流化床燃烧的概念与特点

1.流态化与循环床的概念

流化床，顾名思义，指固相（颗粒）在流体（锅炉中为气体）作用下形成流态化的床层。无论对第一代流化床锅炉（即鼓泡床BFBB）还是第二代流化床锅炉（即循环床CFBB），流态化都是其燃烧、传热等过程的基础，对设备的性能具有决定性的意义。

流化床的流体动力特性是非常重要的参数，它决定锅炉辅机（主要是风机）的能耗、热量分配、温度分布、燃烧状况、床内物料量和磨损等。良好的流态化组织是合理设计和运行循环流化床锅炉的基础。

所谓流态化，就是使细颗粒通过与流体介质的接触而转变成类似流体的一种运行状况。当颗粒处于流态化状态时，作用在颗粒上的重力与气流的曳力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有类似于液体的性质，图3-14形象地表示了这一类性质。

图3-14　流化床流体属性示意图［17］

（1）在任一高度的静压近似等于在此高度上单位床截面内固体颗粒的重量，这与液柱完全一样。

（2）无论床层如何倾斜，床表面基本保持水平，床层的形状也保持容器的形状。

（3）床内固体颗粒可以像液体一样，从底部或侧面的孔口中排出。

（4）密度大于床层表观密度的物体在床内会下沉，密度小的物体会浮在床面上。

（5）床内颗粒混合良好，当加热床层时整个床层的温度和成分基本上均匀。

如果通过固体颗粒床层的气速增加，会使气固两相的接触模式发生变化。床内气速变化，床层会从一种流态转变至另一种流态。

循环流化床锅炉（简称CFBB）是一种燃用固态或准固态燃料来生产蒸汽或热水的装置，锅炉的燃烧室运行在一种特殊的流体动力特性下：30～500μm的细颗粒被以超过平均粒径颗粒终端速度的气速输送通过炉膛，同时又有足够的颗粒返混以保证炉膛内的温度分布均匀。也就是说，CFBB炉膛下部物料是流态化的，上部是物料输运，并形成物料循环。CFBB是第一代流化床锅炉BFBB的升级产品，属于第二代流化床锅炉。

循环流化床锅炉可分为两部分，第一部分由以下各部件组成：

（1）炉膛或快速流化床。

（2）气固分离设备。

（3）物料循环设备。

上述部件形成了一个固体物料循环回路，燃料在其中燃烧。循环流化床锅炉的炉膛通常布置有水冷壁，燃烧所产生热量的一部分就由这些水冷壁所吸收。第二部分就是对流烟道。对流烟道布置有过热器、省煤器和空气预热器，大型燃煤循环床锅炉有的还布置再热器，烟气的余热就在对流烟道中被吸收，循环流化床锅炉的部件还有排渣设备、给料设备和颗粒分级设备。

锅炉炉膛的下部截面积较小并通常是渐扩的，这样对于大多数颗粒都能保持良好的流化状态。二次风进口以下的炉墙用耐火层覆盖，焚烧垃圾时甚至整个炉膛都覆盖耐火材料。炉膛的上部截面积相同并要比下部大一些，这部分炉墙通常布置有蒸发受热面、过热器等受热面。气固分离装置和非机械式物料回送阀通常布置在炉膛之外，这些部件也覆盖有耐火层。

燃料通常在炉膛的下部给入，燃料与热物料混合后就会燃烧。炉内脱硫用的石灰石的给料方法与燃料相似。

一次风经过布风装置从炉底进入炉膛，二次风则在炉膛的一定高度喷入使燃料充分燃烧。虽然热量沿炉膛高度被不断吸收，但由于沿炉膛高度床料混合良好，因此炉膛温度基本上均匀保持在800～950°C范围内。粒度相对较大的脱污剂和未燃尽的焦炭被气固分离器捕集并在靠近炉膛底部处再循环送回，燃烧和脱污产生的细颗粒（飞灰和反应过的脱污剂）离开炉膛并从气固分离器飞出，这些细颗粒将在烟气净化系统的除尘器中被收集。

循环流化床锅炉的炉膛中有一定量的固体颗粒（即床料），这些颗粒的粒度通常在0.1～0.3mm范围内。这些固体颗粒包括：

（1）砂或砾石（燃用垃圾、生物质等低灰燃料时）。

（2）新鲜的或反应过的脱污剂（需要脱氯脱硫时）。

（3）燃料燃烧产生的灰。

有时床料也可以是组合物料。燃料的粒度（特别对于垃圾、生物质等低灰燃料）并不一定对床料的粒度起控制作用，这是因为在循环流化床锅炉中燃料只占床料总量的很小一部分（1%～3%），而且燃料燃烧过程中并伴有破裂、磨损等现象。

2.流化床燃烧

对燃烧过程的定性和定量的了解，对焚烧炉的合理设计是非常重要的。合理的燃烧组织，是保证CFBB高效燃烧和低污染排放的关键。

按照传统的理论，时间、温度和湍流度（即“3T”）是组织良好燃烧过程所必须保证的。在循环流化床锅炉中，上述三个条件是充分满足的。在燃烧温度下良好的内循环和外循环给燃烧颗粒提供了在足够高温度下足够长的停留时间，循环床内强烈的气固混合为良好的燃烧提供了必需的湍流度。

给入流化床的燃料颗粒将依次经历如下过程：干燥和加热、挥发分析出和燃烧、膨胀和一次破碎、焦炭燃烧和二次破碎及磨损。

图3-15定性给出了上述各个过程，同时给出的还有各个过程的时间量级。

图3-15　流化床内燃料颗粒的燃烧过程［17］

（1）干燥和加热。垃圾（或焦炭）占床料的重量百分比一般为1%～3%，其余为灰和石灰石，当新鲜燃料被送入流化床后立即被大量惰性床料所包围并被加热至接近床温，加热速率一般在100°C/s至1000°C/s的范围。影响加热速率的因素不少，其中之一为燃料的粒度。

燃料的干燥过程取决于燃料的水分和粒度。由于加热速率较高，加热时间短，因而干燥过程很短暂，以至于与挥发分析出过程紧密相连。对于水分高达40%以上的生活垃圾，若把燃料直接投入密相区，由于水分闪蒸等原因，可能导致床压剧烈波动。(www.xing528.com)

（2）挥发分析出。挥发分析出过程即热解过程，是指燃料受热分解并产生大量气态物质的过程。挥发分由多种碳氢化合物组成，并在不同温度区域析出，图3-16是挥发分析出过程的示意图。对垃圾而言，挥发分的第一个稳定析出区域大约发生在温度300～500°C范围内，第二个稳定析出区域则在温度600～800°C范围内。燃料的工业分析为挥发分产率提供了一个大致范围，但挥发分的精确产率和成分却受许多因素的影响，例如加热速率，初始温度和最终温度，最终温度下的停留时间，燃料的粒度和种类等。

图3-16　挥发分析出过程的示意图［17］

实际上挥发分析出和燃烧是重叠进行的，很难把两个过程的时间绝对区分开来，因此，更有实际意义的方法是测试挥发分析出和燃烧时间。

挥发分燃烧时在氧和未燃挥发分的边界上呈扩散火焰。燃烧过程通常是由界面处挥发分和氧的扩散所控制的。对于孤立的燃料颗粒，扩散火焰的位置是由氧的扩散速率和挥发分析出速率所决定的。如果氧的扩散速率低于挥发分析出速率，火焰离燃料颗粒表面的距离就增大（如塑料），反之，火焰离燃料颗粒表面的距离就减小（如木材），直至两者建立动态平衡。对于大颗粒燃料，挥发分析出时间与燃料颗粒在流化床中的整体混合时间具有相同的量级。因此，在循环流化床锅炉中，在炉膛上部乃至顶部有时也能观察到大颗粒燃料周围的挥发分火焰，尤其是垃圾焚烧过程中，这种现象更明显。因此，为保证烟气排放，通常要求垃圾焚烧炉炉膛要高一些。

（3）焦炭燃烧。焦炭燃烧通常是挥发分析出基本完成后开始的，有时上述两个过程也有所重叠。在焦炭燃烧过程中，气流中的氧先被传递到颗粒表面，然后在焦炭表面与碳发生氧化反应生成CO2和CO。焦炭是多孔颗粒，有大量不同尺寸和形状的内孔，这些内孔表面积要比焦炭外表包覆面积大好几个数量级。在一定条件下，氧还会通过扩散进入内孔并与内孔表面的碳产生氧化反应。焦炭燃烧在垃圾焚烧中是一个相对次要的过程。

从燃烧的角度看，循环流化床锅炉的炉膛可以分为以下三个不同的区域：

1）炉膛下部区域（下二次风口以下）。

2）炉膛上部区域（下二次风口以上）。

3）高温气固分离器。

循环床锅炉其它部分，例如料腿、返料装置等，对燃烧的贡献很小以至可以忽略，因而不包括在上述三个区域中。

炉膛的下部区域由一次风所流化，一次风量约为燃料燃烧所需化学当量值的40%～80%。新鲜的燃料及从高温分离器收集的未燃尽的焦炭被送入该区域，燃料的挥发分析出和部分燃烧也发生在该区域。该区域内通常处于还原性气氛或交替还原性气氛，为了防止受热面管子的腐蚀和磨损的双重损害，受热面一般用耐火材料覆盖。

炉膛下部区域的固体颗粒浓度要比上部区域高得多，因此该区域也可视为一个贮存热量的热库，在循环床锅炉中起着负荷调节的“缓冲库”的作用，也是垃圾吸热干燥和释放挥发分的区域所在。当锅炉负荷增加时，一次风与二次风也按比例增加，使得能够输送数量较大的高温物料到炉膛的上部区域。

在所有工况下，燃烧空气都通过炉膛上部区域。被输送到炉膛上部的挥发分和焦炭处于富氧气氛下，大多数燃烧发生于此。一般而言，上部区域比下部区域要高得多。焦炭颗粒在炉膛截面的中心部分被输送作向上运动，同时沿截面贴近炉墙的外环向下移动，或者在中心随颗粒团向下运动。这样焦炭颗粒在被夹带出炉膛之前已沿炉膛高度方向循环运动了多次。

被夹带出炉膛的未燃尽焦炭进入覆盖有耐火材料的气固分离器，焦炭颗粒在气固分离器内的停留时间很短，而且该处的氧浓度很低，因而焦炭在气固分离器中的燃烧份额很小。不过，一氧化碳和少量未燃尽的挥发分常常在气固分离器内燃烧。

（4）燃烧温度。典型循环流化床锅炉炉膛的运行温度为850°C～950°C，由于下述原因燃烧温度维持在这个范围内：

1）在该温度下灰不会熔化；

2）脱硫反应的最佳反应温度为850°C左右；

3）在该温度下垃圾中的碱金属不会升华，这样就可降低锅炉受热面上的结渣；

4）燃烧空气中氮不会大量转化成NOx。

燃烧温度高也有优点。循环床锅炉的可燃物损失主要是逃离分离装置的细颗粒中的未燃尽碳损失，而细颗粒的燃烧是反应动力学控制的，因此燃烧温度高可缩短燃尽时间从而降低燃烧损失，同时可以减少PCDD/Fs的原始生成量。从燃烧和污染物排放角度考虑，温度控制在900～950°C附近是可取的。

（5）燃料的成分与性质。对任何锅炉的设计和运行，燃料是决定性的，CFBB也不例外。初步设计时需要知道燃料的热值、工业分析和元素分析数据。燃料的热值和锅炉出力、效率决定了燃料给料量，燃料的工业分析则决定了气固分离器和尾部烟道等部件的设计，也在一定程度上影响锅炉的配风。燃料的反应特性好会提高燃烧效率，燃料的物理性质好也会提高燃烧效率。

3.流化床燃烧的特点

（1）循环流化床锅炉的优点。

1）燃料适应性广。这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量百分比计，燃料仅占床料的1%～3%，其余则是不可燃的固体颗粒（如脱硫剂、灰或砂等）。循环流化床的特殊流体动力特性使得气相与固相、固相与固相之间混合得非常好，因此燃料进入炉膛后很快与大量高温床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而同时床层温度又不会明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃料而燃用任何燃料，特别是高水分、低热值的废弃物。因此，CFBB具有广泛的燃料适应性，当然这并不意味着一台锅炉在不需要作改动的前提下就可燃用范围很广的燃料。

2）燃烧效率高。循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，焚烧垃圾时燃烧效率通常在95%～99%范围内，有时甚至可达99.5%。循环床锅炉燃烧效率高的主要原因是CFBB有更好的气固混合和高燃烧速率（特别是对粗颗粒燃料），而且绝大部分未燃尽的燃料颗粒被再循环至炉膛反复燃烧。

所有型式的流化床锅炉的主要燃烧损失是离开燃烧室的细颗粒未燃尽损失。原始燃料通常含有一定数量的细颗粒，燃烧过程中由于燃料的磨损也会产生大量的细炭粒。在鼓泡床锅炉中，床层高度通常为0.5～1.5m，细颗粒易被气流夹带出床层。床层上部的悬浮段由于气固混合较差和温度相对较低，不能使含碳细颗粒有效地燃尽，这样相当数量未燃尽的炭粒因没有分离器捕集而逃离燃烧室造成未燃尽损失。与此同时，由于上部温度较低，不符合3T原则，因此鼓泡流化床在焚烧垃圾时初始排放并不好（尤其是PCDD/Fs）。

在循环流化床锅炉中，燃烧区域扩展到整个炉膛以至高温分离器，通常被高温分离器捕集的细颗粒直接回送至炉膛下部。这样，燃烧过程中产生的细炭粒在再循环过程中有较长的燃尽时间。燃烧损失只是由于那些炉膛上部产生并逃离分离装置的细颗粒所造成。在有些焚烧炉中，这些逃离分离装置的细颗粒在尾部被收集并回送至炉膛以进一步降低燃烧损失。

3）高效脱污。循环流化床锅炉的脱硫和脱氯比鼓泡流化床锅炉有效，典型的循环流化床锅炉在炉内达到90%脱硫效率时所需的脱硫剂化学用量比为1.5～2.5，鼓泡床锅炉达到相同脱硫效率则需2.5～3，甚至更高。无论是脱硫剂的利用率还是二氧化硫的脱除率，循环床锅炉都比鼓泡床锅炉优越。

4）NOx排放低。氧化氮排放低是循环床锅炉另一个非常吸引人的特点。循环床锅炉的NOx排放一直在50～150ppm范围之内，上述结果是分级燃烧直接造成的，对垃圾一类的高挥发分燃料尤其如此。低于燃烧化学当量的一次风从炉膛底部给入，这样析出的燃料氮不能充分与氧反应生成氧化氮，少量被还原为N2。二次风在炉膛一定高度加入，使过量空气达到20%以上。因燃料氮已经转化为分子氮，故在还原区以上形成NOx的机会也比较少。在循环床锅炉的低温燃烧范围内（850～950°C），空气中的氮一般不会产生热反应型NOx。

（2）循环流化床锅炉的缺点。以上介绍了CFBB的优点，犹如一个硬币的正反面，任何一种技术和设备，除了优点也一定会有不足之处。CFBB主要的缺点有：

1）结构比较复杂，如采用高温气固分离器时，其尺寸庞大，造价较高，使整个循环床锅炉的钢材消耗量增加。

2）整个炉内物料循环系统的流动阻力大，使锅炉机组运行的动力消耗增加。

3）炉膛内受热面及耐火层、分离器内壁受到物料冲刷，都有不同程度的磨损，需要定期检修、更换，检修间隔3～5年不等。