5流化床锅炉主要设备及原理

2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统1/111冯德群2020年3月8日星期日循环流化床锅炉设备及运行——炉主要设备及原理2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统2/111本讲内容概述流体动力学特性燃烧与传热燃烧设备炉膛，布风装置分离器回料设备点火装置外置式热交换器2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统3/111循环流化床锅炉概述2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统4/111系统流程2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统5/111系统流程2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统6/111系统流程二次风FanⅠ大颗粒飞灰867℃内循环内循环J阀Fan一次风空预器Ⅰ空预器Ⅱ播煤用风省煤器过热器增压FanFanⅡ皮带密封用风895℃油枪2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统7/111循环流化床锅炉设备2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统8/111循环流化床锅炉设备2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统9/111循环流化床锅炉设备2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统10/111循环流化床锅炉原理图炉膛一次风室分离器回料阀2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统11/111流态化技术与流化床燃烧流态化是泛指固体颗粒在流体(气体或液体)作用下具有一定流体行为的现象。现代固体颗粒的流态化技术是通过把固体物料悬浮于运动的流体之中，使颗粒与颗粒之间脱离接触，从而有效地消除颗粒间的内摩擦作用而使其具有一定的流体行为。固体流态化技术已经被广泛应用于现代工业的许多领域流化床燃烧是流态化技术在燃烧领域的应用2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统12/111循环流化床锅炉原理在燃煤循环流化床锅炉的燃烧系统中，燃料煤首先被加工成一定粒度范围的宽筛分煤，由给料机经给煤口送入密相区进行燃烧，许多细颗粒物料将进入稀相区继续燃烧，并有部分随烟气飞出炉膛。飞出炉膛的大部分细颗粒由固体物料分离器分离后经返料器送回炉膛，再参与燃烧。燃烧过程中产生的大量高温烟气，流经过热器、再热器、省煤器、空气预热器等受热面，进入除尘器除尘后由引风机排至烟囱进入大气。循环流化床锅炉燃烧在整个炉膛内进行，炉膛内具有很高的颗粒浓度，高浓度颗粒通过床层、炉膛、分离器和返料装置，再返回炉膛，进行多次循环，颗粒在循环过程中进行燃烧和传热。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统13/111流化床锅炉的分类流化床锅炉按流体动力特性分为鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉，按工作条件又可分为常压和增压流化床锅炉。这样流化床锅炉可分为：常压鼓泡流化床锅炉，常压循环流化床锅炉；增压鼓泡流化床锅炉，增压循环流化床锅炉。前三种已得到工业应用，后一种正在工业示范阶段。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统14/111流化床燃烧技术的发展第一代流化床锅炉—鼓泡流化床锅炉。20世纪50年代流化床技术开始用于煤的燃烧。主要解决劣质煤的燃烧及环保问题，20世纪70年代发展达到鼎盛时期。存在的主要问题：燃烧效率低、埋管磨损严重、脱硫剂利用率低、大型化困难。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统15/111流化床燃烧技术的发展第二代流化床锅炉—循环流化床锅炉20世纪70年代末起步。克服了鼓泡流化床锅炉存在的主要问题，技术优势明显。发展过程中形成了不同的技术流派。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统16/111国外CFB锅炉的发展历程1979年,世界首台20t/hCFBC锅炉投运（芬兰FWEOY公司，Pyroflow型）1982年,世界首台用于产汽和供热的50t/hCFBC锅炉在德国吕能投运（德国Lurgi公司制造）1986年,世界首台100MW级CFBC锅炉在德国Duisburg热电厂投运（德国Lurgi公司制造，Lurgi型）1995年，250MWCFB锅炉在法国Gardanne电站投运（法国Stein公司制造，Lurgi型）1998年，220MW容量、燃用无烟煤CFB机组在韩国投运（美国ABB-CE公司制造，Lurgi型）2001年底，300MWCFB锅炉将在美国佛州Jacksonville电力公司投运（美国FW公司制造）2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统17/111循环流化床锅炉的主要技术流派德国Lurgi公司的Lurgi型，高倍率、高气速、高温分离器、外置式热交换器循环流化床锅炉。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统18/111循环流化床锅炉的主要技术流派芬兰Ahlstrom公司的Pyroflow型高倍率、高气速、高温分离器循环流化床锅炉。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统19/111循环流化床锅炉的主要技术流派德国Babcock公司的Circofliud型低倍率、低气速、塔式布置、中温分离器循环流化床锅炉。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统20/111DGJ670/12.73-II1循环流化床锅炉2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统21/111不同燃烧方式的联系与区别几种燃烧方式的空气动力状态2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统22/111循环流化床锅炉流体动力学特性2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统23/111流态化现象及形成条件流态化（Fluidization）是泛指固体颗粒在流体(气体或液体)作用下具有一定流体行为的现象。现代固体颗粒的流态化技术是通过把固体物料悬浮于运动的流体之中，使颗粒与颗粒之间脱离接触，从而有效地消除颗粒间的内摩擦作用而使其具有一定的流体行为。一般来说，形成固体颗粒流态化要有以下几个基本条件：（1）有合适的容器作床，在其底部有流体分布装置；（2）有大小适中的、足够量的颗粒来形成床层；（3）有连续供应的流体充当流化介质；（4）流体的流速应控制在合适的范围内。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统24/111流化床的似流体特性（1）轻物上浮，重物下沉。（2）无论床层如何倾斜，床表面总是保持水平，床层的形状也保持容器的形状。（3）床内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔口中排出。（4）能象液体一样，在两个相连通的容器间传递静压。（5）床层中的静压仅与其所处的床层深度与密度成正比，与水平位置无关。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统25/111流态化的分类根据颗粒在流体中分散均匀与否，流化状态可分成散式流化和聚式流化。所谓散式流化是指固体颗粒可较均匀地分散在流体中的流化系统；如果固体颗粒在流体中呈聚集状态则称其为聚式流化。前者以液固系统为典型代表，后者则常见于气固系统。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统26/111流化颗粒的分类（1/5）气固流化床中颗粒的粒度以及颗粒的表观密度与气体密度之差对流化特性有显著影响。Geldart在大量实验的基础上，提出了适用于气固系统且具有实用意义的颗粒分类法—Geldart颗粒分类法。Geldart根据不同的颗粒粒度及气、固密度差，颗粒可分为A、B、C、D四类。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统27/111流化颗粒的分类（2/5）A类颗粒称为细颗粒或可充气颗粒，一般具有较小的粒度(30～100m)及表观密度（p1400kg/m3）。A类颗粒的初始鼓泡速度明显高于初始流化速度，且在达到鼓泡点之前有明显膨胀。形成鼓泡床后，密相中空隙率明显大于初始流化空隙率，密相中的气固返混较严重，气泡相和密相之间气体交换速度较高。随着颗粒粒度分布变宽或平均粒度降低，气泡尺寸随之减小。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统28/111流化颗粒的分类（3/5）B类颗粒称为粗颗粒或鼓泡颗粒，粒度100~600m表观密度p=1400~4000kg/m3。其初始鼓泡速度与初始流化速度相等。气速一旦超过初始流化速度，床层内即出现气泡相和密相。密相的孔隙率基本等于，且密相中气固返混均较小。气泡相和密相之间气体交换速度亦较低。气泡尺寸几乎与颗粒粒度分布宽窄和平均粒度无关。mf2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统29/111C类颗粒属粘性颗粒或超细颗粒，粒度20m以下。由于粒径很小，颗粒间的作用力变大，极易导致颗粒的团聚。较强的粘聚性在流化过程中容易产生沟流，所以极难流化。传统上认为这类颗粒不适用于流化操作。D类属过粗颗粒或喷动用颗粒，粒度600m以上。该类颗粒流化时易产生极大气泡或节涌，使操作难以稳定。它更适用于喷动床操作。流化颗粒的分类（4/5）2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统30/111流化颗粒的分类（5/5）表2-3Geldart四类颗粒的主要特征颗粒类型CABD粒度(pρ=2500kg/m3)20mμ20～90mμ90～650mμ650mμ沟流程度严重很小可忽略可忽略可喷动性无无浅床时有最小鼓泡速度mbu无气泡mfu=mfu=mfu气泡形状仅为沟流平底圆帽固体混合很低低中高气体返混很低高中低粒度对流体动力特性的影响未知明显很小未知2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统31/111颗粒的沉降与悬浮当尘粒的重力与垂直上升的气流绕流阻力相等时，尘粒悬浮在气流中。此时气流的速度称为悬浮速度。沉降速度与悬浮速度在数值上相同，但前者是尘粒在静止气流中受重力作用下降时所能达到的最大速度；后者是上升气流能使尘粒悬浮所必需的最小速度。如果上升气流的速度大于沉降速度，尘粒就随之上升，如果小于沉降速度，则尘粒必定沉降。gFdFfF2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统32/111临界流化速度及流化床层阻力特性（1/5）当流体的流量很小时，固体颗粒不因流体的经过而移动。这种状态被称之为固定床(fixedbed)。由于颗粒之间没有相对运动，床层孔隙率不变。气流速度增加，流体通过床层的阻力不断增加。当流体对固体颗粒所产生的曳力等于颗粒重力时，床层开始流化。流化后的床层状态称为流化床。床层从固定状态转变到流化状态时按布风板面积计算的空气速度称为临界流化速度。由于它是流态化操作的下限速度，所以亦称为最小流化速度。2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统33/111临界流化速度及流化床层阻力特性（2/5）均一粒度床层压降－流速特性曲线2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统34/111在较低气流速度时，颗粒处于固定床状态，床层压力降稍大于床层重量的最大数值。继续提高气速，固定床会突然“解锁”，床层压降降至床层的静压。随着气速超过最小流化速度，床层出现膨胀和鼓泡。在较宽的范围内，进一步增加气速，床层压降几乎不变。流化床气固密相区具有良好的透气性，能容易地变形。如果将气体通过装有低粘度液体的容器底部，气体通过液层所需要的压降粗略地为液体的静压头，与气体的流速无关。可说流化床具有似流体性状。临界流化速度及流化床层阻力特性（3/5）2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统35/111如果床层由宽筛分颗粒组成，细颗粒在大颗粒间的空穴中起到润滑而促使大颗粒松动。此时固定床转变到流化床没有明显的解锁现象。临界流化速度及流化床层阻力特性（4/5）2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统36/111对燃煤鼓泡流化床锅炉，燃料粒度较大，运行呈现聚式流态化特征。对于实际运行的流化床，为使床层达到充分流化，通常运行流化风速为临界流化风速的2倍左右。临界流化速度及流化床层阻力特性（5/5）2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统37/111不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统38/111气固流态化的流动型态在快速流态化中,颗粒浓度沿床层轴向呈上稀下浓，沿床层径向中稀壁浓。颗粒速度在床中心区主要向上，边壁区主要向下，呈明显的内循环流动，导致一定程度的返混。图2-25快速流化床内颗粒流动示意图气流方向Gs2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统39/111不同流化状态的特性比较2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统40/111不同流化状态沿床高的颗粒浓度及压降分布2020/3/8循环流化床锅炉设备及系统41/111CFB锅炉所具有的许多技术优势都得益于其燃烧系统中大量物料的再循环.正常的物料循环过程由三个缺一不可的基本环节构成：（1）足够多的物料被带出密相区向上作加速运动