靜止 大部份向上，部分向下 向上

床層與受熱面傳熱系數w.m2.k 50-150 100-250 50-100

磨損 小 中 較小

（2）脫硫過程的比較：

煤粉爐的噴鈣脫硫是將鈣基脫硫劑（如石灰石、白方石或消石灰）直接噴入爐內，在高溫下脫硫劑大段燒進行如瓜反應：

500℃-900℃

CaCO3 CaO(S)+ CO2（g）

500℃-900℃

MgCO3?（OH2） CaO(S)+ MgO（S）+2 CO2（g）

500℃-900℃

Ca（OH2） Ca0(S)+ H2O（g）1

在通常燃燒溫度下，燃燒過程在不到200ms的時間內就基本完成了（脫硫劑粒徑為10μm左右），脫硫劑燃燒后形成多孔的氧化鈣顆粒，一旦脫硫劑燃燒生成CaCO，它就和反應成硫酸鈣

2CaO(S)+ SO2（g）+ O2（g） CaSO4（S）

據煤粉爐噴鈣試驗，最佳噴入溫度為1100℃左右，石灰石料度在8-10μm之間脫硫效率較佳，脫硫劑的利用率一般為20%，脫硫效率為50%。而循環硫化床鍋爐的燃燒脫硫過程是將脫硫劑（石灰或白方石）送入爐內，然后與燃燒生成的二氧化硫氣體反應，達到脫硫目的。與煤粉爐一樣，脫硫劑進入循環流化床鍋爐后大段燒形成氧化鈣，氧化鈣再與二氧化硫氣體反應。

在循環流化床鍋爐中，由于獨特的設計和運行條件，整個循環流化床鍋爐的主循環回路運行在脫硫的最佳溫度范圍內（850-900℃）。同時由于固體物料在爐內、外循環（通過分離裝置和回送裝置）脫硫劑在爐內的停留時間大大延長，通常平均停留時間可達數十分鐘。此外，爐內強烈的湍流混合也十分有利于循環流化床鍋爐燃燒脫硫過程在Ca/S為1.5-2.5時，脫硫效率通?？蛇_90%，脫硫劑利用率可達50%，將比煤粉脫硫效果提高一倍。

（3）各種形式鍋爐主要技術經濟指標的比較：

鍋爐型號

主要技術經濟指標 YG-35/39-M3

循環流化床爐 BG-35/39-M 煤粉爐 L-35/39-W/I 鏈條爐

鍋爐實際熱效率（%） 87.8 87.96 50

燃料種類 貧煤 貧煤 貧煤

低位發熱量（KJ/kg） 21736 22003 21736

鍋爐耗煤量（kg/h） 4959 4883 8707

鍋爐耗標煤（kg/h） 3684 3677 6468

輔機耗電總容量（KW） 470 587.1 362.3

輔機耗電總容量折標煤（kg） 100 235 145

總耗標煤（kg/h） 3872 4218 6613

每噸汽耗標煤（kg） 110.69 109.25 188.94

燃燒效率（%） 98-99 98-99 88.1

負荷調節范圍 較大 小 大

對煤種變化的適應性 適應廣 較單一煤種 單一煤種

操作維護水平 一般 高 簡單

鍋爐設備費(本體)(萬元) 82.68 97 86.59

系統投資費（萬元） 245 400 200.7

鍋爐鋼材耗量（噸） 157 165 186

二氧化硫排放量 加石灰石可脫硫 全部排放 全部排放

二氧化氮排放量 生成少 生成多 生成較多

飛灰排放量 較大 大 小

注：鍋爐投資按90年代初估價

循環硫化床鍋爐與其他型式鍋爐比較

鍋爐

特性 鏈條爐 煤粉爐 循環硫化床爐

床高或燃料燃燒區高度m 0.2 15-40 27-45

截面風速m/s 1.2 4-8 4-6

過?？諝庀禂?1.2-1.3 1.2-1.25 1.15-1.3

截面熱負荷MW/M2 0.5-1.5 3-5 4-6

煤的粒度過mm 6-32 6以下 0.1以下

負荷調節比 4.1 3：4.1

燃燒效率% 85-90 95-99 99

NO2排放PPM 400-600 50-200 400-600

爐內脫硫效率 低 80-90

從上表可看出：循環硫化床鍋爐明顯優于其他型式的鍋爐

五、循環硫化床鍋爐的優點：

優點：由于循環硫化床鍋爐獨特的流體動力特性和結構，使其具備有許多獨特的優點，以下分別加的簡述。

1、燃料適應性：

這是循環流化床鍋爐主要特性優點之一。在循環流化床鍋爐中按重量計，燃料僅點床料的1%-3%，其它是不可燃的固體顆粒，如脫硫劑、灰渣或砂。循環流化床鍋爐的特殊流體動力特性使得氣、固和固與固體燃料混合非常好，因此燃料進入爐膛后很快與大量床料混凝土合，燃料被此速加熱至高于看火溫度，而同時床層溫度沒有明顯降低，只要燃料熱值大于加熱燃料本身和燃料所需的空氣至著火溫度所需的熱量，循環流化床鍋爐不需要輔助燃料而砂用任何原料。循環流化床鍋爐既可用優質煤，也可燒用各種劣質煤，如高灰分煤、高硫煤、高灰高硫煤、煤矸石、泥煤、以及油頁巖、石油焦、爐渣樹皮、廢木料、垃圾等。

2、燃燒效率高：

循環流化床鍋爐的燃燒效率要比鏈條爐高得可達97.5-99.5%，可與煤粉爐相媲美。循環流化床鍋爐燃燒效率高是因為下述特點：氣、固混合良好，燃燒速率高，特別是對粗粉燃料，絕大部分未燃盡的燃料被再循環至爐膛再燃燒，同時，循環流化床鍋爐能在較寬的運行變化范圍內保持較高的燃燒效率。甚至燃用細粉含量高的燃料時也是如此。

3、高效脫硫：

循環流化床鍋爐的脫硫比其它爐型更加有效，典型的循環流化床鍋爐脫硫可達90%。與燃燒過程不同，脫流反應進行得較為緩慢，為了使氧化鈣（燃燒石灰石）充分轉化為硫酸鈣，煙氣中的二氧化硫氣體必須與脫硫劑有充分長的接觸時間和盡可能大的反應面積。當然，脫硫劑顆粒的內部并不能完全瓜，氣體在燃燒區的平均停留時間為3-4秒鐘，循環流化床鍋爐中石灰石粒徑通常為0.1-0.3mm，無論是脫硫劑的利用率還是二氧化硫的脫除率，循環流化床鍋爐都比其他鍋爐優越。

4、氮氧化物（NO2） 排放低：

氮氧化物排放低是循環硫化床鍋爐一個非常吸引人的一個特點。運行經驗表明，循環流化床鍋爐的二氧化氮排放范圍為50-150PPM或40-120mg/mJ。NO2排放低的原因：一是低溫燃燒，此時空氣中的氮一般不會生成NO2，二是分段燃燒，抑制燃料中的氮轉化NO2，并使部分已生成NO2得到還原。

5、其他污染物排放低：

循環流化床鍋爐的其他污染物如：CO、HC1、HF等排放也很低。

6、燃燒強度高、爐膛截面積小

爐膛單位截面積的熱負荷高是循環流化床鍋爐的主要優點之一。循環流化床鍋爐的截面熱負荷約為3.5-4.5MW/m2接近或高于煤粉爐

7、給煤點少：

循環流化床鍋爐因爐膛截面積較大，同時良好的混合和燃燒區域的擴展使所需的給煤點數大大減少，只需一個給煤點，也簡化了給煤系統。

8、燃料預處理系統簡單：

循環流化床鍋爐的給煤粒度一般小于12mm，因此與煤粉爐相比，燃料的制粉系統相比大為簡化。此外，循環流化床鍋爐能直接燃用高水分煤（水分可達30%以上）。當燃用高水分煤時，也不需要專門的處理系統。

9、易于實現灰渣綜合利用：

循環流化床鍋爐因燃燒過程屬于低溫燃燒，同時爐內優良的燃盡條件，使得鍋爐灰渣含碳量低，易于實現灰渣的綜合利用。如灰渣作為水泥摻和料或做建筑材料，同時做溫燒透也有利于稀有金屬的提取。

10、負荷調節范圍大，負荷調節快：

當負荷變化時，當需調節給煤量、空氣量和物料循環量、負荷調節比可達（3-4）：1，此外，由于截面風速高和吸熱高和吸熱控制容易，循環流化床鍋爐的負荷調節速率也很快，一般可達每分鐘4%。

11、循環床內不布埋受熱面管：

循環流化床鍋爐的床內不布置埋管受熱面，不存在磨損問題，此外，啟動，停爐，結焦處理時向短、同時長時間壓火之后可直接啟動。

12、投資和運行費用適中：

循環流化床鍋爐的投資和運行費用略高于常規煤粉爐但比配制脫硫裝置的煤粉爐低15-20%。

六、循環流化床鍋爐尚待進一步研究的問題：

為使循環流化床鍋爐的設計和運行達到優化的目的，充分發揮循環流化床的優點，尚需對下列幾個方面進行深入研究。

1、循環物料的分離

循環流化床鍋爐的分離裝置接工作溫度分為高溫、中溫和低溫分離，接分離的作用形式又可分為旋風分離，慣性分離等。以目前循環流化床的運行情況來看，高溫旋風分離器還是比較成熟的。但使用高灰燃料時的磨損問題尚未解決。而且分離的體積也十分龐大，基本上和爐膛直徑相近。受旋風分離器最大尺寸的限制，大容量循環流化床鍋爐必需配置多個分離器。由于旋風分離器內襯有較厚的防磨耐火材料，熱慣性大，因此延長了鍋爐啟動時間。負荷變化動態特性變差，故采用慣性分離器是值得探討的，因為慣性分離器設備經較簡單，體積小，結構布置比較方便。流動阻力也相對較小。此外不應操付中，低溫分離器。根據循環流化床鍋爐的發展要求將設計、效率高、體積小、阻力低、磨損小和制造及運行方便的物料分離裝置。

2、循環流化床的固體顆粒的濃度選取：

循環流化床內固體顆粒濃度對燃燒過程，脫硫過程和傳熱過程都有很大影響。但合適的循環流化床內固體顆粒濃度的確定卻十分困難。目前各循環流化床各制造廠家所采用的爐內顆粒濃度的一個重要參數是循環倍率。國內的一些循環流化床鍋爐的循環倍率通常在10以下，而國外的循環倍率常達到50，甚至更高。在分析循環流化床鍋爐的工作過程時，不僅要考慮物料的內部循環，亦要考慮爐外循環，在高風速運行時，物料內循環更為顯著。因此，合理的循環床內固體顆粒的濃度的選取對燃燒脫硫，傳熱、磨損、能耗等一系列因素都有影響。

3、爐內受熱面布置和溫度控制

為了保證循環流化床鍋爐的爐內溫度控制在一定范圍內，在固體顆粒循環回路中必須吸一部分熱量。目前爐內吸熱主要有以下兩種方法：一種是爐膛內布置水冷壁或隔墻；另一種是爐膛內布置部分受熱面（如過熱器等）在固體物料循環回路上再布置流化床換熱器。這兩種形式都可行的。但這兩種方法，對床溫控制方式是不同的，前者主要是靠調節返料量來調節床內固體顆粒濃度，以改變水冷壁的換熱系數。從而改變爐內吸熱量來控制床溫，否者僅需調節進入流化床換熱器和熱接返回爐內固體物料量的比例，便可控制床溫，相對比較靈活，特別適合于大容量循環流化床鍋爐。

4、運行風速（或截面熱負荷）的確定

循環流化床鍋爐的運行風速是一個重要的參數。一般運行風速為4-10m/s/。運行風速提高會使爐子更為緊湊。截面熱負荷相應增大，此時為了保證燃料和石灰石顆粒有足夠的停留時間和布置足夠的受熱面，必須增加爐膛高度。這樣不僅磨損增加，而且鍋爐造價增加。風機功率會增大，廠用電也會相應增加。但風速過低則發揮不了循環流化床的優點，因此對各種燃料都應具有最佳的運行風速。

5、返料機構：

在循環流化床中，被分離下來的固體物料必須通過返料機構送回爐內。返料機構還應對返回的物料量進行靈活的調節，但由于返料機構中的溫度很高，磨損較大，如采用一般機械閥門之類的調節裝置，會很容易產生卡死，轉動不靈等現象，目前循環流化床中一般采用非機械閥。（L閥）和流化床返料機構，一方面調節物料流量，另一方面防止燃料在燃燒室反串型分離器，造成短路。目前許多制造廠家對返料機構都是保密的。

6、循環流化床鍋爐部件的磨損：

由于循環流化床鍋爐內的高顆粒濃度和高運行風速，鍋爐部件的磨損是比較嚴重的。磨損主要與風速、顆粒度以及流場的不均勻性有關，磨損與風速及濃度成正比。在設計時，一般應防止煙氣走廊突縮突擴的形式。目前研究比較落弱。

7、低污染燃料：

循環流化床鍋爐已獲得迅速發展。一個重要的原因就是循環流化床的低污染燃料特性，在脫硫研究方面目前相對一致，但對于脫硫最佳溫度，脫硫劑的高效利用方面尚有許多內容要研究。如降低NO2、床溫、煙氣再循環，注氨以及脫硫劑對NO2的影響等有待進一步研究。

9、尾部受熱面的設計：

目前在循環流化床鍋爐中，尾部煙道受熱面的設計一般比較忽視，如何更加合理布置尾部煙道受熱面尚待進一步研究。

10、除塵：

尾部煙道現在國內大部分采用電除塵。

七、循環流化床鍋爐的發展：

國外：60年代就開始研究，是芬蘭奧期龍公司，第一臺為熱功率15MW由燃油爐改造而成的商用循環流化床鍋爐，后由美國巴特利多固體循環流化床鍋爐及德國，瑞典、加拿大、意大利等國分別制造出各種型式的循環流化床鍋爐，最大的為發電功率165MW配套的循環流化床鍋爐同加拿大1993年制造。

90年代循環流化床鍋爐應達到以下技術標準：

（1）燃燒效率100% ；

（2）電廠效率大于40%；

（3）SO2排放小于10PPM；

（4）NO2排放小于30PPM。

）。