沸腾燃烧方式及其设备

5.4.2　沸腾燃烧方式及其设备

1.鼓泡流化床的特征

前已述及，在流化床中，当燃料颗粒象液体沸腾时那样上下翻滚时，称为“沸腾床”。沸腾燃烧就是取这种状态而工作的。由于沸腾床中有大量的气泡，因此又称为鼓泡流化床。

燃料层开始沸腾时的气流速度w′₀称为临界流化速度，而将燃料颗粒开始被带走的气流速度w″₀称为极限速度或飞出速度。显然，形成沸腾床的必要条件是w′₀＜w₀＜w″₀，见图5.63。

图5.63表示了床层高度、气流实际速度、料层阻力与流化床空截面流速的关系。由图可知，在ab段上，料层高度不随流速的增大而增高且保持一定值，这就是固定床阶段。在固定床中，气体在燃料颗粒间隙中的实际流速与空截面流速之间存在直线比例关系，于是料层阻力与空截面流速间基本呈二次曲线关系。达到b点以后，流速的增加使得料层高度不断增高，进入了流化床阶段。显然，此处b点就是固定床和流化床的分界点，即所谓临界点，此时的空截面流速w₀即为临界速度w′₀。在流化床中，气体的实际流速保持不变。这是因为随着空截面流速的增加，虽然流过的空气量增加，但由于此时燃料层不断膨胀，燃料颗粒之间的间隙随之增大，因而流通截面也相应增加，而且空气量的增加是和流通截面的增大始终成比例。由于气流的实际速度不变，料层阻力也基本不变。实际中就是利用沸腾床中空截面风速增大时料层压降不变这一特征来判断料层是否进入流化状态的。但是，在料层刚要开始流态化时（w₀＝w′₀），料层阻力先有所上升，而当w₀越过w′₀后又有所下降。这是因为当空截面风速等于临界速度w′₀

图5.63　料层的特性曲线

w₀—按空截面计算的气流速度

时，并不是全部燃料颗粒都进入流态化，而是局部似动非动，局部有穿孔，使料层阻力瞬时突升，速度w₀越过w′₀后，全部燃料颗粒都进入了流态化，这时颗粒间的空隙增大，料层阻力也就下降了。c点为“极限点”，此点的流速达到极限速度w″₀。此点以后，颗粒就不能再停留在床层内而为气体所带出，因而床层高度垂直上升。如果这时炉膛高度无限，床层高度就可无限上升。

由图5.63可知，沸腾床层的气体流动阻力与气体的流量无关，在沸腾床能够存在的整个速度范围内都保持定值。料层阻力等于单位面积布风板上静止料层的重量。但是，实际的沸腾层阻力常小于此值，这是由于沸腾床内靠近布风板处的颗粒往往不能被气流托起所致。显然，料层愈厚时，这部分颗粒的影响就相对地减小。必须指出，如果料层过薄，会使运行时流态化工况不稳定。相反，如果料层过厚，则又会使沸腾床阻力过大，导致送风机功率消耗不必要地增大。相应地沸腾床阻力应有一合理的数值，一般为4000～5000Pa。

沸腾炉设计或运行操作不当，会出现节涌、沟流和分层等异常沸腾床^［1］。

2.沸腾炉内的燃烧

沸腾炉的燃煤颗粒一般相对较粗，最大粒径可达30 mm，流化速度一般不大于3m/s。因此燃煤进入炉床后，基本沉积在炉膛下部与热床料混合加热沸腾燃烧。由于煤颗粒大而重，不易被吹浮到炉膛出口被烟气带走，只能在床内沸腾或悬浮于炉膛上部燃烧。这部分煤粒在炉内停留时间较长，可以燃尽变成冷灰（炉渣），最后从溢流口排出。尽管沸腾炉的燃煤颗粒相对较大，但是原煤中必然含有一部分细小颗粒。另外，煤经破碎机破碎后也将产生一定数量的小颗粒。这些细小颗粒送入炉内后停留时间很短，迅速被烟气携带出燃烧室。对于那些不易着火和燃尽的燃料，这部分细小颗粒很难燃尽，因此会降低锅炉的燃烧效率，使飞灰中可燃物增多。

沸腾炉炉内温度场沿水平方向比较均匀，而沿炉膛高度方向温差很大，由于大部分煤粒在炉膛下部燃烧，放出绝大多数热量，为了吸收这部分热量，防止料层温度过高而结焦，在床内布置有埋管。鼓泡床锅炉炉膛下部床内温度一般控制在1050℃以内，上部由于处于稀相区，物料浓度低，与炉床温度一般相差100～200℃，运行中如果调整不当，可能相差更大。

可以认为，沸腾床内的燃烧具有下列优越条件：

（1）沸腾床中经常保持着很厚的灼热料层，它相当于一个很大的蓄热池，其中新加入的燃料大约只占5%。新燃料进入沸腾层后，立即和比自己多几十倍的灼热炉料相混合。此时，由于床层内固体颗粒之间的剧烈扰动和混合，新燃料迅速受到强烈而稳定的加热，从而使任何难以引燃的燃料得以迅速着火燃烧。

（2）料层中的炉料不断进行上下循环翻腾，大大延长了燃料颗粒在床内的停留时间。这就完全可能为任何难以燃尽的燃料提供足以保证其燃尽的燃烧时间。

（3）沸腾床中空气和燃料颗粒的相对速度较大，同时沸腾床内的燃料颗粒的扰动也相当剧烈，因此空气和燃料的接触和混合比较完善。试验发现，床层内存在着大量气泡，它将整个沸腾床分隔为气泡和颗粒团。气泡内包含的燃料颗粒极少，约为床层中颗粒的0.2%～1.0%左右，而气泡以外的颗粒则处于浓度最大的临界沸腾状态。尽管气泡和颗粒之间存在着一定的物质交换，但是相对于两者浓度的巨大差别来说，气泡的存在，特别是大气泡的出现就意味着这部分气体的某种程度的短路，从而恶化了气固二相的接触。因此，对沸腾床内空气和燃料的接触混合的完善程度也不能估计过高。

沸腾床燃烧的不利条件是燃烧的温度受限制。因为过高的炉温会导致结焦，从而会破坏流化床的工作。通常，沸腾床的平均温度控制在燃料灰分的开始变形温度（DT）以下200℃，约为850～950℃左右，因此属于低温燃烧。虽然燃烧温度低会减慢燃烧的化学反应速度，但是根据理论分析和实践经验可知，对于在沸腾炉中燃烧的0.2～8mm的燃料颗粒而言，当平均床温为900～950℃时，它的燃烧速度不是取决于燃烧的化学反应速度，而是取决于气体的扩散速度，包括氧气从两相交界面由气泡相扩散到颗粒相，以及氧气在颗粒相中扩散到每个燃烧着的燃料颗粒。

3.沸腾层中的传热

由热平衡计算可知，当沸腾层保持950～1000℃时，需要从床层中吸走的热量占燃料燃烧后所放出热量的45%～55%，否则床层温度就会升高而造成结焦。这种热量传递一般靠埋设在沸腾的、燃烧着的燃烧层中的管子受热面，称为“埋管”受热面来完成。

鼓泡床内的固体颗粒浓度很大，容积热容量比气体几乎大1000倍，而且受到气泡的强烈扰动、混合。所以鼓泡床的温度很均匀，对埋管受热面的放热系数很大，能够把床内放出的热量带走，将床温控制在对煤燃烧和脱硫两者均有利的温度范围之内。

鼓泡床与埋管受热面之间的热量传递主要通过三个途径：颗粒对流放热、颗粒隙间气体对流放热和床层辐射放热。

（1）鼓泡床中的固体颗粒可以看成是许许多多的颗粒团，每一颗粒团是由数量众多的颗粒集合而成的，颗粒团的温度与床温一样，在气泡运动的带动下颗粒团自成一运动主体。当它们运动到受热面附近时，与受热面形成很大的温差，这时热量很快地从颗粒团经过气体膜以导热方式传给受热面和颗粒团直接碰撞受热面把携带的热量传给受热面。颗粒团停留在埋管受热面附近的时间愈长，颗粒团与受热面间的温差则愈小。反之，若颗粒团停留时间愈短，亦即颗粒团更新频率愈高，则颗粒团与受热面间的温差愈大，热量传递速率就愈高。颗粒团更新的频率与气泡扰动的强烈程度以及流化速度与临界速度之差的大小有关。其它条件相同的情况下，颗粒尺寸减少，单位受热面上接触的颗粒数量越多，传热就越剧烈。此外，当床温增高时，流化床与埋管受热面之间的放热系数增大。通常颗粒粒径为40～1000μm时，颗粒对流放热是传热的主要方式。

（2）当颗粒直径变大，颗粒隙间气流处于湍流前的过渡状态或湍流状态时，气流的对流放热则很显著。随着颗粒粒径的加大，隙间对流作用加强，通常在粒径＞0.8mm直至数毫米时，隙间气体对流放热在传递热量中占主要份额。

（3）在实际鼓泡床中，这两种传热途径是并存的。在0.5～3mm的范围内，总的传热系数与粒径的关系相对减弱。但随着温度增加，总传热系数由于气体导热系统增加而有所提高。当床温大于530℃后，辐射换热份额愈来愈重要，而且组成床层的颗粒愈大时，辐射作用愈强，总传热系数显著上升。

鼓泡床内气－固两相流对埋管受热面传热系数不仅与锅炉运行条件有关，而且与床料固体颗粒物理特性、受热面结构参数以及烟气物理性质等许多因素有关。

流化床锅炉中受热面的布置方式有各种各样，比如，垂直埋管，水平埋管，布置在周壁上的受热面，布置在悬浮区域的受热面等，另外，还有单管与管束之分。布置方式对放热系数影响十分复杂，布置方式不同的受热面将对局部颗粒循环产生不同程度的影响，因而将影响颗粒的对流换热。目前，受热面布置方式对放热系数的影响也是依靠试验或经验数据来确定的。实践证明，鼓泡床内竖直埋管的换热条件比横向布置的好，这是因为横管的下半周有时被上升气泡所包覆，横管的上半周又有可能被活动缓慢的固体颗粒所覆盖，这都将影响横管的传热条件。工业试验测得：当床料温度处于800℃左右，床料颗粒为0.8～1.6mm的条件下对埋管的传热系数约为170～260W/（m²·K），床料细者取高值，床料粗的取低值。

颗粒的各种热物性中，颗粒热容量的影响最为显著。颗粒的热容量一般为气体的几百至几千倍，高热容的固体颗粒是携带热量并向受热面传递的主要媒介，因而也是流化床传热率远高于气体对流换热的主要原因之一。诸多气体热物性参数中首推热导率对换热的影响最大。在不太高的温度范围内，放热系数随床温升高而增大，在较大程度上是气体热导率随温度升高而增大的结果。

4.沸腾炉的工作过程

在沸腾炉的发展初期，曾出现采用链条炉排的半沸腾炉和采用固定布风装置的全沸腾炉两种型式。由于前者炉内只有部分燃料处于流化状态，不能充分发挥沸腾燃烧的优越性，因而逐渐被淘汰。

图5.64　全沸腾炉结构原理图

1—进料口；2—溢流口；3—布风板；4—风室；5—埋管

图5.64所示的是全沸腾炉的结构原理图。空气从进风管送进风室后，经布风板的分配而均匀地进入炉子的下半部－沸腾段。气体在沸腾段中基本向上流动，直至流出沸腾段，流过整个炉膛。燃料从进料口送入沸腾段。由于沸腾炉一般燃用粒径在8mm以下的煤末，这种燃料的颗粒直径的范围较宽，这种燃料进入沸腾段以后，一部分细粉（通常是颗粒直径在2mm以下者）被气流吹出沸腾段，进入沸腾段以上的悬浮段，并在那里进行悬浮燃烧。其余绝大部分燃料颗粒则留在沸腾段内并被气流流化而形成沸腾床。这部分燃料颗粒在沸腾运动过程中完成燃烧。燃尽的灰渣从溢流口溢出。由于全沸腾炉一般都采用溢流除渣，所以又称为溢流式沸腾炉。

沸腾燃烧、沸腾层传热和溢流除渣是全沸腾炉最基本的特点。

5.沸腾炉的结构特点

（1）布风装置

沸腾炉的炉篦在流态化技术上称为布风装置，其作用和结构都和普通火床炉的炉篦有所不同。沸腾炉布风装置的主要作用是均匀地分配气体，使空气沿炉膛底部截面均匀地进入炉内，以保证燃料颗粒的均匀流化。只有在停沸的状态下，才需要起支承燃料的作用。

布风装置是沸腾炉的关键部件。沸腾床的流化质量，也就是沸腾炉工作的好坏，在很大程度上取决于布风装置的结构。目前在沸腾炉中使用最广泛的是风帽式布风装置。它是由花板（多孔板）、风帽和风室等组成。其中花板和风帽组成一体，统称为布风板。

花板是由钢板或铸铁板制成的多孔平板，它用来固定风帽，并使之按一定方式排列，以达到均匀布风。花板的尺寸应与炉膛相应部位的内截面相适应，厚度为20～35mm左右。风帽插孔一般按等边三角形布置，孔距为风帽直径的1.3～1.7倍，帽沿间的最小间距不得小于20mm。通常每1.3～1.5m²中开一个φ108mm的放灰孔。

风帽是一种弹头状的物体，它的上端封闭，称为帽头，下端敞开，制成插头，垂直地插于花板上的插孔中。风帽的颈部开有一圈水平的或略向下倾斜的小孔。空气在花板下进行“分流”，分别从各风帽的下端流入各风帽。空气在风帽中向上流至颈部后，即从所有小孔沿侧面向各个方向高速喷散出来。大量细小、高度分散和强烈扰动的高速气流，在布风板上形成一层均匀的“气垫”，后者为均匀配风创造了优越的条件。实践表明，风帽小孔的喷散作用对空气的分配质量起了主要作用，而小孔风速则是一个最重要的参数。小孔风速有一合理的数值范围，一般为35～45m/s，相应的开孔率为2.2%～2.8%左右。所谓开孔率，即是风帽小孔总面积和布风板面积之比。

风帽有菌形（蘑菇形），柱形、球形和伞形等型式。其中应用最广的是菌形风帽和柱状风帽。这两种风帽的结构及其固定如图5.65所示。

图5.65　风帽的结构及其固定

（a）菌形风帽；（b）柱状风帽；（c）风帽的固定

1－风帽；2－耐火混凝土充填（保护）层；3－花板

菌形风帽：风帽颈部钻有φ6～8mm小孔6～8个，小孔可水平，也可钻成向下倾斜15°的斜孔。这种风帽的阻力小，工作性能良好。但结构稍较复杂，清渣较为困难，在帽沿处经常有卡渣现象。此外，风帽菌头部分冷却面不够，易出现氧化烧穿等现象。因此，这种风帽有逐渐被柱状风帽所取代的趋势。

风室是进风管和布风板之间的空气均衡容积，它的结构对于布风的均匀性也有一定的影响。目前，实用中已有很多种风室结构，但是结构简单且使用效果最好的却只是所谓等压风室，如图5.66所示。等压风室的结构特点是具有一个倾斜的底面，后者能使风室内的静压沿深度保持不变，从而有利于提高风量分配的均匀性。

图5.66　等压风室

实践表明，为了稳定风室气流，在斜底以上留出一稳定段是必要的。稳定段的高度D不宜小于500mm。同时风室的进口风速也必须加以控制，一般不宜超过10m/s。风室进口直段C不宜小于水力直径的1～3倍。

（2）炉膛结构

沸腾炉的炉膛必须满足燃料颗粒流态化、燃烧、传热以及飞灰沉降等一系列要求，因此对炉膛形状和尺寸有相当严格的限制。

图5.67　沸腾炉倒锥形炉膛简图

1—进风口；2—进料口；3—溢流灰口；4—风帽

对于方形截面的炉膛，其截面的长宽比例既要使进料口和溢流灰口之间有一定距离，以减少燃料颗粒的短路现象，又要保证不致因截面过于狭长而产生气泡、节涌现象。通常长宽比不超过3∶1就基本不会发生异常现象。为了防止流态化的死角，炉膛底部四角宜筑成具有一定半径的圆角。

在燃用宽筛分的燃料时，实行所谓分段配速，即采用变截面炉膛，以逐段降低气流速度，这样就既能保证流化质量，又能延长可燃颗粒在炉内的停留时间，增强飞灰在炉内的有效分离，从而减少飞灰带走损失。其结果是得到一个中部截面逐渐扩大的倒锥形炉膛，如图5.67所示。

垂直段的主要作用是保证在距炉底的一定高度范围内有足够的气流速度，以使大颗粒在底部能良好沸腾，防止颗粒分层，减少“冷灰层”的形成。垂直段的截面尺寸应根据风量和该处风速来确定。垂直段风速一般取w₀＝1.1～1.2w′₀。垂直段的高度与燃料性质有关，一般为0.3～1.0m。

基本段是沸腾段的截面渐扩部分。此处炉膛可以从四面向外扩张，也可以只从左右两侧向外扩大。前一种结构的气流扩散比较均匀，但炉墙结构比较复杂。出于结构上的考虑，我国现有的沸腾炉多采用后一种结构。这里重要的是扩展角（锥角）β的选择必须恰当。显然，扩展角过小，对降低气流速度、减少飞灰带走量和促进颗粒的循环返混都不利，而且炉子中心气流速度过高，易造成节涌现象。相反，扩展角过大，则会在炉墙转折处造成死滞区。因此有一最佳值，一般以44°为宜，不过也有采用50°～60°的。在不形成死滞区的条件下β角以取大值为好。基本段的气流速度一般取为w₀＝0.6～0.7w′₀。

基本段的上界面或沸腾段的上界面即是灰渣的溢流面，也就是说，溢流口的高度即是沸腾段的高度，而沸腾段的高度则又决定了沸腾层的阻力和沸腾层的体积，而沸腾层的体积显然又决定了颗粒在沸腾层中的停留时间。因此，溢流口的高度应该合理选取。一般取溢流口的中心线离风帽小孔中心线的距离为1.2～1.6m左右。这一数值与燃料颗粒尺寸和密度等因素有关。溢流口的截面尺寸应根据排灰量的多少而定，一般为300×400mm左右。

悬浮段的作用是使部分被气流从沸腾段带出来的燃料颗粒因降速而落回沸腾段和延长细小颗粒在炉内的停留时间以便进行悬浮燃烧。但由于悬浮段温度较低，颗粒又比较粗，燃料和氧气浓度也比较低，两者的混合和扰动又不强烈，因此燃烧条件很差，颗粒燃尽的效果一般不显著。所以，悬浮段的作用主要是组织颗粒的沉降。应尽可能增大悬浮段的截面积，以降低该处的流速。为此，一个继续扩大段——过渡段是必要的。悬浮段的烟气流速一般取为1.0m/s左右。

（3）进料方式

根据进料口所处部位的不同，进料方式可分为正压进料和负压进料两种。进料口设在正压区（溢流口以下）者，称为正压进料。反之，进料口设在负压区（溢流口以上）者，则称为负压进料。

图5.68　溜煤管简图

1—炉墙；2—溜煤管；3—进料口；4—平衡管

正压进料时，全部燃料经过高温沸腾层，因此有利于细粒燃料的燃尽，因而也就可以降低飞灰带走损失。但进料口要求密封严密，而且进料口处新燃料容易堆积。同时，正压进料一般需要采用机械进料装置，如螺旋给煤机等。而且进料口处于正压的高温区，螺旋给煤机的工作条件恶劣，容易发生机械故障。

为了简化进料机构，并提高其工作可靠性，可以采用溜煤管（图5.68）来代替螺旋给煤机。溜煤管以50°以上的倾角斜插入炉内正压区之中，管内燃料依靠煤柱压力直接注入炉内。为了防止从进料口喷火、冒烟，在炉墙内装设平衡管，使溜煤管与炉膛负压区连通。当然在密封良好时也可不装平衡管。

负压进料与正压进料相反，由于燃料从沸腾层以上进入，因此有部分细粒燃料未经沸腾层就被上升的烟气流带走，增加了飞灰损失。负压进料装置比较简单、可靠，而且系自由落下，故播散度大，不易造成料口堆料。

6.沸腾炉的优点及存在的问题

（1）沸腾炉的主要优点

①可以燃用品质极为低劣的燃料，其中包括灰分达70%、发热量仅4200kJ/kg的燃料以及挥发分为2%～3%的无烟煤和含碳量在15%以上的炉渣。

②由于其燃烧热负荷和埋管传热系数都非常高，因此可以大大缩减炉膛尺寸，一般为同容量的其它型锅炉的一半左右。这一点对于大型锅炉特别重要，因为这可减少金属耗量和安装费用。

③沸腾炉为低温燃烧，因而可以燃用低灰熔点的燃料，燃烧后烟气中NO_x等污染物质的含量也较少，而且易于在燃料中加入添加剂（石灰石、白云石），使燃料脱硫，进一步减少大气污染、低温腐蚀和高温腐蚀。

④沸腾炉灰渣具有低温烧透的性质，便于综合利用。目前已成功地利用灰渣制造建筑材料、提取化工产品、用作农田肥料等。

⑤负荷凋节性能好。沸腾炉能在25%～110%的负荷范围内正常运行。

（2）沸腾炉的主要问题

①锅炉热效率低。一般沸腾炉效率在54%～68%之间。这主要是因为机械不完全燃烧损失q₄很大所致。q₄值与所用燃料有关，一般对于石煤和煤矸石为20%～30%，对于劣质烟煤为15%～20%，对于劣质无烟煤为20%～25%，对于褐煤为5%～15%。沸腾炉的q₄之所以大，主要是飞灰热损失所造成的。

②埋管磨损快。有的单位在使用3～6个月后，3.5mm壁厚的埋管即被磨穿。但采取防磨措放后，一般能运行1年左右，有些甚至能运行2年以上。

③电耗大。主要消耗于高压送风、碎煤等。沸腾炉的单位蒸发量的电耗量比一般煤粉炉高一倍左右。

在总结和研究沸腾炉的基础上，开发、研制出了循环流化床锅炉（CFB锅炉）。通常把早期的流化床锅炉称为鼓泡床锅炉（又称沸腾炉），即第一代流化床锅炉。循环流化床锅炉称做第二代流化床锅炉。两者之间既有联系，也有差别。