基本介紹
- 中文名：流態化燃燒
- 外文名：fluidized combustion
- 基本釋義：燃料在流化狀態下進行的燃燒
- 分類：熱力學
- 領域：能源
- 學科：物理
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簡介與套用
簡介
流態化燃燒是固體燃料顆粒在爐床內經氣體流化後進行燃燒的技術。當氣流流過一個固體顆粒的床層時，若其流速達到使氣流流阻壓降等於固體顆粒層的重力時（即達到臨界流化速度umf），固體床本身會變得像流體一樣，原來高低不平的界面會自動地流出一個水平面來。換句話說，固體床料已經被流態化了。流態化燃燒即利用了這一現象。假如把氣流流速進一步加大，氣體會在已經流化的床料中形成氣泡，從已流化的固體顆粒中上升，到流化的固體顆粒的界面時，氣泡會穿過界面而破裂，就像水在沸騰時汽泡穿過水麵而破裂一樣。因此這樣的流化床又稱為“沸騰床”、“鼓泡床”。繼續加大氣流流速，當超過終端速度ut,顆粒就會被氣流帶走，但如將被帶走的顆粒通過分離器加以捕集並使之重新返回床中，就能連續不斷地操縱，成為循環流化床。
套用
流態化燃燒的床料包括化石燃料、廢物和各種生物質燃料等。流化床燃燒技術已經廣泛套用於國民經濟的很多方面。
1.循環流化床在電站鍋爐領域的套用與發展
循環流化床燃燒是介乎鼓泡床燃燒和煤粉懸浮燃燒之間的一種燃燒方式，它具有這兩種燃燒方式效率高、低污染的優點，克服了鼓泡床鍋爐難大型化和煤粉爐燃燒脫硫、脫硝難度高等缺點，近十五年來得到了快速的發展。目前，世界上已有千餘台循環流化床鍋爐投入運行，並在向大型化發展。我國科研機構與生產單位合作，通過自主研製與引進、吸收、消化國外循環流化床技術相結合，發展出了具有中國特色的循環流化床鍋爐。
2.流化床燃燒在產業鍋爐、窖爐中的套用
常規流化床、循環流化床具有清潔、高效和燃料適應性好等優點，在產業鍋爐、窖爐中得到廣泛套用。例如流化床鍋爐能燃燒化肥廠造氣爐爐渣，在我國幾乎每個小化肥廠有一台常規流化床鍋爐或循環流化床鍋爐。窖爐產業由於經濟利益往往使用劣質煤和產業鍋爐爐渣，而流化床鍋爐恰恰有具有能夠燃燒劣質燃料的優點，這就為流化床燃燒技術在窖爐中的套用創造了條件。
3.流化床燃燒在焚燒廢物中的套用
各種具有不同熱值的固體、液體、氣體廢物污染環境，占據可用土地面積。這些廢物的熱值一般偏低，還由於燃燒產物給大氣帶來污染，不宜用其他燃燒方式燃燒。流化床能燒低熱值燃料，又屬低溫燃燒，對燃燒產物中的有毒氣體成分易於控制，近幾年已逐漸得到套用。
4.流化床燃燒技術在水泥產業中的套用
中國的劣質煤和煤矸石資源十分豐富。這些燃料的灰的成分與水泥物料的成分十分相近。我國在流化床利用劣質煤制水泥方面有兩條途徑：一是在劣質煤中加進一些鈣質材料，然後將其磨成粉，再成球，經流化床煅燒後可直接得到425膠凝水泥；另一種方法是採用流化床燃燒後的爐渣加一些鈣質原料經蒸汽護養和煅燒脫水之後可生產高質量水泥。
除以上幾個方面，流態化燃燒技術還套用於煤的氣化液化，生物質的氣化液化等方面。綜上所述，發展流態化燃燒技術具有提高燃燒效率，擴大對燃料的適應性，改善環境性能等優點，是一種潔淨、綠色燃燒技術，相信在今後將得到更加廣泛的套用
增壓流化床
流態化燃燒可以在常壓下工作，也可以在增壓下工作，後者稱為增壓流化床燃燒（PFBC）。增壓流化床燃燒（PFBC）技術從原理上與常壓流化床燃燒 （AFBC）大體一致。採用增壓（6～20個大氣壓）燃燒後，燃燒效率和脫硫效率得到進一步提高。燃燒室熱負荷增大，改善了傳熱效率，鍋爐容積緊湊。除了可在流化床鍋爐中產生蒸汽使汽輪機做功外，從PFBC燃燒室（也就是PFBC鍋爐）出來的增壓煙氣，經過高溫除塵後，可進入燃氣輪機膨脹做功。通過燃氣/ 蒸汽聯合循環發電，發電效率得到提高，目前可比相同蒸汽參數的單蒸汽循環發電提高3～4%。因此，採用增壓流化床燃燒聯合循環（PFBC-CC）發電能較大幅度地提高發電效率，並能減少由於燃煤對環境的污染。根據流化床的工作流速不同，又可分為增壓鼓泡流化床（PBFB）和增壓循環流化床（PCFB）兩種類型。
典型燃燒過程
唐鍋生產的240噸/小時低溫分離循環流化床鍋爐，採用德國技術，其燃燒系統由布風裝置、燃燒室、分離器、回送裝置組成。燃燒過程是，燃料首先進入具有防磨隔熱的21m高的燃燒室，在均勻的熱力場內進行充分燃燒，高溫灰隨煙氣把熱量依次傳遞給燃燒室上部布置的一級蒸發管、三級過熱器、二級過熱器、一級過熱器、二級蒸發管、高溫省煤器，傳遞熱量後溫度降至450度的灰隨煙氣進入分離器，灰被分離下來，經回送裝置回到燃燒室，通過調節灰量的大小，把床溫控制在850度--950度之間，使進入燃燒室的燃料穩定燃燒，被加熱後的回送灰和燃料燃燒產生的灰，隨煙氣把熱量傳遞給燃燒室上部布置的六級設備，完成了一個燃燒傳熱循環。
典型套用舉例
低濃度煤層氣由於熱值低、流量變化大,利用較困難,大部分都未經處理就直接被排放,不僅浪費資源,而且還污染環境,引起了國內外的密切關注。較之常規的煤層氣利用技術,以惰性顆粒和催化顆粒為床料的流態化燃燒技術具有熱容量大、燃料適應性廣的特點,在低濃度煤層氣燃燒利用方面表現出巨大的潛力。低濃度煤層氣在流化床內的燃燒與在大空間的燃燒有本質區別，流化床內涉及氣體與固體顆粒的兩相流動，不僅影響燃燒的傳熱和傳質過程，而且大量顆粒的存在，使得燃燒產生的自由基消失，對低濃度煤層氣燃燒的動力學和燃燒機理產生重大影響。因此，低濃度煤層氣流態化燃燒理論與技術的研究引起了國內外學者的廣泛關注。文獻綜述了該技術的研究現狀,分析了惰性顆粒和催化顆粒作用下,床層溫度、進氣濃度、流化風速及氣固兩相流對其燃燒特性的影響,介紹了在流化床中催化燃燒反應的模型及其動力學特性,探討了雜質性氣體對氣固催化反應的作用機制,明確了SO2作用下硫酸銅的生成是催化劑硫中毒的根本原因,提出了相應的抗硫中毒措施,討論了水蒸氣對低濃度甲烷催化燃燒的影響，並就該技術的未來發展進行了分析與展望,得出的認識如下:①後續的研究應該側重顆粒尺寸變化對流態化燃燒帶來的影響;②應尋找更加廉價、催化活性更優的催化劑替代;③對惰性顆粒下低濃度甲烷流態化燃燒,缺乏燃燒機理分析,需要進一步從理論角度進行深度挖掘。
生物質能作為一種可儲存和可運輸的可再生能源，具有對環境污染小的優點，其開發和利用已經引起了世界各國的關注。在生物質能分布中，稻殼具有儲量豐富、輸送簡單、易於預處理、分布相對集中、便於利用，倍受人們關注。把稻殼作為鍋爐燃料，開展稻殼的燃燒和綜合利用，變廢為寶，具有重要的經濟和社會意義。稻殼的燃燒具有其獨有的特點，現今絕大多數的稻殼爐都存在著燃燒效率低、能源浪費嚴重的問題。燃用稻殼的流化床技術是將生物質作為清潔能源加以開發利用的有效途徑之一，能很好地適應稻殼的揮發分析出速度快、固定碳難以燃盡的特點，克服了燃燒效率低、能源浪費嚴重等弊端。文獻在高為6m、內徑為φ0.3m的冷態流化床裝置上,以0～0.6mm的河砂為床料,進行了高速循環流化床(CFB)和低速鼓泡床流化床(BFB)不同工況的冷態流態化實驗研究,當流化風速達到2.8m/s時,流化床就能實現循環;鼓泡流化床壓力分布主要集中在底部的密相區,循環流化床壓力分布更趨均勻。以稻殼為原料,在相同尺寸的流化床熱態裝置上進行了流態化燃燒實驗,穩定燃燒階段,循環流化床和鼓泡流化床沿爐膛的溫度分布情況較為類似,循環流化床燃燒效率達到93.36%,鼓泡流化床達到93.01%,循環流化床和鼓泡床燃燒排放煙氣中煙塵、SO2、NOx的含量都能滿足國家排放標準。
