循環(huán)流化床培訓(xùn)教材

1、前 言1第一章 CFBB的起源和發(fā)展?fàn)顩r3第一節(jié) CFBB的起源3第二節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展?fàn)顩r3一、流化床鍋爐發(fā)展概況3二、國內(nèi)CFB鍋爐開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀5第二章 CFBB的原理及特點(diǎn)7第一節(jié) CFBB的原理7一、循環(huán)流化床的工作原理7二、循環(huán)流化床鍋爐工作原理8第二節(jié) CFBB的特點(diǎn)9一、循環(huán)流化床燃燒鍋爐的基本特點(diǎn)可概括如下：10二、環(huán)流化床鍋爐具有許多不替代的優(yōu)點(diǎn)10第三章 CFBB的流體動(dòng)力特性12第一節(jié) 流態(tài)化原理12第二節(jié) 流態(tài)化的各種狀態(tài)12一、初始流態(tài)化12二、鼓泡流化床13三、節(jié)涌13四、湍流床13五、氣力輸送與快速床14第三節(jié) 循環(huán)流化床的流態(tài)14第四章 循環(huán)流化床的傳熱與傳

2、質(zhì)16第一節(jié) 傳熱機(jī)理簡介16第二節(jié) 影響傳熱的主要因素16一、床層密度（床層物料濃度）16二、流化速度17三、平均粒徑17四、床溫17第三節(jié) 流化床內(nèi)顆粒與流體的傳質(zhì)17第五章 煤在循環(huán)流化床內(nèi)的燃燒過程及燃燒特性18第一節(jié) 煤燃燒的各階段18第二節(jié) 影響循環(huán)流化床燃燒的主要因素19一、床溫19二、一二次風(fēng)比例20三、停留時(shí)間20四、旋風(fēng)分離器21五、燃煤粒度21六、流化風(fēng)速和循環(huán)倍率21第三節(jié) 循環(huán)流化床燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)22一、燃料適應(yīng)性廣22二、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快22第六章 脫硫、脫氮機(jī)理及排放控制23第一節(jié) 脫硫機(jī)理及排放機(jī)理23一、SO2的生成23二、SO2的固定23三、石灰石的

3、有效利用24四、影響脫硫效率的因素24第二節(jié) 循環(huán)流化床中脫氮機(jī)理及排放控制25一、NOx的形成25二、影響NOx生成和排放的因素26第七章 CFBB的結(jié)構(gòu)、主要設(shè)備介紹27第一節(jié) 布風(fēng)板27第二節(jié) 汽包27第三節(jié) 水冷壁28第四節(jié) 高溫旋風(fēng)分離器28第五節(jié) 固體物料回送裝置29第六節(jié) 過熱器、再熱器及減溫器29第七節(jié) 減溫器30第八節(jié) 省煤器31第九節(jié) 空預(yù)器31第十節(jié) 燃燒器31第十一節(jié) 膨脹節(jié)32第十二節(jié) 安全閥32第八章 CFBB的輔機(jī)33第一節(jié) 一次風(fēng)機(jī)33第二節(jié) 二次風(fēng)機(jī)33第三節(jié) 高壓風(fēng)機(jī)33第四節(jié) 引風(fēng)機(jī)33第五節(jié) 除塵器33第六節(jié) 吹灰裝置34第七節(jié) 給煤設(shè)備34第八節(jié) 給石

4、灰石設(shè)備35第九節(jié) 排渣設(shè)備36第九章 CFBB的啟停及運(yùn)行37第一節(jié) CFBB的啟動(dòng)前檢查及啟動(dòng)過程37第二節(jié) 鍋爐停運(yùn)41第三節(jié) CFBB的運(yùn)行42一、CFBB運(yùn)行調(diào)整的主要任務(wù)42二、床溫的控制與調(diào)整42三、床壓的調(diào)整43四、燃燒的調(diào)整43五、分析爐內(nèi)結(jié)焦及其影響因素44六、參數(shù)變化對(duì)CFBB運(yùn)行的影響45第十章 CFBB控制與調(diào)節(jié)47第一節(jié) DCS功能說明：47第二節(jié) 控制回路簡述47一、鍋爐主調(diào)節(jié)控制回路。47二、給水流量控制回路47三、蒸汽溫度控制回路47四、風(fēng)主控制回路48五、鍋爐床溫控制回路48六、燃料控制回路48七、床壓控制回路48八、石灰石控制48九、燃燒管理系統(tǒng)（BMS）

5、48第三節(jié) 調(diào)節(jié)控制特點(diǎn)49第十一章 CFBB金屬件及耐火材料的磨損及預(yù)防50第一節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐防磨綜述50第二節(jié) 上述各部件防磨措施及設(shè)計(jì)51一、燃燒室的防磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)51二、回料裝置內(nèi)部的防磨設(shè)計(jì)51三、分離器的防磨設(shè)計(jì)51四、爐膛水冷壁、管屏及過熱器的防爆防磨措施51第十二章 CFBB的發(fā)展前景及灰渣的綜合利用53第一節(jié) CFBB的發(fā)展前景53第二節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐灰渣的處理53第三節(jié) 灰渣的綜合利用54 前 言能源與環(huán)境是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大問題。我國是產(chǎn)煤大國，也是用煤大國，目前一次能源消耗中煤炭占76%，在可見的今后若干年內(nèi)還有上升的趨勢，而這些煤炭中又有84%是直接用于燃燒的，其

6、燃燒效率還不夠高，燃燒所產(chǎn)生的大氣污染物還沒有得到有效的控制，以致于我國每年排入大氣的87%SO2和67%NOx均來源于煤的直接燃燒，可見發(fā)展高效、低污染清潔燃燒技術(shù)是當(dāng)前亟待解決的問題。循環(huán)流化床是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效低污染清潔燃燒技術(shù)，其主要特點(diǎn)在于燃料及脫硫劑經(jīng)多次循環(huán)、反復(fù)地進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，爐內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，不但能達(dá)到低NOx排放，90%的脫硫效率和與煤粉爐相近的燃燒效率，而且具有燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，因此在國際上得到迅速的商業(yè)推廣。我國近幾年來也有100多臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行或正在制造中，100MW級(jí)的循環(huán)流化床鍋爐已有投運(yùn)，

7、而更大容量的電站循環(huán)流化床鍋爐在國際上正在示范運(yùn)行，已被發(fā)電行業(yè)所接受和公認(rèn)?？梢灶A(yù)見，未來的幾年將是CFBB技術(shù)飛速發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期。我廠2×135MW機(jī)組技改工程正是順應(yīng)這一潮流，鍋爐設(shè)備采用了哈鍋生產(chǎn)的440t/h的循環(huán)流化床鍋爐，匹配135MW汽輪發(fā)電機(jī)組，采用一次中間再熱，是國內(nèi)目前正在安裝即將投運(yùn)的容量最大的循環(huán)流化床鍋爐。在機(jī)組投運(yùn)前的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作中，我們通過各種學(xué)習(xí)途徑，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐有了一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，為了更好地了解循環(huán)流化床鍋爐，進(jìn)一步熟悉設(shè)備為新機(jī)投運(yùn)打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也為循環(huán)流化床鍋爐的理論培訓(xùn)工作做些有益的探索進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，李孟軍專工主

8、持并編寫了這本培訓(xùn)教材。結(jié)合我廠實(shí)際，在收集資料和總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫，力求做到簡潔實(shí)用。全書共分十二章，第一、二、三章分別討論了循環(huán)流化床鍋爐的起源和發(fā)展?fàn)顩r、原理及其流體動(dòng)力學(xué)特性，著重探討了循環(huán)流化床鍋爐的工作特點(diǎn)，從鼓泡床過渡到循環(huán)流化床的各種特性，循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相運(yùn)動(dòng)特性；第四章著重分析了循環(huán)流化床內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)特性；第五章探討了煤粒在循環(huán)床內(nèi)的燃燒過程及燃燒特性；第六章分析了脫硫脫氮的機(jī)理及排放控制；第七章介紹了循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備；第八章介紹了循環(huán)流化床鍋爐的輔機(jī)，突出其特有性；第九章專門討論了循環(huán)流化床鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)及正常運(yùn)行；第十章討論了循環(huán)流化床鍋爐的

9、控制與調(diào)節(jié)；第十一章探討了循環(huán)流化床鍋爐的金屬件及耐火材料的磨損及各種預(yù)防措施；第十二章探索和分析了循環(huán)流化床鍋爐的灰渣的綜合利用及其發(fā)展前景。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)作為一種新型的潔凈燃燒技術(shù)，正處于發(fā)展和完善階段。由于試驗(yàn)條件及運(yùn)行實(shí)踐等因素的局限性，在理論上至今尚未形成一致結(jié)論。由于水平所限，其中缺點(diǎn)和錯(cuò)誤難免，歡迎批評(píng)指正。 2002年4月8日 第一章 CFBB的起源和發(fā)展?fàn)顩r第一節(jié) CFBB的起源在談循環(huán)流化床技術(shù)之前，首先要涉及到流態(tài)化技術(shù)，正如各種技術(shù)的形成一樣，循環(huán)流化床技術(shù)的問世，也是一個(gè)逐漸被發(fā)展和完善的過程。循環(huán)流化床技術(shù)是在最初被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的流態(tài)化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。流態(tài)

10、化技術(shù)最初來源于化工生產(chǎn)中的流態(tài)化反應(yīng)器。第一臺(tái)成功運(yùn)行的流化床是德國人溫克勒于1921年發(fā)明的，他將燃燒產(chǎn)生的煙氣引入一裝有焦炭顆粒的爐室的底部，然后觀察到了固體顆粒因受氣體的阻力而被提升，整個(gè)顆粒系統(tǒng)看起來就像沸騰的液體，這也是工業(yè)應(yīng)用的流化床的雛形。此后流態(tài)化技術(shù)一直在化工領(lǐng)域被應(yīng)用并發(fā)展，直到上個(gè)世紀(jì)五、六十年代，流態(tài)化技術(shù)才開始在燃燒領(lǐng)域應(yīng)用。流化床燃燒技術(shù)的應(yīng)用最初是鼓泡床技術(shù)，其大概的工作過程就是，碾碎的小顆粒燃料通過給煤口送入爐內(nèi)，床內(nèi)布置有埋管蒸發(fā)受熱面，空氣由風(fēng)室通過床下布風(fēng)板送入床層，將燃料顆粒吹起。吹起的顆粒上升到一定高度，在重力作用下又落下，再由空氣吹起上升，然后又落

11、下，如此反復(fù)上升、落下， 好像水在沸騰時(shí)的狀態(tài)一樣，固體顆粒層也膨脹起來，此時(shí)固體顆粒便進(jìn)入流化狀態(tài)，這便是最初的鼓泡床燃燒。從以上鼓泡床燃燒特點(diǎn)可以看出，其飛灰含碳量大，不完全燃燒損失大。由于鼓泡床在燃燒寬篩分燃料尤其是劣質(zhì)燃料時(shí)，固體未完全燃燒損失很大、加入石灰石脫硫效率低、埋管受熱面和爐墻磨損大以及大型化時(shí)床面積過大受熱面難以布置等缺點(diǎn)的限制，由于上述種種原因，人們便開始新的探索，力圖在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，克服其固有弱點(diǎn)，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。提到循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，不得不提芬蘭奧斯龍（Ahlstrom）公司。新一代循環(huán)流化床燃燒技術(shù)真正得到應(yīng)用始于上世紀(jì)七十年代未八十年代初，奧斯

12、龍公司對(duì)循環(huán)流化床爐的開發(fā)是60年代未期在鼓泡流化床爐的基礎(chǔ)上開始的。為提高燃燒效率，奧斯龍公司對(duì)運(yùn)行風(fēng)速為3m/s的鼓泡流化床采用高溫旋風(fēng)分離器來實(shí)現(xiàn)細(xì)粉的再循環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明燃燒效率得到提高。隨后，奧斯龍公司在芬蘭建造了第一臺(tái)商用循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐的熱功率為15MW。在這個(gè)基礎(chǔ)上，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)不斷被發(fā)展，并形成幾大技術(shù)流派，在工業(yè)領(lǐng)域迅速的得到大面積應(yīng)用。第二節(jié) 循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展?fàn)顩r一、流化床鍋爐發(fā)展概況自從第一臺(tái)專門設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)蒸汽的循環(huán)流化床爐投運(yùn)以來，經(jīng)過十多年技術(shù)開發(fā)和工程化的應(yīng)用與實(shí)踐，CFBB發(fā)展到目前已產(chǎn)生許多不同的流派和爐型，技術(shù)上也漸趨成熟。其中較有代表

13、性的是德國魯奇（Lurgi）公司的CFBB，芬蘭奧斯龍（Ahlstrom）公司的Pyroflow循環(huán)流化床爐，美國FW公司(FosterWheelerEnergyInternationalInc)的FW型CFBB以下將分別予以介紹。1、Lurgi型CFB鍋爐典型的Lurgi型CFBB由主床燃燒室、高溫旋風(fēng)分離器、外置流化床換熱器（EHE或FBHE，簡稱外置床）、回料器及尾部對(duì)流煙道組成。燃料及石灰石（脫硫劑）從主床密相區(qū)給入，在床內(nèi)燃燒和反應(yīng)；燃燒溫度控制在850900左右。在較高氣流速度作用下，固體物料播散充斥整個(gè)爐膛，物料從爐頂部被攜帶出燃燒室。經(jīng)高溫旋風(fēng)分離器分離后，一部分熱物料被直接送

14、回主床燃燒室；另一部分送至外置床（EHE）。在外置床中熱物料與埋管受熱面和空氣進(jìn)行熱交換，被冷卻至400600后，送回主床燃燒室或直接排出爐外。由旋風(fēng)分離器出口的高溫?zé)煔猓?jīng)對(duì)流煙道受熱面?zhèn)鳠岷?，?jīng)靜電除塵器或布袋除塵器后排入煙囪。Lurgi型CFBB最主要技術(shù)特點(diǎn)是設(shè)置了外置流化床換熱器。分離器分離后的固體顆?？梢灾苯臃祷厝紵?，或進(jìn)入外置換熱器然后再返回燃燒室。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入外置換熱器的物料量可以調(diào)節(jié)循環(huán)床的運(yùn)行溫度。Lurgi型循環(huán)床鍋爐燃用高灰、高硫煤時(shí)床溫一般控制在900，以利于碳燃燼；燃用低灰份煤時(shí)床溫控制在850，以加強(qiáng)石灰石的利用率。Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐能夠燃用多種不同的燃

15、料，當(dāng)燃料性質(zhì)變化過大時(shí)可改變下述參數(shù)：1）燃燒室溫度和過剩空氣量：2）一、二次風(fēng)比例。Lurgi型CFB鍋爐的燃料適應(yīng)性較廣，有在一臺(tái)爐上設(shè)計(jì)燃用多種燃料的業(yè)績。當(dāng)燃料品質(zhì)變動(dòng)較大時(shí)，通常采用調(diào)節(jié)進(jìn)入外置床的灰流量，一、二次風(fēng)配比及風(fēng)量等手段，來保證鍋爐穩(wěn)定及較好的經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保性能。對(duì)于外置流化床換熱器的作用，Lurgi公司認(rèn)為具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)（1）床溫控制僅需調(diào)節(jié)進(jìn)入外置流化床換熱器與直接返回燃燒室的固體物料比例，比較靈活，無需改變循環(huán)倍率等其它因素；（2）將燃燒與傳熱基本分離，可使二者均達(dá)到最佳狀態(tài)；（3）將再熱器或過熱器布置在流化床換熱器中，調(diào)節(jié)汽溫非常靈活，甚至無需噴水調(diào)節(jié)。但該方案的

16、缺點(diǎn)是增加了設(shè)備的投資和維護(hù)。2、Pyroflow型CFBB由芬蘭FWEOY(原Ahlstrom公司)開發(fā)的Pyroflow型CFBB結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)流程如圖1-2。 Pyroflow型CFB鍋爐主要由燃燒室、高溫旋風(fēng)分離器、回料器、尾部對(duì)流煙道等組成。燃燒室下部由水冷壁延伸部分、鋼板外殼及耐火襯里組成；上部爐膛四周為膜式水冷壁，爐膛中部布置 型過熱器或在爐膛上部布置翼墻過熱器。爐膛出口煙氣攜帶的固體顆粒絕大部分被高溫旋風(fēng)分離器分離后，經(jīng)回料器送回爐膛。旋風(fēng)分離器可布置在鍋爐前面、兩側(cè)或爐膛與對(duì)流煙道之間，布置自由靈活。一次風(fēng)從爐底的布風(fēng)裝置送入，約占總風(fēng)量的（6070）%，二次風(fēng)在布風(fēng)板上方兩個(gè)或

17、三個(gè)不同高度送入。少量（12）%高壓空氣經(jīng)回料器送入爐膛。與Lurgi技術(shù)最大的不同在于yroflow不設(shè)外置換熱器（EHE）.高溫旋風(fēng)分離器容許最高入口煙溫為900，一般可達(dá)99%的分離效率，阻力約1000Pa。其臨界分離粒徑約為70 um,小于70um的飛灰進(jìn)入對(duì)流煙道，經(jīng)靜電除塵器或袋式除塵器收集排除或部分進(jìn)行飛灰再循環(huán)。燃燒用風(fēng)分別由三組壓頭不同的風(fēng)機(jī)供給，一、二次風(fēng)機(jī)和回料器送風(fēng)機(jī)壓頭分別為20、15和40Kpa。為了保證低負(fù)荷時(shí)床內(nèi)有足夠的煙氣流速使物料良好流化，同時(shí)也作為控制床溫的技術(shù)手段之一，Pyroflow型CFBB一般還設(shè)有煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。Pyroflow循環(huán)流化床鍋爐的床

18、料一般采用天然砂子、石灰石等。床料粒度一般為0.20.3mm。PyroflowCFBB的缺點(diǎn)是：對(duì)高參數(shù)大容量機(jī)組，由于沒有外置換熱器，部分受熱面必須布置在爐內(nèi)，而對(duì)受熱面布置及防磨手段等構(gòu)成難點(diǎn)。3、FW型CFB鍋爐FW型CFB鍋爐（圖1-3）的主要特點(diǎn)是采用蒸氣冷卻式旋風(fēng)分離器，大型再熱FW型CFBB還布置INTREX（Integrated Recycle Heat Exchanger Bed）換熱器。FW型CFB鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)如下：?爐膛下部密相區(qū)流化風(fēng)速4m/s5m/s?爐膛上部稀相區(qū)運(yùn)行風(fēng)速55.5m/s?運(yùn)行床溫850900?分離器內(nèi)溫度850900圖1-4所示為帶有蒸汽冷卻膜式

19、壁的旋風(fēng)分離器。分離器的汽冷膜式壁通過上下環(huán)形聯(lián)箱與鍋爐的過熱蒸汽系統(tǒng)相連。在分離器內(nèi)側(cè)的膜式壁管子上焊有四片在車間預(yù)制并運(yùn)到現(xiàn)場組裝。它和鍋爐本體一樣，采用懸吊支撐系統(tǒng)，在受熱時(shí)和鍋爐本體一起向下膨脹。二、國內(nèi)CFB鍋爐開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀我國最早開始循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是在八十年代初。與國外稍有不同的是，國外促使循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的主要因素是其有利于環(huán)境保護(hù)污染排放低的優(yōu)點(diǎn)，而國內(nèi)促使循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的因素主要是其能燃燒劣質(zhì)燃料充分利用能源的優(yōu)點(diǎn)。早期的開發(fā)研制主要由高等院校及科研單位與中小鍋爐制造廠合作，至八十年代末九十年代初，已有一批35t/h、75t/h各種型式的循環(huán)流化

20、床鍋爐先后投入運(yùn)行。我國中小循環(huán)流化床燃燒技術(shù)雖然發(fā)展很快，爐型較多，制造廠分布較廣，但是缺乏基礎(chǔ)研究工作，市場急需的大容量循環(huán)流化床鍋爐開發(fā)力度不足。從應(yīng)用角度看，我國小型循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用較多，大多分布在化工、紡織、熱電等企業(yè)，均沒有加石灰石脫硫，可見其發(fā)展并非環(huán)保因素。由于我國電力生產(chǎn)是以火力發(fā)電為主的國家，煤炭資源分布極為不均衡，又多高硫劣質(zhì)煤，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，能源需求的增加與防治環(huán)境污染的矛盾將日益突出，而傳統(tǒng)的煤粉爐尾氣脫硫投資較高，所以循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)及產(chǎn)品將具有巨大的市場潛力和良好的社會(huì)效益，其廣闊的市場前景促進(jìn)了大型骨干鍋爐制造企業(yè)重視循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展。先后

21、有哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司、東方鍋爐股份有限公司等采取國際合作、技術(shù)引進(jìn)等不同方式為國內(nèi)化工及發(fā)電行業(yè)提供數(shù)臺(tái)220t/h高壓無再熱循環(huán)流化床鍋爐。同時(shí)，國際上的循環(huán)流化床供貨商普遍看好中國市場。至今已有石油、化工、電力等部門從國外購進(jìn)一批的220t/h、410t/h循環(huán)流化床鍋爐。 第二章 CFBB的原理及特點(diǎn)第一節(jié) CFBB的原理一、循環(huán)流化床的工作原理1、流態(tài)化過程流態(tài)化是一個(gè)很重要概念，流態(tài)化是流化床燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)，在具體運(yùn)行實(shí)踐中，在點(diǎn)火初始，物料的流態(tài)化具有重要的意義。當(dāng)流體向上流過顆粒床層時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是變化的。流速較低時(shí)，顆粒靜止不動(dòng)，流體只在顆粒之間的縫隙中通過。當(dāng)流速增加到某

22、一速度后，顆粒不再由布風(fēng)板所支持，而全部由流體的摩擦力所承托。此時(shí)，對(duì)于單個(gè)顆粒來講，它不再依靠與其他鄰近顆粒的接觸而維持它的空間位置，相反地，在失去了以前的機(jī)械支承后，每個(gè)顆?？稍诖矊又凶杂蛇\(yùn)動(dòng)，就整個(gè)床層而言，具有了許多類似流體的性質(zhì)。這種狀態(tài)就被稱為流態(tài)化。顆粒床層從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)化時(shí)的最低速度，稱為臨界流化速度。流化床類似流體的性質(zhì)主要有以下幾點(diǎn)：?在任一高度的靜壓近似于在此高度以上單位床截面內(nèi)固體顆粒的重量；?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；?床內(nèi)固體顆粒可以像流體一樣從底部或側(cè)面的孔口中排出；?密度高于床層表觀密度的物體在床內(nèi)會(huì)下沉，密度小的物

23、體會(huì)浮在床面上；?床內(nèi)顆?；旌狭己?，因此，當(dāng)加熱床層時(shí)，整個(gè)床層的溫度基本均勻。2、循環(huán)流化床的一些基本術(shù)語：為了便于對(duì)下面具體介紹循環(huán)流化床原理的理解，先簡要介紹一些常用的基本名詞術(shù)語。還有一些重要的名詞術(shù)語，為了理解方便，將在具體用到時(shí)再用到時(shí)再作解釋：空塔速度：也稱空塔流化速度、表觀速度、空床速度。其定義為單位截面空氣的名義流速。即： m/S，式中，A為床層截面面積，m2；Q為總風(fēng)量，m3/s。由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)床內(nèi)具有一定量的固體顆粒，且各個(gè)區(qū)域固體顆粒濃度各不相同，它們會(huì)占去部分的空氣流通面積。因此，空氣的實(shí)際流通面積小于床面積A且隨時(shí)發(fā)生變化，空塔速度也小于氣流穿過的實(shí)際速度。但是，引

24、入這一假想的速度，對(duì)于定量表征床內(nèi)流動(dòng)的強(qiáng)弱，對(duì)于不同流化床流態(tài)的比較，仍然是非常方便和有效的。可以說空塔速度是流化床的特征速度。下文中沒有特別說明的氣流速度、流化風(fēng)速等，均指空塔速度?？障堵蚀矊痈堵时硎敬矊訂挝惑w積中氣相所占的體積份額，則（1-）表示固相所占的體積份額，即： 其中Vb表示床層體積，m3；VS表示在Vb內(nèi)固體顆粒所占的體積，m3。容易推得： 其中s為顆粒真實(shí)比重，kg/m3；sp為床層密度，kg/m3。循環(huán)倍率定義為單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)流化床循環(huán)物料量與入爐煤量的比值，即： 其中：G表示循環(huán)物料的質(zhì)量流率，kg/s；B表示給煤的質(zhì)量流率，kg/s.由于給煤量B是與鍋爐容量成正比的，

25、因此循環(huán)倍率表示了循環(huán)流化床中循環(huán)物料量的相對(duì)大小，k值越大，表示物褚在單位時(shí)間內(nèi)在床內(nèi)的循環(huán)次數(shù)越多。煤粒的燃盡與循環(huán)們率有關(guān)，k值越大，越有利于煤的燃盡。但當(dāng)K值增加到一定程度后，對(duì)改善煤的燃盡就沒有什么顯著作用了。相反，過高的循環(huán)倍率要求更高的風(fēng)機(jī)電耗，并帶來更大的磨損。因此，近年來，各種爐型的高溫分離循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)倍率紛紛從早期的6070（甚至更高）降至目前的3035左右，中溫分離爐型的循環(huán)倍率還要低，大約為1520左右。循環(huán)倍率與流化風(fēng)速直接相關(guān)，目前循環(huán)流化床的流化風(fēng)速一般在46m/s范圍內(nèi)。斷面固體流率G定義為單位時(shí)間內(nèi)通過單位床層截面的固體物料量，即： kg/(m2 *

26、S)定義為單位時(shí)間內(nèi)通過單位床層截面的固體物料量，即： kg/(m2 * S)其中G為固體物料質(zhì)量流率，kg/s；A為床層截面積，m2固氣比M定義為通過單位床截面的固體質(zhì)量流率與氣體質(zhì)量流率之比，即： 其中 為斷面固體流率， ； 為氣體密度， ； 為氣體流速， 容易有： 式中，G為固體顆粒質(zhì)量流率， ， 為氣體質(zhì)量流率， 沉降速度在研究顆料攜帶及顆粒分離的工作中，通常將最主要的幾個(gè)影響因素，如顆粒粒徑、密度和流體物性，綜合起來用沉降速度表示。顆粒在靜止空氣中以初速為零自由下落，當(dāng)下落速度增至某一數(shù)值時(shí)，顆粒受到的阻力、重力和浮力之間將出現(xiàn)平衡，顆粒則以勻速向下運(yùn)動(dòng)，這一臨界速度稱為沉降速度。若

27、液體在垂直管中向上流動(dòng)，顆粒自由落下，當(dāng)流速增至某一值時(shí)，顆粒挑起呈懸浮狀態(tài)，流速再增大，顆粒即被帶出，這一速度稱為帶出速度。僅當(dāng)管徑遠(yuǎn)大于粒徑時(shí)，帶郵速度與沉降速度數(shù)值相等。分離高度（TDH）懸浮段中的顆粒并非全部由沉降速度或帶出速度的顆粒組成，實(shí)際上還存在著粒徑大到其ut 遠(yuǎn)超過u的顆粒。由鼓泡床顆粒攜帶現(xiàn)象可知，氣泡上升時(shí)床層局部氣速較高。氣泡在界面爆裂時(shí)將顆粒拋向自由空間，取決于這些顆粒的沉降速度、在界面將被輸送到所獲得的初速度及流化速度，顆粒將被輸送到不同的高度。其中：ut>u的大顆粒在向上運(yùn)動(dòng)中逐漸減速，最后折回到床內(nèi)；ut<u的小顆粒則被氣流攜帶向上運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到氣力

28、輸送時(shí)的飽和攜帶狀態(tài)。因而，床界面上的顆粒濃度挑起隨高度而下降，達(dá)到某一高度后，床中只存在ut<u的小顆粒，這段允許大顆粒從氣流中得到分離的高度稱為分離高度TDH（F）。當(dāng)達(dá)到顆粒濃度不再下降時(shí)的高度則定義為輸送分離高度TDH（C）攜帶與揚(yáng)析攜帶與揚(yáng)析是兩個(gè)不同的概念，應(yīng)用的場合也不同。攜帶一般是指單一顆粒或多組分系統(tǒng)中氣體從床層中帶出顆粒的現(xiàn)象；揚(yáng)析表示從混合物中分離和帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象。在TDH以下的自由空間中，由于大量不能被帶走的顆粒也被拋到自由空間，因而顆粒攜帶與揚(yáng)析是同時(shí)發(fā)生的，但此時(shí)的攜帶量大于揚(yáng)析量。在TDH以上，只存在細(xì)顆粒的揚(yáng)析或攜帶，二者相同。所以，以可以說，TDH以下

29、是攜帶所研究的范圍，揚(yáng)析僅僅在TDH以上才有意義。另外，揚(yáng)析只與氣力輸送時(shí)的飽和攜帶能力有關(guān)，而與床內(nèi)流體動(dòng)力狀況無關(guān)。攜帶則依賴于流化床的性質(zhì)。如在流化速度幾乎超過床層中所有顆粒的沉降速度的情況下，似乎全部顆粒將被瞬間攜帶出去，但由于氣流中的大部分作為幾乎不含顆粒的氣泡流過床層，而床層中的大部分顆粒則懸浮在速度很低的乳化相中，所以顆粒只是陸續(xù)地被氣泡帶出床層?？梢姡瑪y帶遠(yuǎn)比揚(yáng)析復(fù)雜得多。至今，大多數(shù)有關(guān)攜帶的研究是針對(duì)TDH以上的揚(yáng)析，或針對(duì)某一特定裝置，而涉及TDH以下的攜帶規(guī)律的研究結(jié)果則寥寥無幾。3、循環(huán)流化床的原理及特點(diǎn)在氣流以不同速度通過固體顆粒床層時(shí)，固體顆粒床層會(huì)呈現(xiàn)不同的流動(dòng)

30、狀態(tài)。隨著氣流速度的增加，固體顆粒分別呈現(xiàn)固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和氣力輸送狀態(tài)。循環(huán)流化床的上升段通常運(yùn)行在快速流化床狀態(tài)下。快速流化流體動(dòng)力特性的形成對(duì)循環(huán)流化床是至關(guān)重要的，此時(shí)，固體物料被速度大于單顆物料的終端速度的氣流所流化，以顆粒團(tuán)的形式上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高度的返混。顆粒團(tuán)向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且不斷形成和解體。在這種流體狀態(tài)下，氣流還可攜帶一定數(shù)量的大顆粒，盡管其終端速度遠(yuǎn)大于截面平均氣速。這種氣固運(yùn)動(dòng)方式中，存在較大的氣固兩相速度差，即相對(duì)速度，循環(huán)流化床由快速流化床（上升段），氣固物料分離裝置和固體物料回送裝置組成。循環(huán)流化床的特點(diǎn)可歸納如下：?不再有鼓泡流化床那樣清

31、晰的界面，固體顆粒充滿整個(gè)上升段空間；?有強(qiáng)烈的物料返混，顆粒團(tuán)不斷形成和解體，并且向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；?顆粒與氣體之間的相對(duì)速度大，且與床層空隙率和顆粒循環(huán)流量有關(guān)；?運(yùn)行流化速度為鼓泡床的23倍；?床層壓降隨流化速度和顆粒的質(zhì)量流量而變化；?顆粒橫向混合良好；?強(qiáng)烈的顆粒返混，顆粒的外部循環(huán)和良好的橫向混合，使得整個(gè) 升段內(nèi)溫度分布均勻；?通過改變上升段內(nèi)的存料量，固體物料在床內(nèi)的停留時(shí)間可在幾分鐘到數(shù)小時(shí)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；?流化氣體的整體性狀呈塞狀流；?流化氣體根據(jù)需要可在反應(yīng)器的不同高度加入。二、循環(huán)流化床鍋爐工作原理循環(huán)流化床鍋爐是一種新型的燃用固體燃料（如煤）的鍋爐。固體顆粒（燃料、石灰石、

32、砂粒、爐渣等）在爐膛內(nèi)以一種特殊的氣固流動(dòng)方式（流態(tài)化）運(yùn)動(dòng)，離開爐膛的顆粒又被分離并送回爐膛循環(huán)燃燒。爐膛內(nèi)固體顆粒的濃度高，燃燒、傳質(zhì)、傳熱劇烈，溫度分布均勻。（圖2-2）是循環(huán)流化床鍋爐原理示意圖。一次風(fēng)（流化風(fēng)）經(jīng)過風(fēng)室由爐膛底部穿過孔的底板（布風(fēng)板）送入爐膛，爐膛內(nèi)是一些粒度為06mm（甚至更大）的固體顆粒（燃料、石灰石、砂粒等），它們被流化風(fēng)流化呈流體的特性并充滿整個(gè)爐膛；較細(xì)的顆粒被氣流夾帶飛出爐膛并由旋風(fēng)分離器（也可以是其它分離器）分離收集，并通過分離器下面的料腿與返料器送回爐膛循環(huán)燃燒；煙氣和不被分離器捕集的細(xì)顆粒排入尾部煙道，尾部煙道和除塵等與常規(guī)煤粉爐相似。與其它煤燃燒方

33、式相比，循環(huán)流化床鍋爐特有的部件主要有布風(fēng)板、分離器、返料器以及外置熱交換器等，下面分別作一簡要介紹。布風(fēng)板位于爐膛底部，將風(fēng)室與爐膛隔開，它一方面保證一次風(fēng)穿過布風(fēng)板進(jìn)入爐膛對(duì)顆粒均勻流化，另一方面將固體顆粒限制在爐膛布風(fēng)板上，并對(duì)固體顆粒（床料）起支撐作用。圖2-3是典型的布風(fēng)板結(jié)構(gòu)圖。布風(fēng)板基本結(jié)構(gòu)為一平板上分布許多 風(fēng)帽 ，風(fēng)帽上開有許多小孔?？諝庥娠L(fēng)室經(jīng)風(fēng)帽小孔進(jìn)入爐膛，同時(shí)特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)帽小孔保證顆粒不會(huì)由爐膛內(nèi)回流進(jìn)入風(fēng)室。布風(fēng)板設(shè)計(jì)的好壞直接影響床內(nèi)顆粒的流化情況，它應(yīng)保證整個(gè)床面布風(fēng)均勻，有效防止顆?；亓鞑⑶矣幸欢ǖ膹?qiáng)度以支撐固體物料。根據(jù)上述原則，實(shí)際采用的風(fēng)帽還有許多種形式

34、，如豬尾巴型（四川內(nèi)江）、鐘罩型（我廠）等，但它們的功能都是相同的。分離器是循環(huán)流化床鍋爐的另一關(guān)鍵部件，而最典型應(yīng)用最廣性能也最可靠的是旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)分離器使含灰氣流在筒內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)，固體顆粒由于慣性大，逐漸貼近壁面并向下呈螺旋運(yùn)動(dòng)，被分離下來；空氣和無法分離下來的細(xì)小顆粒由中心筒排出。旋風(fēng)分離器性能的好壞直接影響循環(huán)流化床的燃燒與脫硫效率，好的旋風(fēng)分離器，其分離效率在99%以上。根據(jù)旋風(fēng)分離器工作溫度，可以將循環(huán)流化床鍋爐分為高溫分離型（800900左右）和中溫分離型（400600左右）；根據(jù)冷卻方式，旋風(fēng)分離器又有水冷、汽冷以及砌耐火襯里等多種型式。除了旋風(fēng)分離器以外，還有許多其它形式的

35、分離裝置，如U型槽、百頁窗等，它們主要是利用慣性進(jìn)行分離。與旋風(fēng)分離器相比，這些分離器一般結(jié)構(gòu)簡單，布置容易，但分離效率較低。返料器也稱作回料（控制）器、回料閥等，是將分離器分離下來的固體顆粒送回爐膛的裝置。返料器的具體結(jié)構(gòu)形式有許多種，如L型、U型、N型等，但最典型目前應(yīng)用最廣的是U型返料器（U閥），其具體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。返料器相當(dāng)于一小型鼓泡流化床，固體顆粒由料腿（立管）進(jìn)入返料器，返料風(fēng)將固體顆粒流化并經(jīng)返料斜管溢流進(jìn)入爐膛，由分離器分離下來的固體顆粒不斷補(bǔ)充，這就構(gòu)成了固體顆粒的循環(huán)回路。有些循環(huán)流化床鍋爐帶有外置熱交換器，它是從返料器中將一部分循環(huán)顆粒分流進(jìn)入一內(nèi)置受熱面的低速流

36、化床中，冷卻后的循環(huán)顆粒再送回爐膛。外置換熱器主要用于控制床溫，但它并非循環(huán)流化床的必備部件。Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐和Ahlstrom型循環(huán)流化床鍋爐的主要區(qū)別就在于Lurgi型帶有外置熱交換器，而Ahlstrom則沒有，其床溫的控制通過調(diào)節(jié)給煤與供風(fēng)以控制床內(nèi)燃燒和顆粒濃度來實(shí)現(xiàn)。其它部件，如用于排放大顆粒底渣的循環(huán)流化床底渣排放系統(tǒng)（包括冷渣器）、煤與石灰石制備系統(tǒng)等，都與常規(guī)煤粉爐有很大區(qū)別。此外，由于循環(huán)流化床煙風(fēng)阻力增大，所需風(fēng)機(jī)的壓頭也比常規(guī)煤粉爐高很多。這些，在循環(huán)流化床大型化過程中，都需要進(jìn)行認(rèn)真的研究。第二節(jié) CFBB的特點(diǎn)由前面循環(huán)流化床鍋爐工作原理可知，循環(huán)流化床鍋爐

37、可分為兩部分。第一部分由爐膛（快速流化床），氣固物料分離設(shè)備，固體物料再循環(huán)設(shè)備和外置熱交換器（有些循環(huán)流化床鍋爐沒有該設(shè)備）等組成，上述部件形成了一個(gè)固體物料循環(huán)回路。第二部分為對(duì)流煙道，布置有過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，與常規(guī)爐相似。見前面圖2-1知，燃燒所需的一次風(fēng)和二次風(fēng)分別從爐膛的底部和側(cè)墻送入，燃料的燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置有水冷管，用于吸收燃燒所產(chǎn)生的部分熱量。由氣流帶出爐膛的固體物料在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛。一、循環(huán)流化床燃燒鍋爐的基本特點(diǎn)可概括如下：1、低溫動(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

38、固體顆粒密切接觸，并且有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程，同時(shí)，在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集，并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過程，反復(fù)循環(huán)地組織燃燒。顯然，燃料在爐膛內(nèi)燃燒的時(shí)間延長了。在這種燃燒方式下，爐內(nèi)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(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的種種煩惱。這種 低溫燃燒 方式好處甚多，爐內(nèi)結(jié)渣及堿金屬析出均比煤粉爐中要改善很多，對(duì)灰特性的敏感性減低，也無需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(jià)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

39、區(qū)（或過渡區(qū)）內(nèi)。由于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)相對(duì)來說溫度不高，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)9899%以上。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2-1中可看出，循環(huán)流化床鍋爐的固體物料（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(shí)在前面介紹快速流態(tài)化的特點(diǎn)時(shí)，我們也介紹了爐膛內(nèi)固體物料的內(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

40、燒過程以及脫硫過程都是在這兩種形式的循環(huán)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)態(tài)過程中逐步完成的。3、高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈湍流下通過爐膛，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(dòng)量傳遞過程是十分強(qiáng)烈的，這就使整個(gè)爐膛高度的溫度分布均勻。二、環(huán)流化床鍋爐具有許多不替代的優(yōu)點(diǎn)除以上主要特點(diǎn)外,同其它燃燒方式相比循環(huán)流化床鍋爐具有許多不替代的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，由于循環(huán)流化床采用低溫燃燒（850900），因此可以比較容易地控制NOx的排放，方便高效地脫硫，爐內(nèi)不存在結(jié)渣問題，如果燃燒組

41、織好的話，灰渣可以綜合利用等。其次，循環(huán)流化床鍋爐能穩(wěn)定燃燒多種劣質(zhì)燃料，燃料適應(yīng)性廣，除煙煤外，還可燃用無煙煤、劣質(zhì)煙煤、褐煤、石煤以至矸石等固體燃料，并且可以達(dá)到較高燃燒效率。與第一代流化床（鼓泡床）燃燒鍋爐相比，循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率高，脫硫效率高，給煤容易，傳熱系數(shù)高，便于大型化，磨損問題也易于解決。 第三章 CFBB的流體動(dòng)力特性我們知道，循環(huán)流化床是在流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用在燃燒技術(shù)后，在鼓泡床燃燒上發(fā)展而來的，為了更好的了解循環(huán)流化床鍋爐的空氣動(dòng)力學(xué)特性，我們將從流態(tài)化原理及流態(tài)化的各種流型入手，對(duì)其進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上，討論循環(huán)流化床所對(duì)應(yīng)的流型。第一節(jié) 流態(tài)化原理在第二章中，我們對(duì)流

42、態(tài)化過程已有所了解，但具體到單顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)特性并沒涉及到，在此我們將就這一問題作一淺析。由物理力學(xué)知道，當(dāng)一粒在無限靜止的氣體介質(zhì)中在重力作用下作自由落體運(yùn)動(dòng)的固體顆粒,將受重力、浮力與氣流曳力的作用。在速度較低時(shí)，由于重力作用大于浮力與曳力的阻礙作用，顆粒將不斷加速下落。隨速度的增加，曳力作用增強(qiáng)，當(dāng)顆粒被加速到某一速度時(shí)，此時(shí)作用在顆粒上的重力、浮力與曳力之和為零，也即顆粒受力處于平衡狀態(tài)，則此時(shí)加速度為零，顆粒以該速度勻速運(yùn)動(dòng)，這一速度就叫做顆粒的終端（沉降）速度。由相對(duì)運(yùn)動(dòng)容易知道，當(dāng)上行氣流吹過靜止顆粒時(shí)，顆粒與氣流之間的相對(duì)速度將逐漸增加并達(dá)到終端速度，此后顆粒將隨氣體一起向

43、上運(yùn)動(dòng)，但氣固之間相對(duì)速度保持為終端沉降速度。終端速度與顆粒和氣流的特性（速度、粒度、密度、粘度）有關(guān)。如圖3-1。在這里對(duì)這一概念中氣流的曳力作一淺析，僅代表個(gè)人觀點(diǎn)。一般我們對(duì)浮力比較容易理解，氣流曳力較少見到這一提法。我們認(rèn)為該處氣流曳力即指氣流對(duì)顆粒的摩擦力，假想一顆粒模型，當(dāng)它處于氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮力承托著它，對(duì)它是一種垂直向上的作用力。由于顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒與氣流相對(duì)速度的存在而產(chǎn)生沿顆粒表面切向的顆粒與氣流間的摩擦力，此摩擦力即為氣流曳力，見圖3-1，圖中氣流對(duì)顆粒側(cè)表面的摩擦力就是氣流的曳力。第二節(jié) 流態(tài)化的各種狀態(tài)在一個(gè)裝有一定量固體顆粒的容器內(nèi)（爐膛），底部是開有許多小

44、孔的底板（布風(fēng)板），顆粒靜止在布風(fēng)板上，當(dāng)氣流從布風(fēng)板逐漸由小到大給入時(shí)，最初固體顆粒不發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)。氣流穿過顆?？紫稌r(shí)，將產(chǎn)生一定的壓力損失，它隨氣流速度的增加而增加。此種狀態(tài)下，明顯標(biāo)志是理論上固體顆粒不發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)，這種床層稱為固定床。固定床是所有流態(tài)化在形成之前必經(jīng)一初始階段，在固定床的基礎(chǔ)上隨氣流速度增加，床將會(huì)呈現(xiàn)出不同的流態(tài)。一、初始流態(tài)化隨氣流速度的增加，氣流壓力損失不斷上升，直到氣流速度達(dá)到一個(gè)臨界值-最小流化速度Umf時(shí)，顆粒的狀態(tài)發(fā)生了質(zhì)的變化，流態(tài)化出現(xiàn)。這時(shí)，可以觀察到，固體顆粒層體積發(fā)生膨脹，被氣流懸浮起來，并上下翻騰運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣固兩相混合物呈流體的性質(zhì)。初始流態(tài)化

45、時(shí)，固體顆粒的總重量與作用在這些顆粒上的曳力和浮力之和相等，床層壓降等于床層重量，實(shí)質(zhì)上從力學(xué)平衡來看，此時(shí)如以床層作為受力分析對(duì)像，整個(gè)床層處于力的平衡狀態(tài)。初始流態(tài)化速度Umf不僅是床層由固定床向流化床轉(zhuǎn)變的標(biāo)志性參數(shù)，而且對(duì)實(shí)際運(yùn)行也有意義。在實(shí)際運(yùn)行中，必順保證流化風(fēng)速在Umf以上，否則就會(huì)因床層不流化而結(jié)焦。二、鼓泡流化床流化風(fēng)速繼續(xù)上升，床內(nèi)將出現(xiàn)越來越多的氣泡，氣泡不斷上升、合并、破裂，對(duì)床層產(chǎn)生攪動(dòng)，其現(xiàn)象恰似水的沸騰，因此將其稱為鼓泡床（或沸騰床）。此時(shí)，可以將床層分為兩相：?乳化相，由顆粒與氣體均勻混合組成，該相中空隙率大致與初始流化時(shí)的空隙率相等；?氣泡相，由許多上升的氣

46、泡組成，不含固體顆粒，但其運(yùn)動(dòng)將對(duì)固體顆粒產(chǎn)生影響。床層流化后床層壓降保持恒定，且與流化床顆粒的重量大致相行。這種狀況在整個(gè)鼓泡流化床及湍流床狀態(tài)下都將維持不變。如圖3-3所示。與此對(duì)應(yīng)，床層密度隨流化風(fēng)速的變化（如圖3-4所示），以上圖3-3、3-4不僅給出了鼓泡床流化區(qū)域的情況，還表示出了整個(gè)流態(tài)化區(qū)域流態(tài)化的變化情況。鼓泡床內(nèi)的氣泡隨著流化速度的增加，數(shù)量與大小都會(huì)增加。三、節(jié)涌床徑很小且床層較深時(shí)，隨氣流速度的進(jìn)一步增大，氣泡的聚合長大的過程大大增強(qiáng)，氣泡甚至?xí)龃蟮秸紦?jù)整個(gè)床截面，將固體顆粒一節(jié)節(jié)地向上栓塞式地推動(dòng)，直到某一位置崩潰為止，這種現(xiàn)象也有稱為騰涌的。節(jié)涌不僅使氣固接觸不良

47、，而且使器壁磨損加劇，同時(shí)引起振動(dòng)，是一種不正常的流化現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。對(duì)于大尺寸的流化床鍋爐，在爐膛中這種現(xiàn)象一般很難發(fā)生。但在返料器料腿中，由于其床徑小，當(dāng)料層較深時(shí)，仍有可能出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象。四、湍流床隨氣速的增加，氣泡被打散，消失，整個(gè)床層重新成為一均勻相，顆粒的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，呈湍流狀，因此稱為湍流床。與鼓泡床相比，顆料的夾帶隨氣速的增加而逐漸增加，湍流床的床層表面更加模糊，但仍可清楚地觀察到由于鼓泡床和湍流床的這一特性，有時(shí)將它們一起統(tǒng)稱為濃相床。當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加到超過顆粒終端速度后，床內(nèi)的流動(dòng)過渡到下一流態(tài)。五、氣力輸送與快速床氣力輸送速度是指由氣力將固體顆粒夾帶走的速度。對(duì)于大顆粒

48、來說，其氣力輸送速度等于終端沉降速度，但由于顆粒團(tuán)現(xiàn)象的存在，對(duì)于細(xì)顆粒群，其輸送速度會(huì)遠(yuǎn)高于其終端沉降速度。所謂快速床，就是指在濃相小顆粒情況下，顆粒尚未達(dá)到氣力輸送，但氣固滑移速度遠(yuǎn)大于顆粒終端沉降速度的情況。這里提到的氣固滑移速度是指氣流與固體顆粒的相對(duì)速度，對(duì)于單顆粒，其達(dá)到輸送時(shí)的氣固滑移速度，即為其終端沉降速度。一般認(rèn)為快速床是循環(huán)流化床的主要特征?？焖俅驳某霈F(xiàn)與床層密度有密切的關(guān)系，床層密度又決定于氣流速度與固體顆粒的截面質(zhì)量流率Gs。在顆粒截面質(zhì)量流率較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)稀相氣力輸送，此時(shí)氣固滑移速度接近于顆粒終端沉降速度。當(dāng)顆粒流率增大時(shí)，氣固滑移速度增大，超過顆粒終端沉降速度，快

49、速床出現(xiàn)。因此，決定快速床出現(xiàn)的條件，除了氣流速度外，顆粒截面質(zhì)量流率Gs也是關(guān)鍵。下面我們借助于圖3-5來敘述快速床的形成機(jī)理。圖（a）表示氣力輸送狀態(tài)，此時(shí)顆粒濃度很低，顆粒均勻地彌散在氣流中，每一顆粒獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，氣固之間的相對(duì)速度（接近終端沉降速度）將在每個(gè)顆粒上部形成一個(gè)尾跡。增加顆粒濃度到某一水平時(shí)，固體顆粒相互很容易接觸，一個(gè)顆粒會(huì)很容易進(jìn)入另一顆粒的尾跡，此時(shí)作用在第一個(gè)顆粒上的氣流阻力會(huì)下降，在重力作用下這個(gè)顆粒會(huì)下落到尾隨的顆粒上，見圖3-5(b)。這一對(duì)新形成的顆粒由于總的有效表面積降低，流體的曳力將小于兩顆粒的重力之和，顆粒會(huì)進(jìn)一步下降與其它顆粒碰撞，顆粒數(shù)不斷增加形成絮狀

50、的顆粒團(tuán)。這就引起氣固滑移速度的上升。不過顆粒團(tuán)的生成不是無限的。因其結(jié)合力有限，會(huì)被連續(xù)不斷上升的氣流撕裂，從而使顆粒團(tuán)連續(xù)地形成，離析。因此，顆粒成團(tuán)后阻力下降為快速床的形成提供了驅(qū)動(dòng)力，而高顆粒濃度為其提供了機(jī)會(huì)與條件。在快速床中，其徑向的顆粒分布出現(xiàn)不均勻，在流動(dòng)核心區(qū)（中心區(qū)）、顆粒濃度低，顆粒團(tuán)聚較少，氣流帶著顆粒向上運(yùn)動(dòng)；在四周近壁區(qū)，顆粒濃度高，它們組成顆粒團(tuán)向下回流，形成顆粒內(nèi)循環(huán)。在快速床運(yùn)行狀態(tài)下，可以得到最佳的能量交換（傳熱與傳質(zhì)），這也是循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于鼓泡床鍋爐的原因，這一特性使循環(huán)流化床大型化時(shí)受熱面容易布置。圖3-6非常清楚地表明了隨床層空隙率

51、的變化，氣固滑移速度的變化情況，圖中顯示了快速床階段，顆粒截面流率對(duì)氣固滑移速度的影響。圖中還標(biāo)出了各種流化床流動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)的區(qū)間以及三種具體的鍋爐型式，即鼓泡（流化）床鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐及煤粉爐大致的運(yùn)行區(qū)間。第三節(jié) 循環(huán)流化床的流態(tài)在循環(huán)流化床鍋爐中，由于所流化的顆粒為寬篩分的固體顆粒，并且在鍋爐的不同部分氣流速度，固體顆粒的濃度，粒度均不相同，困此對(duì)應(yīng)于循環(huán)流化床鍋爐的不同部分有不同的流態(tài)：爐膛下部（二次風(fēng)口以下）湍流床或鼓泡床爐膛上部（二次風(fēng)口以上）快速床旋風(fēng)分離器旋渦流動(dòng)返料立管（料腿）移動(dòng)床返料器與外置熱交換器（如果有）鼓泡床尾部煙道氣力輸送因此，談循環(huán)流化床時(shí)，更側(cè)重于指一種帶顆

52、粒循環(huán)燃燒的流化床裝置，而不太注重爐內(nèi)具體所處的流態(tài)。上述循環(huán)流化床各個(gè)位置的流態(tài)表，也只是目前循環(huán)流化床鍋爐通常運(yùn)行的狀態(tài)，它并不是絕對(duì)的，根據(jù)具體的運(yùn)行情況有些位置的流態(tài)可能發(fā)生變化。比如，當(dāng)氣流速度下降（如鍋爐負(fù)荷降低）時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐也會(huì)運(yùn)行在鼓泡床鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)下，即此時(shí)的循環(huán)床鍋爐相當(dāng)于帶有分離器的鼓泡床鍋爐。同樣，鼓泡流化床鍋爐也是指其爐膛主要?dú)夤塘鲬B(tài)為鼓泡床流態(tài)，將流態(tài)與鍋爐爐型區(qū)分開來，對(duì)于循環(huán)流化床氣固動(dòng)力學(xué)特性的理解是非常重要的。 第四章 循環(huán)流化床的傳熱與傳質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐中的傳熱可以分為爐膛內(nèi)氣固兩相物料與受熱面(如水冷壁、屏式受熱面等)的傳熱，以及對(duì)流煙道中煙氣與

53、受熱面的傳熱。循環(huán)流化床爐內(nèi)的傳熱過程又涉及固體顆粒與固體顆粒，氣體與顆粒之間，氣體與受熱面之間以及固體顆粒與受熱面之間的熱交換等換熱過程。作為運(yùn)行應(yīng)用的我們最關(guān)心的是循環(huán)流化床熱介質(zhì)與水冷壁及過熱器等之間的傳熱。第一節(jié) 傳熱機(jī)理簡介正如在上一章流動(dòng)特性中講到的，在較高氣速的作用下，循環(huán)流化床床內(nèi)物料在運(yùn)動(dòng)中聚合成許多絮狀顆粒團(tuán)，它們時(shí)而變形，時(shí)而分解，時(shí)而重新組合，同時(shí)，還有許多分散的固體顆粒存在。在快速床運(yùn)行中，爐膛中心核心區(qū)是向上快速流動(dòng)的低顆粒濃度的兩相流體，而周圍四壁是高濃度固體顆粒緩慢下流的近壁區(qū)，這些流動(dòng)特性對(duì)傳熱均產(chǎn)生很大的影響。循環(huán)流化床床內(nèi)受熱面由一層氣膜覆蓋，受熱面直接與

54、氣膜進(jìn)行熱交換，同時(shí)，顆粒通過與氣膜接觸，其熱量以傳導(dǎo)和輻射兩種方式傳給受熱面；與此同時(shí)，被氣膜隔開的顆粒團(tuán)與受熱面進(jìn)行著輻射換熱。因此，將循環(huán)流化床床內(nèi)熱介質(zhì)與受熱面的傳熱系數(shù)h分解為三部分：顆粒團(tuán)對(duì)流換熱系數(shù)hpc、氣相對(duì)流換熱系數(shù)hgc、以及輻射換熱系數(shù)hr、即:h= hpc+hgc+hr在三個(gè)分量中，顆粒團(tuán)對(duì)流放熱系數(shù)hpc是主要部分，其值主要取決于床內(nèi)懸浮顆粒的濃度（床層密度）和顆粒濃度；氣相對(duì)流換熱系數(shù)hgc遠(yuǎn)小于顆粒團(tuán)對(duì)流換熱系數(shù)hpc，因此常常被處理成單純氣體以空塔速度流過受熱面時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)；以及輻射換熱系數(shù)hr依然服從四次方定律。由于利用公式計(jì)算換熱系數(shù)困難且精度很差，通

55、常對(duì)傳熱系數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)公式作為定值來處理。分別對(duì)密相區(qū)和稀相區(qū)給定兩個(gè)傳熱系數(shù)，并規(guī)定密相區(qū)高度為二次風(fēng)噴口以下布風(fēng)板以上的高度。在循環(huán)流化床通常的運(yùn)行工況下，床內(nèi)平均放熱系數(shù)大約在110170w/（m2/?k）范圍內(nèi)，懸掛在稀相區(qū)的屏式受熱面，由于顆粒濃度較低，床溫也略低，其放熱系數(shù)大約在90110w/(m2/?k)左右。第二節(jié) 影響傳熱的主要因素一、床層密度（床層物料濃度） 在快速床中，壁面上懸浮物濃度對(duì)于床層與壁面之間的換熱影響是最重要的，而壁面上懸浮物濃度與整個(gè)床截面的床層密度成正比。因此隨著床層密度的增加，傳熱系數(shù)增大，在循環(huán)流化床密相區(qū)，由于顆粒濃度高，因此其總的傳熱系數(shù)也比稀相區(qū)高

56、很多，粒子濃度隨著床高而變化，在循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行中，可通過調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的比例來控制床內(nèi)沿床高方向的顆粒濃度分布，進(jìn)而達(dá)到控制溫度分布和傳熱系數(shù)以及負(fù)荷調(diào)節(jié)的目的。二、流化速度流化風(fēng)速對(duì)傳熱系數(shù)的影響，在快速床中主要通過對(duì)床層密度影響從而產(chǎn)生間接影響。比如在保持循環(huán)倍率一定時(shí)，隨著流化風(fēng)速的增加，床層密度下降，會(huì)引起傳熱系數(shù)下降，在保持床層密度一定時(shí)，不同的流化速度下，傳熱系數(shù)的變化很小。 流化速度對(duì)傳熱沒有明顯的直接影響：這是因?yàn)槿舯３止腆w顆粒的循環(huán)量不變，當(dāng)流化速度增加時(shí)，床內(nèi)的顆粒濃度就會(huì)減小，從而造成傳熱系數(shù)的下降。而與此同時(shí)，由于流化速度的增加又會(huì)引起傳熱系數(shù)的上升，這兩個(gè)相反趨

57、勢的共同作用使得當(dāng)床層粒子濃度一定時(shí)傳熱系數(shù)在不同流動(dòng)速度下變化很小。三、平均粒徑由于小顆粒具有較大的比表面積，因此在同樣的床層密度條件下，小顆粒與受熱面的接觸面積與頻率都高于大顆粒。因此隨顆粒平均粒徑的增加傳熱系數(shù)下降。四、床溫床溫的增加一方面使顆粒團(tuán)與受熱面的輻射換熱增強(qiáng)；另一方面溫度升高導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)升高，因此循環(huán)流化床傳熱系數(shù)隨床溫的升高而上升。五、循環(huán)倍率在床層密度不變的情況下，不同的循環(huán)倍率意味著不同的顆粒運(yùn)行速度。研究表明，當(dāng)循環(huán)倍率增加100時(shí)，傳熱系數(shù)的增加只有10。因此，顆粒循環(huán)倍率對(duì)循環(huán)床傳熱性能的影響是不明顯的。；第三節(jié) 流化床內(nèi)顆粒與流體的傳質(zhì)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的轉(zhuǎn)移過程稱為傳質(zhì)，亦稱質(zhì)量傳遞。正如溫度差是熱量傳遞的推動(dòng)力那樣，濃度差是質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力。