1.3　循环流化床锅炉流动特性

循环流化床锅炉是一个床加一个循环闭路的装置系统。鼓泡床、湍流床和快速床是气固两相流动的流态。循环流化床锅炉中的气固两相流动状态是一个可以包括鼓泡流态化、湍流流态化、快速流态化的复合流态。但湍流床和快速床的流态只能在循环流化床系统中实现。因此循环流化床的显著特点是主循环回路是闭环系统。在这个闭环回路中，形成了宏观上的压力平衡和物质平衡。

1.3.1　压力平衡

典型的循环流化床的主循环回路由燃烧室、分离器、返料装置三部分组成，此回路保持压力平衡和物料平衡。

图1-11为循环流化床锅炉的循环系统压力变化图，其中图1-11（b）中的连线没有绝对意义。假设系统的每一部分都有它的特定压力特性，考虑整个系统的压力平衡：

Δpb+Δpsi+Δps+Δple+Δpleg+Δpls=0　　（1-24）

亦即：

Δpleg=-（Δpb+Δpsi+Δps+Δple+Δpls）　　（1-25）

式中　Δpb——炉膛压降，它随炉膛中的颗粒密度而变化，烟气流量和循环量对它产生直接影响，它的大小可根据炉膛内的平均密度按静压计算；

Δpsi——从炉膛出口到分离器进口的压力损失，当分离器形式一定时，尽管烟气量变化对它有一定影响，但同其他部分相比，此变化可忽略不计，其大小由沿程损失和局部损失两部分组成；

Δps——分离器下端阻力，由两部分组成，一部分是含尘气流沿旋风筒旋转流动产生的阻力损失，另一部分为流体密度和位差造成的压降；

Δple——料腿的无料部分压降；

Δpleg——料腿的有料压降，由于颗粒总是以密相充气或移动床运动，它的大小根据料腿物料高度按静压计算，是物料循环的主要推动力；

Δpls——回料阀阻力，它在料腿压降的作用下形成料封，防止烟气从返料回路反窜，阀的松动风必须设计得合理，尽量使料腿中的颗粒处于稳定的充气或移动床型式流动，才能有效地起到料封的作用，而且不影响循环量。

因此，循环流化床锅炉的稳定操作是自动调节完成的。当dpsi、dps、dple和dpleg一定时，床层压降dpb的变化直接影响dpleg亦即料腿料高。风量增加，炉膛内颗粒浓度、上部换热量和循环量增加，炉膛的压降也增加，这相当于图1-11（b）中的6点水平右移。由于4点基本不动，料腿中的物流空隙率也固定不变，此时料腿料高自动增加以维持压力平衡，5点的位置随之自动水平右移。也就是说，只要料腿和回料阀设计合理，循环系统就具有较好的自平衡调节能力。

1.3.2　两相流动

鼓泡流化床锅炉对应的是完整的鼓泡床流态，与之不同的是，循环流化床锅炉对应的是复合流态，其下部密相区为鼓泡床、湍流床或者快速床，而上部稀相区通常是快速床。快速流化床条件下，气固两相混合物的密度不单纯取决于表观气速，还与固体颗粒的质量流率有关。在一定的气流速度下，质量流率越大，则床料密度越大，固体颗粒的循环量越大，气固间的滑移速度也越大。

气固两相动力学的研究表明，固体颗粒的团聚和聚集作用，是循环流化床内颗粒运动的一个特点。细颗粒聚集成大颗粒团后，颗粒团重量增加，体积增大，有较高的自由沉降速度。在一定的气流速度下，大颗粒团不是被吹上去而是逆着气流向下运动。在下降过程中，气固间产生较大的相对速度，颗粒团被上升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成颗粒团，再沉降下来。这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程，促进了循环流化床内气固两相间产生强烈的热量和质量交换。由于颗粒团的沉降和边壁效应，在循环流化床内，炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动，相对较稀的气固两相则在炉膛中心向上运动，这样就产生了强烈的炉内循环运动，大大强化了炉内的传热和传质过程，使进入炉内的新鲜燃料颗粒在瞬间被加热到炉膛温度，并保证了整个炉膛内的温度场在纵向及横向都十分均匀［7］。

当循环流化床锅炉所用的燃料颗粒采用不均匀的宽筛分燃料颗粒时，就会出现这样的现象：相应于采用的表观气速，对于大尺寸的燃料颗粒，可能刚好超过输送速度，这时炉膛内就会出现下部是粗颗粒鼓泡床或湍流床，上部为细颗粒组成的快速床两者相叠加的状态。因此，循环流化床锅炉燃料颗粒的粒度分布对其运行具有重要影响。

1.3.3　物料平衡

在循环流化床锅炉内，高温固体物料沿一个封闭的回路循环流动，并将燃料燃烧释放的热量传递给受热面。循环流化床锅炉的技术核心是物料循环性能。而物料循环性能是由物料平衡决定的。

物料平衡指的是包括燃料灰分、焦炭、脱硫剂及添加剂在内的固体床料在炉膛、分离器和回料装置组成的系统中形成的动态平衡。由灰、焦炭及钙氧化物组成的固体床料不仅仅是循环介质，还发挥着更重要的作用：它是燃烧及脱硫等气固反应的参加者；它决定着轴向和径向热交换的情况；通过悬浮段的物料浓度决定着向受热面的传热量；它还是将热量由炉膛下部带到炉膛上部的载体。

循环流化床锅炉是一个由灰或脱硫用石灰石连续进料、底部排渣及分离器排料构成的“一进二出”的平衡系统。无论是石灰石添加物料，还是由燃料燃烧所形成的灰分均是由大小不均匀的宽筛分颗粒构成。循环流化床物料循环系统中物料可以从床下排出，亦可能从分离器出口逃逸。只有满足以下条件的物料才能在床内累积形成大的物料循环：相应的分离效率很高；且不能从排渣口大量排出；在对应的流化风速下又有足够高的夹带率。可以用保存效率来表示不同颗粒在炉膛内的累计效率。显然保存效率是由分离器效率和排渣效率决定的，见图1-12。循环流化床床料事实上可以认为是由单一细物料组成的，表观气速和床存量就可以决定沿床高的物料浓度分布及携带率。

鼓泡流化床锅炉没有分离器，床料仅仅受到排渣效率的影响，因此床料的粒径比较粗，见图1-12。所以循环流化床和鼓泡流化床的根本区别在于二者床料平均粒度不同，随之而来的是物料浓度分布不同，从而造成燃烧状态不同。一般的普通鼓泡流化床锅炉的床料平均粒度为1～2mm，而循环流化床床料平均粒度为300μm左右［10］。事实上，鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉固体燃料的成灰特性并没有太大差别，循环流化床锅炉“一进二出”的物料平衡系统对床内物料具有选择性保留功能，通过循环流化床锅炉物料平衡模型可以计算出，随着运行时间的进行，床平均粒度在逐渐变化并稳定在300μm为峰的状态，见图1-12。因此，有时称床料的平均粒度为床料质量，简称床质量。床料平均粒度越细，床质量越好。

床料平均粒径变化对流化床燃烧造成的影响，可以用两个极端情况加以说明。

对于低表观气速运行的鼓泡流化床锅炉，平均物料粒度为1～2mm，该颗粒的终端沉降速度大于流化风速，因此大多数的扬析颗粒将返回料层，仅有极细的物料被带出燃烧室，夹带量的大小取决于输入物料流率及粒径分布，燃烧份额大部分集中于密相区。从热量平衡的角度看，燃料在密相区释放的热量较多，而一次风冷却和密相区表面辐射带走的热量不足，必须在密相区内布置冷却埋管以吸收多余热量，使之能在800～900℃下稳定运行。

相反，对于循环流化床，由于高表观气速下细颗粒携带能力加强，分离器的高分离效率使100～200μm颗粒可以反复循环而得到积累，在床内形成了很大的物料循环量。由于床料平均粒度变化，气泡在密相区形成完整，长大迅速，在密相区表面发生爆炸，气泡相和乳化相之间传质减弱，它直接影响了燃料燃烧过程，使密相区燃烧份额大幅度下降，并且由于上下固体质交换的加强平衡了燃烧室上下的热量分配，因此，密相区内不需要也不能加埋管吸热。

因此鼓泡流化床和循环流化床不但可从流动形态上，更可以从燃烧热量释放规律上加以区分。在很长一段时间里，人们曾把循环流化床物料循环的经验借用到鼓泡流化床上，开发了一批带有一定数量飞灰回送的流化床以提高燃烧效率，这些改进型的鼓泡流化床在工业应用中取得了成功，但也由于被称为低倍率循环流化床锅炉的原因，因而混淆了循环流化床锅炉和鼓泡流化床的概念。对于75t·h-1及以上容量的流化床，改进型的鼓泡流化床显然不是发展方向。

如前所述，循环流化床锅炉的技术核心是物料循环性能，该性能主要体现在循环量上。循环量确定，则炉内物料浓度分布是唯一的，而物料浓度分布决定了燃烧行为以及受热面的传热系数［11］，因此必须保证炉内物料有一定的循环量。循环流化床内的物料循环量有一个范围，不能低于该范围的下限，一旦循环量无法满足设计要求，将导致炉膛内物料浓度出现偏差、床料粒径偏粗，表现为炉膛上部浓度偏低，大部分热负荷集中在密相区，底部超温，上部受热面传热不足，最终结果是锅炉无法达到满负荷运行。另一方面，循环量也不是越高越好，如果循环量过大，不但会因为过高的床压降而使辅机能耗大大增加，而且也会导致磨损更加严重。

由于循环流化床锅炉的稀相区是快速床，因此循环量的下限是保证达到快速床状态的最小循环量。较细固体物料在一定表观气速条件下流化，通过观察床层的空隙率情况可以发现：当表观气速低于时，固体循环量对床层空隙率无明显影响；表观气速一旦超过，床层空隙率主要取决于固体循环量，这可以从图1-13直接看出，其中FCC颗粒的大约为1.25m·s-1。因此，对任一细粒物料，当时，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。故为该物料进入快速流态化时的操作表观气速，即初始快速流态化速度。在初始快速流态化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主要与物料特性有关，按照实验统计［7］：

最小循环量的经验关联式为［8］：

这即为循环流化床的最小循环量。对于鼓泡床和湍流床，饱和携带能力和最小循环量要根据颗粒的扬析和夹带来确定。

循环量的形成是诸多因素综合作用的结果，首先就是分离器的效率。循环流化床运行需要较高的床料质量和较大的物料循环量，决定细物料在系统内保存效率的分离器性能就显得尤为重要。在评价分离器设计的优劣时，它的分级分离效率而非总体分离效率是考察的关键。在一定的表观气速下，在可扬析颗粒的粒度分布中，某个粒径范围颗粒的分离效率达到或非常接近100％，将这个临界颗粒粒径表示为d99。在d99粒径附近的颗粒将构成循环灰的主体。如果分离器的分离效率对于任意粒径的颗粒都无法达到100％，那么使用该分离器的循环流化床锅炉将不可能形成正常的物料循环，锅炉便无法正常运行。某个粒径范围的颗粒的分离效率达到50％，将这个临界颗粒粒径表示为d50。d50反映了分离器对细颗粒的捕捉能力，其大小影响燃烧效率。

从循环流化床锅炉的流动来看，应该更加关注d99［12］。不同类型的分离器对d99有不同的分离性能。例如，以离心力为主要分离机制的圆旋风筒、方旋风筒，它们的分离效率曲线存在一个清晰的d99，因此，这两类旋风筒构成的循环流化床均可以达到所需的循环量。近年来，对该类分离器进行改进，如中心筒偏心、进口粒径加速、进口段下倾等。工程实践证明，三个改进措施中，以第三个对提高循环量最有效。分析进口段下倾的作用可以发现，该措施实质上是使进口粗颗粒产生一个向下的初速度，以避免被旋风筒中心上升流夹带出中心筒，因而使d99变得效率更高，但是该措施对于提高d50并无大作用。

另一类分离器是惯性分离器，即二维分离器，如百叶窗、U-beam、平面流等，该类分离器的优点是易于保持锅炉紧凑化和改造其他炉型，分离器占用空间小，可以充分利用燃烧室出口与尾部之间的空间设置分离器，锅炉仍可以保持“П”形结构。二维分离器的分离特性是：d50不差于旋风分离器，而d99拖延到很大粒径，在可夹带粒径范围内很难找到100％分离点，见图1-14。由于d99较大，因此采用此类分离器的循环流化床锅炉床料粒径偏粗，很难达到大循环量运行，炉内物料浓度分布类似于鼓泡床，炉膛上部物料浓度很稀，与受热面间传热量降低，导致燃烧份额集中在密相区。在没有埋管条件下，下部燃烧室温度偏高，在达到满负荷之前，密相区温度已经达到或超过了灰熔点。锅炉操作员为了增加负荷，降低床温，只好采取提高一次风率的措施，但即使采用此种措施，锅炉也很难达到额定负荷。

床存量是影响循环量的一个重要因素［13］。在宏观上可以用床压降反映循环量。同样，循环流化床锅炉的正常运行需要合理的床压降。如果床压降过低，说明循环量不够，这样就会造成稀相区吸热量不足，密相区床温过高，不能保证额定负荷。如果床压降过高，一方面辅机的能耗太高，影响电厂效率，经济性比较差；另一方面，过大的循环量会造成严重的磨损，使锅炉的可用性大大降低，不利于锅炉的长期正常运行。因此，选择合理的床压降是十分必要的。

循环量是物料平衡的结果。而燃料的成灰特性和磨耗特性是物料平衡的影响因素。循环流化床锅炉物料来自外添加床料，如启动时常用河沙、脱硫用石灰石、燃料燃烧形成的灰渣，但启动用床料的输入是暂时性的，对连续运行的循环流化床锅炉的长期稳定物料平衡没有影响；而燃料形成的灰及脱硫用石灰石流则是稳定输入物料流，它们与燃烧室流化风速、分离器分级分离特性和排渣分层特性共同决定了系统的物料平衡特性，当然物料的磨耗特性也对物料平衡特性有重要影响。

有关循环流化床锅炉内的燃煤成灰粒度特性，已有深入研究［14～16］。研究发现，煤灰颗粒经过燃烧和初始的快速磨耗阶段以后得到的粒度分布，称为该煤种的本征成灰数据，只和煤种有关，它不受实际循环流化床锅炉运行条件的影响；考虑到输入石灰石的粒度，合并在一起可以作为循环流化床物料平衡系统的物料输入特性。不同煤种的成灰特性和磨耗研究表明，煤灰由较细的软灰即煤中富灰灰核、较粗较硬灰即煤中的矸石两部分构成。宽筛分的软灰的分布近似符合R-R分布，而硬灰的宽筛分分布类似于宽筛分给煤的粒径分布。这说明保持输入燃料粒径合适是维持物料平衡的有效的措施之一，尤其是矸石类燃料，通过改善破碎系统使破碎燃料及脱硫剂（石灰石）的绝大部分颗粒粒径处于能参与循环的颗粒范围以内，减少太粗和太细的颗粒，是至关重要的。煤泥中的灰分除了洗中煤中灰分的富集之外，还有较细粒度的硬灰，这些灰非常适于形成循环物料，因此燃烧煤泥的循环流化床的物料平衡一般没有问题。

煤泥中的灰分主要形成了飞灰，而燃烧煤矸石时由于矸石燃烧过程中的碎裂非常少，因此入炉燃料中的大颗粒燃烧后仍然是大颗粒，以排渣的形式排出。当床料具有较宽的筛分或者是不同的颗粒密度时，在流化过程中就会出现分层现象。前面的物料平衡分析表明，循环流化床锅炉底部排渣过程直接影响到床料在流化床系统内的保存效率。尽管锅炉密相区存在较强的颗粒分层现象，在排渣过程中仍将有一定量的细小颗粒随大颗粒一起被排出。为了提高小颗粒在流化床内的保存效率，应尽量减少细小颗粒的排渣量。为了防止能参与循环的细小颗粒在排渣时被排掉，可以采用选择性排渣。