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1、京玉电厂300MW循环流化床锅炉培训教材(定稿)300MW循环流化床锅炉培训教材 300MW循环流化床锅炉培训教材（第一阶段培训） 主编：江广旭山西京玉发电有限责任公司二0一0年六月 300MW循环流化床锅炉培训教材 目 录 前 言 . 3第一章 循环流化床锅炉及设备基本原理 . 4第一节 国 循环流化床锅炉中煤粒的燃烧 . 26第四节 循环流化床燃烧与炉CFB锅炉主要性能与结构 . 52第六节 布风装置 . 58第七节 高温气固分离器 . 63第八节 回料器 . 68第九节 冷渣器 . 70第十节 外置换热器(EHE) . 79第十一节 国内300MW循环流化床机组运行情况 . 84第二章
2、京玉电厂300MW循环流化床锅炉设备及系统介绍 . 89第一节 锅炉设计条件及性能数据 . 89第二节 锅炉总体布置及系统 . 92第三节 燃烧系统 . 104第四节 锅炉烟风系统 . 1051 300MW循环流化床锅炉培训教材第五节 启动床料系统 . 115第六节 灰循环系统 . 116第七节 出渣及排灰系统 . 116第八节 调温系统 . 117第九节 管路系统 . 119第十节 测点布置 . 121 第十一节 主要部件 . 123 第十二节 暖风器 . 128 第十三节 空气预热器 及其他设备 . 131 第十四节 滚筒冷渣器 . 134 附录：1 . 138 附录：2 . 139 附录
3、：3 . 140 2 300MW循环流化床锅炉培训教材 前 言 山西京玉电厂2330MW直接空冷循环流化床机组项目工程由华北电力设计院设计，锅炉是上海锅炉厂在充分研究了循环流化床锅炉的燃烧特性、传热问题、磨损问题、膨胀问题、密封问题、材料选择以及摸清了工艺流程的基础上，总结国内外大量已投运CFB锅炉的运行经验，采用具有完全自主知识产权的技术开发的1178t/h亚临界、中间再热的单炉膛、不带外置床循环流化床锅炉产品。为进一步规范技术培训，适应山西京玉电厂对员工专业技术的高标准要求，在公司生产主管领导的大力支持下，发电部组织专业技术人员编写了机、炉、电三大专业培训教材。教材内容既涵盖了300MW循
4、环流化床锅炉机组的基础理论，也融入了循环流化床锅炉运行的现场实践经验，具有一定的指导性和实用性。在两台机组建成投产前，编写出版此套教材，供各级生产人员参考，使之能在公司的安全生产和培训管理工作中发挥积极作用。本套培训教材重点介绍了我厂锅炉运行人员必须掌握的基础理论知识；循环流化床锅炉原理、锅炉设备及辅机参数规范、设备性能、锅炉的运行及事故处理等。本套培训教材共分三阶段培训，本篇主要包过第一阶段的培训内容。本套培训教材的使用范围：电厂各级运行人员。可供有关检修人员，生产管理及专业技术人员参考。本套培训教材由发电部锅炉专业主编参加编写人员有：发电部主审。本套培训教材的内容主要以我厂设备和机组运行特
5、点，编写过程中主要以厂家资料，设备说明书及相关的专业资料为依据。由于编者水平和掌握的资料有限，加之编写时间仓促，书中难免存在缺点和纰漏，恳请读者批评指正并提出宝贵意见。运行操作和技术参数及控制以最后运行调试和规程为准。 编者2010年6月 3 300MW循环流化床锅炉培训教材 第一章 循环流化床锅炉及设备基本原理第一节 国循环流化床锅炉的发展与现状循环流化床（CFB）锅炉是近三十年发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术。在短短的三十年间，流化床技术得到了飞速发展，由最初的鼓泡流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。1.1.1国外循环流化床的发展 新一代的
6、循环流化床真正得到应用始于七十年代末八十年代初。1979年，芬兰奥斯龙（Ahlsltrom）公司开发的世界首台20t/h商用循环流化床锅炉投入运行。1982年，德国鲁奇（Lurgi）公司开发的世界上首台用于产汽与供热的循环流化床（84MWth）建成投运,循环流化床技术开始迅速发展，随着法国Stein公司制造，安装在法国Gardanne电厂的250MW循环流化床锅炉，安装在波兰Turow电厂的235MW循环流化床锅炉以及安装在韩国Tonghan电厂的220MW 循环流化床锅炉的相继投运，波兰Lagisza的460MW超临界参数CFB锅炉也已在2009年投产。该台超临界锅炉机组在效率和煤的经济利用
7、方面属世界领先水平，排放方面完全满足欧盟大型燃煤电厂排放指导性标准的要求。锅炉燃用热值为，硫的质量分数为和灰分为 的烟煤，其煤耗可比常规汽包锅炉低，机组效率将达到。循环流化床技术已经向高参数，大容量迈出了步伐。1.1.2.我国循环流化床的发展我国对流化床的研究是开展得比较早的，自1964年以来，在鼓泡床燃用劣质燃料方面有相当的发展。在循环流化床锅炉的研究方面，虽然起步较晚，但发展非常迅速。与国内各科研院所配合，如中科院工程热物理所、清华大学、浙江大学、华中理工大学、西安交通大学和西安热工研究院等，各锅炉制造厂先后开发出20t/h、35t/h、75t/h、130t/h、220t/h及480t/h
8、等中、小型循环流化床锅炉，通过多年的发展，我国在中、小型循环流化床技术方面已经相当成熟，但在大型化循环流化床锅炉研究方面，与先进国家还有相当的差距。为此，国家于1996年引进原芬兰奥斯龙公司410t/h常压循环流4 300MW循环流化床锅炉培训教材化床锅炉在四川 目前，我国已经在300MW循环流化床技术的基础上，成立了600MW循环流化床研发专家组，完成了600MW循环流化床锅炉的自主研发，白马600MW循环流化床锅炉示范工程已经取得国家发改委批复，正在建设，计划2011年投产。1.1.3.世界上流行的CFB锅炉的主要型式世界上流行的CFB锅炉的最主要型式有四种，其特点分别如下：、鲁奇（Lur
9、gi）型CFB锅炉其特点是带有外置热交换器、高温旋风分离器、高循环倍率，炉膛内部不布置除水冷壁以外的辐射式受热面（如屏式过热器），而在外置式换热器EHE中大量布置了过热器和再热器受热面。、奥斯龙（Ahlsltrom）型CFB锅炉 其特点是不带有外置式热交换器、高温旋风分离器、高循环倍率、炉膛内部布置少量除水冷壁外的辐射式受热面（如屏式过热器）。、德国巴伯考型CFB锅炉 其特点是不带有外置式热交换器、中温旋风分离器、较低的循环倍率、炉膛顶部布置大量除水冷壁以外的辐射式受热面（如屏式过热器、再热器、省煤器）。、美国福斯特惠勒FW公司的CFB锅炉5 300MW循环流化床锅炉培训教材其主要技术特点采用
10、蒸汽冷却式旋风分离器，大型的CFB锅炉还布置有外置式热交换器。它的外置式热交换器称着INTREX EHE，其特点是同时利用了很大一部分内循环灰和外置分离器料腿分离下来的外循环灰两部分作为调温手段，形成标志性特点。总的来说，CFB锅炉的发展较常规锅炉的发展慢，目前世界上已投运的CFB锅炉机组最大容量为300MW等级亚临界机组，最大容量的订货业绩是FW公司已中标制造的波兰Lagisza的460MW超临界参数CFB锅炉，这是世界上第一台也是目前世界最大的超临界CFB锅炉。1.1.4.循环流化床技术的脱硫原理循环流化床锅炉炉内石灰石干法脱硫，即是将喷入炉膛的CaCO3高温煅烧分解成CaO，与烟气中的S
11、O2发生反应，生成硫酸钙，从而达到脱硫的目的。石灰石脱硫过程主要分以下三个步骤来完成：（1）石灰石的煅烧分解CaCO3 = CaO + CO2 - 178 kj/mol（2）硫的析出和氧化S + O2 = SO2SO2 + 1/2 O2 = SO3燃料煤中的硫可以分为有机硫、黄铁矿硫两大部分，也含有少量硫酸盐硫。有关实验表明，煤在被加热并被燃烧的过程中，SO2的析出呈现出明显的阶段性。对SO2析出影响最大的因数是床温和过剩空气系数。实验表明：SO2析出率随着床温的升高而单调增加：过剩空气系数越大，区域氧浓度越高，SO2析出也越多。因此，单从提高SO2的析出率而言，燃烧温度越高，过剩空气系数越大
12、，则脱硫效率就越高。硫酸盐的生成CaO + SO2 + 1/2 O2 = CaSO4+ 500 kj/mol实验研究表明：燃烧温若小于800时，脱硫反应的速率很低，从而引起床料中石灰石捕获SO2的效果降低，难以达到有效脱硫；相反，当燃烧温度过高(>920)时，虽然反应速率很高，但脱硫效率反而会下降，原因是：温度过高，会引起石灰石颗粒的表面孔隙过早堵塞，而内孔物质未得到充分利用；同时，温度过高时，颗粒表面会产生局部低氧和还原气氛，使已经生成的CaSO4，重新分解为CaO并释放出SO2，从而降低脱硫剂的利用率。6 300MW循环流化床锅炉培训教材因此就脱硫效果而言，存在一最佳脱硫温度。尽管这
13、一最佳温度还受到脱硫剂品种、粒径、煅烧条件等诸多条件的限制，但目前比较公认的最佳反应温度为850900之间。1.2循环流化床锅炉的特点国际上普遍认可的洁净煤发电技术主要包括增压循环流化床（PFBC）、整体煤气化联合循环（IGCC）、常压循环流化床（CFB）技术。其中，常压循环流化床发电技术是国际上公认的商业化程度最好的成熟技术，这种技术是八十年代发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，它为处理高硫煤和劣质煤及满足严格的大气排放标准带来了美好的前景。循环流化床洁净煤燃烧技术具以下优点：1）燃料适应性广由于循环流化床锅炉采用的是循环燃烧技术，在炉膛、旋风分离器、虹吸密封回路进行循环的床料（辅助床料沙、脱
14、硫用的石灰石、燃煤及燃烧后的煤灰等）的热容量是相当大的，而新加入的燃料按重量比仅占整个循环床料的5%7%，加入后随着循环的进行会迅速被加热到着火温度而燃烧并释放热量，同时在循环过程中由于颗粒之间的相互碰撞，燃料颗粒会破碎成细小的颗粒，这样更利于燃料的燃尽。所以循环流化床锅炉几乎可以燃用一切种类的燃料并达到很高的燃烧效率。其中包括高灰分、高水分、低热值的劣质燃料，如泥煤、褐煤、油页岩、炉渣、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等以及难于点燃和燃尽的低挥发分燃料，如贫煤、无烟煤、石油焦和焦岩等。因煤质变化对锅炉燃烧及带负荷影响较小，有利于电网的安全稳定运行，对劣质煤资源的利用具有深远的意义。2）
15、负荷调节性能好，负荷调节幅度大循环流化床锅炉在运行中负荷的调节范围可从100%30%，在30%的负荷时不需要投油助燃，燃烧十分稳定。该优点十分利于电网的调峰，对水电资源十分丰富的电网有着重要意义。 3）环保指标优越循环流化床锅炉正常运行时床温控制在850950，同时根据燃煤特性以一定的Ca/S向炉内加入石灰石粉作为脱硫剂，在燃烧的过程中脱去燃烧生成的SO2，而石灰石粉在850950范围内脱硫效率最高，所以循环流化床锅炉采用850950燃烧温度可以达到较高的脱硫效率。同时循环流化床在850950燃烧温度下能有效地抑制热反应型NOx的生成，再加上采用了分级燃烧方式送入二次风，又有效地控制了燃料7
16、300MW循环流化床锅炉培训教材型NOx的生成。循环流化床洁净煤燃烧技术的污染控制成本是很有竞争力的，是已经为世界各国公认的较为成熟而最有前途的洁净煤燃烧技术。1.3四川白马300MW循环流化床示范工程概况1.3.1四川白马1300MW循环流化床示范工程是根据中国洁净煤技术“九五计划”和2010年发展纲要，采用技贸结合引进大型循环流化床（简称CFB）锅炉技术的依托工程，引进一台1025t/h的常压循环流化床锅炉及相应的关键设备，配套一台国产300MW汽轮发电机组在四川白马建设的一个全国大型循环流化床示范电站。1025t/h常压循环流化床锅炉由法国ALSTOM公司设计供货，300MW汽轮发电机组
17、分别由东方汽轮机厂和东方电机厂供货。引进制造技术的接收方为三大锅炉厂，系统设计接收方为中国电力工程咨询公司（电规总院）和六大设计院。工程于2003年5月15日正式开工，2005年12月30日首次并网，2006年4月17日完成168小时满负荷试运后正式投入商业运行。机组经过2006年、2007年2次B级检修，以及2008年的A级检修，机组目前设备健康状况较好，运行稳定。1.3.2循环流化床锅炉的环保性能及运行情况100MW等级循环流化床机组的环保特性根据全国电力行业CFB协作网2005年CFB机组竞赛数据统计，参赛电厂44家，参赛机组79台，其中135MW级机组38台，50MW级机组41台，13
18、5MW级机组SO2排放平均值为406.4272mg/m3,NOX排放平均值123.1917 mg/m3,脱硫率平均为84.688（纯凝机组）和86.104（供热机组）。根据全国电力行业CFB协作网2006年CFB机组竞赛数据统计，参赛电厂36家，参赛机组60台，其中135MW级机组42台，100MW级机组18台，SO2排放平均值为241.8mg/m3,NOX排放平均值102.09 mg/m3,脱硫率平均为87.35（纯凝机组）和89.45（供热机组）。1.3.3 300MW等级循环流化床机组的环保特性白马300MW循环流化床机组的环保特性根据白马300MW循环流化床锅炉的实际运行情况，设计煤种
19、灰份35.27，低位发热量18495KJ/Kg，现在使用的煤种有些已经远远偏离设计煤种，灰份最高有56，低位发热量最低11000 KJ/Kg左右，且煤中搀杂有约10左右的石头和矸石。2006年全年燃煤平均灰分44.75%,平均低位发热量16037.37KJ/Kg；2007年上半年燃煤平均灰分45.8%,平均低位发热量14692.03KJ/Kg，2008年13月，燃煤平均热值为11900 KJ/Kg，8 300MW循环流化床锅炉培训教材灰分达56。，但锅炉炉内流化状况依然较好，汽温、汽压也能达到要求，充分证明了循环流化床锅炉对煤种的适应性。循环流化床锅炉具有很好的脱硫能力，它通过在炉内掺烧一部分
20、石灰石，能有效的减少二氧化硫的排放量。而常规煤粉炉为降低二氧化硫排放，需增加烟气净化系统，但投资大，运行费用高。本工程在燃用硫分为2.93的高硫煤时，SO2排放量仅为0.809t/h，比常规锅炉减少了7.281 t/h。西安热工研究院和四川电力试验研究院于2007年4月进行的机组环保性能考核试验结果SO2排放量仅为0.651t/h，排放浓度560mg/Nm3,此时Ca/S为1.74，脱硫效率为94.72。循环流化床锅炉采用低温、分段燃烧技术，床内温度控制在890左右，低于生成热力型NOx所需要的温度。环保监测数据表明排放浓度在50-100 mg/Nm3,仅为常规锅炉的10左右，而且几乎没有任何
21、脱硝运营成本。西安热工研究院和四川电力试验研究院于2007年4月进行的机组环保性能考核试验结果NOx排放量0.1397 t/h，排放浓度为81mg/Nm3。按照年发电小时4600小时计，年排放量为642.62吨，大大低于常规锅炉NOx排放量。 国产化循环流化床锅炉环保排放情况根据我们收资了解的情况云南开远电厂、秦皇岛电厂各2台300MW循环流化床锅炉机组SO2排放浓度长期在200mg/Nm3以内,脱硫效率可达95和98。法国普罗旺斯电厂250MW循环流化床锅炉在Ca/S为2.5时脱硫率已达99。过去中小型循环流化床机组脱硫效率一般在90以下，一些专家学者质疑循环流化床的发展，而如今循环流化床机
22、组实际运行证明了大型循环流化床锅炉的脱硫效率完全可以满足越来越严格的环保排放要求。 由东锅公司自主开发设计制造的国内首台采用单炉膛、不带外置换热器、燃用劣质煤300MW循环流化床，在广东宝丽华电力梅县荷树园电厂于2007年1月8日开工，分别于2008年6月14日和9月18日投入商业运营。#3机组投产至2009年1月底，共运行3659小时，完成发电量8.3597亿KWh，#4机组投产至2009年1月底，共运行2802小时，完成发电量6.4862亿KWh，其中#3机组由于是国内首台投产的单炉膛循环流化床机组，因此在试运过程中及投产后出现床下风道燃烧器过热损坏，风道燃烧器膨胀节损坏，床上油枪投运后燃
23、烧不好，床温升不上去，屏过超温等问题。经东锅厂与我厂专业人员探讨研究后，上述问题已经得到比较好的解决。由于#4机组安装调试及运行过程中，已经将#3机组出现过的问题进行了消化处理，所以#4炉从2008年14日启动至今，已经连续运行117天。9 300MW循环流化床锅炉培训教材1.3.4.300MW等级循环流化床机组的运行情况由于煤质的差异，各地循环流化床锅炉运行情况有所差异，但从整体情况看基本上都能够实现长期安全稳定运行，如山东江泉实业135MW循环流化床锅炉连续运行达300天，白马300MW循环流化床锅炉最长连续运行达155天，秦皇岛电厂300MW循环流化床锅炉最长连续运行达200天，云南开远
24、电厂300MW循环流化床锅炉最长连续运行达293天1.4 循环流化床锅炉的整体认识 循环流化床锅炉的工作过程示意图 循环流化床锅炉的工作流程：燃料（煤）及脱硫剂（石灰石）经一级和二级破碎至合适的粒度后，进入炉前燃料仓及石灰石仓，再有给煤机和石灰石给料机送入炉膛内，与燃烧室内炽热（800多度）的物料混合，被迅速加热，燃料迅速着火燃烧，石灰石经过煅烧分解与燃料燃烧生成的SO2反应生成CaSO4,从而起到脱硫作用，燃烧室温度通常控制在850-920。 在较高气流作用下，燃烧充满整个炉膛并剧烈掺混。有大量的颗粒会被烟气携带出炉膛，进入旋风分离器进一步分离收集不完全燃烧的的颗粒，通过返料阀再次返回炉膛1
25、0 300MW循环流化床锅炉培训教材 继续参与燃烧；有的循环流化床锅炉设计了外置床换热器，分离收集的部分颗粒送到外置床换热器，在外置床循环流化床锅炉流体动力特性循环流化床气-固两相流体动力特性是CFB锅炉性能、炉气固流态化形式流态化用来描述固体颗粒与流体接触的一种运行形态，是一种使微粒固体通过与气体接触而转变为类似流体状态的操作模式。气固流态化大致可分为固定床、鼓泡床、湍流床、快速床到气力输送几种形式，见图2-1。 图2-1 流态化过渡形式11 300MW循环流化床锅炉培训教材提高鼓泡床的运行风速，床层流动就转到湍流流化床流型，此时密相床层和悬浮段间的界面变得不很明显，颗粒的向上夹带量明显增加
26、，如再进一步增加风速将会形成快速流态化状态。由于流态化转变是一个相当复杂的过程，不仅与装置本身有关，而且在很大程度上取决于运行工况的组织、流化颗粒物性等因素。即使对同一流化床装置，在所有运行工况及颗粒物性稳定的情况下，床层的不同区域亦会呈现出不同的流动型态。如传统的鼓泡流化床虽属低速流态化范畴，当燃用宽筛分煤粒时，呈现出底部布风板以上的密相鼓泡区和悬浮段的稀相气力输送区域。 燃煤循环流化床虽属高速流态化范畴，但由于底部床料的加速效应和大颗粒从底部循环回送，因而仍然存在着底部的密相区和二次风口以上的相对稀相区，并且在布风板和二次风口之间的区域基本上处于鼓泡流化床和湍流流化床状态，而在二次风口以上
27、才逐步过渡到快速流化床状态。快速流化床是流态化的一种形式，循环流化床锅炉所具有的许多优点，例如燃料适应性广、NOx排放量低、燃烧效率高、脱硫时石灰石利用率高和给料点较少等，其原因均是由于气固处于快速流态化运动状态。 习惯上人们总是用风速来判别流化状态。当流化风速超过临界流化风速后，整个床层由固定床过渡到鼓泡床，再继续提高风速就过渡到湍流床和快速循环流化床。快速流化床各类流态化的过渡准则为了便于研究流态化过渡，首先研究循环流化床的颗粒分类。12 300MW循环流化床锅炉培训教材2.2.1 颗粒分类根据流态化经验，Geldart(1973)把固体颗粒概括分成如图2-1所示的A、B、C和D四类。图2
28、-2是颗粒分类相对于气固密度差的曲线。在了解固体颗粒流态化表观上，分类是一种很重要的手段，因为在相近的操作条件下不同类的颗粒流动表现可能完全不同。某种固体颗粒是属于A、B、C还是D类，这主要取决于颗粒的尺寸和密度，同时也取决于流化气体的性质，因而与它的温度和压力有关。A类颗粒( p=2500 kg/m3)一般在30100m范围颗粒分类采用A类颗粒，这类颗粒在停止送气后会有缓慢排气的趋势，由此可鉴别A类颗粒。B类主要是砂粒和玻璃球，这类颗粒粒度通常在100500 m范围m( p=2500 kg/m3)。它是具有粘结性的一类，特别易于受静电效应和颗粒间作用力的影响，很难达到正常流化状态。颗粒间作用
29、力与重力相近。如果要流化C类颗粒，则需特殊的技术，否则常会造成沟流。常常通过搅拌和振动方式使之正常流化。D类颗粒( p=2500 kg/m3)是所有颗粒中最粗的(500 m)，通常达到1 mm或更大。虽然它们也会鼓泡，但固体颗粒的混合相对较差，更容易产生喷射流。它们需要相当高的速度去流化，通常处于喷动床操作状态。表2-1给出了不同类型的颗粒特性比较。表2-1 四类颗粒的特点13 300MW循环流化床锅炉培训教材 B颗粒的鼓泡特征；气速高时，煤颗粒中细粉特征占主导地位，它也可以是下部鼓泡流态化，而上部为湍流或快速流态化。2.2.2 由固定床到鼓泡床在流速较低时，气流仅是在静止颗粒的缝隙中流过，这
30、时称为固定床。当气流速度增大到一定值时，所有的颗粒被上升的气流悬浮起来，此时气体对颗粒的作用力与颗粒的重力相平衡，通过床层任意两个截面的压力降与在此两截面间单位面积上颗粒和气体的重量之和相等，这时床层达到起始流态化。这时的气流速度称为最小流化速度。当气流速度超过这个值时，除了非常细而轻的颗粒床会均匀膨胀外，一般地会出现气体的鼓泡这样明显的不稳定性。这样的床层称为鼓泡流化床。2.2.3 由鼓泡流化床到湍流流化床 图2-3 压力波动幅值随气流速度的变化曲线14 300MW循环流化床锅炉培训教材当通过鼓泡流化床的气速增加到最小鼓泡速度以上时，床层会膨胀，继续不断地增加气速会最终使床层膨胀形式产生变化
31、，这可能是由于气泡份额增加，乳化相膨胀及分隔气泡的乳化相壁厚度减弱而引起的，在该状态下，气泡相由于快速的合并和破裂失去了其同一性，这就导致了床由湍流流化床过渡到快速流化床 在湍流流化床中，随着操作气速的不断增加，床颗粒絮状物的形成机理理，如图2-4所示。颗粒被连续地给入上升气流中，当给料速度很低时，颗粒将均匀分散在气流中，每个颗粒将孤立地运动，气固间的相对速度会在每个颗粒尾部形成尾涡，如图2-4(a)所示。15 300MW循环流化床锅炉培训教材在给定气速情况下，随着给料速率的增加，床垂直流动体系气固流型过渡示意图 开始主导通过床层的压力降。在这种情况下，随着表观风速的减小，压降开始增大(D-E
32、线)，曲线中折转点D表示了从气力输送过渡到快速流态化的临界点，如果与湍流流化床过渡到快度流化床相比，D点相当于快速流化床运行范围的上限点。 如果气速再降低，床 图2-6 快速流化床的存在区域 300MW循环流化床锅炉培训教材 床体，此时床层易形成节涌，而对于大尺度床层，则呈现非节涌的密相流化床，如上所述的湍流流化床状态。E点对应的速度称为噎塞速度uch，快速流化床的运行范围为E-D，风速低于uch时的气固流型有湍流流化床、节涌流化床、鼓泡流化床和固定床，这些通称为系留床。图2-6示出了快速流化床的存在区域，A-B线表示了前述的噎塞速度线，可作为系留和快速床的分界线。从图中可以看出，在高颗粒循环
33、流率的情况下，过渡到快速流态化的临界速度亦将更高。关于从湍流流化床过渡到快速流化床的另一种判据是由Yerushalmi和Cankurt提出的输送速度的概念。为解释其物理含义，我们先来看一下表观风速超过床料终端速度的一个假想流化床的情形。显然，经过一段有限时间后，所有的床料颗粒均将夹带出床层，除非同时连续地给入等量的颗粒。随着表观风速从远超过床料终端速度的状态开始减小，把整个床层吹空所花的时间亦随之增加。继续降低气速时会存在一个临界点，在此临界点吹空整个床料所花的时间会突然增加，如图2-7所示的F点，该点对应的气速称为输送速度utr。许多学者均将喷塞速度作为湍流流态化向快速流态化的转变速度。 关
34、于过渡到快速流化床的影响因素，图2-8定性地示出了颗粒尺寸、颗粒密度、气体粘度、气体密度和管尺寸对流型过渡的影响规律。 从图中不难看出，对大颗粒床料，快速流态化的操作范围很窄。2.2.5 由快速流态化过渡到悬浮稀相流(气力输送)在悬浮稀相流中，颗粒明显地均匀向上运动并且不存在颗粒的下降流动，而在快速流态化状态，可观察到存在着许多颗粒絮状物，并且有些颗粒呈下降流动，床图2-7 床层被吹空时间与气速的关系 图2-8 影响流型转变的因素17 300MW循环流化床锅炉培训教材 图2-9 流型分区图 图中，uTF湍流流态化向快速流态化的转变速度，m/s；utr输送速度，m/s。快速流态化并非低速流态化向
35、高速的简单延伸，它必须具备如下条件： (1) 合适的颗粒物性； (2) 运行风速大于颗粒终端沉降速度；(3) 足够大的颗粒循环速率。2.5 颗粒循环流率Gs的确定 颗粒循环流率Gs是表征颗粒循环量的一个参数，定义为单位炉膛截面(m2)的循环量(kg/s)。由于内循环量沿炉膛高度是在变化的，底部密相区大，上部稀相区则逐渐减小，故一般意义上的颗粒循环流率指平均循环流率Gs。 循环流率的大小与颗粒密度 p、空隙率 和流化速度u0有关。对于100150 MWe级流化床锅炉可参阅图2-13。从图中看出，随着烟气速度的增加，循环流率也相应增加。 一般所说的物料循环量均指外部物料循图2-13 颗粒循环流率与
36、轴向烟气速度的关系曲线 环量，即通过返料机构送回床层的物料量，实际上循环流化床锅炉有很大的内循环量。内循环量主要取决于床内构件及流体动力特性。内循环在提高脱硫、燃烧效率方面，其影响与外循环基本上是相同的，对平衡床内温度的影响与外循环不尽相同，但有一点是非常明显的，即内循环增大后，外循环可以适当地降低一些。循环倍率R的定义是进入旋风分离器入口处的循环流量Glc与煤耗量B+石灰石耗量Bsh之比，即18 300MW循环流化床锅炉培训教材由式(2-4)可求得分离器入口处的循环物料量，即外循环物料量GlcGlc=R(B+Bsh) (2-5) 颗粒 (2-7) 对于100 MWe级CFB锅炉，假定R=24
37、，B=14.2 m/s，Bsh=0.65 m/s，则由式(2-5)可得外循环流量Glc=24(14.2+0.65)=356.4 kg/s。假定临界流化风速umf的确定通常将床层从固定状态转变到流化状态(或称沸腾状态)时按布风板面积计算的空气流速称为临界流化速度umf，即所谓的最小流化速度。对于工业应用的燃煤流化床锅炉，其正常运行的流化速度均要大于umf。 岑可法等人针对宽筛分石煤燃料的冷态和热态试验结果，并结合国 (2-8)4Ar=(2700)10vg气体的运动粘度。试验范围为； dp定性尺寸为dp=FpXidi，p颗粒的球形度，对石煤及矸石类燃料p可取0.6左右。重新整理式(2-8)后可得到
38、：19 300MW循环流化床锅炉培训教材从式(2-9)中看出，临界流化风速与床料颗粒的粒度和密度有关外，还与流化气体的物性参数有关，因此流化床层温度的变化将直接影响到临界流化风速。(2-10) 这样就解决了热态下实测临界流化风量的困难。对于100 MWe级CFB锅炉在冷态下物性参数及计算结果如下：床层温度30 ，dp=0.0006 m， g=1.2 kg/m2， p=2200 kg/m3，v g=1510-6jlumfm2/s可得临界流化风速=0.38 m/s。在热态时的物性参数及计算结果如下：床层温度600，dp=0.0006 m， g=0.405kg/m2， p=2200 kg/m3，v
39、g=93.6.10-6jrm2/s可得临界流化风速umf=0.61 m/s。实际测量临界流化风速时可根据以下原理进行： 做风量与压降的关系曲线，当达到临界流化状态时风量增加而压降不变。可取二个床料高度，例如600 mm，700 mm。对一台100 MWe级CFB锅炉测试结果如图2-14。从图中看出，600 mm和700 mm料位得到的临界风量基本一致。临界流化风量为40slumfkm3/h，该炉布风板截面积为13.163.526=46.4 m2，则临界流化风速为0.239m/s。则根据式(2-10)，实(600)的临界流化风速： 20 图2-14临界流化风量测量料层阻力风量关系曲线 际热态 3
40、00MW循环流化床锅炉培训教材 srslumf=Zumf=1.60.239=0.38m/s2.7 颗粒终端沉降速度ut的确定 设一球形颗粒在静止的流体中自由下落，所受到的力有重力、浮力和阻力，按力的平衡关系可得到颗粒的运动方程： 并考虑到颗粒在气流中加速度直至达到一最终的稳态速度(即颗粒终端沉降速度)时，dup/dt=0，由上述关系就可求出颗粒的终端沉降速度ut为 CD曳力系数。2.8 循环流化床锅炉燃烧室中的气固流态分析循环流化床锅炉中的气固两相流动的特点之一是上部稀相区的颗粒团聚，这正是快速床的特征，因此可以推断，循环流化床上部为快速床。 固体物料在一定气速条件下流化，通过观察床层的空隙率
41、情况可以发现：当气速低于Uc时，固体循环量对床层空隙率无明显影响；气速一旦超过Uc，床层空隙率主要取决于固体循环量。因此，对任一颗粒物料，当U=Uc时，床层达到饱和携带能力，物料便被大量吹出，此时必须补充等同于携带能力的物料量才能使床层进入快速流态化状态。故Uc为该物料进入快速流态化时的操作气速，即初始快速流态化速度。在初始快速流态化Uc时的最小加料率定义为最小循环量Rmin。初始快速流态化速度Uc主要与物料特性有关，按照实验统计Uc=(3.54.0)Ut21 (2-17) 300MW循环流化床锅炉培训教材最小循环量可由以下经验关联式给出超过最小循环量后，在相同气速下，对应不同的循环量可以有不
42、同的快速床状态。也可以用不同的床存量对应的不同物料沿床高浓度分布表示不同的快速床状态。快速流化床输送点速度Ut是快速流态化操作的极限速度，此时床层空隙率纵向分布曲线的拐点恰好位于布风板处，亦即床层呈稀相气力输送状态。而燃煤循环流化床中，始终有部分粗颗粒存在，因此床内是由鼓泡床与快速床叠和而成。上述所论述的状态转换仅指床中上部的细颗粒而言。在快速流化床中存在着以颗粒团聚状态为特征的密相悬浮夹带。在团聚状态中，大多数颗粒不时地组成较大的颗粒密集的颗粒团。认识这些颗粒团是理解快速流化床的关键。有研究者根据稳定性研究结果解释了它们的形成，与解释低速条件下气泡形成的观点颇为类似。大多数颗粒团趋于向下运动，床壁面附近的颗粒团尤为如此；与此同时，颗粒团周围的一些分散颗粒迅速向上运动。快速床床层的空隙率通常在0.75 0.95之间。与床层压降一样，床层空隙率的实际值取决于颗粒的净流量和气体流速。人们公认循环流化