能源转换与环境保护——浅谈循环流化床锅_电工文摘

能源转换与环境保护——浅谈循环流化床锅

点击数：7212 次录入时间：03-04 11:45:20 整理：http://www.55dianzi.com 电工文摘

2、一二次风比例
与鼓泡床相比，循环流化床锅炉炉膛上部燃烧分额增加，因此二次风比例也相应升高。一次风量约为燃料所需化学当量值60～80%，一次风主要起流化和下部密相区燃烧的作用。因为在炉膛下部区域燃料完全燃烧所需风量大于实际风量（一次风量），因此该区域通常处于还原性气氛。二次风口通常位于炉膛下部密相区以上，作为燃尽风并控制炉膛的深度分布均匀，尤其在锅炉启动阶段。当锅炉负荷增加时一次风比例增加，能够输送数量较大的高温物料到炉膛上部区域。
二次风另一重要作用是进行分级燃烧，即随着燃烧的进行逐步补充燃烧风以控制燃烧区域的风量，使处于还原性状态，这对于NOx排放的降低很有好处。
3、停留时间
停留时间是决定煤燃尽的一个重要参数。在炉膛上部区域，一方面挥发分已经析出，同时处于富氧状态，焦碳的燃烧主要发生在此。焦碳颗粒在炉膛截面中间向上运动，同时沿四壁往下流或者上下运动。这样焦碳颗粒在被夹带出炉膛前已在炉膛高度循环多次。因此对于大多数颗粒而言，在炉膛停留时间远大于以气速穿过炉膛所需要的时间。被夹带出炉膛的未燃尽焦碳颗粒进入旋风分离器并继续燃烧，粗颗粒被分离下来进入炉膛，细颗粒作为飞灰排入尾部烟道。
循环流化床与其他燃烧方式不同，它不要求所有送入的燃料在一次通过炉膛就实现完全燃烧。送入炉内的煤颗粒有粗有细，处于一定的粒度范围。其中凡终端速度小于气流速度的细小煤粒都将被气流吹走，带往旋风分离器。这部分颗粒中大于旋风分离器临界分离直径的煤粒被分离器捕获，经回料器送回炉内反复进行燃烧，因此只有粒径大于临界分离粒径和终端速度不大于气流速度的中
间尺寸煤粒，在炉内多次循环燃烧，而所有小于临界分离直径的煤粒则要求一次经过炉膛即能燃尽否则就会形成飞灰未完全燃烧损失，至于一切终端速度大于气流速度的粗大颗粒最终作为底渣排出炉膛。当然，由于前面提到的原因，粗颗粒在不断变成细颗粒，但是这部分细颗粒在床内已经停留很长时间，一般能保证燃尽。
4、旋风分离器
旋风分离器是循环流化床关键部位，也是循环流化床在结构上不同于煤粉炉的一个重要特征。由上图可以清楚看出，理想的旋风分离器设计应当保证其临界分离粒径不大于燃尽曲线与停留曲线的交点A所对应的粒径值，这样设计的旋风分离器就能保证飞出炉膛且不被分离器收集的细颗粒能够一次燃尽，而不能一次燃尽的粗颗粒能被收集而循环燃烧，从而也能得到燃尽的目的。旋风分离器的分离效率随风筒直径增大而下降。因此选取适当直径的旋风分离器并进行合理布置是循环流化床大型化过程中需要研究解决的问题。旋风分离器的设计一方面应保证分离器对细颗粒的分离以保证燃尽；另一方面还需要对分离器的布置进行考虑，为了降低成本和减少系统的复杂性，设计中总是尽可能采用大直径的旋风筒，直径为7～8米的旋风筒在循环流化床中已显示出可靠的运行性能。
5、燃煤的粒度
进入流化床的煤颗粒的粒度分布大约在0～8mm范围内，粒度对循环流化床燃烧和传热很重要。但是颗粒粒度的具体构成对燃烧和传热起着更重要的作用。进入循环流化床床内的颗粒大体可分为三种形式存在：一种是粗颗粒，主要在床内停留与燃烧，最终以底渣的形式排出炉外，一部分很细小的会逃离炉膛和旋风分离器作为飞灰排出（循环流化床锅炉飞灰份额大约在30～60%内，受粒度分布与性能影响）；第三部分在循环流化床床内循环燃烧直至磨细作为飞灰排除，粗大颗粒太多会降低传热并不能使流化不均。如果颗粒中构成循环灰的中等粒度颗粒很多且不易磨碎，由于在目前循环流化床锅炉设计运行中，一般都不排放循环灰，循环灰在炉内会越积越多，使床压升高，炉膛上部颗粒浓度升高,(正如在传热部分谈到的，颗粒浓度将极大的影响传热性能）使实际运行锅炉偏高设计值。因此适当选取颗

粒粒度对循环流化床锅炉流动、传热与燃烧非常重要。
6、流化风速和循环倍率
循环倍率是指循环灰质量与入炉煤质量之比。高循环倍率能强化燃烧与传热，使锅炉尺寸紧凑，钢材消耗量低，但与此同时风机消耗与受热面的磨损也增大。目前普遍认为循环风速应控制在4～6m/s范围内，高温分离的循环流化床循环倍率为30～35左右。
三、循环流化床燃烧方式的特点
循环流化床独特的燃烧方式带来了其他常规燃烧方式无法比拟的优点
1、燃料适应性广：燃料适应性广是循环流化床的一个突出优点，它能够烧常规煤粉炉无法烧的许多劣质燃料。
在循环流化床燃料按重量计只占灼热床料的1～3%，其余则是不可燃的固体颗粒（如脱硫剂、飞灰或砂等），循环流化床特殊的流体动力特性使得气固混合和固固混合进行得非常快，保证燃料充分燃烧。因此当燃料进入炉内后即被周围的高温床料加热至着火温度并发生燃烧。而与此同时，床层温度又没有显著的降低，只要燃料热值大于加热燃料本身和所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就能使循环流化床不需要辅助燃料即可燃用任何燃料。因此一台循环流化床在不需要大的改动条件下就可燃用范围很广的燃料。从普通的烟煤、无烟煤、褐煤到泥煤、矸石、油页岩、废木材、生活垃圾等等，可以说循环流化床为有效利用这些劣质燃料提供了一条很好的途径。
2、负荷调节闭和负荷调节快：循环流化床由于截面气速高和吸热容易控制，使得负荷调节很快。同时，由于大量惰性床料（吸附剂、沙子和灰渣）的存在，床内蓄热很大，使循环流化床锅炉在低负荷时也能保证锅炉稳定燃烧，从而使其负荷调节比可达3～4比1，这使得循环流化床作为调峰电厂具有特别的优势。
此外，前面提到的循环流化床燃烧方式带来的高燃烧效率，低温燃烧使其脱硫非常简便，且效率高同时NOx排放低等等，这些都为循环流化床的迅速发展创造了必要条件。
六、脱硫脱氮机理及其排放控制
二氧化硫和氮氧化物是大气污染的两种主要排放物。它们对人类健康和生态环境的一个主要危害是形成酸雨。二氧化硫和氮氧化物一经排入大气后，会在阳光的催化下与大气中的水蒸汽进行复杂的反应而形成酸性物质。这些酸性物质降至地面就形成酸雨。
一、脱硫机理及其排放控制
不同煤种的煤含硫差异很大，一般都在0.1～10%之间，并以三种形式存在于煤中,即黄铁矿硫，有机硫和硫酸盐硫，其中黄铁矿硫和有机矿硫是燃煤中SO2生成的主要来源。
1、so2的生成：燃煤给入循环流化床锅炉后，其中的硫份（黄铁矿硫和有机硫）首先被氧化生成SO2，其反应为：
S+O2== SO2+296KJ/mol
其中一部分SO2由于燃煤矿物质中会有CaO而具有自脱硫能力，能脱去部分的SO2
CaO+½ O2+SO2== CaSO4+486KJ/mol
部分SO2还会反应生成SO3
SO2+ ½ O2==SO3
但是，由于SO3的生成在高温高压下进行的更加活跃，一般情况下，在循环流化床中，由于反应温度控制的很低（850℃左右），SO3生成的速率很低，只有很少部分的SO2转化成SO3，SO2和SO3如果不经处理直接排入大气与空气中的水蒸汽反应，就会形成酸雨。
2、so2的固定：所谓SO2的固定是指将SO2由气态转入固态化合物中，从而能达到脱出SO2的目的，循环流化床采用向炉内添加石灰石颗粒的方法来脱除SO2,之所以采用石灰石很大的原因是世界上分布极广,蕴藏量极为丰富且价格相对低廉的矿物。
石灰石加入炉内后，首先发生煅烧反应：
CaCO3 == CaO+CO2－183KJ/mol
生成的CaO进一步与SO2反应，生成相对惰性和稳定的CaSO4固体
CaO+ SO2== CaSO3
CaSO3+ ½ O2== CaSO4
SO2+ ½ O2==SO3
CaO+SO3==CaSO4
反应的第二途径，即经过SO3的反应，只是在重金属盐作为催化剂时才发生反应。
3、石灰石的有效利用：1摩尔S反应需要1摩尔的Ca，将实际使用的石灰石中Ca摩尔数与煤中需要脱除S的摩尔数之比，称为钙硫摩尔比，用Ca/S表示。钙硫摩尔比越高，石灰石的利用率越低。
影响石灰石有效利用的一个重要因素是由于CaSO4生成后形成一层外壳，阻止了CaO与SO2的进一步反应。在煅烧反应时随着CO2的析出，吸收剂内部形成了许多孔隙，SO2会通过这些孔隙进到吸收剂内部与CaO反应。1摩尔CaCO4反应将生成1摩尔CaSO4，由于1摩尔CaCO4的体积为36.9cm3,而1摩尔CaSO4的体积为55.2cm3,因此CaO反应生成CaSO4后体积是膨胀的。在吸收剂内部有机会与SO2完全反应之前。吸收剂的孔隙及孔隙入口已经由于产物体积增大而被堵塞，使吸收剂表面形成一层CaSO4壳，阻止SO2继续与氧化碳反应，吸收剂只有一部分得到了利用。
这也就是鼓泡床加入石灰石脱硫时难以取得满意脱硫效率的原因。例如：对含硫5%的高硫煤，鼓泡床要达到80%的脱硫效果，所需要的钙硫摩尔比要达到3以上。为了提高吸收剂利用率，可以增加吸收剂的反应接触表面，这通常采用将吸收剂磨得更细来实现。但是，在鼓泡床中，颗粒太细会被直接吹出炉膛，吸收剂同样得不到有效利用。
在循环流化床锅炉中加入石灰石以后，由于旋风分离器的分离作用，吸收剂在床内反复循环利用，因此石灰石的粒度很细，从而有效地增加了吸收剂与SO2地接触面，同时生成的CaSO4保护膜也因为在床内不断磨损而不断剥离。使未反应的CaO继续与SO2反应，因此在循环流化床中，加入石灰石作为脱硫剂时，石灰石的利用率大大提高了。比如在循环流化床中，要得到90%以上的脱硫效果，当采用高活性的石灰石时，所需的Ca/S摩尔比在1.5～2.5范围。
4、影响脱硫效率的因素
4-1、吸收剂的反应活性：吸收剂的反应活性简单地来讲，是指吸收剂与SO2进行表面化学反应地难易程度。不同产地的石灰石在反应活性上有很大区别，因此在选择脱硫剂时，应对其化学反应性能进行分析，尽可能选取高反应活性的石灰石，以降低 Ca/S摩尔比。