对循环流化床锅炉的热动力学分析

摘要：循环流化床锅炉是八十年展起来的高效率、低污染和良好综合利用的燃煤技术，由于它在煤种适应性和变负荷能力以及污染物排放上具有的独特优势，使其得到迅速发展。循环流化床锅炉的原理及其脱硫工艺等加工技术的发展，带来了社会效益和经济效益。

关键词：热动力学；循环流化床；锅炉

中图分类号：TK22文献标识码： A

绪论   循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，是介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用。循环流化床锅炉是一种国际公认的洁净煤燃烧技术，以其燃料适应性广、脱硫效果好、NOx排放量低、负荷调节性能好等优点在我国燃煤电站中方兴未艾。我国循环流化床锅炉技术已步入世界先进水平，循环流化床锅炉总装机容量也居世界第一位，但是，我国锅炉的脱硫现状还不很乐观，脱硫系统的可用率、锅炉脱硫效率不高，因此循环流化床锅炉的应用加工还存在不少问题，离国际先进水平有一定差距。

循环流化床锅炉的特性  由于循环流化床内气、固两相混合物的热容量比单相烟气的热容量大几十倍甚至几百倍，循环流化床锅炉中燃料的着火、燃烧非常稳定。在床内沿炉膛高度所进行的燃烧和传热过程，基本上是在十分均匀的炉膛温度下(一般为850℃～900℃)进行的，从而可使循环流化床锅炉达到98%～99%的燃烧效率。在钙与燃料中的硫摩尔比为115～215的情况下可以达到90% 以上的脱硫效率。由于循环流化床锅炉是低温燃烧，而且燃烧过程是在整个炉膛高度上进行的，所以可以方便地组织分级燃烧，因而可以有效地抑制NOx的生成，降低NOx的排放。由于炉内气、固两相流对受热面的传热是在整个炉膛内进行的，不需在床内布置埋管受热面，因而完全避免了埋管的磨损问题。而布置在炉膛出口外的高效分离器可将大部分固体颗粒从烟气中分离出来，大大减少了尾部烟道中烟气的粉尘浓度，减少了尾部受热面的磨损。

（1）燃料适应性强，由于循环流化床中的燃料仅占床料的1%－3%，不需要辅助燃料而燃用任何燃料，可以燃用各种劣质煤及其它可燃物，特别包括煤矸石、高硫煤、高灰煤、高水分煤、煤泥、垃圾等，可以解决令人头疼的环境污染问题。（2）燃烧效率高，循环流化床比鼓泡床流化床燃烧效率高，燃烧效率通常在97%以上，基本与煤粉相当。（3）脱硫率高，循环流化床的脱硫方式是最经济的方式之一，其脱硫率可以达到90%。（4）氮氧化物排放低，这是循环流化床另外一个非常吸引人的特点，其主要原因是：一低温燃烧，燃烧温度一般控制在850－900℃之间，空气中的氮氮一般不会生成NOx；二分段燃烧，抑制氮转化为NOx，并使部分已生成的NOx得到还原。（5）燃烧强度高，炉膛截面积小，负荷调节范围大，调节速度快。（6）易于实现灰渣综合利用，由于其灰渣含炭量较低，属于低温烧透，有着更大的利用价值。（7）燃料预处理系统简单，破碎系统比煤粉炉更为简化。

三、循环流化床锅炉的燃烧加工1.脱硫循环流化床锅炉的脱硫原理是在燃烧中加入适当比例和颗粒度的石灰石，与燃料一起进行循环燃烧。加入的石灰石在炉内循环时间长，使石灰石磨得非常细的时候才会从分离器中飞到后面去。循环流化床锅炉的燃烧温度是900 ℃左右，这一温度既能抑制二氧化硫的生成，又使石灰石能充分分解。2.煤粒燃烧

煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热，首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发份析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥发份析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。 3.燃料着火

流化床内燃料着火的方式，固体质点表面温度起着关键作用，是产生着火的点灶热源，这类固体近质点可以是细煤粒，也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。当固体质点表面温度上升时，煤颗粒会出现迅猛着火。另外，颗粒直径大小对着火也有很大的影响，对一定反应能力的煤种，在一定的温度水平之下，有一临界的着火粒径，小于这个颗粒直径，因为散热损失过大，燃料颗粒就不能着火，逸出炉膛。

   4.煤粒的破碎特性

煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。煤粒进入流化床内时，受到炽热床料的加热，水份蒸发，当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发份反应，对于高挥发份的煤种，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，颗粒内部产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎；对低挥发份煤种，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出，因此颗粒内部也会产生较高的压力，另外，由于高温颗粒群的挤压，颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力，这种热应力都会引起煤颗粒破碎。煤粒破碎后会形成大量的细小粒子，特别是一些可扬析粒子会影响锅炉的燃烧效率。细煤粒一般会逃离旋风分离器，成为不完全燃烧损失的主要部分。破碎分为一级破碎和二级破碎，一级破碎是由于挥发份逸出产生的压力和孔隙网络中挥发份压力增加而引起的。二破碎是由于作为颗粒的联结体——形状不规则的联结“骨架”（类似于网络结构）被烧断而引起的破碎。煤的破碎发生的同时也会发生颗粒的膨胀，煤的结构将发生很大的变化。一般破碎和膨胀受下列因素的影响：挥发份析出量；在挥发份析出时，碳水化合物形成的平均质量；颗粒直径；床温；在煤结构中有效的孔隙数量；母粒的孔隙结构等。四、循环硫化床锅炉运转存在的问题 由于循环流化床锅炉炉膛没有设置埋管，不存在磨管现象。也不存在点火时有一部分热量被水冷系统带走的问题，点火启动，停炉都比较方便。由于循环燃烧使它的炉渣几乎不含碳，呈黄褐色小颗粒，可以作为水泥制品的掺和料。并相对减少了总出渣量。

1.常见问题：（1）炉蒸发量不到设计的额定值；（2）高温分离器和物料返送器内结焦；（3）耐火材料和受热面磨损；（4）锅炉排烟温度偏高。2.防控技术要点： （1）对于流化不良：

a.保证布风板风帽小孔的畅通，把风帽小孔及床面清理干净；b.一次风量必需大于临界流化风量；c.控制升温速度，防止炉内耐磨耐火材料脱落堵塞风帽；d.控制燃煤中矸石及铁块的含量，定期将大颗粒物料排除，确保流化良好。

（2）超温结焦预防控制：

a.控制合理的床压，防止燃煤直接接触风帽造成燃煤堆积爆燃超温结焦；b.点火启动阶段，控制合理油枪配风，保证燃油完全燃烧，避免未燃尽油雾沾附在煤粒上造成结焦。

(3)两床失稳预防控制：

a.运行中给煤、返料量、排渣控制合理，保证两侧床压一致;b.给煤量调整时应将各点给煤均匀，使燃煤在整个床面分布均匀;c.炉膛两侧外置床返料量调整基本一致，避免因为返料量偏差而产生床温床压偏差;d.调整炉膛两侧风量及给煤量，使两侧床温及一次风量均衡。五、结束语循环流化床燃烧技术是一种高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程，它有排污少，锅炉负荷适应性好、燃料适应性广、燃烧效率高以及环境污染少等优点。企业采用流态化循环燃烧，通过提高其燃煤效率进而简化其工作地流程，大大的提高的企业的工作效率。我国现在二氧化硫产生的酸雨已严重危害着环境，一般工业锅炉配套的脱硫设备不但投资较大，而且脱硫效果也不尽人意。若采用循环流化床锅炉，这一问题也能得到较好地解决。循环流化床锅炉因它结构所决定的节能和环保上的优势，应该得到广泛的应用。

参考文献：

[1]阎维平.锅炉原理.北京：中国电力出版社.2004

[2]张孝勇.锅炉安装调试运行维护实用手册.北京：地震出版社.1999

[3]高贵君. 对循环流化床锅炉运转的热动力学分析[J]. 科技与企业,2013,16