度循环运动了多次，因而延长了焦炭颗粒在炉膛内的停留时间，有利于焦炭颗粒的燃尽。
在高温气固分离器区，未燃尽的焦炭颗粒被夹带出炉膛进入该区域。焦炭颗粒在此停留的时间较短，而且此处的氧浓度较低，因而焦炭在旋风分离器中的燃烧份额很小。不过，一部分一氧化碳和挥发分常常在高温旋风分离器中燃烧，使其燃烧份额略有增加。
按照燃烧模式可把循环流化床锅炉中的焦炭分为以下三类，它们主要发生的燃烧区域也不完全相同。
1．细颗粒焦炭燃烧
细颗粒焦炭的粒径一般小于50～100μm，其燃烧处于动力燃烧工况。在燃用宽筛分煤粒时，其中必然会存在一部分细颗粒；另外，粗颗粒煤在燃烧时经过一级、二级破碎和磨耗也会产生一部分细颗粒焦炭。细颗粒焦炭的燃烧区域大部分在炉膛上部的稀相区，也会有少量在高温分离器内燃烧。部分细颗粒由于随颗粒团运动而被分离器捕集，其余部分则逃离分离器，形成锅炉飞灰，是锅炉末燃尽损失的主要部分。在实际的循环流化床锅炉中，分离效率要比理论计算值高得多。这是因为在快速流化床内进入旋风分离器的气固混合物中固体颗粒浓度比在其他常规旋风分离器中要高得多，这样细颗粒就容易以颗粒团的形式出现，易于被捕集，使分离器的分离效率提高。
在循环流化床锅炉中，固体物料除了通过炉膛、旋风分离器和再循环系统的外循环以外，也在炉膛内部产生内循环。细颗粒焦炭在中心区域随气流向上运动，在形成颗粒团和颗粒团被上升气流冲散的过程中，又在贴近炉墙区域向下运动，因此细颗粒焦炭在炉内停留的时间取决于内循环、炉膛高度和分离装置的性能。为使细颗粒焦炭充分燃尽，其停留时间必须大于燃尽所需的时间。
2．焦炭碎片燃烧
焦炭碎片的典型尺寸为500～1000μm，燃烧通常处于过渡燃烧工况。它由一级破碎和二级破碎产生。焦炭碎片在炉内的停留时间与平均床料的停留时间很接近。对于焦炭碎片，作为飞灰逃离分离器和由床层底部冷渣口排出炉膛的可能性不大，因此外循环倍率是影响焦炭碎片停留时间的主要因素。循环倍率提高，有利于焦炭碎片的燃尽。
3．粗颗粒焦炭燃烧
粗颗粒焦炭直径大于1mm，其燃烧处于扩散燃烧或过渡燃烧工况。这些粗颗粒一部分在炉膛下部密相区燃烧，一部分被带往炉膛上部稀相区继续燃烧。被夹带出炉膛的这些颗粒也很容易被分离器捕集后送回炉膛内再燃，因而粗颗粒在炉内的停留时间长，燃尽度高。粗颗粒一般从炉膛底部的冷渣口排出。粗颗粒炉渣的含碳量很低，由粗颗粒煤粒产生的固体未完全燃烧损失最小。
8
五、循环流化床燃烧过程的特点
图1-5典型循环流化床锅炉简图
典型循环流化床锅炉结构一般如图1-5所示，其基本流程为：煤和脱硫剂送入炉膛后，迅速被大量惰性高温物料包围，着火燃烧，同时进行脱硫反应，并在上升烟气流的作用下向炉膛上部运动，对水冷壁、炉内布置的屏式过热器和翼形水冷壁等受热面放热。粗大粒子进入悬浮区域后在重力及外力作用下偏离主气流，从而贴壁下流。气固混合物离开炉膛后进入高温旋风分离器，大量固体颗粒（煤粒、脱硫剂）被分离出来回送炉膛，进行循环燃烧。未被分离出来的细粒子随烟气进入尾部烟道，以加热对流式过热器、省煤器和空气预热器，经除尘器，由引风机通过烟囱排至大气。
1．低温的动力控制燃烧．
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湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程，同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒被捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地进行燃烧，延长了燃料在炉膛内燃烧的时间。大量高温惰性物料的存在改善了燃烧条件。在这种燃烧方式下，既可以实现较高温度燃烧，也可以实现中温燃烧。由于添加了脱硫剂，炉内温度水平受脱硫最佳温度的限制，一般为850～950℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“中温燃烧”方式有许多优点：炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉要改善很多；对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来；氮氧化物生成量低；可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区（或过渡区）内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高。通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达98%~99%。
2．高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程
从图1-3中可以看出，循环流化床锅炉内的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环，同时有快速流态化的特点，在炉膛内固体物料存在内循环。因此，循环流化床锅炉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硫过程都是在这两种形式的循环运动的动态过程中逐步完成的。
3．高强度的热量、质量和动量传递过程
9
在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈的湍流下通过炉膛，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，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的。这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。运行实践也充分证实了这一点。
物料分离系统是循环流化床锅炉的结构特征，它由高温分离器、立管和回料装置三部分组成组成。
大量物料参加循环实现整个炉膛内的控制燃烧过程，是循环流化床锅炉区别于鼓泡流化床锅炉的根本特点。后者的燃烧主要发生于床内，尽管一些鼓泡流化床锅炉带有飞灰复燃系统，但由于灰量很小，床面之上的空间温度仍然很低，不足以形成燃烧环境。 快速流态化特点决定了循环流化床锅炉燃烧必须有三个条件：
（1）要保证流化床流态处于快速流化床区域附近范围，并要保证一定的气流速度，同时要保证物料粒径处于适当的、在该流速下能处于快速流化区域的粒度。
（2）要有足够的物料分离。
（3）要有物料回送。各种燃烧方式的主要特性比较如表1-2所示。
（4）在实际运行过程中，要准备必要的物料补充和排出手段以维持物料的平衡。
表1-2 各种燃烧方式的主要特性比较
燃烧方式 颗粒平均直径(mm) 燃料燃烧区高度(m) 过剩空气系数 燃烧区域风速(m/s) 床层与受热面间的传热系数 [W/ (m2K)] 磨损 燃烧效率(%) 燃烧烧中心温度(℃) 煤的粒度(mm) 截面热负荷(MW/m) 脱硫效率(%) 气体混合 固体运动 空隙率 温度梯度 NOx排放（mg/m） 322固定床 < 300 0.2 1.2～1.3 1～3 50～150 小 97～99.9 1200 6～32 0.5～1.5 接近塞柱流 静止 0.4～0.5 大 400～600 鼓泡流化床 0.03～3 1～2 1.2～1.25 0.5～3 200～500 中 85～90 850～950 6以下 0.5～1.5 80～90 复杂二相流 上下运动 0.5～0.85 很小 300～400 循环流化床 <8 15～40 1.1～1.2 3～12 100～250 中 90～96 850～950 13以下 3.0～5.0 80～90 弥散塞柱流 大部分向上、 部分向下 0.85～0.99 小 50～200 悬浮燃烧 0.02～0.08 27～45 1.15～1.3 15～30 50～100 较小 99 1600 0.1以下 4.0～6.0 低 接近塞柱流 向上 0.98～0.998 显著 400～600 六、循环流化床锅炉的炉内传热
循环流化床锅炉内的传热过程是与燃烧过程同时发生的。循环流化床锅炉内的传热包括气体与固体颗粒之间的传热、颗粒与颗粒之间的传热、整个气固多相流与受热
10
面之间的传热、气固多相流与入床气流间的传热等。燃料在燃烧过程中所放出的热量通过气固多相流和受热面之间的换热而传递到管内的工质水，使之汽化产生蒸汽。在热量的传递过程中，存在三种基本的传热方式，即热传导传热、对流传热和辐射传热。热量通过紧贴水冷壁外表面向下流动的内循环灰与水冷壁外表面的传热属于热传导过程；靠近水冷壁外表面的高温粒子和气体对水冷壁外表面的热量传递属于辐射传热；而在水冷壁管的火侧有高温气固混合流，水侧有汽水混合物的两相流动，伴随着两侧流体流动发生的热量从床层传到管壁外表面和从管壁内表面传到汽水混合物的换热过程则属于对流传热。由于循环流化床内存在着复杂的气固两相流动，加之锅炉结构布置的多样化，使得循环流化床锅炉内的传热问题变得比较复杂，目前对于循环流化床锅炉炉内传热的机理尚不十分清楚。下面仅对炉内床层和受热面之间传热的特点及影响因素作一简单介绍。
1．炉内传热的基本形式
对于循环流化床锅炉，炉内传热主要有以下三种基本形式。 图1-6 Pyroflow循环流化床锅炉炉膛
1）颗粒对流换热 内沿炉膛高度主导传热方式随 固体颗粒聚集成颗粒团是循环流化床的一个主要特征。 （1-ε）的变化关系。 每一颗粒团是由数量众多的颗粒聚集而成的，颗粒团的温度与床温相同，这些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膜以热传导方式传给受热面，或者颗粒团直接碰撞受热面把携带的热量传给受热面。受热面被间断的颗粒团扫过而不是为连续的颗粒层所覆盖。颗粒在运行一段距离后就会弥散或离开壁面，壁面处又会被新的颗粒团所取代。颗粒团停留在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。在其他条件相同的情况下，颗粒尺寸减小，单位受热面上接触的颗粒数量越多，传热就越激烈。此外，当床温升高时，床层与受热面之间的放热系数增大。通常颗粒粒径为40～000μm时,颗粒对流放热是传热的主要方式。
2）气体对流换热
固体颗粒与受热面接触发生热传导的同时，气流也在颗粒与受热面表面间进行对流换热。一般情况下颗粒对流传热的份额要比气体对流传热的份额大得多，但在循环流化床稀相区颗粒浓度极低的情况下气体对流传热就变得重要起来。由于循环流化床中颗粒团以外的部分并非是没有颗粒的，在上升气流中还包含少量的颗粒，这些颗粒增加了气体的扰动，使颗粒间气流处于湍流前的过渡状态或湍流状态，气流的对流放热非常显著，因而在热量传递过程中所占的比例大大增加。
3）辐射传热
辐射传热也是循环流化床锅炉中的主要传热方式。当床温高于530℃以后，辐射传热越来越重要，辐射传热的份额更大。当粒子浓度减小时，由于颗粒对流传热的减小，辐射传热的份额也会增大。在循环流化床锅炉的密相区颗粒浓度较高，对受热面的辐射作用则相对减少，而在稀相区颗粒浓度较小，辐射传热所占比例增大。
在循环流化床锅炉中，沿炉膛高度方
表1-3 各主导传热方式的传热系数
向，随着炉内两相混合物的固气比不同，
固体和气体辐射 不同区段的主导传热方式和传热系数均不
固体对流和辐射 相同。图1-6为循环流化床锅炉炉膛内沿
固体对流 炉膛高度主导传热方式随团体颗粒浓度的
变化关系。由图中可以看出，沿着炉膛高度方向随
主导传热方式 传热系数[W/(m2K)] 57～141 141～340 340～454 2 11
着固体颗粒所占的份额（1-ε）的减小（浓度降低），主导传热过程由炉膛下部的颗粒对流传热为主转变为颗粒对流传热和辐射传热为主，继而转变为炉膛上部的颗粒和气体的辐射传热为主，各部分的传热系数大小如表1-3所示。而对于沿炉膛高度方向上的某一截面，由于边壁处颗粒浓度高于中心区域，所以床中心传热系数最小，而边壁处较大。
2．循环流化床锅炉下部密相区与受热面之间的传热 循环流化床锅炉下部密相区固体颗粒浓度较大，多属湍流流化区，流动状态类似于鼓泡流化床的流化区，其传热也类似于鼓泡流化床的传热。循环流化床密相区与受热面之间的传热包括：气体对流传热、颗粒对流传热和辐射传热。由于密相区颗粒浓度很大，气体对流传热作用较小，对受热面的辐射作用相对也较小，所以颗粒对流传热是循环流化床密相区与受热面间传热的主要部分。
对于密相区与受热面之间的传热，许多学者提 图1-7 颗粒团换热模型
出了不同的观点，在此仅对大多数学者公认的颗粒团理论进行简要说明。颗粒团理论认为，可以将流化床中的物料看成是由许多“颗粒团”组成的，传热热阻来自贴近受热面的颗粒团。颗粒团在气泡作用下，在换热壁面附近周期性地更替，流化床与壁面之间的传热速率依赖于
这些颗粒团的放热速率以及颗粒团与壁面的接触频率。图1-7为颗粒团换热模型。
3．循环流化床锅炉上部稀相区与受热面之间的传热 在循环流化床锅炉上部的稀相区，气团悬浮体与受热面之间的传热也包含了气体对流传热、颗粒对流传热和辐射传热三种形式。在循环流化床上部稀相区极低颗粒浓度的情况下，气体对流传热变得重要起来。另外在上升气流中除颗粒团外还包含少量的分散颗粒，它们对受迫对流传热起重要的作用。颗粒团与分散颗粒交替地与壁面接触进行传热，颗粒团与壁面间的传热热阻包括与壁面的接触热阻和颗粒团本身的热传导热阻两部分。在稀相区，由于颗粒浓度较小，颗粒对流传热下降，辐射传热份额变大。
4．影响循环流化床锅炉炉内传热的主要因素 由前面的分析可知，床层与受热面之间的传热机理十分复杂，各种因素对传热的影响又因三种不同的传热方式而有显著的差别。下面讨论主要的设计和运行参数对传热的影响。
1）颗粒浓度的影响
在循环流化床内所发生的传热强烈地受到床内物料颗粒浓度的影响。炉内传热系数随着床内物料颗粒浓度的增加而增大，这是因为炉内热量向受热面的传递是由四周沿壁面向下流动的固体颗粒团和中部向上流动的含有分散固体颗粒的气流来完成的，由颗粒团向壁面的导热比起由分散相的对流换热要高得多。较密的床层有较大份额的壁面被这些颗粒团所覆盖，受热面在密的床层会比在稀的床层受到更多的来自物料颗粒的热交换。图1-8反映了截面平均颗粒浓度对传热系数的影响。由图可以看出，颗粒浓度对炉内传热系数的影响是比较显著的。这是因为固体颗粒的热容要比气体大得多，在传热过程中起着重要的作用。
12