第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù)

1、第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) 循環(huán)流化床燃燒技術(shù) 增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù) 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) l 將煤炭直接燃燒所產(chǎn)生的能量進(jìn)行直接利用 或轉(zhuǎn)化為其它能量的形式（如電能），仍然 是目前煤炭資源最為重要的轉(zhuǎn)化方式和利用 手段； l 目前消費(fèi)的煤炭大約有95%是以燃燒方式利用 的； l 煤炭利用過程中的污染物主要產(chǎn)生于其燃燒 過程。如煤中的灰分在燃燒后會(huì)形成細(xì)的顆 粒物直接污染大氣；煤中的硫分在燃燒后會(huì) 形成SO2，它是酸雨的主要來源；煤中的氮 分燃燒后會(huì)形成NOx污染大氣； 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) l 煤炭可以通過

2、燃前凈化來達(dá)到減少污染排放的 目標(biāo)。但也可以通過燃燒過程的控制來實(shí)現(xiàn)污 染物的排放量的減少。包括改變?nèi)剂闲再|(zhì)、改 進(jìn)燃燒方式、調(diào)整燃燒條件、適當(dāng)加入添加劑 等方法來控制污染物的生成，從而實(shí)現(xiàn)污染物 排放量的減少，這也是潔凈煤技術(shù)的一個(gè)重要 手段，稱為煤的潔凈燃燒技術(shù)。 l 煤的燃中凈化技術(shù)對(duì)污染物控制的效率稍低于 煙氣凈化，但投資和運(yùn)行成本要低于煙氣凈化， 經(jīng)濟(jì)效益高。 l 目前成熟潔凈燃燒技術(shù)包括：煤粉低NOx燃燒 技術(shù)、循環(huán)流化床燃燒和水煤漿燃燒技術(shù)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 一、基本概念 煤燃燒過程中，NOx生成物主要是 NO和NO2，其中尤以NO最為重要， 常規(guī)燃煤鍋爐中NO生成量占N

3、Ox的總 量的90%以上，NO2只是在高溫?zé)煔?在急速冷卻時(shí)由部分NO轉(zhuǎn)化生成的。 本節(jié)討論的NOx主要涉及的是NO和 NO2。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 二、燃煤鍋爐NOx的生成機(jī)理 根據(jù)NOx中的N的來源及生成途徑， 燃煤鍋爐中NOx的生成機(jī)理可以分為 三類：熱力型、燃料型和快速型，其 中燃料型占主導(dǎo)作用。 試驗(yàn)表明：燃煤過程中生成的NOx 中NO占總量的90%以上，NO2只占 5%10%。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-1 爐膛內(nèi)不同類型的NOx的生成量與爐溫的關(guān)系 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （1）熱力型NOx 熱力型NOx是參與燃燒的空氣中的N在高 溫下氧化產(chǎn)生的，其生成過程是一個(gè)鏈?zhǔn)椒?

4、應(yīng)，又稱為捷里多維奇機(jī)理。 考慮到下列反應(yīng)： 則稱為擴(kuò)大的捷里多維奇機(jī)理。 ONOON NNONO OO 2 2 2 2 HNOOHN 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （1）熱力型NOx 由于N-N（三價(jià)鍵）的鍵能很高，室溫下， 空氣中的N2非常穩(wěn)定，幾乎沒有NOx生成。 但隨著溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速率是按指數(shù) 倍迅速增加的。 實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)溫度超過1200C時(shí)，已經(jīng)有少 量的NOx生成，超過1500C時(shí)，溫度每增加 100C，反應(yīng)速率將增加67倍，NOx的生成 量明顯增加。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （1）熱力型NOx 但從總體來說，熱力型NOx產(chǎn)生的反應(yīng)速度 要比燃燒時(shí)反應(yīng)速度慢，而且溫度對(duì)其生成 起

5、著決定性作用，因此，在鍋爐燃燒時(shí)可以 通過降低火焰溫度、控制氧氣濃度以及縮短 煤在高溫區(qū)的停留時(shí)間來抑制熱力型NOx的 生成，所以，通常在燃燒過程中，熱力型 NOx可以不予考慮。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （2）快速型NOx p快速型的NOx中N的來源也是空氣中的氮， 但它遵循一條不同于捷里多維奇機(jī)理的途徑 而快速生成。 p通常認(rèn)為是由于燃燒過程中，煤炭揮發(fā)分中 的碳?xì)浠衔镌诟邷貤l件下發(fā)生熱分解，生 成活性很強(qiáng)的碳化氫自由基（CH、CH2）這 些活化的CHi與空氣中的N2反應(yīng)形成中間產(chǎn) 物HCN、NH和N等，再進(jìn)一步氧化而形成 的NO，實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)過程只需60ms，故稱 快速型NOx。 第五章

6、煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-2 煤粒周圍NOx的生成機(jī)理 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料型NOx p由燃料中的N氧化而生成的NOx稱為燃料型NOx； p燃料型NOx是煤粉燃燒過程中NOx的主要來源， 占總量的60%80%； p由于煤的熱解溫度低于其燃燒溫度，因此在 600800C時(shí)就會(huì)生成燃料型NOx，而且其生成量 受溫度影響不大。 p煤的N含量在0.42.9%之間，在通常燃燒條件下， 燃煤鍋爐中大約只有2025%的燃料N轉(zhuǎn)化為NOx。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料型NOx p 煤中絕大多數(shù)的N都是以有機(jī)N的形式存在，在燃燒過程 中，一部分含氮的有機(jī)化合物揮發(fā)含氮的有機(jī)化合物揮發(fā)并受熱裂

7、解生成N、 CN、HCN和NHi等中間產(chǎn)物，隨后再被氧化生成NOx； 另一部分焦炭中剩余氮焦炭中剩余氮在焦炭燃燒過程中被氧化成NOx， 因此燃料型NOx又分為揮發(fā)分揮發(fā)分NOx和焦炭焦炭NOx。 p 由于燃料型NOx生成量受燃燒過程中的空氣量影響很大， 常用過量空氣系數(shù)（）來表示燃燒過程空氣量的多少， 當(dāng)1時(shí)，表示空氣過量，當(dāng)1時(shí)表示空氣量不足， 由下圖可見，隨著的減少，燃料型NOx的生成量逐漸 降低。這對(duì)于研究和開發(fā)燃料型NOx的控制技術(shù)相當(dāng)重 要。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-3 燃料型NOx的生成機(jī)理 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-4 過量空氣系數(shù)和溫度對(duì)燃料型 NOx生成量的影響 第

8、五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料型NOx p煤燃燒的NOx的形成實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的過 程，與煤種、燃燒方式及燃燒過程的控制密切相 關(guān)。一般來說無煙煤燃燒時(shí)NOx排放量最大，褐 煤最小。 p這種情況不但與煤種有關(guān)，更重要的是與煤的燃 燒方式有關(guān)，煤中的揮發(fā)分越低，燃燒時(shí)為了燃 燒的要求，組織燃燒溫度就越高，同時(shí)風(fēng)量一般 也越大，產(chǎn)生的原始的NOx排放量也就越多。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) l 低NOx燃燒技術(shù)就是根據(jù)NOx的生成機(jī)理，在煤的 燃燒過程中通過改變?nèi)紵龡l件，合理組織燃燒方式 等辦法來抑制NOx生成的燃燒技術(shù)。 l 如前面所述，在燃燒過程中，燃料型NO

9、x,尤其是揮 發(fā)分NOx的生成量占的比例最大，因此低NOx燃燒 技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)就是抑制燃料型NOx的生成。 l 在燃燒過程中存在正反兩方面的反應(yīng)： （1）燃料中的N受熱裂解生成含N中間產(chǎn)物（N、CN、 HCN和NHi），再進(jìn)一步被氧化成NOx； （2）生成的NOx被含氮中間產(chǎn)物（NHi等）還原成 N2的反應(yīng)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) 因此抑制燃料型的NOx的生成，就是如何設(shè)計(jì)出使 還原反應(yīng)顯著優(yōu)先于氧化反應(yīng)的條件和氣氛。 除此之外，抑制熱力型NOx生成也能在一定程度上 減少NOx的排放量。一般來說抑制熱力型NOx的主 要原則是： 降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使

10、煤粉在缺氧 條件下燃燒； 降低燃燒溫度并控制燃燒區(qū)的溫度分布，防止 出現(xiàn)局部高溫區(qū)； 縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) 顯然，上述原則與煤粉爐降低飛灰含碳量、提 高燃盡率的原則相矛盾，因此在設(shè)計(jì)開發(fā)低 NOx燃燒技術(shù)時(shí)，必須全面綜合考慮。 綜合分析可知，燃燒溫度越高，燃燒范圍內(nèi)氧 濃度越高，在高溫范圍內(nèi)燃燒氣化滯留時(shí)間越 長，產(chǎn)生的NOx越多。因此在NOx形成之前， 用改變?nèi)紵龡l件的方法，可降低NOx的排放。 采用的技術(shù)包括：改進(jìn)已有的燃燒器，用新型 低氮燃燒器替代原有燃燒器；空氣分級(jí)燃燒技 術(shù)；燃料分級(jí)燃燒技術(shù)；煙氣再循環(huán)技術(shù)。 第五章煤炭

11、潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （1）低過量空氣燃燒 使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下 進(jìn)行，隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制 NOx的生成。這是一種最簡單的降低NOx排放 的方法，一般可降低NOx排放15%20%。 但鍋爐內(nèi)氧濃度不能過低（3%),這樣會(huì)增加 不完全燃燒的損失，引起飛灰含碳量增加，燃 燒效率下降。所以在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取合理 的過量系數(shù)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （2）空氣分級(jí)燃燒 技術(shù)思路：絕大多數(shù)大型鍋爐采用這種 方法。它通過調(diào)整燃燒器及其附近區(qū)域 或是整個(gè)爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合 狀態(tài)，在保證總體過量空氣系數(shù)不變的

12、 基礎(chǔ)上，使燃料經(jīng)歷“富燃料燃燒”和 “富氧燃盡”兩個(gè)階段，以實(shí)現(xiàn)總體 NOx排放量大幅下降的燃燒控制技術(shù)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （2）空氣分級(jí)燃燒 基本原理：在缺氧富燃料燃燒階段，由于氧 氣濃度較低，燃料的燃燒速度和溫度都比 正常過氧燃燒要低，從而抑制了燃料型和 熱力型NOx的生成，同時(shí)由于不能完全燃燒， 部分中間產(chǎn)物如HCN和NH3等會(huì)將部分已生 成的NOx還原成N2，從而使燃料型NOx的排 放量也有所降低。 然后在富氧燃燒階段，燃料燃盡，但由 于此區(qū)域的溫度已經(jīng)降低，新生成的NOx十 分有限。因此總體上NOx的排放量明顯減少。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù)

13、三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （2）空氣分級(jí)燃燒 技術(shù)要點(diǎn)：合理分配兩級(jí)燃燒的過量空 氣系數(shù)是影響NOx排放控制效果的關(guān)鍵 因素。經(jīng)驗(yàn)表明：富燃料區(qū)的過量空氣 系數(shù)如果太低，粉煤不易點(diǎn)燃而且燃燒 也不穩(wěn)定；如果太高，NOx的生成量會(huì) 上升，一般取0.8左右。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （2）空氣分級(jí)燃燒 技術(shù)措施：根據(jù)分級(jí)燃燒實(shí)現(xiàn)的區(qū)域和 方式，可大致分為通過燃燒器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 空氣分級(jí)、通過加裝一次風(fēng)穩(wěn)燃體實(shí)現(xiàn) 空氣分級(jí)和通過爐膛布風(fēng)實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí) 三種方式。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖圖5-5 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖圖5-6 采用爐膛布風(fēng)時(shí)的火上風(fēng)(OFA)

14、第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （3）燃料分級(jí)燃燒技術(shù) 技術(shù)思路：在空氣分級(jí)燃燒技術(shù)中，煤 粉先進(jìn)行的是富燃料燃燒，不利于點(diǎn)燃 和穩(wěn)定燃燒，為此燃料再分級(jí)燃燒技術(shù) 采用的是另外一種思路，即煤粉先經(jīng)過 完全燃燒，生成NOx，然后再利用燃料 中的還原性物質(zhì)將其還原，從而減少 NOx排放。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、燃煤鍋爐的低NOx燃燒技術(shù) （3）燃料分級(jí)燃燒技術(shù) 技術(shù)措施：與空氣分級(jí)燃燒技術(shù)相似，燃料再 燃燒技術(shù)可通過燃燒器實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)和爐膛 內(nèi)燃料再燃兩類。 通過燃燒器實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)燃燒：其原理就是 在燃燒器內(nèi)將燃料分級(jí)供入，使一次風(fēng)和煤 粉入口的著火區(qū)在富氧條件下燃燒

15、，提高了 著火的穩(wěn)定性，然后再與上方噴口進(jìn)入的再 燃燃料混合，進(jìn)行再燃。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料分級(jí)燃燒技術(shù) 爐膛內(nèi)燃料再燃：爐膛內(nèi)燃料再燃法將整個(gè)爐 膛分成了主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)三個(gè)部分。 O 在主燃區(qū)，約80%的燃料在富氧條件下點(diǎn)燃并 完全燃燒，此處的過氧空氣系數(shù)保持大于1，生 成一定的NOx； 其余燃料在再燃區(qū)送入，與主燃區(qū)生成的煙氣 和未燃盡的煤?；旌?，形成還原性氣氛，此處 的過氧空氣系數(shù)小于1，燃料中的C、CO、烴以 及部分還原性氮，將NOx還原成分子氮。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 爐膛內(nèi)燃料再燃： 圖5-7 爐膛內(nèi)燃料再燃技術(shù)示意圖 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料分

16、級(jí)燃燒技術(shù) 爐膛內(nèi)燃料再燃： 反應(yīng)過程如下： 最后在再燃區(qū)的上方通入過量空氣（火上風(fēng)）， 使總的過量空氣技術(shù)大于1，使未燃燒的燃料完 全燃燒，因此稱為燃盡區(qū)。但由于此時(shí)的溫度 已經(jīng)降低，NOx的生成量不大。 OmHnCONO m nHCNO CONCONO CONCNO nn2222 22 22 2) 1 2 2(22 222 222 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （3）燃料分級(jí)燃燒技術(shù) 爐膛內(nèi)燃料再燃： 燃料再燃燒法的再燃燃料可以選用煤粉、天然 氣或燃料油等。由于爐膛再燃區(qū)往往比較狹小， 燃料的停留時(shí)間也比較短，因此，再燃燃料需 要容易著火，如果選用煤粉，通常采用高揮發(fā) 份的煤種，且磨制成超細(xì)粉，

17、這樣會(huì)增加成本。 所以采用天然氣再燃比較多，一是工藝簡單， 二是天然氣雜質(zhì)氮少，本身燃燒不會(huì)增加NOx的 生成，是比較有效的二次燃料。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （4）煙氣再循環(huán)技術(shù) 技術(shù)思路：該方法是指將一部分燃燒后的 煙氣再返回燃燒區(qū)循環(huán)使用的方法。由于 這部分煙氣的溫度較低（140180C）、 含氧量也較低（8%左右），因此可以同 時(shí)降低爐內(nèi)燃燒區(qū)溫度和氧氣濃度，從而 有效地抑制了熱力型NOx的生成。 循環(huán)煙氣可以直接噴入爐內(nèi)，也可以用 來輸送二次燃料，或與空氣混合后摻混送 入爐內(nèi)，最后一種方法應(yīng)用較多。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-8 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)示意圖 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （4

18、）煙氣再循環(huán)技術(shù) 缺點(diǎn)：（1）該方法需要添加配套設(shè)備如 風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等，使系統(tǒng)變得復(fù)雜并增加了 投資；（2）由于熱力型NOx在燃燒鍋爐 中生成比例小，所以該方法對(duì)降低總NOx 排放的效果也相對(duì)較小；（3）采用煙氣 再循環(huán)技術(shù)雖然降低了燃燒溫度和氧氣濃 度，但也從而會(huì)造成飛灰中含碳量增加。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （5）低NOx燃燒器 特點(diǎn)：低NOx燃燒器設(shè)備投資低，NOx降低效果 好，是世界各國的大鍋爐公司廣泛使用的NOx控 制技術(shù)，世界各國也分別開發(fā)出了不同類型的低 NOx燃燒器，NOx降低率一般在30%60%。 新型低氮燃燒器的原理：通過在燃燒器附近區(qū)域 形成一個(gè)還原區(qū)，盡可能降低著火氧的濃

19、度，適 當(dāng)降低著火區(qū)的溫度，達(dá)到最大限度地抑制揮發(fā) 性氮形成NOx。還原區(qū)外為高氧區(qū)，燃燒過程在 高氧區(qū)隨著氣流和煤焦在爐膛內(nèi)的循環(huán)擴(kuò)散繼續(xù) 進(jìn)行直至完全燃盡。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （6）低NOx綜合燃燒技術(shù) l單一低NOx燃燒技術(shù)往往不能滿足實(shí)際要求，目 前再先進(jìn)的燃煤鍋爐系統(tǒng)中，通常把各種低NOx 燃燒技術(shù)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)最低的排放量和最佳 的經(jīng)濟(jì)性。 l在實(shí)際工程中，如僅采用低NOx燃燒器，排放量 減少率在50%以內(nèi)，如果僅采用煙氣循環(huán)、分段燃 燒等方式，其排放能力還要低。因此往往將以上 幾種技術(shù)結(jié)合起來形成一套低NOx燃燒系統(tǒng)，以 使NOx排放量降到最低。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù)

20、圖5-9 低NOx燃燒器和空氣分級(jí)燃燒技術(shù) 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-10 低NOx燃燒器和天然氣再燃技術(shù) 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 一、概念 流態(tài)化就是指固體顆粒（又稱床料）在 自下而上的流體（氣體或液體）作用下， 在床內(nèi)形成的具有流體性質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。 流化床燃燒系指小顆粒煤與空氣在爐膛 內(nèi)處于沸騰狀態(tài)下或高速氣流與所攜帶 的處于稠密懸浮煤料顆粒充分接觸進(jìn)行 燃燒。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 一、概念 固定床：就是指爐料堆在風(fēng)板上處于不動(dòng)狀態(tài)， 氣流速度較低，只能從煤粒之間縫隙流過，這 也就是一般的層燃爐。 這 種 爐 一 般 要 燒 好 煤 （ 低 位 發(fā) 熱 量 為 1881025080

21、KJ/kg）。 氣流床：就是指爐料處于氣力輸送狀態(tài)，也就 是煤粉爐煤粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，煤粉爐是將煤磨成 小于0.1mm的細(xì)粉，用空氣吹入爐膛進(jìn)行燃燒， 燃燒時(shí)的煤粉基本上是隨著氣流一起飄動(dòng)，在 爐膛內(nèi)停留時(shí)間短（23S）燃燒溫度高（中心 溫度約13001500C），但爐內(nèi)蓄熱量少，因 此燒無煙煤不易穩(wěn)定，劣質(zhì)煤更難穩(wěn)定燃燒。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床：它分為鼓泡床和循環(huán)床，燃料在爐 內(nèi)既不象層燃爐那樣固定不動(dòng)，也不象 煤粉爐那樣隨氣流飄動(dòng)燃燒，而是在一 定范圍內(nèi)上下翻動(dòng)，呈現(xiàn)流態(tài)化，循環(huán) 運(yùn)動(dòng)燃燒。 l 鼓泡流化床鼓泡流化床：在流化床中，當(dāng)顆粒尺寸較大， 而氣流速度較小時(shí)，絕大多數(shù)床料集中在

22、爐 膛下部。此時(shí)空氣速度高于床料粒子的臨界 流化速度時(shí)，空氣以氣泡形式穿過床層，床 層粒子呈流態(tài)化。這種流化狀態(tài)稱為鼓泡流 化狀態(tài)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床： l 循環(huán)流化床循環(huán)流化床：當(dāng)顆粒尺寸較小或氣流速度較大 時(shí)，料床近似均勻地彌散在整個(gè)爐膛區(qū)域，并 不斷的被氣流帶出。此時(shí)如在爐膛上部出口處 安裝一高效分離器，將被氣流帶出爐膛的固體 顆粒分離出來，再將其送回床內(nèi)，以維持爐膛 內(nèi)固體床料總量不變。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：在床中無氣泡存在，氣相為連續(xù)相，固 體顆粒成聚團(tuán)為非連續(xù)相。聚團(tuán)不斷地破裂、 分散與重組，如此循環(huán)使固體強(qiáng)烈混合，氣固 接觸效率高，床料應(yīng)充滿整個(gè)空間，床料與容 器有相對(duì)移動(dòng)

23、，氣固相對(duì)速度大。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-11 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是應(yīng)用化工中的流態(tài)化 原理來組織燃燒的一種流化床燃燒技術(shù)； 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是目前最成熟、最經(jīng)濟(jì)、 應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)清潔燃燒方式； 我國大多數(shù)已應(yīng)用的循環(huán)流化床，其流化速 度偏低，循環(huán)倍率低，其爐膛底部大顆粒粒 子處于泡床，上部小顆粒粒子處于懸浮狀態(tài) 并經(jīng)分離器分離后，大部分送入爐內(nèi)進(jìn)行循 環(huán)燃燒。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 二、常規(guī)燃燒方式與流化床燃燒的比較 不同燃燒方式的燃燒特性比較 項(xiàng)目層燃煤粉燃燒鼓泡流化 床 循環(huán)流化床 燃燒溫度 1100130012001500850950850950

24、截面煙氣流速/（m/s) 2.534.59135.56.5 燃料停留時(shí)間/s約1000 23約5000約5000 燃料升溫速度/（C/s） 1101041010310103 揮發(fā)分燃盡時(shí)間/s 1000.110501050 焦炭燃盡時(shí)間/s 1000約1100500100500 混合強(qiáng)度差 差強(qiáng)強(qiáng) 過程控制因素?cái)U(kuò)散控制擴(kuò)散控制 為主 動(dòng)力控制 為主 動(dòng)力-擴(kuò)散 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 二、常規(guī)燃燒方式與流化床燃燒的比較 由上表可以看出，流化床燃燒與其他 兩種常規(guī)燃燒方式相比，燃燒溫度更低， 停留時(shí)間更長，湍流混合更強(qiáng)烈，這些 特點(diǎn)使流化床燃燒技術(shù)具有以下幾個(gè)主 要優(yōu)點(diǎn)。 燃料適應(yīng)性好：流化床鍋

25、爐幾乎能燒包 括貧煤、煤泥、煤矸石、工業(yè)廢棄物和 城市垃圾等在內(nèi)的各種劣質(zhì)燃料。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 二、常規(guī)燃燒方式與流化床燃燒的比較 良好的環(huán)保性能： 流化床燃燒技術(shù)具有低溫燃燒的特點(diǎn)，一 般燃燒溫度在850900C，可以有效地抑制 熱力型NOx的生成； 而通過分級(jí)燃燒又可以方便地控制燃料型 NOx的排放，從而使其NOx的排放水平只 有煤粉爐的1/31/4； 此外，在該燃燒溫度下，通過向爐內(nèi)添加 一定量的石灰石，就可以達(dá)到90%左右的 脫硫效率。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 二、常規(guī)燃燒方式與流化床燃燒的比較 良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能： 由于爐內(nèi)大量高溫惰性床料的存在，使 得流化床鍋爐具有良好的

26、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能。 在25%額定負(fù)荷下也能保持穩(wěn)定燃燒； 調(diào)節(jié)速度快，每分鐘可達(dá)5%8%的最 大連續(xù)負(fù)荷，因此特別適用于作為調(diào)峰 機(jī)組。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)基本原理及特點(diǎn) （1）流態(tài)化原理及流化床特點(diǎn) 流化床燃燒技術(shù)的核心是在爐膛內(nèi)形成 一種特殊的氣固兩相流動(dòng)狀態(tài)，即流態(tài) 化。固體燃料在此狀態(tài)下與氣體、或與 受熱面、或在固體顆粒之間發(fā)生強(qiáng)烈的 傳質(zhì)或傳熱作用，并劇烈燃燒，具有諸 多特點(diǎn)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 三、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)基本原理及特點(diǎn) （1）流態(tài)化原理及流化床特點(diǎn) 流態(tài)化現(xiàn)象。處于流化狀態(tài)的氣固系統(tǒng) 稱為流化床。當(dāng)通過固體顆粒層的氣流 速度發(fā)生變化時(shí)，氣固

27、系統(tǒng)的混合狀態(tài) 就會(huì)從一種流態(tài)變?yōu)榱硪环N流態(tài)，一般 分為：固定床、流化床、氣力輸送等。 對(duì)應(yīng)流態(tài)化的不同階段，流化床又可以 細(xì)分為散式流化床、鼓泡流化床、騰涌、 湍流流化床和快速流化床。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-12 不同形式的流化床直觀特征與壓力變化 （a）固定床；（b）散式流化床；（c）鼓泡流化床 （d）騰涌；（e）湍式流化床；（f）快速流化床 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （1）流態(tài)化原理及流化床特點(diǎn) 流態(tài)化現(xiàn)象。 l固定床：由較大尺寸的煤塊組成的床層在布風(fēng) 板上靜止不動(dòng)，固體顆粒之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 隨著氣流速度的增加，床層高度并不改變，如 上圖（a）。 散式流化床：當(dāng)通過固定床的氣流速

28、度進(jìn)一步 增加時(shí)，氣體對(duì)顆粒的曳力不斷增大，直至剛 好等于顆粒的重力減去浮力時(shí)，顆粒開始被吹 起，床層開始膨脹，床層轉(zhuǎn)入初始流化床狀態(tài)。 一般散式流化床保持時(shí)間很短，更多的是直接 進(jìn)入鼓泡流化床狀態(tài)。上圖（b） 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) （1）流態(tài)化原理及流化床特點(diǎn) 流態(tài)化現(xiàn)象。 鼓泡流化床：當(dāng)繼續(xù)增加氣體的流量， 多余氣體在床層內(nèi)以氣泡形式上行，在 上行過程中發(fā)生合并而增大，當(dāng)氣泡上 升到床層表面時(shí)即發(fā)生爆破而溢出，并 將其攜帶的部分顆粒拋入床層上部空間， 這種現(xiàn)象稱為鼓泡。此時(shí)床層的狀態(tài)類 似于液體在沸騰時(shí)的狀態(tài)，所以又俗稱 沸騰床。上圖（c）。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流態(tài)化現(xiàn)象。 l騰涌

29、：對(duì)于給定的床層，當(dāng)氣流速度或床層 的高度增加時(shí)，氣泡尺寸也會(huì)不斷增大。如 果床截面較小時(shí)，氣泡尺寸可能增大至與床 直徑或床寬相差不大，此時(shí)通常稱為騰涌現(xiàn) 象。騰涌形成的一個(gè)必要條件是最大穩(wěn)定氣 泡尺寸Dbmax大于0.6倍的床徑D，因此對(duì)于床 徑較大或高度較小的床層，鼓泡流化床有可 能直接過渡到湍流流化床而不發(fā)生騰涌。上 圖（d）。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流態(tài)化現(xiàn)象。 l 湍流流化床：在鼓泡床和騰涌時(shí)，由于 氣泡的合并和分裂，床層壓力存在著較 明顯的壓力波動(dòng)，當(dāng)氣流速度繼續(xù)增加 時(shí)，壓力波動(dòng)又開始減小，大的氣泡消 失，直至看不見氣泡。這個(gè)過程的床層 狀態(tài)稱為湍流流化床。上圖（e）。 湍流流

30、化床的特點(diǎn)是：湍流流化床的特點(diǎn)是：其床層界面已 經(jīng)變得模糊，大量的顆粒被拋入并彌散 在床層上方的懸浮空間。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流態(tài)化現(xiàn)象 快速流化床：如果進(jìn)一步提高氣流速度，氣流 中夾帶的顆粒量也將進(jìn)一步增加，已經(jīng)很難確 定床層的表面。直至達(dá)到輸送速度，此時(shí)如果 不及時(shí)補(bǔ)充床料，全部固體顆粒將會(huì)被帶出爐 膛，這個(gè)過程的床層狀態(tài)稱為快速流化床。上 圖（f）。 快速流化床的特點(diǎn)是：快速流化床的特點(diǎn)是：存在以顆粒團(tuán)聚狀態(tài) 為特征的密相懸浮夾帶，快速流化床具有氣固 接觸好、床截面顆粒濃度分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。此 時(shí)如果在爐膛后將帶出的顆粒通過分離和再循 環(huán)方式送回爐內(nèi)，以維持床內(nèi)固體總量平衡， 則實(shí)現(xiàn)

31、了循環(huán)流化床的工作方式。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流態(tài)化現(xiàn)象 氣力輸送：當(dāng)氣流速度已經(jīng)達(dá)到輸送速 度，且固體顆粒濃度相對(duì)較低時(shí)，固體 顆粒會(huì)均勻地分散在氣流中，并獨(dú)立地 隨之運(yùn)動(dòng)。煤粉燃燒即可以理解為氣力 輸送狀態(tài)下的燃燒過程。 氣力輸送與快速流化床的區(qū)別是：快速 流化床中的顆粒以團(tuán)聚物的形式運(yùn)動(dòng)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 圖5-13 氣力輸送（a）與快速流化床（b）的區(qū)別 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床特點(diǎn)：流化床是一種特殊的氣固 混合和運(yùn)動(dòng)形式，當(dāng)氣固系統(tǒng)處于流態(tài) 化狀態(tài)時(shí)，氣固混合形成的床層，即流 化床具有類似于流體的性質(zhì)。比如： 密度小于床層平均密度的物體會(huì)浮在床面 上，而密度大的則會(huì)

32、下沉； 床內(nèi)固體顆?？梢韵笠后w一樣，從低部或 側(cè)面的小孔中噴出； 當(dāng)床層整體傾斜時(shí)，表面仍能保持為水平； 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床特點(diǎn)： 在任一高度的靜壓近似等于在此高度上單 位截面內(nèi)固體顆粒的質(zhì)量。床層的壓降為 常數(shù)，床層顆粒的質(zhì)量完全由氣體拖曳； 空隙率是表征流化床內(nèi)氣相所占百分比的 參數(shù)，在流化床由鼓泡流態(tài)化向快速流態(tài) 化轉(zhuǎn)變過程中，床層的空隙率一直是在增 大。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床燃燒特點(diǎn)： 基于流化床具有流體性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出 不同的氣固接觸方式，使其在燃燒過程 具有諸多優(yōu)點(diǎn)： 燃燒過程中，氣固顆粒發(fā)生強(qiáng)烈的湍流混 合，具有較高的傳熱和傳質(zhì)速率，也大大 提高了其燃燒強(qiáng)度

33、； 床層內(nèi)固體顆粒混合均勻，使得溫度分布 均勻； 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 流化床燃燒特點(diǎn)： 由于具有大量的固體床料，可以儲(chǔ)存足夠 的熱量，使得燃料加熱迅速，且具有良好 的燃料適應(yīng)性，且能夠穩(wěn)定較低溫度運(yùn)行； 顆粒的流動(dòng)平穩(wěn)，適宜連續(xù)自動(dòng)控制； 不同粒徑的顆粒在燃燒反應(yīng)器中的停留時(shí) 間不同，燃盡程度也不同等。 循環(huán)流化床最顯著的特點(diǎn)是：其中顆粒 的聚集和團(tuán)聚作用，以及因此而形成的 固體顆粒的內(nèi)循環(huán)。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 鼓泡流化床鍋爐的優(yōu)缺點(diǎn) 鼓泡流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn) 流化床鍋爐對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)； 強(qiáng)化傳熱；流化床內(nèi)受熱面?zhèn)鳠岱浅Ｑ?速，而且非常均勻，與一般鍋爐相比其 傳熱可大36倍，因此可節(jié)約

34、鋼材，縮 小鍋爐體積，降低鍋爐生產(chǎn)成本； 由于流化床溫度低，燃燒過程中鉀、鈉 金屬升華很少，避免鍋爐中受熱面的高 溫腐蝕； 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 鼓泡流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn) 低污染。由于流化床溫度低，NOx的生成速 度很慢；又由于通過加入石灰石可控制煙氣 中的SO2的析出； 負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大。流化床鍋爐一般最低負(fù)荷 可降低至額定負(fù)荷的1/4以下，而且容易實(shí)現(xiàn) 操作的自動(dòng)化； 灰渣可綜合利用。由于流化床實(shí)現(xiàn)低溫燃燒， 使得灰渣的活性提高，有利于灰渣綜合利用； 效率高。 第五章煤炭潔凈燃燒技術(shù) 鼓泡流化床鍋爐存在問題和改進(jìn)地方 電耗問題。流化床鍋爐耗電的主要原因是： 一是鼓風(fēng)機(jī)，由于流化床鍋爐布風(fēng)板阻力較 大，而且有較厚的料層，故鼓風(fēng)機(jī)耗電是層 燃爐的兩倍以上；二是碎煤機(jī)；三是除塵設(shè) 備。