第三章循環(huán)流化床鍋爐的燃燒與傳熱

第三章循環(huán)流化床鍋爐的燃燒與傳熱7/15/2023第一節(jié)循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)第二節(jié)循環(huán)流化床鍋爐中煤顆粒的燃燒過(guò)程第三節(jié)循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)域與燃燒份額第四節(jié)影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒的因素第五節(jié)循環(huán)流化床鍋爐的傳熱分析第六節(jié)循環(huán)流化床鍋爐的傳熱研究與計(jì)算第一節(jié)

循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)一、循環(huán)流化床鍋爐的主要特征1.

燃燒過(guò)程=鼓泡流化床（湍流、快速）+氣力輸送2.

燃燒顆粒不斷送回床層循環(huán)燃燒3.

物料和燃料粒徑＜＜d鼓泡床7/15/2023二、循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)，鼓泡流化床燃燒特點(diǎn)

（1）低溫：850℃~950℃→低于DT約100℃~200℃→避免結(jié)渣和破壞燃燒條件強(qiáng)化燃燒：qV、qA高（2）爐內(nèi)溫差較大（沿爐膛高度方向）密相區(qū)：煤粒多，燃燒放熱大，為防止料層溫度過(guò)高而結(jié)焦需敷設(shè)埋管吸熱稀相區(qū)：物料濃度低7/15/2023二、循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)循環(huán)流化床鍋爐燃燒特點(diǎn)（1）燃燒效率比較高氣固相間密切接觸發(fā)生流態(tài)化燃燒反應(yīng)，且有大量顆粒返混絕大部分高溫顆粒送回爐內(nèi)再次參與燃燒，燃料顆粒在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間↑↑R↑→燃燒效率↑——大量未燃盡顆粒的循環(huán)燃燒提高了燃料顆粒的燃盡度鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)整合理7/15/2023二、循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)2.循環(huán)流化床鍋爐燃燒特點(diǎn)（2）燃料適應(yīng)性極好“蓄熱池”有足夠熱量加熱新燃料而不致引起爐內(nèi)溫度大的變化新燃料爐內(nèi)停留時(shí)間遠(yuǎn)大于其燃盡所需時(shí)間（3）煤的清潔燃燒（循環(huán)流化床最主要特點(diǎn)）脫硫——爐內(nèi)加入石灰石粉或其他脫硫劑脫硝——爐膛下部采用欠氧燃燒和二次風(fēng)分段給入燃燒份額分配更合理，爐內(nèi)溫度場(chǎng)更均勻7/15/2023第二節(jié)

煤顆粒的燃燒過(guò)程7/15/2023一、循環(huán)流化床中煤的燃燒過(guò)程（一定寬度篩分固體燃料→燃燒復(fù)雜）

（1）涉及到氣固兩相流體的流動(dòng)、熱量和質(zhì)量的傳遞、化學(xué)反應(yīng)以及若干相關(guān)的物理化學(xué)現(xiàn)象（2）眾多影響因素燃料本身特性：揮發(fā)份含量、反應(yīng)活性、顆粒粒徑分布流化狀態(tài)、氧氣擴(kuò)散條件、溫度

（3）氣固兩相流中燃料顆粒的燃燒燃料顆粒與顆粒、燃料顆粒與床料顆粒形成的“群體”燃燒，與流動(dòng)特性密切相關(guān)（4）煤顆粒燃燒過(guò)程（定性）顆粒被加熱和干燥揮發(fā)份的析出和燃燒煤顆粒膨脹和破裂（一級(jí)破碎）焦炭燃燒和再次破裂（二級(jí)破碎）二、煤顆粒的加熱和干燥

1.

新鮮給煤進(jìn)入床內(nèi)，立即被大量灼熱物料包圍并被迅速加熱到接近床溫→受到加熱、蒸發(fā)水分并被烘干2.

dp↑→加熱速率下→加熱時(shí)間↑7/15/2023三、揮發(fā)份的析出和燃燒1.

V析出過(guò)程煤顆粒因受高溫物料加熱分解并產(chǎn)生大量氣態(tài)可燃物質(zhì)2.

V析出階段第一穩(wěn)定析出階段：500~600℃第二穩(wěn)定析出階段：800~1000℃3.

影響V含量和組成成分的因素

煤種、dp分布、加熱速率、初始T、 最終T及其下的停留t、析出時(shí)的P4.影響V析出時(shí)間的因素 煤質(zhì)、顆粒尺寸、床溫、 煤顆粒加熱時(shí)間7/15/2023四、焦炭的著火與燃盡7/15/20231.定義——揮發(fā)分析出后剩下的固體物質(zhì)2.

燃燒過(guò)程（比較復(fù)雜）O2到達(dá)顆粒表面→在焦炭（多孔顆粒，總面積大）表面與C發(fā)生氧化反應(yīng)→CO2和CO3.

焦炭燃燒工況（1）動(dòng)力控制燃燒受化學(xué)反應(yīng)速率控制（<<O2擴(kuò)散速率）發(fā)生在啟動(dòng)過(guò)程（T低，化學(xué)反應(yīng)速率也低）及細(xì)顆粒燃燒（擴(kuò)散阻力很小）（2）擴(kuò)散控制燃燒受擴(kuò)散速率控制（<<化學(xué)反應(yīng)速率）常見(jiàn)于大顆粒焦炭和高溫（3）動(dòng)力—擴(kuò)散控制燃燒（過(guò)渡控制燃燒）化學(xué)反應(yīng)速率=擴(kuò)散速率常見(jiàn)于鼓泡和中等dp焦炭、細(xì)顆粒（4）循環(huán)流化床內(nèi)焦炭燃燒過(guò)程焦炭顆粒縮小→氣固傳輸速度增加→擴(kuò)散控制→動(dòng)力—控制→動(dòng)力控制炭顆粒周圍發(fā)生的一系列反應(yīng)方程式7/15/2023五、煤顆粒的膨脹、破裂和磨損7/15/20231.

定義（1）膨脹、破裂熱爆性強(qiáng)的煤種，在爐內(nèi)被加熱干燥、析出V的同時(shí)會(huì)發(fā)生，甚至?xí)俅伪眩?）磨損機(jī)械作用，從較大顆粒表煤顆粒在運(yùn)動(dòng)中顆粒間存在相互碰撞摩擦等面撕裂和磨損下來(lái)許多微小

顆粒（3）一級(jí)破碎煤顆粒中析出的V在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生高壓而使顆粒產(chǎn)生破裂（4）二級(jí)破碎（只在V析出后）焦炭處于動(dòng)力控制燃燒或動(dòng)力—擴(kuò)散燃燒工況，焦炭?jī)?nèi)部小孔增加，連接力消弱，若氣動(dòng)力大于連接力，焦炭會(huì)破裂產(chǎn)生碎片顆粒（5）滲透破裂煤顆粒處于動(dòng)力控制燃燒工況，整個(gè)焦炭均勻燃燒，所有內(nèi)部化學(xué)鍵急劇瓦解斷裂，同時(shí)產(chǎn)生破裂五、煤顆粒的膨脹、破裂和磨損2.

煤破裂對(duì)鍋爐性能的影響（1）偏離設(shè)計(jì)工況，影響鍋爐運(yùn)行煤dp分布顯著改變→物料揚(yáng)析夾帶、傳熱、密相區(qū)和稀相區(qū)燃燒份額（2）不完全燃燒熱損失磨損產(chǎn)生的細(xì)小顆粒不易從煙氣中分離（3）利于煤顆粒燃燒燃盡，提高鍋爐效率焦炭顆粒表面“灰殼”去除（磨損作用）（4）有燃燒的磨損（燃燒輔助磨損）3.

影響因素（1）磨損：顆粒表面結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械強(qiáng)度及外部操作條件（2）破裂擠壓力（高溫顆粒群）熱應(yīng)力（大顆粒內(nèi)部T分布不均）壓力波動(dòng)（氣泡和顆粒團(tuán)上升）7/15/2023第三節(jié)

燃燒區(qū)域與燃燒份額7/15/2023一、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)域7/15/20231.

爐膛下部密相區(qū)（二次風(fēng)口以下）特點(diǎn)充滿灼熱物料的大“蓄熱池”，穩(wěn)定的著火源，還原性氣氛燃燒過(guò)程一次風(fēng)將新給入燃料和未燃盡焦炭流化→燃料V析出，煤顆粒部分燃燒運(yùn)行操作負(fù)荷↑→一次風(fēng)/二次風(fēng)↑→輸送較多高溫物料到爐膛上部區(qū)域燃燒，參與熱、質(zhì)交換低負(fù)荷→停二次風(fēng)一、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)域2.

爐膛上部稀相區(qū)（二次風(fēng)口以上）FC和部分V富氧狀態(tài)燃燒燃燒反應(yīng)主要發(fā)生區(qū)域

返混等現(xiàn)象延長(zhǎng)了焦炭顆粒在爐內(nèi)的停留t，利于燃盡燃燒區(qū)域很大7/15/2023一、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)域3.

高溫循環(huán)灰分離器區(qū)

未燃盡顆粒，停留時(shí)間短且

O2濃度低，燃燒份額小

部分CO和揮發(fā)份燃燒，燃燒份額有所增加7/15/2023一、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒區(qū)域7/15/20234.

不同焦炭顆粒的主要燃燒區(qū)域50μm<dp<100μm大部分在稀相區(qū)，少量在分離器?細(xì)顆粒部分分離，部分逃離成為飛灰500μm

<

dp

<1000μm（一、二次破碎的碎片）燃盡?dp>1mm密相區(qū)；稀相區(qū)；夾帶→送回?粗顆粒停留t長(zhǎng)，燃盡度高，爐渣（C低）排出二、循環(huán)流化床鍋爐的燃燒份額7/15/20232.

燃燒份額分布的主要影響因素（1）煤種V含量高，爐膛上部釋熱多；否則在爐膛下部（2）dp和燃料篩分相同u0下，小dp在密相區(qū)燃燒份額小（揚(yáng)析到稀相區(qū)）（3）u0u0↑→同樣dp的煤顆粒在密相區(qū)燃燒份額↓（4）Gh（影響爐內(nèi)熱量分配）R↑→循環(huán)細(xì)顆粒傳熱量和從密相區(qū)帶走的熱量↑，利于熱量平衡；細(xì)顆粒循環(huán)再燃機(jī)會(huì)↑，燃燒效率↑第四節(jié)

影響燃燒的因素7/15/2023一、燃煤特性二、布風(fēng)裝置和流化質(zhì)量三、給煤方式四、床溫五、床體結(jié)構(gòu)和飛灰再燃六、運(yùn)行水平一、燃煤特性7/15/20231.

V含量（1）結(jié)構(gòu)較松軟，V含量較高（煙煤、褐煤、油頁(yè)巖）熱解析出V，煤顆粒成多孔松散結(jié)構(gòu)，O2向顆粒內(nèi)擴(kuò)散和產(chǎn)物向外擴(kuò)散阻力小，燃燒速率較高（2）結(jié)構(gòu)密實(shí)，V含量少（無(wú)煙煤、石煤）熱解時(shí)化學(xué)鍵不易破裂，V不易析出，O2難以向內(nèi)擴(kuò)散，燃燒速率較低（3）V含量少，灰分高，含C量低（劣質(zhì)煤）煤粒表面燃燒后形成一層堅(jiān)硬灰殼，阻礙產(chǎn)物向外和O2向內(nèi)擴(kuò)散，燃盡困難2.

不同燃料的焦炭物理性質(zhì)

（1）“不焦結(jié)”燃料——粉末狀

未燃盡即被帶出爐膛，若分離器效率不高，飛灰含C

量增加，加大機(jī)械不完全燃燒熱損失（2）“弱焦結(jié)性”燃料——松散焦塊（3）“強(qiáng)焦結(jié)性”燃料——堅(jiān)硬焦塊一、燃煤特性7/15/20233.

發(fā)熱量（1）若燃煤發(fā)熱量比設(shè)計(jì)值低得多，會(huì)使密相區(qū)T偏低而影響燃燒（2）對(duì)策：密相區(qū)少布置受熱面4.

灰熔點(diǎn)

（1）危害

煤發(fā)熱量降低、影響著火和燃燒、污染受熱面、影響傳熱、增加磨損

（2）若達(dá)到灰的ST，易結(jié)渣→難以維持正常流化態(tài)，無(wú)法保證有效燃燒，甚會(huì)被迫停爐dp↑→炭粒A↑→燃燒速率↑；延長(zhǎng)燃盡tdp↓→顆粒數(shù)↑→總A↑→燃盡t↓→燃燒速率加快5.

dp（1）對(duì)煤顆粒燃燒（2）對(duì)單位重量燃料（3）提高燃燒效率的措施

降低揚(yáng)析情況下適當(dāng)減少dp，縮小篩分范圍二、布風(fēng)裝置和流化質(zhì)量1.

布風(fēng)裝置（布風(fēng)板、風(fēng)帽及風(fēng)室等）的要求配風(fēng)均勻以消除死區(qū)和粗粒沉積，保證底部流化良好進(jìn)入床層的空氣還要形成氣流，以減小初始?xì)馀葜睆?.

提高燃燒效率有效途徑合理的布風(fēng)結(jié)構(gòu)→減小氣泡尺寸、改善流化質(zhì)量、減少細(xì)顆粒帶出量3.

提高流化質(zhì)量的手段采用小d風(fēng)帽、合理布置風(fēng)帽數(shù)和排列方式，設(shè)計(jì)良好等壓風(fēng)室7/15/2023三、給煤方式1.

燃料加入要求在整個(gè)床面上播撒均勻，防止局部C負(fù)荷過(guò)高造成局部缺氧2.

對(duì)策給煤點(diǎn)分散布置，給煤量不宜集中加入3.

缺點(diǎn)給煤點(diǎn)數(shù)量太多，給煤系統(tǒng)復(fù)雜化，運(yùn)行可靠性降低4.

原因煤熱解，V析出、燃燒→消耗O2

，給煤口附近缺氧→細(xì)顆粒無(wú)法燃燒，隨上升氣流進(jìn)入稀相區(qū)→若無(wú)足夠停留t→飛灰不完全燃燒損失7/15/2023四、床溫1.

特點(diǎn)提高床溫利于提高燃燒速率和縮短燃盡t（V析出速率和C反應(yīng)速率隨之增大）2.

床溫限制煤的變形溫度（DT）→850~950℃脫硫最佳反應(yīng)溫度→850~870℃3.

稀相區(qū)溫度（850~900℃）原因：保證送回爐膛的細(xì)顆粒中

FC可著火、燃燒措施：根據(jù)熱量平衡，適當(dāng)布置受熱面7/15/2023五、床體結(jié)構(gòu)和飛灰再燃1.

床體結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒效率的影響流化質(zhì)量顆粒在爐膛內(nèi)的停留t2.

床體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：合理組織氣流，可燃物與空氣充分混合、攪拌以利于細(xì)顆粒的重力分離

鼓泡床實(shí)例：擴(kuò)大懸浮段面積，降低煙速，延長(zhǎng)細(xì)顆粒懸浮t→增大爐體結(jié)構(gòu)尺寸7/15/2023五、床體結(jié)構(gòu)和飛灰再燃7/15/20233.

改善和提高循環(huán)流化床燃燒的措施

內(nèi)循環(huán)：設(shè)計(jì)中適當(dāng)減少稀相區(qū)斷A→達(dá)到一定u0、εp→顆粒“環(huán)核”流動(dòng)→延長(zhǎng)停留t外循環(huán)：采用分離性能好的高、中溫循環(huán)灰分離器4.

改善和提高鼓泡床燃燒的措施加裝飛灰回燃裝置懸浮段上部用水冷管構(gòu)成臥式旋風(fēng)筒收集飛灰懸浮段出口設(shè)置U形分離燃盡段六、運(yùn)行水平

根據(jù)負(fù)荷和煤質(zhì)變化，隨時(shí)調(diào)整燃燒工況，保證正常床溫和合理風(fēng)煤比，調(diào)整一、二次風(fēng)比例，組織好密、稀相區(qū)燃燒，保證飛灰回送裝置正常運(yùn)行→降低氣、固不完全燃燒損失7/15/2023第五節(jié)

傳熱分析7/15/2023一、循環(huán)流化床的主要傳熱過(guò)程二、循環(huán)流化床傳熱的基本方式三、循環(huán)流化床鍋爐床層與受熱面之間的傳熱四、影響循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱的主要因素二、循環(huán)流化床傳熱的基本方式1.

顆粒對(duì)流換熱（1）主要特征：固體顆粒聚集成團(tuán)（2）熱量傳遞方式顆粒團(tuán)經(jīng)過(guò)氣膜熱傳導(dǎo)直接碰撞——導(dǎo)熱（3）爐內(nèi)傳熱主要方式的條件：

dp=40~1000μm2.

氣體對(duì)流換熱主要在稀相區(qū)，上升氣流中所含顆粒增加了氣體擾動(dòng)，使氣流處于湍流前過(guò)渡態(tài)或湍流態(tài)3.

輻射傳熱床溫>600℃、εp↓→份額↑7/15/2023三、床層與受熱面之間的傳熱隨εp↓，傳熱方式由爐膛下部顆粒對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒對(duì)流+輻射，繼而為爐膛上部的輻射。截面上中心傳熱系數(shù)小，邊壁處大（εp高）1.

密相區(qū)與受熱面之間的傳熱顆粒對(duì)流為主——物料濃度高且返混流動(dòng)劇烈2.

稀相區(qū)與受熱面之間的傳熱（1）氣體對(duì)流（極低εp）（2）顆粒對(duì)流（εp小，份額降低）（3）輻射（爐膛最上部）7/15/2023四、影響爐內(nèi)傳熱的主要因素7/15/20231.

εp（傳熱系數(shù)隨之增大，最主要影響）2.顆粒尺寸及分布（無(wú)明顯影響，寬篩分燃料特例）3.

u0（氣體對(duì)流換熱隨之增強(qiáng)，但εp減小使傳熱系數(shù)下降）4.

床溫傳熱系數(shù)隨之線性增大輻