界流速比值（qt）的关系如图1-2所示。
三、颗粒的夹带、扬析
当床层流动状态转到湍流流化床时，密相床层和稀相床层的界面开始模糊，颗粒夹带量明显增加。当气流通过颗粒层时，一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走，这一过程称为扬析。由于扬析过程中更多颗粒被夹带着离开床层，其中终端速度大于床层表观气速的颗粒，经过一定的分离高度后会陆续返回床层，因此存在着输送分离高度，英文简称TDH。此过程就是通常所说的循环流化床的内循环。在TDH以上的空间，颗粒浓度不再降低，床层表面至TDH之间的空间称为自由空间，燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉，其炉膛出口高度通常低于TDH，因此同时存在着夹带和扬析现象。发生扬析现象的颗粒的来源有三个：
(1)给煤中的细颗粒。
(2)煤在挥发分析出阶段破碎形成的细颗粒。 (3)在煤燃烧的同时，由于磨损造成的细颗粒。
四、宽筛分颗粒特性
1．宽筛分颗粒定义
进入锅炉的燃料颗粒直径一般是不相同的，如果粒径粗细范围较大，即较宽，称为宽筛分；粒径粗细范围较小，称为窄筛分。循环流化床（气固流化床）床料中的颗粒通常是粒径由小到大的宽筛分布，由于颗粒的直径不同，其流动工况和规律也各不相同。这样就需要显示出颗粒大小的分布规律，利用此规律来研究两相流动和燃烧，或者求出分散相颗粒直径的平均值，以平均直径颗粒的运动来代表分散相颗粒群的运动规律，粒径的分布规律是一个重要特性。除了要知道颗粒尺寸的分布规律外，还要了解各颗粒所占表面积的分布规律和各颗粒重量的分布规律。燃料的筛分对锅炉运行的影响较大，一旦锅炉确定下来，其燃料筛分基本就确定下来。对于挥发分较高的煤，粒径允许范围较大，筛分较宽；对于挥发分较低的煤，其粒径要求较小，筛分较窄。
2．宽筛分颗粒分类
1)C类颗粒。这类颗粒粒度很细，一般都小于20μm，颗粒间相互作用力很大，很难流态化。
2)A类颗粒。这类颗粒粒度比较细。一般为20～90μm，通常很易流化。
3)B类颗粒。这类颗粒具有中等粒度，粒度范围为90～650μm，具有良好的流化性能。它在流体速度达到临界流化速度后就会发生鼓泡现象。
4)D类颗粒。这类颗粒粒度通常具有较大的粒度和密度，并且在流化状态时颗粒混合性能较差。大多数循环流化床锅炉内的床料和燃料均属于D类颗粒。 3.宽筛分颗粒流化时的动力特性
1)小于流体密度的物体浮在床层表面，密度大于流体密度的物体会下沉。 2)床层表面保持水平，形状保持容器的形状。
3)在任一高度的静压近似等于在此高度以上单位床截面积内固体颗粒的重量。 4)床层内颗粒混合良好，加热床层时所有床料温度基本保持均匀。 5)床层内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔中排出。 6)几个流化床底部连通后，床层高度自动保持同一水平高度。
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第二节 循环流化床锅炉的工作原理
一、循环流化床锅炉的典型工作条件
循环流化床锅炉的典型工作条件可归纳为表1-1。
表1-1 循环流化床锅炉的工作条件
项 目 床层温度（℃） 流化速度（m/s） 床料粒度（ηm） 床料密度（kg/m） 燃料粒度（mm） 脱硫剂粒度（mm） 3数 值 850～950 4～8 100～700 1800～2600 0～13 0～2 项目 床层压降KPa 炉内颗粒浓度 （kg/m） Ca/S摩尔比 壁面传热系数 [W/(m2K)] 23数 值 6～12 150～600（炉膛底部） 3～40（炉膛上部） 1.5～3 130～250 二、循环流化床锅炉的基本构成
循环流化床锅炉可分为两个部分。第一部分由炉膛（流化床燃烧室）、气固分离设备（分离器）、固体物料再循环设备（返料装置或称返料器）和外置换热器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为尾部对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规火炬燃烧锅炉相近。
图1-3为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意。燃料和脱硫剂由炉膛下部进火锅炉，燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成。炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在分离器内被分离和收集，通过返
料装置送回炉膛，烟气则进入尾部烟道。 图1-3典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意
1．炉膛
炉膛的燃烧以二次风入口为界分为两个区。二次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区（密相区），二次风入口以上为小粒子氧化气氛燃烧区（稀相区）。燃料的燃烧过程、脱硫过程、NOx和N2O的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。燃烧室内布置有受热面，它完成大约50％燃料释热量的传递过程。流化床燃烧室既是一个燃烧设备，也是一个热交换器、脱硫、脱硝装置，集流化过程、燃烧、传热与脱硫、脱硝反应于一体。所以流化床燃烧室是流化床燃烧系统的主体。
2．分离器
循环流化床分离器是循环流化床燃烧系统的关键部件之一。它的形式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的形式和紧凑性，它的性能对燃烧室的空气动力特性、传热特性、物料循环、
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燃烧效率、锅炉出力和蒸汽参数、对石灰石的脱硫效率和利用率、对负荷的调节范围和锅炉启动所需时间以及散热损失和维修费用等均有重要影响。
国内外普遍采用的分离器有高温耐火材料内砌的绝热旋风分离器、水冷或汽冷旋风分离器、各种形式的惯性分离器和方形分离器等。
3．返料装置
返料装置是循环流化床锅炉的重要部件之一。它的正常运行对燃烧过程的可控性、锅炉的负荷调节性能起决定性作用。
返料装置的作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰，从分离器下部的低压侧（一般为负压）输送到燃烧室下部的高压侧（正压）,分离器收集下来的物料送回流化床循环燃烧，并保证流化床内的高温烟气不经过返料装置短路流入分离器。实现这种输送的动力来自流化后的物料重力。因此，分离器与回料器之间的立管高度和料位高度对回送的实现非常重要。返料装置既是一个物料回送器，也是一个锁气器。如果这两个作用失常，物料的循环燃烧过程建立不起来，锅炉的燃烧效率将大为降低，燃烧室内的燃烧工况变差，锅炉将达不到设计蒸发量。
流化床燃烧系统中常用的返料装置是非机械式的。通常采用的返料器主要有两种类型：一种是自动调整型返料器，如流化密封返料器；另一种是阀型返料器，如“L”阀等。自动调整型返料器能随锅炉负荷的变化，自动改变返料量，不需调整返料风量。阀型返料器要改变返料量则必须调整返料风量，也就是说，随锅炉负荷的变化必须调整返料风量。
4．外置换热器
部分循环流化床锅炉采用外置换热器。外置换热器的作用是，使分离下来的物料部分或全部（取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数）通过它，并将其冷却到500℃左右，然后通过返料器送至床内再燃烧。外置换热器内可布置省煤器、蒸发器、过热器、再热器等受热面。
外置换热器的实质是一个细粒子鼓泡流化床热交换器，流化速度是0.3～0.45m/s，它具有传热系数高、磨损小的优点。采用外置换热器的优点如下：
1) 可解决大型循环流化床锅炉床内受热面布置不下的困难； 2) 为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供了很好的手段； 3) 增加循环流化床锅炉的负荷调节范围； 4) 增加同一台锅炉对燃料的适应性； 5) 节约锅炉受热面的金属消耗量。
三、循环流化床内煤的燃烧过程
1．煤的加热和干燥。
煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热和干燥，加热速率一般在100～1000℃/s的范围内，即加热时间仅有几秒钟。首先水分蒸发，然后煤粒中的挥发分析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。其间伴随着煤粒的破碎、磨损，而且挥发分析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。煤粒在流化床中的燃烧过程如图1-4所示。
循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间，密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料，其中的可燃物只占很小的一部分。这些灼热的床料成为煤颗粒的加热源，在加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，而煤粒在l0s左右就可以燃烧（颗粒平均直径在0～8mm），所以对床温的影响很小。
2．循环流化床内煤的燃料着火。
流化床内燃料着火的方式，固体质点表面温度起着关键作用，是产生着火的点灶热源，这类固体近质点可以是细煤粒，也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。当固
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体质点表面温度上升时，煤颗粒会出现迅猛着火。另外，颗粒直径大小对着火也有很大的影响，对一定反应能力的煤种，在一定的温度水平之下，存在临界的着火粒径，小于这个颗粒直径，因为散热损失过大，燃料颗粒就不能着火，逸出炉膛。
图1-4 燃烧烧过程图
3．循环流化床内煤的破碎特性。
煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。
煤粒进入流化床内时，受到炽热床料的加热，水分蒸发，当煤粒温度达到热解温度时，煤粒发生脱挥发分反应，对于高挥发分的煤种，热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段，颗粒内部产生明显的压力梯度，一旦压力超过一定值，已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎；对低挥发分煤种，塑性状态虽不明显，但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出，因此颗粒内部也会产生较高的压力，另外，由于高温颗粒群的挤压，颗粒内部温度分布不均匀引起的热应力，这种热应力都会引起煤颗粒破碎。
煤粒破碎后会形成大量的细小颗粒，特别是一些可扬析颗粒会影响锅炉的燃烧效率。细煤粒一般会逃离旋风分离器，成为不完全燃烧损失的主要部分。破碎分为一级破碎和二级破碎。一级破碎是由于挥发分逸出产生的压力和孔隙网络中挥发分压力增加而引起的；二级破碎是由于作为颗粒的联结体—形状不规则的联结“骨架”（类似于网络结构）被烧断而引起的破碎。
煤的破碎发生的同时也会发生颗粒的膨胀，煤的结构将发生很大的变化。一般破碎和膨胀受下列因素的影响：挥发分析出量；在挥发分析出时，碳水化合物形成的平均质量；颗粒直径；床温；在煤结构中有效的孔隙数量；母粒的孔隙结构等。
4．焦炭的燃尽。
焦炭的燃烧过程通常是在挥发分的析出完成后开始的，有时这两个过程也存在着一定的重叠。即在初期以挥发分的析出与燃烧为主，后期则以焦炭燃尽为主，至于二者的持续时间，则受煤种及运行工况的影响，很难确切划分。一般认为，煤中挥发分的析出时间约为1～10s，而挥发分的燃烧时间一般小于1s；而焦炭的燃尽时间比挥发分的燃烧时间大两个数量级。也就是说焦炭的燃烧过程控制着煤粒在循环流化床内的整个燃烧时间。
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
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上生成CO2和CO。焦炭是多孔颗粒，有大量不同尺寸和形状的内孔，这些内孔面积要比焦炭外表面积大好几个数量级。在有些情况下，氧通过扩散进入内孔并与内孔表面的碳产生氧化反应。
在不同的燃烧工况，焦炭燃烧可在外表面或内孔孔壁发生。燃烧工况由燃烧室的工作条件和焦炭特性所决定，具体可分为三种类型。
1）动力燃烧
在动力燃烧中，化学反应速率远低于扩散速率。无孔大颗粒焦炭在900℃左右燃烧以及多孔大颗粒焦炭在600℃以下燃烧可能属于该工况。对于细颗粒多孔焦炭，如果传质速率很高，可能在800℃温度范围内燃烧才属于动力燃烧。对于多孔焦炭，氧扩散到整个焦炭颗粒，使燃烧在整个焦炭内均匀进行。因此，随着燃烧的进行，焦炭密度降低而直径不变，氧浓度在焦炭颗粒内是均匀的。动力燃烧主要发生在以下情况：
（1）循环流化床锅炉启动过程，此时温度低，化学反应速率也低； （2）细颗粒燃烧，此时扩散阻力很小。 2）过渡燃烧
在过渡燃烧中，反应速率与内部扩散速率相当。在此工况下，氧在焦炭中的透入深度有限，接近外表面处的小孔消耗掉大部分氧。这种燃烧工况常见于鼓池流化床和循环流化床某些区域中的中等粒度焦炭，此时微孔传质速率和化学反应速率相当。
3）扩散燃烧
在扩散燃烧中，传质速率远低于化学反应速率。由于化学反应速率很高，传质速率相对较慢的有限氧分在刚到达焦炭外表面就被化学反应所消耗。这种工况常见于大颗粒焦炭，因为此时传质速率比化学反应速率低。
我国的循环流化床锅炉和鼓泡流化床锅炉所使用燃煤的粒径大部分为0～13mm，在相同的床料粒度、床温和氧浓度下，循环流化床的气固传输速率比鼓泡流化床要高得多。随着燃烧的进行，焦炭颗粒缩小，气固传输速率增加，燃烧工况也从扩散燃烧移到过渡燃烧，最后到动力燃烧。
四、循化流化床锅炉的燃烧区域
不同结构形式的循环流化床锅炉，其燃烧区域略有差别。对于带高温气固分离器的循环流化床锅炉，燃烧主要存在于三个不同的区域，即炉膛下部密相区（二次风口以下）、炉膛上部稀相区（二次风口以上）和高温气固分离器区。采用中温气固分离器的循环流化床锅炉只有炉膛上、下部两个燃烧区域。循环流化床锅炉的其他部分，例如立管、返料装置等，对燃烧的贡献很小，因而从燃烧的角度不再将其划为燃烧区域。
在炉膛下部的密相区，充满了灼热的物料，是一个稳定的着火热源，也是一个贮存热量的热库。新鲜的燃料以及从高温分离器收集的未燃尽的焦炭被送入该区域。由一次风将床料和加入的燃料流化。一次风量约为燃料燃烧所需风量的40％～80％，燃料中挥发分的析出和部分燃烧发生在该区域。当锅炉负荷增加时，增加一次风与二次风的比值，使得能够输送数量较大的高温物料到炉膛的上部区域燃烧并参与热量交换和质量交换。当锅炉负荷低而不需要分级燃烧时，二次风也可以停掉，以满足负荷变化的要求。该区域内通常处于还原性气氛。
在炉膛上部稀相区，燃烧所需要的空气都会流经此处。被输送到这里的焦炭和一部分挥发分以富氧状态燃烧，大多数的燃烧反应也都发生在这个区域。一般而言，上部区域比下部区域在高度上要大得多。焦炭颗粒在炉膛截面的中心区域向上运动，同时沿截面贴近炉墙向下移动，或者在中心区域随颗粒团向下运动。这样焦炭颗粒在被夹带出炉膛之前已沿炉膛高
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