循环流化床燃煤锅炉.pptx
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1、第五章第五章 循环流化床循环流化床(CFB)燃煤锅炉燃煤锅炉5.1 CFB锅炉的基本原理和特点锅炉的基本原理和特点5.2 CFB锅炉的构成和类型锅炉的构成和类型5.3 CFB燃烧与污染控制燃烧与污染控制5.4 CFB锅炉的传热锅炉的传热5.5 CFB锅炉燃烧产物和热效率计算锅炉燃烧产物和热效率计算5.6 CFB锅炉的设计特点锅炉的设计特点5.7 CFB锅炉的运行控制特点锅炉的运行控制特点5.8 CFB锅炉的主要辅机设备及其特点锅炉的主要辅机设备及其特点5.9 CFB锅炉脱硫灰渣的特性和综合利用锅炉脱硫灰渣的特性和综合利用补充:补充:循环流化床锅炉发展现状循环流化床锅炉发展现状5.1 CFB锅炉
2、的基本原理和特点锅炉的基本原理和特点一、一、流态化描述及其性质流态化描述及其性质二、二、循环流化床燃烧原理循环流化床燃烧原理三、三、循环流化床锅炉的主要优点循环流化床锅炉的主要优点四、四、循环流化床锅炉的存在问题循环流化床锅炉的存在问题返回返回一、流态化描述及其性质一、流态化描述及其性质n当气体自下而上穿过固体颗粒组成的床层时,床层将依气体流速当气体自下而上穿过固体颗粒组成的床层时,床层将依气体流速的不断增大,依次经历的不断增大,依次经历固定床固定床、鼓泡流态化鼓泡流态化、湍流流态化湍流流态化、快速快速流态化流态化及及气力输送气力输送状态。状态。返回返回(一)最小流化速度和鼓泡流化床阶段(一)
3、最小流化速度和鼓泡流化床阶段n最小流化速度也叫最小流化速度也叫临界流化速度临界流化速度,是床层从固定床转变到流化床的,是床层从固定床转变到流化床的气体流速。此时,流体流过床层的压降与单位床截面上床层颗粒质气体流速。此时,流体流过床层的压降与单位床截面上床层颗粒质量相等,即床层颗粒全部由向上流过的气体的升举力所承托。量相等,即床层颗粒全部由向上流过的气体的升举力所承托。n处于流态化的床层可以像流体一样具有流动性。处于流态化的床层可以像流体一样具有流动性。n最小流化速度可以根据有关理论公式计算,也可根据实际测量得到最小流化速度可以根据有关理论公式计算,也可根据实际测量得到n公式方法有多种,最常用的
4、是根据公式方法有多种,最常用的是根据Ergun公式公式来确定:来确定:Ergun根据大根据大量实验得出了固定床压降经验关联式,在由固定床向流化床转变的临量实验得出了固定床压降经验关联式,在由固定床向流化床转变的临界点,该公式仍然适用。另外,在临界流化状态时根据受力分析床层界点,该公式仍然适用。另外,在临界流化状态时根据受力分析床层压降应该等于床层重量,两式联立可以解出临界流化速度。压降应该等于床层重量,两式联立可以解出临界流化速度。n在公式中需要确定床层的临界孔隙率,该值可通过实验方法确定。在公式中需要确定床层的临界孔隙率,该值可通过实验方法确定。n对于宽筛分颗粒,在公式中的粒径采用平均粒径。
5、对于宽筛分颗粒,在公式中的粒径采用平均粒径。n如由实验方法确定,需要做出固定床压降与气体流速的关系。对如由实验方法确定,需要做出固定床压降与气体流速的关系。对于单一粒径颗粒组成的床层,其最小流化速度的确定如图所示于单一粒径颗粒组成的床层,其最小流化速度的确定如图所示n对于宽筛分颗粒组成的床层,床层压降随气体流速的变化关系与对于宽筛分颗粒组成的床层,床层压降随气体流速的变化关系与单一粒径颗粒时有所差别,此时临界流化速度确定方法见图。单一粒径颗粒时有所差别,此时临界流化速度确定方法见图。n当气体流速大于最小流化速度时,床层进入鼓泡当气体流速大于最小流化速度时,床层进入鼓泡流态化阶段。床内有流态化阶
6、段。床内有气泡相气泡相和和乳化相乳化相两种形态。两种形态。高于最小流化的那部分气体以气泡的形式通过床高于最小流化的那部分气体以气泡的形式通过床层,床层的平均孔隙率增大。气速越高,气泡造层,床层的平均孔隙率增大。气速越高,气泡造成的床层扰动也越强烈,床层压降波动加剧,床成的床层扰动也越强烈,床层压降波动加剧,床层表面起伏明显。层表面起伏明显。n在鼓泡流化床状态中,在鼓泡流化床状态中,气泡的存在对床内的气固气泡的存在对床内的气固两相流体动力学特性、传热传质特性以及化学反两相流体动力学特性、传热传质特性以及化学反应特性具有直接的影响应特性具有直接的影响。研究气泡的形状、尺寸、。研究气泡的形状、尺寸、
7、上升速度、气泡的生成速度以及稳定性等对研究上升速度、气泡的生成速度以及稳定性等对研究流化床反应装置的工作特性具有非常重要的意义。流化床反应装置的工作特性具有非常重要的意义。n鼓泡流化床锅炉、循环流化床锅炉中的外置式换鼓泡流化床锅炉、循环流化床锅炉中的外置式换热器均工作在鼓泡流化床状态下。热器均工作在鼓泡流化床状态下。返回返回(二)湍流流化床阶段(二)湍流流化床阶段n在床层进入鼓泡流化床状态后,如果继续增加气体流速到某一值在床层进入鼓泡流化床状态后,如果继续增加气体流速到某一值后,床层进入湍流流态化阶段。此时,床内气泡直径较小,数量后,床层进入湍流流态化阶段。此时,床内气泡直径较小,数量较多,气
8、泡边界较为模糊或不规则。较多,气泡边界较为模糊或不规则。n在湍流流态化阶段,气固混合与接触比鼓泡流化床更强烈,流化在湍流流态化阶段,气固混合与接触比鼓泡流化床更强烈,流化质量更好,床层表面起伏较小。质量更好,床层表面起伏较小。n鼓泡流化床与湍流流化床的界限划分并不是很明确。鼓泡流化床与湍流流化床的界限划分并不是很明确。返回返回(三)快速流化床阶段(三)快速流化床阶段n对于细颗粒流化床(颗粒均径在对于细颗粒流化床(颗粒均径在20-100微米,气固密度差小于微米,气固密度差小于1400kg/m3),当气速继续增加到颗粒终端(沉降)速度后,湍流流),当气速继续增加到颗粒终端(沉降)速度后,湍流流态化
9、会进一步发展进入快速流态化阶段。态化会进一步发展进入快速流态化阶段。n颗粒在静止流体中以初速度为颗粒在静止流体中以初速度为0做自由下落,当下落速度增至某一数值做自由下落,当下落速度增至某一数值时,颗粒所受重力、阻力和浮力之间达到平衡,此后颗粒以允速向下运时,颗粒所受重力、阻力和浮力之间达到平衡,此后颗粒以允速向下运动,该速度便称为动,该速度便称为颗粒沉降速度颗粒沉降速度。n若颗粒处于垂直向上气流中,当流速等于颗粒沉降速度时颗粒处于悬浮若颗粒处于垂直向上气流中,当流速等于颗粒沉降速度时颗粒处于悬浮状态,若流速大于颗粒沉降速度,颗粒将被气流携带向上运动。状态,若流速大于颗粒沉降速度,颗粒将被气流携
10、带向上运动。n颗粒沉降速度可通过实验或经验公式确定。颗粒沉降速度可通过实验或经验公式确定。n在快速流态化阶段,颗粒带出量大增,必须连续不断地向床层底部在快速流态化阶段,颗粒带出量大增,必须连续不断地向床层底部补充与带出速率相同质量的颗粒,才能形成稳定的快速流态化状态。补充与带出速率相同质量的颗粒,才能形成稳定的快速流态化状态。n在快速流态化状态,密相区与稀相区床层界面不再明晰。由鼓泡床在快速流态化状态,密相区与稀相区床层界面不再明晰。由鼓泡床中的固相为连续相、气泡为离散相变为气相为连续相,以絮状结构中的固相为连续相、气泡为离散相变为气相为连续相,以絮状结构存在的颗粒团为离散相。存在的颗粒团为离
11、散相。n快速流态化中床上部的固体颗粒浓度相比鼓泡床大大增加,快速流态化中床上部的固体颗粒浓度相比鼓泡床大大增加,因此提高了上部空间的利用效率,对反应装置的大型化带来因此提高了上部空间的利用效率,对反应装置的大型化带来了很大的优势。处于快速流态化状态下的流化床也称循环流了很大的优势。处于快速流态化状态下的流化床也称循环流化床。化床。n实现快速流态化必须满足实现快速流态化必须满足三个条件三个条件:运行风速大于颗粒的终:运行风速大于颗粒的终端沉降速度;有足够大的颗粒循环速率;有合适的颗粒物性端沉降速度;有足够大的颗粒循环速率;有合适的颗粒物性和床层结构。和床层结构。返回返回(四)气力输送阶段(四)气
12、力输送阶段n气力输送状态的产生条件从气流速度上与快速流态化状态没有本质的气力输送状态的产生条件从气流速度上与快速流态化状态没有本质的差别,都是大于颗粒的终端沉降速度。两者产生条件的差别在于床层差别,都是大于颗粒的终端沉降速度。两者产生条件的差别在于床层底部的颗粒存料量及物料循环量。如果颗粒底部的存料量较多、物料底部的颗粒存料量及物料循环量。如果颗粒底部的存料量较多、物料循环量较大,则处于快速流态化状态;如果没有存料量、物料循环量循环量较大,则处于快速流态化状态;如果没有存料量、物料循环量较小,进入床层的颗粒全部被带走,则处于气力输送状态。较小,进入床层的颗粒全部被带走,则处于气力输送状态。n但
13、颗粒在床内的运动状态,两者截然不同。快速流态化中,絮状颗粒但颗粒在床内的运动状态,两者截然不同。快速流态化中,絮状颗粒团不断的在生成和破坏,颗粒的返混量很大,气固之间有很高的气固团不断的在生成和破坏,颗粒的返混量很大,气固之间有很高的气固滑移速度;气力输送状态时,颗粒几乎没有返混,气固之间的两相滑滑移速度;气力输送状态时,颗粒几乎没有返混,气固之间的两相滑移速度也几乎为零。移速度也几乎为零。返回返回二、循环流化床燃烧原理二、循环流化床燃烧原理n燃料在处于循环流化床状燃料在处于循环流化床状态下的燃烧称为态下的燃烧称为循环流化循环流化床燃烧床燃烧,其主要特征为携,其主要特征为携带燃料的大量高温固体
14、颗带燃料的大量高温固体颗粒物料边循环流动边燃烧。粒物料边循环流动边燃烧。n采用循环流化床燃烧方式采用循环流化床燃烧方式的锅炉称为的锅炉称为循环流化床锅循环流化床锅炉炉,其燃烧系统结构如图,其燃烧系统结构如图所示。所示。n主要由惰性固体颗粒组成的物主要由惰性固体颗粒组成的物料在气流的作用下在炉膛内处料在气流的作用下在炉膛内处于快速流态化状态,并进行燃于快速流态化状态,并进行燃烧;烧;n被带出炉膛的颗粒绝大部分被被带出炉膛的颗粒绝大部分被分离器分离下来,经由回料机分离器分离下来,经由回料机构返回炉膛底部,其中的可燃构返回炉膛底部,其中的可燃部分继续燃烧;部分继续燃烧;n烟气从分离器出来后进入尾部烟
15、气从分离器出来后进入尾部对流换热面对流换热面返回返回三、循环流化床锅炉的主要优点三、循环流化床锅炉的主要优点CFB 锅炉的主要优点包括锅炉的主要优点包括燃料适应性好燃料适应性好、燃烧效率高燃烧效率高、流化床内的传热过程强度高流化床内的传热过程强度高、容易实现低污染燃烧容易实现低污染燃烧、锅锅炉设备占地面积少炉设备占地面积少、负荷调节性能好负荷调节性能好、灰渣综合利用性灰渣综合利用性能好能好等。等。返回返回1)燃料适应性好。燃料适应性好。炉料中炉料中95%左右为惰性颗粒,如灰渣或石英砂,只有左右为惰性颗粒,如灰渣或石英砂,只有5%左右为可燃的燃料。因此,炉膛蓄热量大,燃料左右为可燃的燃料。因此,
16、炉膛蓄热量大,燃料的燃烧条件好,对燃料种类的适应性好。的燃烧条件好,对燃料种类的适应性好。可以使用劣质煤、煤矸石、油页岩、石油焦、生物质可以使用劣质煤、煤矸石、油页岩、石油焦、生物质以及各种垃圾等燃料。以及各种垃圾等燃料。循环流化床锅炉燃料适应性好的特点是相对的。根据循环流化床锅炉燃料适应性好的特点是相对的。根据某一特定燃料设计的锅炉也并不能高效地去燃用其它某一特定燃料设计的锅炉也并不能高效地去燃用其它性质相差较大的燃料。性质相差较大的燃料。返回返回2)燃烧效率高。燃烧效率高。大量高温惰性床料再加上一次未燃尽燃料的循环燃烧,大量高温惰性床料再加上一次未燃尽燃料的循环燃烧,使得锅炉燃烧效率很高,
17、可达使得锅炉燃烧效率很高,可达99%以上。与煤粉炉相以上。与煤粉炉相当,高于鼓泡床锅炉。当,高于鼓泡床锅炉。返回返回(3)流化床内的传热过程强度较高流化床内的传热过程强度较高。一般在一般在150-450w/(m2.K)范围内,这使得炉内的传范围内,这使得炉内的传热面积可以减少。但由于磨损的问题,一般受热面的热面积可以减少。但由于磨损的问题,一般受热面的金属消耗量并不比同容量的煤粉锅炉低,甚至还要略金属消耗量并不比同容量的煤粉锅炉低,甚至还要略高。高。返回返回(4)容易实现低污染燃烧。容易实现低污染燃烧。炉内燃烧温度一般为炉内燃烧温度一般为850-950度左右,处于低温燃烧度左右,处于低温燃烧状
18、态,因此有利于燃烧污染物的控制。相比传统煤粉状态,因此有利于燃烧污染物的控制。相比传统煤粉炉的高温燃烧,较低的燃烧温度加上分级燃烧的组织炉的高温燃烧,较低的燃烧温度加上分级燃烧的组织可以减少氮氧化物排放的一半以上。可以减少氮氧化物排放的一半以上。低温燃烧的条件适合直接在炉内添加石灰石脱硫剂,低温燃烧的条件适合直接在炉内添加石灰石脱硫剂,从而实现了燃烧过程中的脱硫。相比煤粉炉的尾部烟从而实现了燃烧过程中的脱硫。相比煤粉炉的尾部烟气脱硫,设备投资、运行费用及运行管理等都要好的气脱硫,设备投资、运行费用及运行管理等都要好的多。多。返回返回(5)锅炉设备占地面积少。锅炉设备占地面积少。由于流化床锅炉对
19、燃料粒径的要求为由于流化床锅炉对燃料粒径的要求为0-13mm范围,范围,因此不需要煤粉炉那样庞大的制粉系统。另外也不需因此不需要煤粉炉那样庞大的制粉系统。另外也不需要单独的脱硫系统,因此占地面积相对较少。要单独的脱硫系统,因此占地面积相对较少。返回返回(6)负荷变化范围大,锅炉调节特性好。负荷变化范围大,锅炉调节特性好。由于炉内具有很大的蓄热量,因此锅炉可以通过调整由于炉内具有很大的蓄热量,因此锅炉可以通过调整燃煤量、送风量、飞灰循环量和床层厚度等措施在较燃煤量、送风量、飞灰循环量和床层厚度等措施在较低的负荷下实现稳定的运行。低的负荷下实现稳定的运行。返回返回(7)流化床锅炉的灰渣综合利用性能
20、好。流化床锅炉的灰渣综合利用性能好。因为该炉渣是低温烧透得到的,炉渣活性好,可以用因为该炉渣是低温烧透得到的,炉渣活性好,可以用来做建筑材料。来做建筑材料。返回返回四、循环流化床锅炉的存在问题四、循环流化床锅炉的存在问题(1)飞灰含碳量仍比煤粉炉要高。)飞灰含碳量仍比煤粉炉要高。(2)对固体颗粒分离设备的效率、耐高温以及耐磨性能要求较高)对固体颗粒分离设备的效率、耐高温以及耐磨性能要求较高(3)锅炉系统烟风阻力较大,一次风的压头要求较高,需要采用高)锅炉系统烟风阻力较大,一次风的压头要求较高,需要采用高压风机,因此厂用电消耗量较高。压风机,因此厂用电消耗量较高。(4)锅炉受热面磨损严重,影响了
21、锅炉运行的安全性和可靠性。)锅炉受热面磨损严重,影响了锅炉运行的安全性和可靠性。(5)燃烧控制系统比较复杂,运行技术也与煤粉炉有很大的差别。)燃烧控制系统比较复杂,运行技术也与煤粉炉有很大的差别。(6)燃烧过程中的)燃烧过程中的N2O生成量较高。生成量较高。返回返回5.2 CFB锅炉的构成和类型锅炉的构成和类型一、一、循环流化床锅炉的构成循环流化床锅炉的构成二、二、循环流化床锅炉的类型循环流化床锅炉的类型返回返回一、循环流化床锅炉的构成一、循环流化床锅炉的构成n典型的带外置换热器的循环流化床锅炉系统构成如图所示。循环流化床典型的带外置换热器的循环流化床锅炉系统构成如图所示。循环流化床锅炉与常规
22、煤粉炉相比,差别在于燃烧系统部分,尾部对流受热面部分锅炉与常规煤粉炉相比,差别在于燃烧系统部分,尾部对流受热面部分基本相同。基本相同。n循环流化床锅炉的燃烧系统包括循环流化床锅炉的燃烧系统包括炉膛炉膛、布风板布风板、气固分离装置气固分离装置、飞灰回飞灰回送装置送装置等,有的炉型还包括等,有的炉型还包括外部流化床换热器外部流化床换热器。返回返回1、燃烧室(炉膛)、燃烧室(炉膛)n燃烧室是燃料燃烧的主要区域,该空间按照物料浓度高低可分为燃烧室是燃料燃烧的主要区域,该空间按照物料浓度高低可分为两部分,下部分为颗粒浓度较高的两部分,下部分为颗粒浓度较高的密相区密相区,上部分为颗粒浓度较,上部分为颗粒浓
23、度较低的低的稀相区稀相区。n密相区区域设置密相区区域设置飞灰回送返料口飞灰回送返料口、给煤口给煤口、排渣口排渣口等,同时也布等,同时也布置置部分受热面部分受热面。n稀相区区域布置有稀相区区域布置有二次风口二次风口、炉膛出口炉膛出口等,同时主要布置等,同时主要布置水冷壁水冷壁受热面受热面以及屏式以及屏式过热蒸汽受热面过热蒸汽受热面。返回返回2、布风板、布风板n布风板位于燃烧室的底部,将下部的风室与炉膛隔开。目前一般布风板位于燃烧室的底部,将下部的风室与炉膛隔开。目前一般布风板均采用布风板均采用水冷布风板水冷布风板。n布风板的作用主要有两个:一是对固体颗粒物料起支撑作用;二布风板的作用主要有两个:
24、一是对固体颗粒物料起支撑作用;二是通过它所具有的阻力来均布进入炉膛的一次风,从而使得床内是通过它所具有的阻力来均布进入炉膛的一次风,从而使得床内的固体颗粒能得到均匀的流化。的固体颗粒能得到均匀的流化。返回返回3、飞灰分离器、飞灰分离器n飞灰分离器是实现循环流化床燃烧的关键部件,可以将炉膛出口飞灰分离器是实现循环流化床燃烧的关键部件,可以将炉膛出口烟气流携带的固体颗粒中的绝大部分(烟气流携带的固体颗粒中的绝大部分(95%)分离下来,再通)分离下来,再通过返料器回送回炉膛内。过返料器回送回炉膛内。n常用的是常用的是旋风分离器旋风分离器,其它还有,其它还有U型槽型槽以及以及百叶窗百叶窗等类型惯性分等
25、类型惯性分离器。离器。返回返回4、飞灰回送装置、飞灰回送装置n也叫也叫返料器返料器,需要将分离下来的固体颗粒从压力较低的分离器出,需要将分离下来的固体颗粒从压力较低的分离器出口送回压力较高的炉膛内,并且同时防止燃烧室内的烟气反串进口送回压力较高的炉膛内,并且同时防止燃烧室内的烟气反串进入分离器中,这主要靠料腿内足够高度的物料来实现。另外返料入分离器中,这主要靠料腿内足够高度的物料来实现。另外返料器还需要能根据需要调整进入床内的返料量。器还需要能根据需要调整进入床内的返料量。n为了保证返料阀能在高温下正常工作,一般均采用非机械阀,靠为了保证返料阀能在高温下正常工作,一般均采用非机械阀,靠松动风和
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