流化床基础知识..
辅助教材（二）循环流化床专题知识锅炉设备及运行
目录
第一讲：循环流化床锅炉及其优缺点 (3)
第二讲：CFB的空气和烟气量 (7)
第三讲CFB的热损失 (8)
第四讲炉膛及传热 (9)
第五讲床温 (10)
第六讲床压 (11)
第七讲给煤系统 (11)
第八讲风系统 (12)
第九讲石灰石系统 (13)
第十讲渣系统 (14)
第十一讲炉内耐火、耐磨和保温材料 (15)
第十二讲锅炉的启动、运行及停运 (16)
第一讲：循环流化床锅炉及其优缺点
一.流化床锅炉（CFB）
1.流化：
（1）颗粒分类：
C类颗粒：颗粒的粒度很细，一般d＜20μm，颗粒间互相作用力很大，属难以流化的颗粒。因此气流通过此床层时，往往会出现沟流现象。
A类颗粒：颗粒的粒度较细，d = 20～90μm，如化工流化床常用的催化裂化剂，这类颗粒通常很容易流化，并且从开始流化到开始形成气泡之间一段很宽的气速范围内，床层能均匀散式膨胀（粒子均为分散）。
B类颗粒：中等颗粒，d =90～650μm，具有良好的流化性能，此种颗粒在流化速度达到临界流速时即发生鼓泡现象，循环流化床锅炉启动时常用的沙子就属于此类颗粒。
D类颗粒：这种颗粒具有较大的粒度和密度，颗粒的范围较大，属于宽筛分，大部分燃煤流化床锅炉的炉内颗粒属于此类。（ABC类均属窄筛分）。
（2）流态化：当流体向上流过具有一定粒径的颗粒床层时，床层的运动状态随流体的流速的变化而改变：
①当流体的流速较低时，颗粒静止不动，流体只能从颗粒之间的缝隙中通过，所有颗粒互相接触，并座落在布风板上，这就是固定床；
②当流体的流速增加到某一速度后，所有颗粒不再由布风板支持，而全部由流体的摩擦力承托。对单个颗粒而言，它不再依靠与其相邻的颗粒接触而维持它的空间位置，相反在失去了机械支撑后，每个颗粒可以在床层中自由运动。就整个床层而言，无数个自由运动的颗粒组成的床层具有了许多类似流体的性质，这种状态称为流态化。
（3）临界流化速度：颗粒床层从静止状态变成流态化时的最小速度。
（4）流态化的类型：
①散式流态化：一般液固两相流的流态化就属于散式流态化，颗粒均匀分布于床层中。
②聚式流态化：气固两相流的流态化就属于聚式流态化，颗粒并不是均匀地流过床层，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，颗粒被分成群体做喘流运动，床层中的空隙率随时间和位置不同而变化，就称为聚式流态化，燃煤锅炉的流态化就属于这种流态化。
（5）流态化类似流体的性质主要有：
①在任何一高度的静压近似等于此高度以上单位截面上固体颗粒的重量。（床压是反映炉内存料量的唯一指标，上、中、下三组测压点相距2米，下层床压与中层床压的差值应同中层床压与上层床压的差值近似相等，若三层床压差值相差过大，说明床料粒度过粗；若三层床压近似相等，说明床料粒度过细。）
②无论床层如何倾斜，床层的表层总是保持水平的，床层的形状也保持容器的形状，当停止供风时，床层静止后如水面一样平。以此可判断布风板的布风是否均匀以及床层底部是否有大颗粒的堆积。
床内固体颗粒可以象流体一样从底部或侧面的孔排出。
③密度高于床层表观密度的固体颗粒在床内会下沉，密度小于床层表观密度的固体颗粒会浮在床面上（假设气体流速为5m/s时，刚好能使d=1mm、ρ=2000Kg/m3粒子流化，那么ρ=2000Kg/m3就称为此时的表观密度）。所以应控制大于表观密度的固体颗粒进入炉膛。
④炉内颗粒混合良好。因此当加热床层时，整个床层的温度基本是均匀的。
（6）异常的流化状态：
①气泡过大：含气泡是气体流化床的基本特性，但气泡过大或过于集中向上涌时，床层表面会出现大的波浪起伏，运行不稳定，因此是一种异常的流化状态。引起气泡过大和分布不均匀的因素有：a.床层太薄；b.布风板结构不良；c.床料颗粒过大；d.表观速度过高。
②当气泡直径大到接近床层宽度尺寸时，床层被大气泡分隔成几段并形成气塞，在大气泡之间的颗粒层将以活塞的形式向上运动，达到一定高度后，颗粒层崩裂成单个颗粒或较小的颗粒团，此时大颗粒和颗粒团将穿过上升的气流，象雨淋般的下落，而较小的颗粒工颗粒团则被气流带走，这种现象称节涌。发生节涌时能听到“扑通”声。节涌现象将造成沿炉膛高度床料分布不均，而且引起床层阻力的激烈波动，能量损失很大，飞灰增加，影响流化和燃烧的稳定性。这种现象如不及时处理，将导致大颗粒底料沉积面结焦。造成节涌的原因与气泡过大是相同的，因为，节涌是气泡过大的进一步发展。
③沟流：在空气速度未达到临界流化速度，整个床层处于固定床时，大量气体有可能从床层阻力最小的“沟道”穿过，这种现象称沟流或局部穿孔。沟流分贯穿沟流和局部沟流两种。
贯穿沟流沟道自下而上贯穿整个床层，这时风速增加到超过正常的临界流化速度床层也不流化。
局部沟流：沟道未贯通的部分仍然可以流化。
产生沟流的原因有：a.床层过薄；b.布风板结构不良，布风不均匀；c.颗粒组成不均匀。局部或大部分床层的大颗粒堆积，多出现在风速较低时，如启动和压火。因此，在空床启动时，最好采用送风后添加床料的方式，以避免沟流现象的发生。（底料≤0.6mm、炉渣≤0.3mm）；d.分层：由于流化床燃用的是宽筛分的燃料，颗粒的粒径粗，差值大，而且配比又不一定合适，特别是在燃料中还混有少量大块的石头，或粒径虽然不大但密度很大的金属，因此在这种床料的流化过程中，特别是表观速度较低时，往往出现细粒子在上面，粗粒子和重粒子在下面的现象，这种现象叫分层。在分层比较严重时甚至会出现一种难以察觉
到的假沸腾现象——细粒子在上面流化的很好，有明显的波浪，而大颗粒沉入底部，仅作轻微的跳动或似动非动的状态，这时如不及时处理，则产生结焦而被迫停炉。产生分层流化的原因是床料的粒度粗且在底部堆积以及表观速度低，特别是大渣堆积的区域，阻力大，表观速度更低。
判断大渣的堆积主要有两点：a.床压：如某处堆积，该处床压不波动甚至到零；b.下部床温：如果下部床温不断下降，则说明出现了大渣堆积。解决办法：排除大渣和提高表观速度。
（7）CFB不同区域中固体颗粒所处的流动状态：
2.循环：
（1）名词解释：
①颗粒终端速度：a.当一个颗粒在无限静止的介质中，在重力的作用下作自由落体运动时，颗粒在重
力的作用下加速，而浮力和流体的摩擦力则阻碍其加速，当颗粒加速直至达到一稳定速度时，该速度称为该颗粒的终端速度。b. 对于一定密度和一定颗粒的固体粒子，能把它带到任一高度的最小速度叫颗粒的终端速度。
②表观（流化、运行、操作）速度：
W=V/F m/s：
V——气体流量（不包括固体颗粒所占的体积）m3/s：
F——炉膛横截面积m2
③杨析：当气流穿过由各种颗粒组成的流化床层时，一些终端速度小于床层表观速度的细粒子，将陆续被上升气流带走，这一过程称为杨析。
④夹带：燃煤流化床锅炉是典型的聚式流化系统，床内存在着大量的气泡，由于气泡在床层表面爆破
而将许多粒子抛掷向上，并被上升气流夹带上行，其中一些终端速度大于表观速度的粒子，经过一定的分离高度后将陆续返回床层或被带出炉膛，称为夹带。
产生夹带的原因：a.由于气泡内的压力高于床层表面压力，当气泡到达床层表面时因破裂将气泡顶部的一层颗粒喷入悬浮空间内；b.由于气泡的尾涡夹带着相对滞后的颗粒群与周围气泡一起以比周围介质高的速度上升，气泡到达床层表面爆破后，这部分尾涡颗粒被抛到自由空间；c.对于两个处于纵向合力的气泡，当其上部气泡逸出床层表面爆破后，下部气泡尾涡颗粒也抛至自由空间。
对于燃煤的CFB，密相区处于聚式喘流流化的状态，因此存在大量气泡，在气泡上升至床层表面爆破时，将大量的终端速度大于表观速度的粒子抛掷向上至自由空间，在重力的作用下，经过一定的高度后粒子将陆续返回床层，对相同密度的粒子，粒径越大，上升的高度越低，因此随高度增加，颗粒的滞留量（固气比）逐渐减小。只有那些终端速度低于表观速度的粒子才能被带到任意高度，因此存在一个输送分离高度TDH，在此高度以上，气流中的粒子浓度将不再变化。
对于燃用宽筛分燃料的CFB，其炉膛出口高度通常低于TDH，因此进入分离器的粒子，杨析和夹带粒子共存（但杨析量要多的多）。
⑤颗粒团：由于细粒子的表面能较大，若干个细粒子粘合在一起，形成颗粒团，颗粒团不断的形成，也不断的解体。
⑥固气比：在标准状况下，单位体积的气体含固体粒子的重量。Kg/Nm3。
⑦空隙率：流体所占的体积v g与整个两相流流体总体积v m之比。
g = v g / v m
（2）内循环：
①终端速度大于表观速度的粒子将沿炉膛四壁不同高度返回床层，粒子越大，飞的越低。
②大量终端速度小于表观速度的粒子不断的相互碰撞，形成颗粒团；终端速度大于表观速度的颗粒团
也将沿炉膛四壁返回床层。因此对于终端速度大于表观速度的粒子和颗粒团，在气固两相流的上升过程中，陆续的沿炉膛四壁返回床层，这一过程称为内循环。
在CFB中，气流速度是不均匀的，总的说来，壁面因存在摩擦，所以气流上升速度较小；而炉膛中部上升气流速度较大，床料被中部高速气流带走，然后大颗粒的粒子，沿炉壁四周下降。沿炉壁四周下降的粒子与上升的气流混合，在固体颗粒的带动下，近壁气流也会向下流。床料颗粒的内循环的运行结果造成了纵向大规模的混合，称为返混。
（3）外循环：
①对于终端速度小于表观速度的粒子和颗粒团被气流以杨析的形式带出炉膛。
②对于一些终端速度大于表观速度的粒子和颗粒团被气流以夹带的形式带出炉膛。
被烟气以杨析和夹带的形式带出炉膛的粒子和颗粒团，进入分离器进行离心分离，分离下来的粒子经回料腿和回料阀返回炉膛，这一过程称为外循环。没有分离下来的粒子随烟气进入尾部烟道，以飞灰的形式排除炉膛。
（4）循环倍率K
K= 内外循环的燃料量G÷给入的燃料量g1（g2 g3）
式中：g1=煤+石灰石K1=G/ g1
g2 =煤K2=G/ g2
g3=煤中灰+石灰石K3=G/ g3
K1＞K2＞K3
二．CFB的优缺点：
1.优点：
（1）燃料的适应性广，从广义上说，CFB可以燃用煤粉炉不能燃用的任何燃料：生活垃圾、石油焦、煤矸石；从狭义上说，燃料变化太大，会影响设备性能和寿命。所以燃料性质变化范围也是有限制的，但燃料性质允许变化范围较煤粉炉大。
（2）负荷调节比大：负荷调节比的大小主要取决于在不投油助燃的情况下，能保证燃料的燃烧和燃尽。对于CFB，在炉内存在着有较大蓄热量的床料，只要床温高于不同燃料的着火温度就可以保证燃料的燃烧稳定性。其稳定性决定了锅炉最低允许负荷（投煤温度：烟煤=600～650℃；贫煤650～700℃；无烟煤700～750℃）。
对于CFB，床温一般都高于炉膛出口烟气温度，负荷越低，两者差值越大。当负荷较低，虽然床温高于煤的着火温度，不至于造成炉膛灭火，但当炉膛出口烟气温度低于760℃，就不能保证炉膛上部碳粒子的燃尽，使飞灰含碳量增加。因为烟气中的碳粒子燃尽温度为750℃。大量的碳粒子在炉内积累过多，当条件满足时，可能产生爆燃，使床温突然升高，破坏锅炉的正常运行。因此锅炉最低允许负荷不仅取决于锅炉灭火，还应考虑碳的燃尽。
高挥发份的煤负荷调节比：30～100%B-MCR
低挥发份的煤负荷调节比：40（50）～100%B-MCR
（3）低污染排放：
低温燃烧：控制空气中的N→NO x
分级燃烧：控制燃料中的N→NO x
SO2控制：用石灰石分解后的C a O2脱硫，在850～900℃时脱硫效果最好。分级燃烧的配风应严格控制，否则对NO x的排放带来不利影响。
（4）灰渣综合利用。
（5）与鼓泡床相比锅炉效率高，但较煤粉炉低。
2.缺点
（1）金属耗用量大；
，（2）厂用电耗大；
（3）初投资大；
（4）磨损大。
第二讲：CFB的空气和烟气量
一. 理论空气量V0：
1kg或1Nm3的燃料燃烧时所需要的空气量称为理论空气量。
过剩空气系数α=V/V0V——实际空气量
由于+1/2O2→CASO4，故理论空气量V0↑
二. 烟气的容积：
1.三原子气体：由于添加石灰石，其受热后分解，额外的增加了烟气中的CO2，但SO2减少。
2.水蒸气容积：由于石灰石中含有水份，受热后变成水蒸气，额外的增加了水蒸气含量。因此，对同一种煤，CFB炉与煤粉炉相比，其烟气容积略有上升。
第三讲CFB的热损失
一. 排烟热损失q2：
由于利用石灰石脱硫，使烟气容积和理论空气量都略有上升，在α和排烟温度相同的条件下，q2略有上升。
二. 化学未完全燃烧损失q3：
由于燃料中的可燃气体（挥发份）在分离器中强烈的扰动、混合和燃烧，因此CFB未燃尽的可燃气体非常少（只有几个PPM），所以设计时取q3零。但是在CFB运行过程中还要控制CO的排放量，CO 的来源是沉积在尾部受热面积灰中C粒子缓慢氧化造成的，而未燃尽的碳的损失已计算在q4中。为保证CO不超标，往往用增加吹灰次数来实现。
三. 机械不完全燃烧损失q4：
燃料的燃尽程度主要取决于氧量和温度。在氧量充足的条件下，温度越高燃尽程度越高。由于CFB 采用低温燃烧，所以燃尽程度比煤粉炉差，而且飞灰的粒径粗，所以q4值比煤粉炉大。
四. 散热损失q5 ：
锅炉外表面对环境辐射造成散热损失。CFB外表面大，所以q5比煤粉炉大。
五. 灰渣物理热损失q6：
与煤的含灰量、灰的粒度组成、煤的破碎情况、煤的质量、石灰石量、石灰石的粒径和冷渣器的形式有关。
六. 热增益q7：
1.CaCO3和CO3分解时吸收热量：
CaCO3△+437.6Kcal/kg cao+co2↑吸热
Mgco5 △+283Kcal/kg mgo+ co2↑吸热
2.CaSO4（硫化反应）形成热量：
CaO3+SO2+1/2O2 △-3620Kcal/kg（6511BTV/1b）CaSO4放热
由于MgO硫化反应非常缓慢，脱硫反应不予考虑。
q7 =吸热－放热
注1：对于低硫燃料，其Ca/s比取大值。所以吸热＞放热，q7为正（热损失）。
注2：对于高硫燃料，其Ca/s比取小值。所以吸热＜放热，q7为负（热增益）。
总之，CFB的热效率比同煤种的煤粉炉低（约低0.5%）。
第四讲炉膛及传热
一. 炉膛尺寸的确定：
1.炉膛横截面积：F=V/W 式中：V—烟气量；W—烟气速度
W：美国PPC取4.8～5m/s；德国ALSTOM取5.4～6 m/s；FW取5.5～5.75m/s。
选择较高的流化速度，维持α不变的锅炉负荷范围扩大（即保证较高效率的范围扩大），因为必须保证流化速度W=2.5～3m/s。
2.横截面积宽深比的确定，主要考虑下列因素：
（1）布置足够多的受热面；
（2）二次风能够穿透气固两相流；
（3）给入的固体颗粒均匀扩散；
（4）与分离器相匹配。
3.炉高：炉高的确定应考虑不能使分离器捕捉下来的细粒子在炉内通过时一次燃尽，炉高常以细粒子在炉内的停留时间来确定，要求停留时间为4～5s，（t=H/W）。
4.炉膛开孔：主要开在密相区，密相区以上尽量避免开孔，以防磨损。
5.端部效应：
二. 传热：
1.对于煤粉炉，其炉内传热按纯辐射计算，因辐射换热与温度的四次方成正比，而且炉膛的温度特别高，因此辐射换热占绝对大的比例，烟气流动对流换热占的比例非常少，故忽略不计。
2.对于CFB炉，由于炉温控制在850～900℃的范围内，大大降低了辐射换热的能力，而烟气的流速虽然小于煤粉炉的烟气流速，但其对流换热占有一定比例，特别是内循环床料与水冷壁的接触对流换热占有一定比例，因此CFB炉内传热系数由辐射换热系数、烟气对流换热系数和颗粒的对流传热系数组成。后者很难区分，合为接触对流换热。
3.炉内受热面的传热系数K：
K=K1+K2
K1—辐射换热系数W/m2.℃
K2—气固两相流接触对流换热系数W/m2.℃（15～30%K）
由此可见CFB炉内保持一定量的粒径合格的床料的重要性。
三. 影响炉内传热的因素