【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一般而言，上部區(qū)域比下部區(qū)域在高度上要大得多。焦炭顆粒在爐膛截面的中心區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿截面貼近爐墻向下移動(dòng)，或者在中心區(qū)域隨顆粒團(tuán)向下運(yùn)動(dòng)。這樣焦炭顆粒在被夾帶出爐膛之前已沿爐膛高度循環(huán)運(yùn)動(dòng)了多次，因而延長(zhǎng)了焦炭顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，有利于焦炭顆粒的燃盡。在高溫氣固分離器區(qū)，未燃盡的焦炭顆粒被夾帶出爐膛進(jìn)入該區(qū)域。焦炭顆粒在此停留的時(shí)間較短，而且此處的氧濃度較低，因而焦炭在旋風(fēng)分離器中的燃燒份額很小。不過(guò)，一部分一氧化碳和揮發(fā)分常常在高溫旋風(fēng)分離器中燃燒，使其燃燒份額略有增加。按照燃燒模式可把循環(huán)流化床鍋爐中的焦炭分為以下三類(lèi)，它們主要發(fā)生的燃燒區(qū)域也不完全相同。1．細(xì)顆粒焦炭燃燒細(xì)顆粒焦炭的粒徑一般小于50～100181。m，其燃燒處于動(dòng)力燃燒工況。在燃用寬篩分煤粒時(shí)，其中必然會(huì)存在一部分細(xì)顆粒；另外，粗顆粒煤在燃燒時(shí)經(jīng)過(guò)一級(jí)、二級(jí)破碎和磨耗也會(huì)產(chǎn)生一部分細(xì)顆粒焦炭。細(xì)顆粒焦炭的燃燒區(qū)域大部分在爐膛上部的稀相區(qū)，也會(huì)有少量在高溫分離器內(nèi)燃燒。部分細(xì)顆粒由于隨顆粒團(tuán)運(yùn)動(dòng)而被分離器捕集，其余部分則逃離分離器，形成鍋爐飛灰，是鍋爐末燃盡損失的主要部分。在實(shí)際的循環(huán)流化床鍋爐中，分離效率要比理論計(jì)算值高得多。這是因?yàn)樵诳焖倭骰矁?nèi)進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣固混合物中固體顆粒濃度比在其他常規(guī)旋風(fēng)分離器中要高得多，這樣細(xì)顆粒就容易以顆粒團(tuán)的形式出現(xiàn)，易于被捕集，使分離器的分離效率提高。在循環(huán)流化床鍋爐中，固體物料除了通過(guò)爐膛、旋風(fēng)分離器和再循環(huán)系統(tǒng)的外循環(huán)以外，也在爐膛內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)循環(huán)。細(xì)顆粒焦炭在中心區(qū)域隨氣流向上運(yùn)動(dòng)，在形成顆粒團(tuán)和顆粒團(tuán)被上升氣流沖散的過(guò)程中，又在貼近爐墻區(qū)域向下運(yùn)動(dòng)，因此細(xì)顆粒焦炭在爐內(nèi)停留的時(shí)間取決于內(nèi)循環(huán)、爐膛高度和分離裝置的性能。為使細(xì)顆粒焦炭充分燃盡，其停留時(shí)間必須大于燃盡所需的時(shí)間。2．焦炭碎片燃燒焦炭碎片的典型尺寸為500～1000181。m，燃燒通常處于過(guò)渡燃燒工況。它由一級(jí)破碎和二級(jí)破碎產(chǎn)生。焦炭碎片在爐內(nèi)的停留時(shí)間與平均床料的停留時(shí)間很接近。對(duì)于焦炭碎片，作為飛灰逃離分離器和由床層底部冷渣口排出爐膛的可能性不大，因此外循環(huán)倍率是影響焦炭碎片停留時(shí)間的主要因素。循環(huán)倍率提高，有利于焦炭碎片的燃盡。3．粗顆粒焦炭燃燒粗顆粒焦炭直徑大于1mm，其燃燒處于擴(kuò)散燃燒或過(guò)渡燃燒工況。這些粗顆粒一部分在爐膛下部密相區(qū)燃燒，一部分被帶往爐膛上部稀相區(qū)繼續(xù)燃燒。被夾帶出爐膛的這些顆粒也很容易被分離器捕集后送回爐膛內(nèi)再燃，因而粗顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)，燃盡度高。粗顆粒一般從爐膛底部的冷渣口排出。粗顆粒爐渣的含碳量很低，由粗顆粒煤粒產(chǎn)生的固體未完全燃燒損失最小。五、循環(huán)流化床燃燒過(guò)程的特點(diǎn)圖15典型循環(huán)流化床鍋爐簡(jiǎn)圖典型循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)一般如圖15所示，其基本流程為：煤和脫硫劑送入爐膛后，迅速被大量惰性高溫物料包圍，著火燃燒，同時(shí)進(jìn)行脫硫反應(yīng)，并在上升煙氣流的作用下向爐膛上部運(yùn)動(dòng)，對(duì)水冷壁、爐內(nèi)布置的屏式過(guò)熱器和翼形水冷壁等受熱面放熱。粗大粒子進(jìn)入懸浮區(qū)域后在重力及外力作用下偏離主氣流，從而貼壁下流。氣固混合物離開(kāi)爐膛后進(jìn)入高溫旋風(fēng)分離器，大量固體顆粒（煤粒、脫硫劑）被分離出來(lái)回送爐膛，進(jìn)行循環(huán)燃燒。未被分離出來(lái)的細(xì)粒子隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，以加熱對(duì)流式過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器，經(jīng)除塵器，由引風(fēng)機(jī)通過(guò)煙囪排至大氣。1．低溫的動(dòng)力控制燃燒．循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高速運(yùn)動(dòng)的煙氣與其所攜帶的湍流擾動(dòng)極強(qiáng)的固體顆粒密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒被捕集，并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過(guò)程，反復(fù)循環(huán)地進(jìn)行燃燒，延長(zhǎng)了燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時(shí)間。大量高溫惰性物料的存在改善了燃燒條件。在這種燃燒方式下，既可以實(shí)現(xiàn)較高溫度燃燒，也可以實(shí)現(xiàn)中溫燃燒。由于添加了脫硫劑，爐內(nèi)溫度水平受脫硫最佳溫度的限制，一般為850～950℃左右。這樣的溫度遠(yuǎn)低于普通煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點(diǎn)，這就免去了灰熔化帶來(lái)的種種煩惱。這種“中溫燃燒”方式有許多優(yōu)點(diǎn)：爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉爐要改善很多；對(duì)灰特性的敏感性減低，也無(wú)須很大空間去使高溫灰冷卻下來(lái)；氮氧化物生成量低；可于爐內(nèi)組織廉價(jià)而高效的脫硫工藝等等。從燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度看，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)控制在動(dòng)力燃燒區(qū)（或過(guò)渡區(qū)）內(nèi)。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)溫度不高，并有大量固體顆粒的強(qiáng)烈混合，這種情況下的燃燒速率主要取決于化學(xué)反應(yīng)速率，也就是決定于溫度水平，而物理因素不再是控制燃燒速率的主導(dǎo)因素。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃料的燃盡度很高。通常，性能良好的循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率可達(dá)98%~99%。2．高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過(guò)程從圖13中可以看出，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的固體物料（包括燃料、殘?zhí)俊⒒?、脫硫劑和惰性床料等）?jīng)歷了由爐膛、分離器和返料裝置所組成的外循環(huán)，同時(shí)有快速流態(tài)化的特點(diǎn)，在爐膛內(nèi)固體物料存在內(nèi)循環(huán)。因此，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的物料參與了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)燃燒過(guò)程以及脫硫過(guò)程都是在這兩種形式的循環(huán)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中逐步完成的。3．高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈的湍流下通過(guò)爐膛，通過(guò)人為操作可改變物料循環(huán)量，并可改變爐內(nèi)物料的分布規(guī)律，以適應(yīng)不同的燃燒工況。在這種組織方式下，爐內(nèi)的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過(guò)程是十分強(qiáng)烈的。這就使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。運(yùn)行實(shí)踐也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。 物料分離系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特征，它由高溫分離器、立管和回料裝置三部分組成組成。 大量物料參加循環(huán)實(shí)現(xiàn)整個(gè)爐膛內(nèi)的控制燃燒過(guò)程，是循環(huán)流化床鍋爐區(qū)別于鼓泡流化床鍋爐的根本特點(diǎn)。后者的燃燒主要發(fā)生于床內(nèi)，盡管一些鼓泡流化床鍋爐帶有飛灰復(fù)燃系統(tǒng)，但由于灰量很小，床面之上的空間溫度仍然很低，不足以形成燃燒環(huán)境。 快速流態(tài)化特點(diǎn)決定了循環(huán)流化床鍋爐燃燒必須有三個(gè)條件： （1）要保證流化床流態(tài)處于快速流化床區(qū)域附近范圍，并要保證一定的氣流速度，同時(shí)要保證物料粒徑處于適當(dāng)?shù)?、在該流速下能處于快速流化區(qū)域的粒度。（2）要有足夠的物料分離。（3）要有物料回送。各種燃燒方式的主要特性比較如表12所示。（4）在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，要準(zhǔn)備必要的物料補(bǔ)充和排出手段以維持物料的平衡。表12 各種燃燒方式的主要特性比較燃燒方式固定床鼓泡流化床循環(huán)流化床懸浮燃燒顆粒平均直徑(mm) 300～38～燃料燃燒區(qū)高度(m)1～215～4027～45過(guò)剩空氣系數(shù)～～～～燃燒區(qū)域風(fēng)速(m/s)1～3～33～1215～30床層與受熱面間的傳熱系數(shù)[W/ (m2K)]50～150200～500100～25050～100磨損小中中較小燃燒效率(%)97～85～9090～9699燃燒燒中心溫度(℃)1200850～950850～9501600煤的粒度(mm)6～326以下13以下截面熱負(fù)荷(MW/m2)～～～～脫硫效率(%)80～9080～90低氣體混合接近塞柱流復(fù)雜二相流彌散塞柱流接近塞柱流固體運(yùn)動(dòng)靜止上下運(yùn)動(dòng)大部分向上、部分向下向上空隙率～～～～溫度梯度大很小小顯著NOx排放（mg/m3）400～600300～40050～200400～600六、循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)傳熱循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的傳熱過(guò)程是與燃燒過(guò)程同時(shí)發(fā)生的。循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的傳熱包括氣體與固體顆粒之間的傳熱、顆粒與顆粒之間的傳熱、整個(gè)氣固多相流與受熱面之間的傳熱、氣固多相流與入床氣流間的傳熱等。燃料在燃燒過(guò)程中所放出的熱量通過(guò)氣固多相流和受熱面之間的換熱而傳遞到管內(nèi)的工質(zhì)水，使之汽化產(chǎn)生蒸汽。在熱量的傳遞過(guò)程中，存在三種基本的傳熱方式，即熱傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱。熱量通過(guò)緊貼水冷壁外表面向下流動(dòng)的內(nèi)循環(huán)灰與水冷壁外表面的傳熱屬于熱傳導(dǎo)過(guò)程；靠近水冷壁外表面的高溫粒子和氣體對(duì)水冷壁外表面的熱量傳遞屬于輻射傳熱；而在水冷壁管的火側(cè)有高溫氣固混合流，水側(cè)有汽水混合物的兩相流動(dòng)，伴隨著兩側(cè)流體流動(dòng)發(fā)生的熱量從床層傳到管壁外表面和從管壁內(nèi)表面?zhèn)鞯狡旌衔锏膿Q熱過(guò)程則屬于對(duì)流傳熱。由于循環(huán)流化床內(nèi)存在著復(fù)雜的氣固兩相流動(dòng)，加之鍋爐結(jié)構(gòu)布置的多樣化，使得循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的傳熱問(wèn)題變得比較復(fù)雜，目前對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱的機(jī)理尚不十分清楚。下面僅對(duì)爐內(nèi)床層和受熱面之間傳熱的特點(diǎn)及影響因素作一簡(jiǎn)單介紹。1．爐內(nèi)傳熱的基本形式對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)傳熱主要有以下三種基本形式。 圖16 Pyroflow循環(huán)流化床鍋爐爐膛1）顆粒對(duì)流換熱 內(nèi)沿爐膛高度主導(dǎo)傳熱方式隨固體顆粒聚集成顆粒團(tuán)是循環(huán)流化床的一個(gè)主要特征。 （1ε）的變化關(guān)系。每一顆粒團(tuán)是由數(shù)量眾多的顆粒聚集而成的，顆粒團(tuán)的溫度與床溫相同，這些顆粒團(tuán)自成一運(yùn)動(dòng)主體。當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)到受熱面附近時(shí)，與受熱面形成很大的溫差，這時(shí)熱量很快地從顆粒團(tuán)經(jīng)過(guò)氣膜以熱傳導(dǎo)方式傳給受熱面，或者顆粒團(tuán)直接碰撞受熱面把攜帶的熱量傳給受熱面。受熱面被間斷的顆粒團(tuán)掃過(guò)而不是為連續(xù)的顆粒層所覆蓋。顆粒在運(yùn)行一段距離后就會(huì)彌散或離開(kāi)壁面，壁面處又會(huì)被新的顆粒團(tuán)所取代。顆粒團(tuán)停留在受熱面附近的時(shí)間愈長(zhǎng)，顆粒團(tuán)與受熱面間的溫差則愈小。反之，若顆粒團(tuán)停留時(shí)間愈短，亦即顆粒團(tuán)更新頻率愈 高，則顆粒團(tuán)與受熱面間的溫差愈大，熱量傳遞速率就愈高。在其他條件相同的情況下，顆粒尺寸減小，單位受熱面上接觸的顆粒數(shù)量越多，傳熱就越激烈。此外，當(dāng)床溫升高時(shí)，床層與受熱面之間的放熱系數(shù)增大。通常顆粒粒徑為40～000181。m時(shí),顆粒對(duì)流放熱是傳熱的主要方式。2）氣體對(duì)流換熱 固體顆粒與受熱面接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)的同時(shí)，氣流也在顆粒與受熱面表面間進(jìn)行對(duì)流換熱。一般情況下顆粒對(duì)流傳熱的份額要比氣體對(duì)流傳熱的份額大得多，但在循環(huán)流化床稀相區(qū)顆粒濃度極低的情況下氣體對(duì)流傳熱就變得重要起來(lái)。由于循環(huán)流化床中顆粒團(tuán)以外的部分并非是沒(méi)有顆粒的，在上升氣流中還包含少量的顆粒，這些顆粒增加了氣體的擾動(dòng)，使顆粒間氣流處于湍流前的過(guò)渡狀態(tài)或湍流狀態(tài)，氣流的對(duì)流放熱非常顯著，因而在熱量傳遞過(guò)程中所占的比例大大增加。3）輻射傳熱輻射傳熱也是循環(huán)流化床鍋爐中的主要傳熱方式。當(dāng)床溫高于530℃以后，輻射傳熱越來(lái)越重要，輻射傳熱的份額更大。當(dāng)粒子濃度減小時(shí)，由于顆粒對(duì)流傳熱的減小，輻射傳熱的份額也會(huì)增大。在循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)顆粒濃度較高，對(duì)受熱面的輻射作用則相對(duì)減少，而在稀相區(qū)顆粒濃度較小，輻射傳熱所占比例增大。主導(dǎo)傳熱方式傳熱系數(shù)[W/(m2K)]固體和氣體輻射57～141固體對(duì)流和輻射141～340固體對(duì)流340～454在循環(huán)流化床鍋爐中，沿爐膛高度方 表13 各主導(dǎo)傳熱方式的傳熱系數(shù)向，隨著爐內(nèi)兩相混合物的固氣比不同，不同區(qū)段的主導(dǎo)傳熱方式和傳熱系數(shù)均不相同。圖16為循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)沿爐膛高度主導(dǎo)傳熱方式隨團(tuán)體顆粒濃度的變化關(guān)系。由圖中可以看出，沿著爐膛高度方向隨著固體顆粒所占的份額（1ε）的減?。舛冉档停鲗?dǎo)傳熱過(guò)程由爐膛下部的顆粒對(duì)流傳熱為主轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒對(duì)流傳熱和輻射傳熱為主，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)闋t膛上部的顆粒和氣體的輻射傳熱為主，各部分的傳熱系數(shù)大小如表13所示。而對(duì)于沿爐膛高度方向上的某一截面，由于邊壁處顆粒濃度高于中心區(qū)域，所以床中心傳熱系數(shù)最小，而邊壁處較大。2．循環(huán)流化床鍋爐下部密相區(qū)與受熱面之間的傳熱循環(huán)流化床鍋爐下部密相區(qū)固體顆粒濃度較大，多屬湍流流化區(qū)，流動(dòng)狀態(tài)類(lèi)似于鼓泡流化床的流化區(qū)，其傳熱也類(lèi)似于鼓泡流化床的傳熱。循環(huán)流化床密相區(qū)與受熱面之間的傳熱包括：氣體對(duì)流傳熱、顆粒對(duì)流傳熱和輻射傳熱。由于密相區(qū)顆粒濃度很大，氣體對(duì)流傳熱作用較小，對(duì)受熱面的輻射作用相對(duì)也較小，所以顆粒對(duì)流傳熱是循環(huán)流化床密相區(qū)與受熱面間傳熱的主要部分。對(duì)于密相區(qū)與受熱面之間的傳熱，許多學(xué)者提 圖17 顆粒團(tuán)換熱模型出了不同的觀點(diǎn)，在此僅對(duì)大多數(shù)學(xué)者公認(rèn)的顆粒團(tuán)理論進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。顆粒團(tuán)理論認(rèn)為，可以將流化床中的物料看成是由許多“顆粒團(tuán)”組成的，傳熱熱阻來(lái)自貼近受熱面的顆粒團(tuán)。顆粒團(tuán)在氣泡作用下，在換熱壁面附近周期性地更替，流化床與壁面之間的傳熱速率依賴于這些顆粒團(tuán)的放熱速率以及顆粒團(tuán)與壁面的接觸頻率。圖17為顆粒團(tuán)換熱模型。 3．循環(huán)流化床鍋爐上部稀相區(qū)與受熱面之間的傳熱在循環(huán)流化床鍋爐上部的稀相區(qū)，氣團(tuán)懸浮體與受熱面之間的傳熱也包含了氣體對(duì)流傳熱、顆粒對(duì)流傳熱和輻射傳熱三種形式。在循環(huán)流化床上部稀相區(qū)極低顆粒濃度的情況下，氣體對(duì)流傳熱變得重要起來(lái)。另外在上升氣流中除顆粒團(tuán)外還包含少量的分散顆粒，它們對(duì)受迫對(duì)流傳熱起重要的作用。顆粒團(tuán)與分散顆粒交替地與壁面接觸進(jìn)行傳熱，顆粒團(tuán)與壁面間的傳熱熱阻包括與壁面的接觸熱阻和顆粒團(tuán)本身的熱傳導(dǎo)熱阻兩部分。在稀相區(qū)，由于顆粒濃度較小，顆粒對(duì)流傳熱下降，輻射傳熱份額變大。4．影響循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱的主要因素由前面的分析可知，床層與受熱面之間的傳熱機(jī)理十分復(fù)雜，各種因素對(duì)傳熱的影響又因三種不同的傳熱方式而有顯著的差別。下面討論主要的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)傳熱的影響。1）顆粒濃度的影響在循環(huán)流化床內(nèi)所發(fā)生的傳熱強(qiáng)烈地受到床內(nèi)物料顆粒濃度的影響。爐內(nèi)傳熱系數(shù)隨著床內(nèi)物料顆粒濃度的增加而增大，這是因?yàn)闋t內(nèi)熱量向受熱面的傳遞是由四周沿壁面向下流動(dòng)的固體顆粒團(tuán)和中部向上流動(dòng)的含有分散固體顆粒的氣流來(lái)完成的，由顆粒團(tuán)向壁面的導(dǎo)熱比