循环流化床机组的原理是何种?循环流化床和它的下一代

循环流化床机组简介

循环流化床中，燃烧室、分离器及返景泰蓝组成主循环回路。燃料燃烧形成的产率及脱硝石灰石在系统中累积，在燃烧室上部产生鼓泡床或紊流床，下部产生迅速床。

上部的大量热物料为燃料起火提供足够的热源，所以对燃料要求比较修身。流化过程气固混和强烈，增加了燃烧或脱硝物理反应的传热阻力，加快了反应速率。

在800~900℃条件下，燃烧比较稳定，加入石灰石颗粒，石灰石中的氯化钙可以分解成高孔隙率的氧化钙，借此吸收燃烧形成的甲烷；此盐度下氮氧化物的生成量明显升高循环流化床，另外，高温燃烧产生的微孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，烟气中重金属排放低。

增压循环流化床机组

循环流化床机组的工作原理

由图1可见，随着气流速率的提高，固体颗粒分别出现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段一般运行在迅速流化床状态下。

迅速紊流化流体动力特征的产生对循环流化床是至关重要的，此刻，固体物料被速率小于单颗物料的终端速率的气流所流化电热锅炉，以颗粒团的方式上下运动，形成高度的返混，颗粘团向各个方向运功，并且不断产生和解体。在这些流体状态下，气流还可携带一定数目的大颗粒，虽然其终端速率远小于截面平均气速。这些气固运动模式中，存在较大的气固两相速率差，即相对速率。

循环流化床机组的特征

循环流化床机组可分为两个部份。第一部份由炉顶(迅速流化床)、气固物料分离设备、固体物料再循环设备和内置热交换器(有些循环流化床机组没有该设备)等组成循环流化床，上述部件产生一个固体物料循环回路。第二部份为对流烟道，布置有局部过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧机组相似。

(1)不再有鼓泡流化床这样清晰的界面，固体颗粒富有整个上升段空间；

(2)有强烈的物料返混，颗粒团不断产生和解体，使得向各个方向运动；

(3)颗粒与氢气之间的相对速率大，且与床层缝隙率和颗粒循环流量有关；

(4)运行流化速率为鼓泡流化床的2～3倍；

(5)床层压降随流化速率和颗粒的品质流量而变化；

(6)高温动力控制燃烧。循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的流场扰动极强的固体颗粒紧密接触，并具备大量颗粒返混的紊流化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部份低温的固体颗粒捕集，并将他们送回炉内再度参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。虽然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这些燃烧模式下，炉内湿度水平因受脱硝最佳水温限制，通常850℃左右。那样的气温远高于普通褐煤炉中的湿度水平，并高于通常煤的灰硬度，这就免去了灰融化带给的种种苦恼。从燃烧反应动力学视角看，循环流化床机组内的燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区)内、由于循环流化床机组内相对来说气温不高，并有大量固体颗粒的强烈混和，这些状况下的燃烧速度主要取决于物理反应速度，也就是决定于室温水平，而化学诱因不再是控制燃烧速度的主导诱因。循环流化床机组内燃料的熄灭度很高，一般，功耗良好的循环流化床机组燃烧效率可达98％～99％以上。

(7)高速率、高含量、高通量的固体物料紊流化循环过程。循环流化床机组内的固体物料(包括燃料、残炭、灰、脱硫刘和惰性床料等)经历了由窑炉、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在上面介绍迅速紊流化的特征时，我们也介绍了窑炉内固体物料的内循环，所以循环流化床机组内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硝过程都是在这两种方式的循环运动的动态过程中逐渐完成的。

(8)高硬度的糖分、质量和动量传递过程。在循环流化床机组中，大量的固体物料在强烈紊流下通过窑炉，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧载荷。在这些组织模式下，炉内的糖分、质量和动量传递过程是非常强烈的，这就使整个窑炉高度的温度分布均匀。运行实践也充分否认了这一点。

增压循环流化床机组的基本结构

增压循环流化床机组主体结构由压力壳及坐落压力壳内的流化床燃烧室、旋风分离器、回景泰蓝等组成。

蒸发受热面由窑炉内的风冷壁组成,过热器和再热器布置在窑炉内,过热蒸气选用两级喷水减温。因为不具有对再热蒸气的其他调节方式,因此对再热蒸气也选用喷水减温。之外,也有再热蒸气启动旁路系统。

增压循环流化床机组布风板风速为5m/s,与常压循环流化床机组大致相当。

第二代增压循环流化床联合发电技术

增压流化床联合循环的研究开发早已取得了巨大的成绩,但在技术上仍存在其局限性。为了摆脱增压流化床燃煤联合循环动力装置中煤气轮机入口气温较低(850～920℃)的问题,提出了第二代增压循环流化床联合循环发电技术。

在这个系统中,主要增压了一个增压汽化装置,将煤炭分解为燃气和煤炭,煤炭送入增压流化床燃烧机组作为原料,经过洁净的燃气被送入煤气轮机的后置式燃烧室,与来自增压流化床燃烧机组的热烟气混和并提升体温后送入煤气轮机做功发电。图3为增压循环流化床燃煤联合循环装置燃烧部份示意图。

与第一代增压流化床联合循环相比,第二代增压流化床联合循环的效率相对减少15%～20%(从第一代的39%～41%提升到44%～47%)。增压流化床联合循环后置燃烧室的低温燃烧对减少CO,N2O和碳酰基合物的排放具备重要意义。

然而,第二代增压流化床联合循环具备更优良的环保功耗。

增压流化床机组整体化发电技术

基于富氧燃烧技术提出的燃煤增压流化床机组整体化发电的概念,一直选用富氧燃烧与烟气再循环模式。

当整体系统压力增加到6.0～8.0MPa,机组排烟中的水份凝结气温会增加到167～222℃。因而,可以选用机组排烟冷凝器,将原先难以运用的水份高温凝结糖分弄成了有运用价值的较高湿度的凝结糖分。

若果在火力发电的蒸气动力循环系统中运用这部份烟气水份凝结糖分加热机组给水,部份取代加热机组给水的汽轮机抽汽,可使汽轮机的输出降低约8%。

另一个突出的特点是CO2的液化工艺大大简化,由于,对应的6.0MPa的烟气压力,其对应的CO2凝结气温只有20～25℃(见图4)。

在环境湿度下(20℃)回收液态CO2,比常压富氧技术选用的工艺节省了大量的电能。因为烟气中的水份早已凝结,机组的排烟损失较常压富氧燃烧逐步减少,机组效率可以增加到94%～96%。

同时再循环回到窑炉的烟气也被脱去了水份,烟气中的大部份产率也会随水份被去除,SO2与SO3也被同时去除,毋须设置烟气脱湿洁净设备,大大简化了富氧燃烧设备与系统。

因为系统全过程整体增压,增加了机组热效率,提高了汽轮机的输出功率及锅炉热效率,提高了CO2冷却压缩液化的电能消耗,所以可以部份抵消系统增压所提高的功率消耗,增加捕捉CO2的费用。