【文章內(nèi)容簡介】 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)域向上運動，同時沿截面貼近爐墻向下移動，或者在中心區(qū)域隨顆粒團向下運動。這樣焦炭顆粒在被夾帶出爐膛之前已沿爐膛高度循環(huán)運動了多次，因而延長了焦炭顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，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入該區(qū)域。焦炭顆粒在此停留的時間較短，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，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，它們主要發(fā)生的燃燒區(qū)域也不完全相同。1．細顆粒焦炭燃燒細顆粒焦炭的粒徑一般小于50～100181。m，其燃燒處于動力燃燒工況。在燃用寬篩分煤粒時，其中必然會存在一部分細顆粒；另外，粗顆粒煤在燃燒時經(jīng)過一級、二級破碎和磨耗也會產(chǎn)生一部分細顆粒焦炭。細顆粒焦炭的燃燒區(qū)域大部分在爐膛上部的稀相區(qū)，也會有少量在高溫分離器內(nèi)燃燒。部分細顆粒由于隨顆粒團運動而被分離器捕集，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。在實際的循環(huán)流化床鍋爐中，分離效率要比理論計算值高得多。這是因為在快速流化床內(nèi)進入旋風(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，這樣細顆粒就容易以顆粒團的形式出現(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)。細顆粒焦炭在中心區(qū)域隨氣流向上運動，在形成顆粒團和顆粒團被上升氣流沖散的過程中，又在貼近爐墻區(qū)域向下運動，因此細顆粒焦炭在爐內(nèi)停留的時間取決于內(nèi)循環(huán)、爐膛高度和分離裝置的性能。為使細顆粒焦炭充分燃盡，其停留時間必須大于燃盡所需的時間。2．焦炭碎片燃燒焦炭碎片的典型尺寸為500～1000181。m，燃燒通常處于過渡燃燒工況。它由一級破碎和二級破碎產(chǎn)生。焦炭碎片在爐內(nèi)的停留時間與平均床料的停留時間很接近。對于焦炭碎片，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，其燃燒處于擴散燃燒或過渡燃燒工況。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)的停留時間長，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)流化床燃燒過程的特點圖15典型循環(huán)流化床鍋爐簡圖典型循環(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，同時進行脫硫反應(yīng)，并在上升煙氣流的作用下向爐膛上部運動，對水冷壁、爐內(nèi)布置的屏式過熱器和翼形水冷壁等受熱面放熱。粗大粒子進入懸浮區(qū)域后在重力及外力作用下偏離主氣流，從而貼壁下流。氣固混合物離開爐膛后進入高溫旋風(fēng)分離器，大量固體顆粒（煤粒、脫硫劑）被分離出來回送爐膛，進行循環(huán)燃燒。未被分離出來的細粒子隨煙氣進入尾部煙道，以加熱對流式過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器，經(jīng)除塵器，由引風(fēng)機通過煙囪排至大氣。1．低溫的動力控制燃燒．循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高速運動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(tài)化燃燒反應(yīng)過程，同時，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)再次參與燃燒過程，反復(fù)循環(huán)地進行燃燒，延長了燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時間。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，既可以實現(xiàn)較高溫度燃燒，也可以實現(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。這樣的溫度遠低于普通煤粉爐中的溫度水平，并低于一般煤的灰熔點，這就免去了灰熔化帶來的種種煩惱。這種“中溫燃燒”方式有許多優(yōu)點：爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉爐要改善很多；對灰特性的敏感性減低，也無須很大空間去使高溫灰冷卻下來；氮氧化物生成量低；可于爐內(nèi)組織廉價而高效的脫硫工藝等等。從燃燒反應(yīng)動力學(xué)角度看，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)控制在動力燃燒區(qū)（或過渡區(qū)）內(nèi)。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對來說溫度不高，并有大量固體顆粒的強烈混合，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)?、灰、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)，同時有快速流態(tài)化的特點，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)運動。整個燃燒過程以及脫硫過程都是在這兩種形式的循環(huán)運動的動態(tài)過程中逐步完成的。3．高強度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞過程在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強烈的湍流下通過爐膛，通過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)量和動量傳遞過程是十分強烈的。這就使整個爐膛高度的溫度分布均勻。運行實踐也充分證實了這一點。 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)實現(xiàn)整個爐膛內(nèi)的控制燃燒過程，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。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)化特點決定了循環(huán)流化床鍋爐燃燒必須有三個條件： （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）在實際運行過程中，要準(zhǔn)備必要的物料補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?？諝庀禂?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動靜止上下運動大部分向上、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)的傳熱過程是與燃燒過程同時發(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。燃料在燃燒過程中所放出的熱量通過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。在熱量的傳遞過程中，存在三種基本的傳熱方式，即熱傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱。熱量通過緊貼水冷壁外表面向下流動的內(nèi)循環(huán)灰與水冷壁外表面的傳熱屬于熱傳導(dǎo)過程；靠近水冷壁外表面的高溫粒子和氣體對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，伴隨著兩側(cè)流體流動發(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熱過程則屬于對流傳熱。由于循環(huán)流化床內(nèi)存在著復(fù)雜的氣固兩相流動，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)的傳熱問題變得比較復(fù)雜，目前對于循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱的機理尚不十分清楚。下面僅對爐內(nèi)床層和受熱面之間傳熱的特點及影響因素作一簡單介紹。1．爐內(nèi)傳熱的基本形式對于循環(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是循環(huán)流化床的一個主要特征。 （1ε）的變化關(guān)系。每一顆粒團是由數(shù)量眾多的顆粒聚集而成的，顆粒團的溫度與床溫相同，這些顆粒團自成一運動主體。當(dāng)它們運動到受熱面附近時，與受熱面形成很大的溫差，這時熱量很快地從顆粒團經(jīng)過氣膜以熱傳導(dǎo)方式傳給受熱面，或者顆粒團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掃過而不是為連續(xù)的顆粒層所覆蓋。顆粒在運行一段距離后就會彌散或離開壁面，壁面處又會被新的顆粒團所取代。顆粒團停留在受熱面附近的時間愈長，顆粒團與受熱面間的溫差則愈小。反之，若顆粒團停留時間愈短，亦即顆粒團更新頻率愈 高，則顆粒團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，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,顆粒對流放熱是傳熱的主要方式。2）氣體對流換熱 固體顆粒與受熱面接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)的同時，氣流也在顆粒與受熱面表面間進行對流換熱。一般情況下顆粒對流傳熱的份額要比氣體對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流傳熱就變得重要起來。由于循環(huán)流化床中顆粒團以外的部分并非是沒有顆粒的，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，使顆粒間氣流處于湍流前的過渡狀態(tài)或湍流狀態(tài)，氣流的對流放熱非常顯著，因而在熱量傳遞過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，輻射傳熱越來越重要，輻射傳熱的份額更大。當(dāng)粒子濃度減小時，由于顆粒對流傳熱的減小，輻射傳熱的份額也會增大。在循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)顆粒濃度較高，對受熱面的輻射作用則相對減少，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固體對流和輻射141～340固體對流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）的減小（濃度降低），主導(dǎo)傳熱過程由爐膛下部的顆粒對流傳熱為主轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒對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)，流動狀態(tài)類似于鼓泡流化床的流化區(qū)，其傳熱也類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：氣體對流傳熱、顆粒對流傳熱和輻射傳熱。由于密相區(qū)顆粒濃度很大，氣體對流傳熱作用較小，對受熱面的輻射作用相對也較小，所以顆粒對流傳熱是循環(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 顆粒團換熱模型出了不同的觀點，在此僅對大多數(shù)學(xué)者公認的顆粒團理論進行簡要說明。顆粒團理論認為，可以將流化床中的物料看成是由許多“顆粒團”組成的，傳熱熱阻來自貼近受熱面的顆粒團。顆粒團在氣泡作用下，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的放熱速率以及顆粒團與壁面的接觸頻率。圖17為顆粒團換熱模型。 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)，氣團懸浮體與受熱面之間的傳熱也包含了氣體對流傳熱、顆粒對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，氣體對流傳熱變得重要起來。另外在上升氣流中除顆粒團外還包含少量的分散顆粒，它們對受迫對流傳熱起重要的作用。顆粒團與分散顆粒交替地與壁面接觸進行傳熱，顆粒團與壁面間的傳熱熱阻包括與壁面的接觸熱阻和顆粒團本身的熱傳導(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理十分復(fù)雜，各種因素對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)計和運行參數(shù)對傳熱的影響。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，這是因為爐內(nèi)熱量向受熱面的傳遞是由四周沿壁面向下流動的固體顆粒團和中部向上流動的含有分散固體顆粒的氣流來完成的，由顆粒團向壁面的導(dǎo)熱比