（3）高循环倍率循环锅炉，循环倍率K>40。
第一节循环流化床锅炉的概念
一、流态化
在流化床中，当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。
固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。
对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为散式流态化。
而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为聚式流态化。
循环流化床锅炉属于聚式流态化。
当气体通过颗粒床层时，床层随着气流速度的变化会呈现不同的流动状态。
如图1-2所示，固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的流动状态：
固定床、鼓泡流化床、湍（紊）流流化床、快速流化床、气力输送。
循环流化床处于紊（湍）流流化床与快速流化床阶段。
（1）固定床，如图1-1（a）所示。
此种状态下，气流在颗粒的缝隙中流过，所有的固体颗粒呈静止状态。
（2）鼓泡流化床，如图1-1（b）所示。
当气流速度达到一定值时，静止的床层开始松动，当气流速度超过临界流化风速时，料层内会出现气泡，并不断上升，而且还聚集成更大的气泡穿过料层破裂。
整个料层呈现沸腾状态。
鼓泡流化床存在明显的分界面，其上部为稀相区，包括床层表面至流化床出口间的区域，称为自由空间或悬浮段。
下部为密相区，也称为沸腾段。
（3）湍（紊）流流化床，如图1-1（c）所示。
随着气流速度继续上升到一定数值，固体颗粒开始流动，床层分界面逐渐消失，固体颗粒不断被带走，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。
此时的气流速度为床料终端速度。
（4）快速流化床，如图1-1（d）所示。
当气流速度进一步增大，固体颗粒被气流均匀带出床层。
此时气流速度大于固体颗粒的终端速度，床内颗粒浓度基本相等。
床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。
循环流化床的上升段属于快速流化床。
快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速，单位高度床层压降沿床层高度不变。
（5）气力输送，如图1-1（e）所示。
分为密相气力输送和稀相气力输送。
对于前者，床内颗粒浓度变稀，并呈上下均匀分布状态，其单位高度床层压降沿床层高度不变。
增大气流速度，床层压降减小。
对于后者，增大气流速度，床层压降上升。
密相气力输送的典型特征为：
床层压降用于输送颗粒并克服气、固两相与壁面的摩擦。
稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。
图1-1不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态
（a）固定床；（b）鼓泡流化床；（c）紊流流化床；（d）快速流化床；（e）气力输送
二、临界流态化速度
（1）对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然出现“解锁”现象，床层压降降至为床层的静压。
如果床料是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：
在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。
颗粒床层从静止状态转变为流态化所需的最低速度，称为临界流态化速度。
随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。
循环流化床锅炉正常运行所需的流化风速一般是2～3倍的临界流化速度。
图1-2床温与临界流态化风速的关系
（2）影响临界流态化速度的因素有：
1）料层厚度对临界流速影响不大。
2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。
3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。
4）流体的运动粘度增大时临界流速减小：
如床温增高时，临界流速减小。
床温与临界流速比值（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。
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
数值
工程
数值
床层温度（℃）
850～950
床层压降KPa
6～12
流化速度（m/s）
4～8
炉内颗粒浓度
（kg/m3）
150～600（炉膛底部）
床料粒度（ηm）
100～700
3～40（炉膛上部）
床料密度（kg/m3）
1800～2600
Ca/S摩尔比
1.5～3
燃料粒度（mm）
0～13
壁面传热系数
[W/（m2·K）]
130～250
脱硫剂粒度（mm）
0～2
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、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
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