流化床燃烧脱硫技术

ZhejiangUniversity流化床燃烧脱硫技术任课教师：杨卫娟副教授ZhejiangUniversity§0引言1960s德国人发明，化工处理技术,再被移植到锅炉燃烧领域流化床燃烧技术是一种清洁燃烧技术；流化床中，煤和脱硫剂一起进入炉膛，燃烧后煤中硫生成SO2，在燃烧过程中，与脱硫剂反应而被固定。流化床燃烧温度低，脱硫剂不会失活。流化床燃烧温度低，NOx生成量较少。2ZhejiangUniversity§0引言流化床燃烧技术是一种成熟的燃烧技术我国于1965年建成第一台流化床锅炉300MW在运多台，在建百余台600MW机组的流化床锅炉也已2013年4月14日投产（四川白马）3图3-2自主知识产权的300Mwe亚临界循环流化床锅炉图3-3自主知识产权的600MWe超临界循环流化床锅炉示范工程ZhejiangUniversity循环硫化床有什么特点？4ZhejiangUniversity§1流化床燃烧技术概述一、什么是流化床燃烧流化床起源于化工流态化，其作用是加强气固二相化学反应的速度。在流化床中，固体颗粒的密度和大小是有要求的。当气体通过固体颗粒时，固体颗粒会在床内运动，但不会离开流化床。燃料燃烧实际上是一种化学反应。因此把流化床技术移植到燃烧技术上来。5ZhejiangUniversity流化燃烧方式炉子类别颗粒特性颗粒运动形式运动状态名称煤种适应性强(可烧好煤及劣质煤)燃煤蓄热量大炉内温度低约850～1150℃d一般0～8mm(最大可达30mm)可以加脱硫剂。颗粒即不固定，也不随气流漂走。整个床料（包括煤）层被气流托起，又在一定高度内上下左右运动。统称流化床；又分为鼓泡床、湍流床、循环床、快速床6ZhejiangUniversity§1流化床燃烧技术概述二、流化床锅炉的特点优点对燃料适应性特别好：可以烧劣质煤—高灰煤、高硫煤、煤矸石、油页岩、石油焦、煤泥、生物质、垃圾等。燃烧效率高，可达90—99%截面热强度高低污染：脱硫：流化床燃烧温度一般900～1000℃，炉内脱硫效果好（石灰石在1200℃以上脱硫效果变差）。脱氮：流化床一般采用配风，燃烧温度不高，NOx的生成量显著减少负荷调节性能好灰渣可综合利用8ZhejiangUniversity§1流化床燃烧技术概述缺点流化床锅炉磨损大，设备大修周期短；流化床锅炉要采用高压送风，其电耗高、噪音大；原始排烟粉尘浓度大。9ZhejiangUniversity§1流化床燃烧技术概述三、流化床锅炉的组成与分类浓相床（沸腾层）稀相层（悬浮段）布风装置尾部受热面高温分离器床内受热面回料装置循环流化床的锅炉组成10ZhejiangUniversity§1流化床燃烧技术概述常压鼓泡流化床常压循环流化床增压鼓泡流化床增压循环流化床分类：11流化速度1~2.5m/s截面热负荷：1.5MW/m2流化速度3.5~5m/s截面热负荷：5MW/m2流化速度3.5~5m/s截面热负荷：20~50MW/m2流化速度0.9~1m/s截面热负荷：10~17MW/m2ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质二、固定床及起始流态化下的气体动力特性1、几个基本概念（1）u—空截面速度（空塔速度）)/()/(sNmsmAqubvqv—单位时间内（1秒内）通过床层的气体体积流量）(m3)(Nm3)Ab—流化床的截面积(mm)(m)12ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质（2）Hs—静止料层高度(mm)(m)床料未沸腾时疏松堆积高度（突然停风机后堆积之高度）。（3）ut—气体通过床层的真正速度气流真实速度（4）uf—流化床携带速度指颗粒被气流带出流化床时的气流速度（非指粒子速度）。13ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质（5）ρp—床料真实密度床料重量/床料真实体积，对于不溶于水的床料，用排水法测定的体积（6）ρB—床料的堆积密度床料堆积体积床料重量B14ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质(7)颗粒体的空隙率对于流化床内的床料，必有床料与空隙二部份体积，若气体与颗粒的体积分别为Va与Vs，则Va占的份额为ε称为空隙率。pBVsVaVa1（Va=Va+Vs-Vs）（8）ΔP—料层阻力气流通料层后的阻力损失。(Pa)(mmH2O)15ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质2.固定床层的流动阻力(1)流动状态流速低时，颗粒小时，为层流；流速较高时，大尺寸，宽筛分时为湍流。(2)层流时1Re2teudHsP其中:ΔP—料层阻力；Hs—料层高度；μ—气流粘度；de—孔道的当量直径；ut—孔道中的气流速度。16ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质3.起始流态化的特征（1）描述：流体自下而上穿过随填充的床层，且流速较低时，颗粒不动，此时为固定床阶段;流速达到某一极限时，床层压降与单位床截面上颗粒的质量相等时，颗粒重量由流体升举力承托，开始进入流态化；17ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质之后，床层压降将维持不变;固定床与流化床的分界点，称为起始流态化;处于流态化下的床层具有许多液体的特征:a.可以流动；b.床面保持水平；c.轻的浮起，重的下沉。18ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质（2）最小流化速度的确定最小流化速度是流态化操作的最低速度，用umf表示。确定的方法是实验，当流化状态下，逐渐减小风速时，床层压差开始下降的转折点时的风速为umf。以上确定方法为单一粒径的umf（p也一定），对于宽筛分床料，由于细粒首先流化，umf的确定较为困难，出现一个转折区域，大部份学者选择完全进入流态化的ucf作为起始流化速度。19ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质三、流态化的基本性质1.流态化的各种状态各种流化状态是以不同的流化速度下床层的阻力特性为特征的。由于流化床的膨胀，空隙率增加，因而每米床高的压降是逐渐下降的。20ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质(1)鼓泡床在起始流态化下，气速对umf的微小增量将使床层进入流化状态，而导致床内循环作用;对细颗粒或均匀颗粒床，随u增加，床层膨胀;当床层膨胀到一定状态（细颗粒床膨胀一定值后，对粗颗粒床uucf后，就出现鼓泡）后，就进入鼓泡床状态;鼓泡床可以看作二相流;21ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质密相（乳化相）——充满颗粒且颗粒均匀分布稀相（气泡相）——含颗粒很少，主要由气体组成。密相中一般认为空隙率为常数。继续增加气流速度，只是增加气泡相的体积。22ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质继续增加气速，对于床截面较小的流化床，气泡占据整个床层，形成柱塞推动，这就是腾涌。腾涌时，床面波动很大，压降不稳定。腾涌到一定位置，气泡崩溃，颗粒下落。腾涌是一种不正常的流化现象，应尽量避免。(2)腾涌床23ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质(3)湍流流化气流速度进一步增加，流化状态从腾涌进入湍流流化状态。此时，气流流过弯弯曲曲的沟道风速穿过床层，颗粒组成线状或带状，以很高速度上下移动，各方穿透。但仍能维持可分辨的床界面；湍流流化时，床内气泡直径小而密，气泡边界模糊且不规则；与鼓泡床不同，湍流床的气泡尺寸基本不变，气速增加时，气泡数迅速增加；24ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质湍流床气固接触大大改善，混合强烈；由于气泡小，流化床的模拟放大较鼓泡床容易一些；对于单一尺寸床料的试验显示，湍流床的携带很少；但对于宽筛分床料，细颗粒的携带相当大，必须将收集到的物料送回床内；25ZhejiangUniversity(4)快速流态化§2流化床的基本性质小颗粒（平均粒径为20μm～100μm，低密度（气、固密度差小于1400kg/m3）易于产生快速流态化状态；气速进一步增加，流化床从湍流流化状态进入快速流化状态；快速流化时，从床顶携带颗粒明显增加，但仍有部分颗粒在床内流化运动；快速床时，床层界面模糊，充满整个床，且颗粒快速减少，要维持流化状态，要不断补充与携带相当的物料；26ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质气流若增加到将所有颗粒携带出去时，快速流化状态破坏，进入气力输送状态；快速流化床与气力输送的区别：a.返混量大；b.气固滑移速度大27ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质2.颗粒特性对流化特性的影响颗粒的粒径与密度是对流化特性影响较大的二个因素，一般颗粒分成四类。28ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质(1)A类，具有较小的平均粒径(dp=20～100μm)及较小的密度(ρp1400kg/m3)；在形成鼓泡床前有明显的均匀膨胀过程；u较大时，大部分气体以气泡形成穿过床层，且大部分气泡速度大于颗粒间气流速度。29ZhejiangUniversity(2)B类ρp1400～4000kg/m3§2流化床的基本性质易于流化，很少有均匀膨胀区（即开始流化就有气泡产生）；不存在最大气泡极限，且大多数气泡的上升速度大于颗粒之间的气流速度。30ZhejiangUniversity(3）C类，dp20μm§2流化床的基本性质尺寸很小，难于正常流化。(4）D类，大粒径，高密度大部分气泡的上升速度低于颗粒间的气流速度。（最大的气泡除外）。另外要注意的是气体温度、密度及粘度都会对流化状态有影响。31ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质四、布风装置的基本特性1.布风的要求必须具有均匀分布来流气体的作用；应有助于产生均匀而平稳的流态化；能尽量减轻埋管被磨蚀及冲蚀的危险；阻力损失比较合理。32ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质2.常用布风板形式a多孔板式,b风帽式,c导流板式,d水冷式33ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质3.布风装置的压降对流化性能的影响流化床内的热质传递及反应性能在很大程度上是由气泡特性决定的，而良好的气泡特性是以床内气泡均匀分布为前提。34ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质对气流分布不均的影响因素及分析风室进气不均：尽量设计合理的进风室；适当增加布风板阻力，其布风板阻力超过风室气体的分布阻力，则可实现均匀布风。在床层进入鼓泡流态化后，布风装置的性能是应能将良好的起始流化长期稳定保持下去。35ZhejiangUniversity§2流化床的基本性质4.布风板区域的气固混合布风板上形成小而众多的气泡对气固反应有利，一般选用多孔眼布置；要保证孔眼风速要高于颗粒的水平沉积速度。36ZhejiangUniversity3流化床燃烧一、流化床燃烧特点1.流化床燃烧又称沸腾燃烧2.特点低温850～1050℃，比层燃、室燃温度要低，燃烧温度取决于煤的灰熔点；容积热强度大，达到(6.28～7.54)×103MJ/m3.h(1.74～2.09)MW/m3。相当于煤粉炉的5～8倍，链条炉的5倍。37ZhejiangUniversity3流化床燃烧3.燃烧特点流化床本身是一个积累了大量的灼热床料，蓄热容量很大的热源。对燃料的迅速着火、稳定燃烧有利；床内可燃物含量在5%以下；它可以烧劣质煤（Qdw=4187KJ/kg石煤也可以）；每分钟加入的燃料不到床料的1%，不会引起炉膛温度变化，相反能受到快速加热；床料不与加入的燃料“抢”O2。38ZhejiangUniversity3流化床燃烧燃料在炉内停留时间长：BAHtdsm60Hs—静止料层高度Ad—布风板面积ρ—料层堆积密度B—燃料消耗量平均停留时间约在25～100min（料层越高，煤质越好，停留时间越长）。低污染燃烧：可以加脱硫剂为床料，低温燃烧形成NOx较少。39Zheji