流化床干燥器研究论文

关于中小型循环流化床锅炉飞灰含碳量偏高问题的讨论论文

摘要：本文介绍了循环流化床锅炉的发展历史，并针对现阶段中小型循环流化床锅炉运行中突出的飞灰含碳量高的问题展开讨论，提出一些降低飞灰含碳量的措施。

关 键 字：中小型循环流化床锅炉 飞灰含碳量偏高

0 循环流化床锅炉发展概况

循环流化床燃烧技术是国内外公认的一种洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉具有煤种适应性广、燃烧效率高、环境性能好、符合调节范围大和灰渣综合利用等优点，近十年来在工业锅炉、电站锅炉、旧锅炉改造和燃烧各种固体废弃物等领域得到迅速的发展。我国是以煤为主要一次能源的国家，燃用的煤种最为齐全。近十几年来，我国循环流化床技术发展迅速。

1981年国家计委下达了“煤的流化床燃烧技术研究”课题，清华大学与中国科学院工程热物理研究所分别率先开展了循环流化床燃烧技术的研究，标志着我国循环流化床锅炉的研究和产品开发技术正式启动。到2005年4月为止，我国运行的循环流化床锅炉CFBB已超过100台，已经投运的最大机组是安装在四川内江、从奥斯龙公司进口的410t/h（100WM）循环流化床高压电站锅炉，由于运行台数较少，各方面的经验还有待积累。

另外，我国正在引进一台Alstom公司的1025t/h的常压循环流化床锅炉及相应的关键配套设备，在四川白马电厂建立300MW循环流化床示范工程；国家电力公司热工研究院夜设计了300MW循环流化床锅炉方案标志着我国循环流化床锅炉将朝着大型化方向发展。现在，我国已成为世界上CFB机组数量最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家。

1 循环流化床锅炉目前存在的问题

但是这种超常规的循环流化床锅炉的发展速度使循环流化床锅炉运行出现了一些问题。诸如：①炉膛、分离器以及回送装置及其之间的膨胀和密封问题。特别是锅炉经过一段时间运行后，由于选型不当和材质不合格，加上锅炉的频繁起停，导致一些部位出现颗粒向炉外泄漏现象。②由于设计和施工工艺不当导致的磨损问题。炉膛、分离器以及返料装置内由于大量颗粒的循环流动，容易出现材料的磨损、破坏问题。一些施工单位对循环流化床内某些局部部位处理不当，出现凸台、接缝等，导致从这些部位开始磨损，然后磨损扩大，导致炉墙损坏。③炉膛温度偏高以及石灰石选择不合理导致的脱硫效率降低问题。早期设计及运行的循环流化床锅炉片面追求锅炉出力，对脱硫问题重视不够，炉膛温度居高不下，石灰石种类和粒度的选择没有经过仔细的试验研究，导致现有循环流化床锅炉脱硫效率不高，许多锅炉脱硫系统没有投入运行，缺乏实践经验的积累。④灰渣综合利用率低的问题。一般认为，循环流化床锅炉的灰渣利于综合利用，而且利用价值很高，但由于各种原因，我国循环流化床锅炉的灰渣未能得到充分利用，或者只进行了一些低值，需要进一步做工作。⑤飞灰含碳量高的问题。这些问题的存在影响了循环流化床锅炉的连续、安全、经济运行，还带来了维修工作量大、运行费用高等问题。就中小型循环流化床锅炉来说，飞灰含碳量高是一个比较普遍的问题。

2 飞灰含碳量的影响因素及应采取的措施

影响循环流化床锅炉飞灰含碳量的主要因素如下：

1、 燃料特性的影响。循环流化床锅炉煤种适应性广，但对于已经设计成型的循环流化床锅炉，只能燃烧特定的煤种（即设计煤种）时才能达到较高的燃烧效率。由于煤的结构特性、挥发份含量、发热量、水分、灰份的影响，循环流化床锅炉的燃烧效率有很大差别。我国主要按煤的干燥无灰基挥发分含量对煤进行分类，按照挥发分含量由低到高的顺序将煤分成无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤等。挥发分含量的大小实际上反映了煤形成过程中碳化程度的高低，与煤的年龄密切相关。不同煤种本身的物理组成和化学特性决定了它们在燃烧后的飞灰具有不同的形态和特性。东南大学收集了山西大同烟煤、广西合山劣质烟煤和福建龙岩无烟煤等几种典型煤种在电站锅炉中燃烧生成的飞灰，制成样品，用扫描电镜进行了微结构分析。收到基灰发分含量为10%的广西合山劣质烟煤所生成的飞灰大部分是较密实的灰块，表面不光滑，没有熔融的玻璃体形态存在，大部分粒子的孔隙率都较小，仅有少数球状空心煤胞出现，但孔隙率也不大，壁面较厚，表面粗糙。该飞灰形态表明，该煤种燃尽率不高，取样分析其飞灰含碳量为10%左右。福建龙岩无烟煤挥发分含量较低，只有4%左右，属典型难燃煤种，表现为着火延迟、燃尽困难。虽然发热值高，燃烧时火焰温度可达1500℃以上，但燃尽率低，生成的球状煤胞中绝大多数为无孔或少孔，虽然也出现多孔薄壁球状煤胞，但数量极少。无孔或少孔的球状煤胞表面很光滑，有熔融的玻璃体形态存在，对燃尽是极为不利的。从煤粉锅炉种采取飞灰样，分析其含碳量在10%以上。山西大同烟煤飞灰中虽然也发现有极少部分少孔的密实球状煤胞，但绝大部分为多孔的疏松空心煤胞和骨质状疏松结构煤胞，这两种煤胞的孔隙率很大，这样就形成了很大的反映表面积，对煤粉的燃尽十分有利，因而这种烟煤的飞灰含碳量很低。

2、 入炉煤的粒径和水分的影响。颗粒过大，一方面床层流化不好，另一方面，碳粒总表面积减少，煤粒的扩散阻力大，导致反应面积小，延长了颗粒燃尽的时间，颗粒中心的碳粒无法燃尽而出现黑芯，降低了燃烧效率，同时造成循环灰量不足，稀相区燃烧不充分，出力下降。另外，大块沉积，流化不畅，局部结焦的可能性增大，排渣困难。颗粒过小，床层膨胀高，易燃烧，但是易造成烟气夹带，不能被分离器捕捉分离而逃逸出去的细颗粒多，对燃尽不利，飞灰含碳量高。通过实验发现：颗粒太小，由于煤粉在炉内停留时间过短，燃不尽，飞灰含碳量就大。相对而言，燃用优质煤，煤颗粒可粗些；燃用劣质煤，煤颗粒要细些。所以对于不同的煤质要调整二级破碎机的破碎能力来调整煤的粒度。煤中水分过大不仅降低床温，同时易造成输煤系统的堵塞，故对于水分高的煤进行掺烧。

3、 过量空气系数的影响。一次风作用是保证锅炉密相区料层的流化与燃烧，二次风则是补充密相区出口和稀相区的'氧浓度。调整好一二次风的配比，有效地降低飞灰、灰渣含碳量，是保证锅炉经济燃烧的主要手段。运行中适当提高过量空气系数，增加燃烧区的氧浓度，有助于提高燃烧效率。但炉膛出口过量空气系数超过一定数值，将造成床温下降，炉膛温度下降，总燃烧效率将下降，风机电耗增大。所以在符合变化不大时，一次风量尽量稳定在一个较合适的数值上，少作调整，主要靠调整二次风比例来控制密相区出口和稀相区的氧浓度。一二次风的配比，与锅炉负荷、煤种等有关，通过进行燃烧调整试验可建立锅炉不同负荷与一二次风量配比的经验曲线或表格，供运行调整时参考。

4、 燃烧温度的影响。和煤粉锅炉炉膛温度高达1400~1500℃相比，循环流化床运行温度通常控制在850~900℃之间，属低温燃烧，在此条件下煤粒的本正燃烧速率低得多，加上流化床内颗粒粒径比煤粉炉内煤粉粗得多，所需的燃尽时间长得多。提高燃烧温度，飞灰含碳量低；相反，燃烧温度低，飞灰含碳量高。

5、 分离器分离效率的影响。分离器分离效率高，切割粒径小，飞灰含碳量低；相反，分离器分离效率低，切割粒径大，飞灰含碳量高。经过20年的发展，目前我国循环流化床锅炉使用的高效分离器有三种：上排气高温旋风分离器、下排气中温旋风分离器和水冷方形分离器。

6、 飞灰再循环倍率的影响。飞灰再循环的合理选取要根据锅炉炉型、锅炉容量大小、对受热面和耐火内衬的磨损、燃煤种类、脱硫剂的利用率和负荷调节范围来确定。

7、 锅炉蒸发量的影响。锅炉蒸发量大，相应的燃烧室温度高，一次通过燃烧室燃烧的粒子（分离器收集不下来的粒子）燃烧时间长，燃尽度较高，飞灰含碳量低；相反，飞灰含碳量高。

8、 除尘灰再循环燃烧的影响。对难燃尽的无烟煤，采取分离灰循环燃烧之后，飞灰含碳量仍比较高。为了进一步降低飞灰含碳量，一个比较有效的措施是采用除尘灰再循环燃烧。德国一台循环流化床锅炉，当分离灰再循环倍率为10~15时，飞灰含碳量仍有23%左右。为了降低飞灰含碳量，采用了除尘灰再循环燃烧。当除尘灰再循环倍率为时，飞灰含碳量降低到了10%左右；除尘灰再循环倍率为时，飞灰含碳量降低到了4%。

3 结论

降低飞灰含碳量的措施有多种，应根据实际情况选择最经济最实用的措施。我厂四台循环流化床锅炉也存在飞灰含碳量高的问题，我们会借鉴前人的经验，尝试一些措施以降低飞灰含碳量。

参考文献：

[1] 路春美等，循环流化床锅炉设备与运行[M]，中国电力出版社，2003

[2] 刘德昌等，循环流化床锅炉运行及事故处理[M]，中国电力出版社，2006

摘要：流化床干燥器因具有较高的热质传递速率、结构紧凑、便于操作等优点而被广泛用于化工、食品、陶瓷、制药等行业，就流化床干燥设备的种类及普遍存在的一些问题和解决方法做一简要综述。关键词：干燥；卧式多室流化床；搅拌流化床；振动流化床；离心式流化床；脉冲流化床流化技术起源于1921年，最早应用于干燥工业化大生产是1948年美国建立的多尔—奥列弗固体流化装置，而我国直到1958年后才开始发展此项技术。流化床干燥过程中散状物料被置于孔板上，下部输送气体，使物料颗粒呈悬浮状态，犹如液体沸腾一样，使得物料颗粒与气体充分接触，进行快速的热传递与水分传递。流化干燥由于具有传热效果良好、温度分布均匀、操作形式多样、物料停留时间可调、投资费用低廉和维修工作量较小等优点，得到了广泛的发展和应用。1 流化床干燥设备的分类流化床干燥设备在不到100年的时间里，经过科研人员的不断改进和创新，得到了长足的发展和广泛的应用。其种类很多，根据待干燥物料性质的不同，所采用的流化床也不同，按其结构大致可分为：单层和多层圆筒型流化型、卧式多室流化型、搅拌流化型、振动流化型、离心式流化型、脉冲流化型等类型。 单层和多层圆筒型流化床最早应用的流化床为单层圆筒型，其材料为普通碳钢内涂环氧酚醛防腐层，气体分布板是多孔筛板，板上小孔半径 mm，正六角形排列。整个干燥过程为：湿物料由皮带输送机运送到抛料加料机上，然后均匀地抛入流化床内，与热空气充分接触而被干燥，干燥后的物料由溢流口连续溢出。空气进入鼓风机、加热器后进入筛板底部，向上穿过筛板，使床层内湿物料流化起来形成流化层。尾气进入旋风分离器组，将所夹带的细粉除下，然后由排气机排到大气中。此干燥器操作简单、劳动强度低、劳动条件好、运转周期长。但是由于单层圆筒流化床直径较小，物料停留时间较长，干燥后所得产品湿度不均匀。因此发展了多层流化床，该流化床不仅可以提高效率，更重要的是能够得到较为均匀的停留分布时间。为了对物料进行内扩散控制，多层流化床还先后经历了溢流管式、下流管式和穿流板式3个阶段。多层流化床的物料干燥程度均匀，干燥质量易于控制。热效

流化床干燥技术是近年来发展起来的一种新型干燥技术，其过程是散状物料被置于孔板上，并由其下部输送气体，引起物料颗粒在气体分布板上运动，在气流中呈悬浮状态，产生物料颗粒与气体的混合底层，犹如液体沸腾一样。在流化床干燥器中物料颗粒在此混合底层中与气体充分接触，进行物料与气体之间的热传递与水分传递。目前被广泛用于化工、食品、陶瓷、药物、聚合物等行业。如果气体通过一个颗粒床层，该床层随着气流速度的变化会呈现不同的状态。在流速较低时，气流仅是在静止颗粒的缝隙中流过，这时称为固定床。当气流速度增大到一定值时，所有的颗粒被上升的气流悬浮起来，此时气体对颗粒的作用力与颗粒的重力相平衡，床层达到起始流态化，这时的气流速度称为最小流化速度。当气流速度超过这个值，高到超过颗粒的终端速度（最大流化速度）时，床层上界面消失并出现夹带现象，固体颗粒随流体从床层中带出，这种情况就是气力输送固体颗粒现象，或称分散相流化床。流化床干燥的特点及应用流化床干燥具有较高的传热和传质速率，干燥速率高，热效率高，结构紧凑，基本投资和维修费用低，便于操作等优点。因此流化床干燥器被广泛用于化工、食品、陶瓷、药物、聚合物等行业。流化床干燥器典型的流化床干燥器有一个锥形反应室，热空气从底部进入，通过物料层，再从顶部排出。工程上在普通流化床干燥器的基础上进行改型，研制开发了振动流化床干燥机、搅拌流化床干燥器、离心流化床干燥机等，扩大了流态化干燥的范围，改善了流化质量，提高了热质传递的强度。1．振动流化床干燥机振动流化床(vFB)就是在普通流化床上施加振动而成。在输料板上放上一层物料(粉状、粒状、条状等)，对输料板施以振动，当振动加速度大于重力加速度时，料层开始膨胀，出现所谓的振动流态化状态。这时放在输料板上的物料产生强烈的混和，并且很容易作水平和倾斜移动。在此条件下，利用对流、传导、辐射向料层供给热量，即可达到干燥的目的。由于床层的强烈振动，传热和传质的阻力减小，提高了振动流化床的干燥速率，同时使不易流化或流化时易产生大量夹带的块团性或高分散物料也能顺利干燥，克服了普通流化床易产生返混、沟流、粘壁等现象。振动流化床现在广泛应用于医药、食品、食盐、化工，饲料工业的干燥、冷却、造粒生产上。2．搅拌流化床干燥器搅拌流化床干燥器是在流化床内装设搅拌器，使某些湿颗粒物料或易凝聚成团的物料也能采用流化干燥。可用于硫酸铵、氨基酸、酐酪素、聚丙烯树脂等物料的干燥。搅拌流化床干燥器具有下列优点：首先，扩大了流态化干燥技术的应用范围，适合于湿含量较大、在热气流中不易分散的物料或者在干燥脱水过程中可能结块的物料的干燥；其次，可以有效避免沟流、腾涌和死床现象，获得均匀的流化状态，改善了流化质量，从而提高了热质传递强度。近年来随着搅拌流化床在药物、食品、化工产品的造粒、涂层等过程中的应用，搅拌流化床干燥器在工业上得到了相当广泛的应用。

立式流化床干燥器分为单层的和多层的。由于物料的返混，单层流化床干燥器不可能得到含水量很低的干 燥产品。在多层流化床干燥器中，气体与物料作逆向流动，以提高热量利用率，且由于减少了物料的返混，可将干燥产品的含水量降到很低程度。例如涤纶采用五层流态化设备进行干燥，含水量可降至。多层流化床在操作上的困难是：如何保证物料在各层之间的定量溢流和防止气流穿过溢流管短路。卧式多室流化床干燥器的横截面为矩形，沿长度方向用垂直挡板隔成若干室（一般为4～8室）。挡板底部与分布板间留有几十毫米的间隙（一般为静止料层高度的1/4～1/2）。热气流由分布板自下而上穿过流化物料层，经旋风分离器回收夹带产品粉尘后离去。湿物料由床层一侧加入，依次通过各室。干燥产品由另侧溢出。入各室的气体流量按需要调节。通常最后一室吹入冷风，使干燥产品迅速冷却，便于包装贮存。流化干燥流化干燥要求所处理的物料未因受潮而结块，粒径宜在～6mm之间。粒径过细,流化干燥时易产生沟流；粒径过大则必须在高气速下操作，能耗较大。流化干燥器结构简单,维修费用低,热效率较高（非结合水分的干燥热效率可达60%～80%），体积传热系数与气流干燥相当。此外,物料在床层内的停留时间,可根据对最终产品含湿量的要求随意调节，有较大适应性。由于流化干燥器具有这些优点，所以在化工生产中的应用比较广泛。