循环流化床锅炉的燃烧与传热
循环流化床锅炉的燃烧与传热
燃烧与炉内传热是循环流化床锅炉运行时的两大基本过程，通过燃烧才能把燃料的化学能转变为热能，通过传热才能把热量传递给工质，产生一定量的参数符合要求的蒸汽。但循环流化床锅炉的燃烧和传热与链条炉及煤粉炉有很大的不同，正是这些不同造成了循环流化床锅炉燃烧与传热的独有特点。本章将分别介绍煤粒在循环流化床锅炉中的燃烧过程、循环流化床中的燃烧区域、影响燃烧的因素，以及循环流化床的炉内传热机理、影响传热的因素等内容。
第一节 循环流化床燃烧的特点
循环流化床燃烧技术是在沸腾炉（鼓泡床）基础上发展起来的新一代燃烧技术，它与鼓泡床燃烧既有区别又有联系。因此在介绍循环流化床锅炉煤燃烧技术之前应首先了解鼓泡床燃烧的一些特点。
一、鼓泡床燃烧特点
鼓泡流化床燃烧具有低温、强化燃烧的特点。鼓泡床中的温度一般在850～1050℃范围内，这个温度比层燃、煤粉燃烧炉膛内的温度低，一般低于煤的灰渣变形温度100～200℃。如果温度超过灰的变形温度，则会出现大面积结渣，流化床燃烧条件就会被破坏。鼓泡床的容积热强度相当于链条炉的5倍，面积热强度相当于链条炉的3～4倍。低温、强化燃烧的特点使鼓泡床锅炉具有燃料适应性强、能降低污染、炉渣可综合利用等优点。
鼓泡床本身是一个积累了大量灼热床料、蓄热容量很大的热源，有利于燃料的稳定、迅速着火和燃烧。如10t/h小鼓泡流化床锅炉积累了2～2.5t床料，35t/h鼓泡流化床锅炉积累了6～8t床料。床料中95%以上是灼热的惰性灰渣，可燃物含量在5%以下。即使燃用低热值的煤时，每秒钟新加入床内的煤粒还远小于灼热床料的1%。这些灼热的床料并不与新加入的燃料争夺氧气，却提供了一个丰富的热源，将新加入的煤粒迅速加热，使之析出挥发分并稳定地着火燃烧。煤粒中的挥发分和固定碳燃烧后所释放的热量，其中一部分又用来加热床料，使炉内温度始终保持在一个稳定的水平。所以，流化床燃烧对燃料的适应性强，不仅能烧优质燃料，而且能烧各种劣质燃料，包括灰分高达80%的石煤、水分高达60%的褐煤和洗煤矸石、煤泥等。
鼓泡流化床锅炉绝大多数采用宽筛分的煤粒，颗粒一般相对较粗，最大粒径可达30mm，而且鼓泡床锅炉流化速度一般不大于3m/s。因此燃煤进入炉床后，基本沉集在炉膛下部与热床料混合加热沸腾燃烧。由于煤颗粒大而重，不易吹浮于炉膛出口被烟气带走，只有在床内沸腾或悬浮于炉膛上部燃烧。这部分煤粒在炉内停留时间较长，可以燃尽，变成冷灰(炉渣)，最后从溢流口排出。鼓泡床锅炉燃煤颗粒直径尽管相对较大，但是原煤中必然含有一部分细小颗粒。另外，煤经破碎机破碎后也将产生一定量的小颗粒。这些细小颗粒送入炉内后停留时间很短就被烟气携带出燃烧室。对于那些不易着火和燃尽的燃料，这部分细小颗粒很难燃尽，因此会降低锅炉的燃烧效率，使飞灰中可燃物含量增大。
当布风板面积和静止料层高度一定时，燃用低热值煤给煤量越大，平均停留时间越短，导致灰渣中固体不完全燃烧损失加大。在相同热负荷时，燃用高热值优质煤，给煤量小，煤粒在床内平均停留时间长，较粗煤粒在密相层可充分燃烧。
鼓泡床锅炉炉内温度场沿水平方向比较均匀，而沿炉膛高度方向温差很大，由于大部分煤粒在炉膛下部燃烧，放出绝大多数热量，为了吸收这部分热量，防止料层温度过高而结焦，在床内布置有埋管。鼓泡床锅炉炉膛下部床内温度一般控制在1050℃以内，上部由于处于稀相区，物料浓度低，与炉床温度一般相差100～200℃，运行中如果调整不当，可能相差更大。
二、循环流化床燃烧特点
循环流化床锅炉与鼓泡床不同，由于流化速度的增大，炉内的气固两相的动力特性发生变化，不再是鼓泡床流化状态，而进入湍流床和快速床流化状态。为了减小固体颗粒对受热面的磨损，床料和燃料粒径一般比鼓泡床时小得多，这样在高的流化速度（一般在5～8m/s）下，即在湍流床或快速床工况下，绝大多数的固体颗粒能被烟气带出炉膛。这时，若在炉膛出口布置一物料分离器，把固体颗粒分离下来并返送回炉床内再燃烧，如此反复循环，就形成了循环流化床，如图4-1所示。
与鼓泡床相比，循环流化床燃烧有如下特点：
1、燃烧效率高
循环流化床燃烧技术的最大特点是燃料通过物料循环系统在炉内循环反复燃烧，使燃料颗粒在炉内的停留时间大大增加，直至燃尽，从而提高了燃烧效率。但是，绝大部分的循环流化床锅炉，均采用宽筛分床料和燃料，在实际运行中，较大颗粒和细小微粒(d＜70µm)并未参加循环，不过这仅仅是极少量的。如某台220t/h循环流化床锅炉每小时循环回炉内的物料量达500～550t，对于高倍率的锅炉甚至超过1500t。
理论上讲，大煤粒在循环流化床锅炉炉内燃尽是不存在问题的，尽管它们的燃尽时间需要很长，如平均直径是2mm的颗粒需要50多秒，更大的煤粒甚至达几分钟。但由于大煤粒仅停留在炉膛内燃烧，因此大颗粒燃煤在炉内的停留时间将大大超出所需燃尽的时间。如果运行中一次风调整不当和排渣间隔时间过短、排渣时间太长，就有可能把未燃尽的炭粒排掉，使炉渣含碳量增大。介于细小微粒和大颗粒之间的参与外循环的中等煤炭颗粒，它们的挥发份析出及燃烧时间自然比细小微粒长、比大颗粒时间短，一般一次循环是很难燃尽的。表4-1给出燃尽时间和需要循环次数以及实际循环次数。
表4-1 燃尽所需的时间及循环次数
|
煤粒直径(mm) |
0.1 |
0.5 |
1.0 |
2.0 |
＞2.0 |
|
最长燃尽时间（s） |
0.68 |
8.9 |
23.1 |
50.1 |
炉内循环 |
|
需要的最大循环次数 |
0 |
3.6 |
7.2 |
16 |
炉内循环 |
|
实际循环次数 |
0 |
6.0 |
12.0 |
27 |
注：煤种为煤矸石、石煤：总体循环倍率=2.36
从表4-1给出的实验数据可知，如果锅炉设计和运行调整合理，参与循环的煤粒实际循环次数和通过炉膛的时间均将超出所需的循环次数和所需的燃尽时间。因此这部分煤粒的燃烧效率是比较高的。
2、燃料适应性广
循环流化床锅炉主要优点之—，是几乎可以燃用所有的固体燃料，当然包括劣质燃料。所谓的劣质燃料是指高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的燃料，如泥煤、油页岩、炉渣、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、采煤场的煤矸石、垃圾处理厂的垃圾等，也包括难于点燃和燃尽的低挥发分的无烟煤、石油焦和焦炭等。它的这一优点对于充分利用劣质燃料，开发和节约能源具有重要的意义。
循环流化床锅炉虽然不象鼓泡床锅炉那样，物料（料层）在炉内有—个明显的界面，但是炉床下部的物料浓度也足够大，对于高倍率的锅炉也在l00～300kg/m。因此炉内相当于一个很大的“蓄热池”，当新燃料进入炉内后，立刻被850～900℃的物料强烈地掺混和加热，很快燃烧起来。即使是那些不易着火和燃尽的高灰分、高水分燃料进入炉内也可以燃烧和燃尽，这是因为给入的燃料量仅仅是炉内物料量的千分之几或者是几千分之几，有足够的热量加热新燃料而不会导致炉内的温度有较大的变化。另外，新燃料在炉内的停留时间远远大于其燃尽所必需的时间。因此，无论多么难燃烧的燃料，如果颗粒特性满足锅炉的要求，运行中调整适当，都可燃尽。
3、清洁燃烧
循环流化床锅炉燃烧的另一特点是清洁燃烧，如向炉内加入石灰石粉或其它脱硫剂，在燃烧中可直接除去SO2。炉膛下部采用欠氧燃烧(α＜1)和二次风采用分段给入等方式，不仅降低了 NOX的排放，而且使燃烧份额的分配更趋合理，同时炉内温度场也更加均匀。由于循环流化床锅炉在设计和布置上的特殊性，使运行中对燃烧的调整要求更加严格，但也比较灵活。
第二节 循环流化床中煤粒的燃烧过程
煤粒在流化床中的燃烧是流化床锅炉内发生的最基本又最为重要的过程，也是一个非常复杂的过程。由于炉内温度较煤粉炉、链条炉低(一般不超过950℃)，而且煤颗粒直径又相对较粗，但又不同于链条炉固定床的燃烧方式，所以当煤颗粒进入燃烧室后大致经历四个连续的过程：
(1)煤粒被加热和干燥；
(2)挥发分的析出和燃烧；
(3)煤粒膨胀和破裂（一级破碎）；
(4)焦炭燃烧和再次破裂（二级破碎）及炭粒磨损。
图4-2定性地给出了煤粒燃烧所经历的各个过程。
图中大致示出了各个阶段的时间量级。
实际上煤粒在流化床中的燃烧过程并不能简单地以上述步骤绝对地划分成各孤立的阶段，往往有时几个过程会同时进行，例如许多研究者业已发现，挥发分和焦炭的燃烧阶段存在着明显的重叠现象。
根据以上分析，煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料及烟气的加热。首先是水分蒸发，接着是煤中的挥发分析出并燃烧，以及焦炭的燃烧，其间还伴随着发生煤粒的破碎、磨损等现象，并且大量实验表明了挥发分的析出燃烧过程与焦炭燃烧过程有一定的重叠。由于循环流化床内煤粒燃烧是一个错综复杂的过程，要十分精确地定量描述整个燃烧过程还很困难。下面我们分别介绍一下各阶段的过程及特点。
一、干燥和加热
循环流化床锅炉燃用的成品煤含水分一般较大，当燃用泥煤浆时其水分就更大，甚至超过40％。当新鲜煤粒被送入流化床后立即被不可燃的大量灼热的床料所包围并被加热至接近床温，被加热干燥把水分蒸发掉。加热速率在100～1000℃／s的范围。影响加热速率的因素不少，其中之一为煤的粒度。
为了对煤粒在流化床内的颗粒温度变化历程有个认识，岑可法等对不同粒径的某煤种颗粒表面和中心达到的温度与加热时间的关系进行了计算，结果如图4-3所示。其中料层温度取900℃。按保守估计，认为新投入的煤粒主要受周围灼热床料的辐射加热，且假定黑度为1，按辐射加热和不稳定导热理论求解可得出上述结果。
从图4-3可知，粒径为6mm的球形石煤颗粒投入到床温为900℃的流化床层中，其表面达到800℃需21.2s；粒径为2mm的球形石煤粒子，其表面和中心达到800℃分别需8.48s和10.8s。一般筛网直径在0～8mm的石煤颗粒平均当量直径为2mm左右，则其表面或中心达到800℃所需的时间分别为8.48s和10.8s左右，就是说大部分石煤粒子在8.48s左右时间内便要着火。至于其中大颗粒，其形状远不是球形，因此它的棱和角表面受热达到800℃所需要的时间必小于粒径为6mm的球形颗粒，即不大于21.2s。也就是说，所有投入到沸腾层中的石煤颗粒除被烟气直接带出床层之外，全部都要着火。先后开始燃烧，释放其热量。
粒径为1，0.5，0.3和0.2mm的颗粒，在投人温度为900℃的流化床层中，其表而和中心达到800℃，所需要的时间分别为4.42s和4.96s，2.36s和2.5ls，1.41s和1.46s，0.97s和0.99s，也就是说颗粒中心和表面达到800℃的时间几乎相同。对料径为0~2mm的飞灰再燃沸腾床，平均当量直径不大于0.2mm，最大粒径不大于2mm，就是说飞灰在投入床层之后大部分颗粒在1s内便要着火，最大粒径在8.48s内也要着火，释放其反应热。
根据前面讨论的循环流化床的流体动力特性，虽然循环流化床与常规的鼓泡流化床在床内流型结构上有差异，但二者亦有一定的类同点，特别是对于循环倍率不高，床料粒度分布较宽，且平均粒度较大的情形，此时循环流化床床内沿高度方向依然非常显著地可划分为密相床层（布风板以上）和稀相空间（炉膛上部），并且密相床层往往仍运行在鼓泡床和湍流床状态。大量的实验证实，循环流化床床内床料绝大部分是惰性的灼热灰渣，其可燃物含量只占了很小一部分，因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个大“蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒迅速把煤颗粒加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很宽的原因所在。
二、挥发分析出及燃烧
当煤粒被加热升温到一定温度时，首先释放出挥发分。挥发分析出过程是指煤分解并产生大量气态物质的过程。挥发分由多种碳氢化合物组成，并在不同阶段析出。挥发分的第一个稳定析出阶段大约发生在温度500～600℃的范围内。第二个稳定析出阶段则在温度800～1000℃的范围内。煤的工业分析为挥发分含量提供了一个大致范围，但挥发分的精确含量和构成受许多因素的影响，如加热速率，初始温度和最终温度，最终温度下的停留时间，煤的粒度和种类，挥发分析出时的压力等。
对于细小的微粒，挥发物的析出释放非常快，而且释放出的挥发物将细小煤炭粒包围并立刻燃烧，产生许多细小的扩散火焰。这些细小的微粒燃尽所需要的时间很短，一般从给煤口进入炉床到从炉膛出口飞出炉膛一个过程就可燃尽，不需要循环返送炉内再燃烧。但对于那些不参加物料再循环也未被烟气携带出炉膛的较大颗粒，其挥发物析出就慢得多。如平均直径3mm的煤粒需要近15s时间才可析出全部的挥发物。另一方面，大颗粒在炉内的分散掺混也慢得多。由于大颗粒基本沉集于炉膛下部，给入氧量又不足，因此大颗粒析出的挥发物往往有很大一部分在炉膛中部燃烧。这一点，对于中小煤粒的燃烧和炉内温度场分布以及二次风口的高度设计都非常重要。
实际上挥发分析出和燃烧是重叠进行的，很难把两个过程的时间区分开来。挥发分燃烧在氧和未燃挥发分的边界上呈扩散火焰，燃烧过程通常是由界面处挥发分、氧的扩散所控制的。对于煤粒，扩散火焰的位置是由氧的扩散速率和挥发分析出速率所决定的。氧的扩散速率低，火焰离煤粒表面的距离就远。对于粒径大于1mm的大颗粒煤，挥发分析出时间与煤粒在流化床中的整体混合时间具有相同的量级。因此，在循环流化床锅炉中，在炉膛顶部有时也能观察到大颗粒煤周围的挥发分燃烧火焰。
三、焦炭燃烧
焦炭燃烧通常是挥发分析出完成后开始，有时这两个过程也有所重叠。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氧化生成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。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决定，具体可分为以下三种。
1．动力控制燃烧
在动力控制燃烧中，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，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控制燃烧。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。动力控制燃烧主要发生在如下情况：
(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泡流化床和循环床某些区域中的中等粒度焦炭，此时微孔质量传递速率和化学反应速率相当。
3．扩散控制燃烧
在扩散控制燃烧中，传质速率远低于化学反应速率。由于化学反应速率很高，传递相对较慢的有限的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。
我国循环流化床锅炉和鼓泡流化床锅炉燃煤的粒径大部分为0～10mm，这些颗粒在循环流化床中得到高度混合，在相同的床料粒度、床温和氧浓度下，循环床的传质速率比鼓泡床要高得多。随着燃烧的进行，焦炭颗粒缩小、传质速率增加，燃烧状况也从扩散燃烧移到过度燃烧，最后到动力燃烧。
四、煤粒的膨胀、破碎和磨损
在锅炉实际运行中，给入炉内的煤粒燃烧是相当复杂的，对于那些热爆性比较强的煤种，不论是大颗粒还是中等颗粒，在进入炉床加热干燥、挥发分析出的同时，将爆裂成中等或细小颗粒，甚至在燃烧过程中再次发生爆裂，如图4-4所示。
由于大多数煤种热爆性比较强，使那些初期不参与循环的大颗粒爆裂成中等颗粒后参与物料的外循环，同样中等直径的颗粒爆裂后转化成细小微粒将可能不再循环（分离器捕捉不到）而随烟气进入尾部烟道。特别应当注意的是，循环流化床锅炉煤颗粒燃烧，除那些少量的细小微粒外，绝大多数是处于焦炭燃烧，当煤粒挥发分被加热析出燃烧后，未被一次燃尽的煤粒往往转化为焦炭颗粒或外层为焦炭内部仍为“煤”，焦炭比煤燃烧困难得多。所以在炉内的停留时间比按煤燃烧燃尽计算所需的时间要长。
中等程度焦煤在挥发分析出过程的420～500℃温度范围内经历一个塑性相，煤中的小孔被破坏，因此在挥发分开始析出时，颗粒的表面积最小。此后随着煤粒内部气相物质的析出，煤粒膨胀。有些情况下由于均匀膨胀会形成气球状的颗粒。
煤粒中析出的挥发分有时会在煤粒中形成很高的压力而使煤粒产生破碎，这种现象称一级破碎。经过一级破碎，煤粒分裂成数片碎片，碎片的尺寸小于母体煤粒。
当焦炭在动力燃烧或过渡燃烧工况时，焦炭内部的小孔增加，这样就削弱了焦炭内部的联接力。当联接力小于施于焦炭的外力时，焦炭就产生碎片，这个过程称二级破碎。二级破碎是在挥发分析出后的焦炭燃烧阶段发生的。破碎的粒度要比磨损所产生的细炭粒大一个数量级。如果煤粒在动力燃烧工况，即燃烧在整个焦炭颗粒内均匀进行，那么某一时刻整颗焦炭颗粒会同时产生破碎，这种二级破碎又称为穿透性破碎。
较大的颗粒与其他颗粒机械作用产生细颗粒（一般小于100µm）的过程称为磨损。细颗粒一般会逃离旋风分离器，因而构成不完全燃烧损失的主要部分。有燃烧时磨损加强。焦炭中有不同反应特性的显微组分聚集体，这就使得焦炭表面的氧化或燃烧不均匀。因此焦炭表面某些部分燃烧要快一些，形成联结细颗粒之间的细联接臂。由于床料的机械作用，这些联接臂被破坏，这个过程就称为有燃烧的磨损或燃烧辅助磨损。在快速流化床中，机械力与焦炭和床料间的相对速度成正比，因而焦炭的磨损速率也与这个相对速度成正比。煤粒在炉内循环掺混中不断地碰撞磨损使颗粒变小，同时将炭粒外表层不再燃烧的“灰壳”磨擦掉，这些都有助于煤粒的燃烧和燃尽，提高燃烧效率。
第三节 循环流化床锅炉的燃烧区域与燃烧份额
一、燃烧区域
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），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。
炉膛下部密相区由一次风将床料和加入的煤粒流化。一次风量约为燃料燃烧所需风量的40～80%。新鲜的燃料及从高温分离器收集的未燃尽的焦炭被送人该区域。燃料的挥发分析出和部分燃烧也发生在该区域。该区域内通常处于还原性气氛，为了防止锅炉钢管的腐蚀，受热面用耐火混凝土覆盖。
炉膛下部区域的固体颗粒浓度要比上部区域高得多，因此该区域充满灼热的物料，是一个稳定的着火热源，也是一个贮存热量的热库。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质交换。当锅炉负荷低不需要分级燃烧时，二次风也可以停掉。
在所有工况下，燃烧所需要的空气都会通过炉膛上部区域，被输送到上部区域的焦炭和一部分挥发分在这里以富氧状态燃烧。大多数燃烧发生于这个区域。一般而言，上部区域比下部区域要高得多。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度循环运动了多次，焦炭颗粒在炉膛内停留时间增长，十分有利于焦炭颗粒的燃烧。
被夹带出炉膛的未燃尽的焦炭进人覆盖有耐火混凝土的高温旋风分离器，焦炭颗粒在旋风分离器内停留时间很短，而且该处的氧浓度很低，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内燃烧。
循环流化床锅炉中的焦炭按照燃烧模式可分为以下三类，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
当燃用0～10mm宽筛分煤粒时，其中必然有一部分细颗粒。不同煤种所占份额会不同。另外粗颗粒煤在燃烧时经一级、二级破碎和磨耗也会产生一部分细颗粒焦炭。细颗粒焦炭一般小于50～100µm。细颗粒焦炭的燃烧处于动力燃烧。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，构成锅炉飞灰未燃尽损失的主要部分。由于设计、布置的困难和降低锅炉造价，不得不采用大直径旋风分离器，这使分离器的切割直径增大，降低了分离效率。但在实际循环流化床锅炉中，分离效率要比理论计算值高得多。这是因为在快速流化床中进入旋风分离器的气固混合物中固体颗粒浓度比其他应用场合中要高得多，这样细颗粒就容易以颗粒团的形式出现。分离器的分离效率就比普通假定气固均匀分布流动时的预测值高。
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随气流作向上运动，在贴近炉墙区向下运动。因此细颗粒焦炭在炉内停留时间取决于内循环、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。细颗粒焦炭燃尽时间取决于反应表面积、反应特性和反应级数。
2．焦炭碎片燃烧
碎片尺寸相对较大，它们由一次破碎和二次破碎产生。代表性尺寸为500～1000µm。
焦炭碎片通常在过渡燃烧工况下燃烧。碎片在炉内的停留时间与平均床料的停留时间也很接近。对于焦炭碎片，作为飞灰逃离炉膛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。分离器效率高，固气比高，循环倍率也会提高，有利于焦炭碎片燃尽。
3．粗颗粒焦炭燃烧
粗颗粒焦炭直径大于1mm，因此，这些颗粒的焦炭和流化气体间的相对速度高，处于扩散燃烧或过渡燃烧状态。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。粗颗粒炉渣的含炭量很低，由粗颗粒煤粒产生的固体未完全燃烧损失最小。
二、燃烧份额
1.燃烧份额的概念
燃煤在各燃烧区域的燃烧份额表示燃煤在各燃烧区的燃烧程度，一般按燃煤在各区域释放出的发热量占燃煤总发热量的百分比表示。因为循环流化床锅炉燃烧主要发生在密相区和稀相区，所以这两个区域的燃烧份额之和接近于1。其中密相区的燃烧份额影响到料层温度控制、炉内传热以及锅炉连续、安全运行，因此密相区燃烧份额是我们最关心的一个参数。
在其他条件不变的情况下，当密相区燃烧份额增加，也就是燃煤在密相区放热份额增加，为保持密相区出口温度不变，必然要增加密相区的吸热量，相应要增加密相区受热面积。如果密相区受热面无法增加，必然会使密相区出口烟温增加，即带人稀相区的焓增加。如果这部分热量不能有效地被密相区受热面吸收或被带走，则密相区的热量平衡必遭破坏，从而使密相区炉膛温度升高。
2．影响燃烧份额的因素
（1）煤种的影响
在JB/DGl060—82标准中推荐鼓泡流化床锅炉在沸腾层的燃烧份额见表4-2。从表4-2可见，挥发分低的无烟煤及劣质煤的燃烧份额大，而挥发分高的煤，如褐煤，燃烧份额最小，即褐煤挥发分在沸腾床析出后，一部分来不及在床层中烧，被带往稀相区燃烧，因此其燃烧份额小。可见该推荐值主要考虑了挥发分对燃烧份额的影响。如果考虑粒径和粒径分布的影响，较小粒径的燃煤在沸腾层的燃烧份额还要乘以小于l的修正系数。
表4-2 鼓泡流化床沸腾层燃烧份额推荐值
|
名 称 |
煤矸石 |
I类烟煤 |
褐煤 |
I类无烟煤 |
|
沸腾层燃烧份额 |
0.85～0.95 |
0.75～0.85 |
0.7～0.8 |
0.95～1.0 |
（2）粒径和粒径分布的影响
显然粒径小的煤在密相区的燃烧份额会比较小，对于同样筛分范围的煤，由于细粒所占份额不同，燃烧份额也会不一样。当细粒份额增加，被扬析往稀相区燃烧的煤增多，燃烧份额会减少。浙江大学对浙江石煤0.5mm细粒以下不同份额提出了不同的燃烧份额推荐值，见表4-3。
表4-3 石煤鼓泡床燃烧份额
|
粒径小于0.5mm以下的细粒含量（%） |
25～32 |
18～25 |
10～18 |
|
沸腾层内的燃烧份额 |
0.87 |
0.92 |
0.96 |
在循环流化床中，有许多国家采用窄筛分、小粒径，在密相区的燃烧份额要小得多，在密相区没有布置埋管，并把水冷壁涂耐磨火层，只吸收少量热量也能维持密相区热量平衡。
（3）流化速度的影响
当密相区断面缩小，流化速度增加时，同样粒径的燃煤粒子的燃烧份额也会减小。当前有不少循环流化床锅炉为了减少破碎的困难和降低成本，采用宽筛分煤粒，国内一般用0～13mm的粒子。因此，在密相区选用较高的流化速度，使细粒带往稀相区燃烧，这样便降低、维持了密相区的热量平衡，并使放热和吸热分配趋于合理。
（4）循环倍率的影响
当循环倍率提高时，一方面循环细颗粒对受热面的传热量及从密相区带走的热量增加，有利于密相区热量平衡；另一方面，细颗粒循环再燃的机会增加，使燃烧效率提高。
3．一、二次风配比对燃烧份额的影响
一次风从密相区的布风板进入，一次风量应满足密相区燃烧份额的需要，也就是说应根据燃烧份额配一次风；为减少NOx和N2O的生成量，密相区的实际过量空气系数应接近l，使密相区主要处于还原气氛。二次风从密相区和稀相区交界处进入，以保证燃料完全燃烧。
不同型式的循环流化床锅炉，设计工况不同，其燃烧份额和一、二次风配比也不同。循环流化床锅炉密相区燃烧份额为30～70%，一次风率为30～70%。MSFB锅炉一次风率一般为30%左右；Lurgi型和Pyroflow型锅炉，一次风率为50%左右；Circofluid型锅炉，一次风率为60%左右。
第四节 影响流化床燃烧的主要因素
影响流化床燃烧的因素很多，如燃煤特性、燃煤粒径级配、流化质量、给煤方式、床温、床体结构和运行水平等。
一、燃煤特性的影响
燃煤的结构特性、挥发分含量、发热量、灰熔点等对流化床燃烧均会带来影响。
对于挥发分含量较高、结构比较松软的烟煤、褐煤和油页岩等燃料，当煤进入流化床受到热解时，首先析出挥发分，煤粒变成多孔的松散结构，周围的氧向粒子内部扩散和燃烧产物向外扩散的阻力小，可以提高燃烧速率。对于挥发分含量少、结构密实的无烟煤、石煤等，当煤受到热解时，分子的化学键不易破裂、内部挥发分不易析出、四周的氧气难向粒子内部扩散，燃烧速率降低。对于挥发分含量少，挥发分析出后对煤质结构影响不大和那些灰分高、含碳量又低的石煤、无烟煤等，煤粒表面燃烧后形成一层坚硬的灰壳，阻碍着燃烧产物向外扩散和氧气向内扩散，煤粒燃尽困难。从燃用石煤的流化床锅炉溢流渣切片分析表明，这些灰渣在床内虽然经过了较长时间的停留和燃烧，但在灰壳所包覆的炭核中不仅存在可燃的固定碳，而且还含有挥发分。
挥发分析出后所剩下的固体物质称为焦炭。不同燃料焦炭的物理性质差别很大，有些燃料的焦炭呈粉末状，称为“不焦结”的燃料；有些形成松散的焦块，称为“弱焦结性”的燃料；有些形成坚硬的焦块，称为“强焦结性”的燃料。对于流化床锅炉，燃用不焦结性燃料，一些呈粉末状焦炭还未燃尽就有可能被带出炉膛，如果未采用回燃，会使飞灰含碳量增加，固体未完全燃烧损失增加。
当一台锅炉燃用比设计煤种发热量低得较多的煤种时，可能会使流化床密相区温度偏低而对燃烧带来影响。当煤的发热量降低时，其折算灰分和折算水分必然增加，每公斤燃料带出密相区热焓增加，使密相区燃料放热和吸热可能失去平衡。如果其发热量低至7500kJ/kg以下，会更加敏感。对于新设计的锅炉，燃用低热值的煤，应在密相区少布置受热面，才能保证密相层温度维持在正常燃烧所需要的温度。
不同的燃料具有不同的灰熔点。灰熔点决定于灰的成分。灰的主要成分有四种：Al2O3，SiO2，Fe2O3和CaO。一般来说，灰中本身熔点高的物质(MgO，Al2O3，SiO2)愈多，灰的熔点也愈高。相反，增加熔点低的物质，如氧化铁(FeO，Fe2O3)、氧化钠、氧化钾(Na2O，K2O)、特别是黄铁矿FeS2，会使灰的熔点降低。但灰的熔点并不是各种组分熔点的算术平均值。有时，几种物质一起形成低熔点的共晶体，它的熔化温度比参与该共晶体的任何一种物质的熔点还低。当温度达到灰分的软化温度ST时，灰分开始有粘性。在流化床中最忌讳结渣，结渣后流化床难以维持正常的流化状态，更无法保证燃煤在炉膛内有效燃烧，最终造成被迫停炉。
二、燃煤粒径的影响
单颗炭粒的燃烧速度随着炭粒尺寸的增大而急剧增加，这是由于炭粒表面积增大的结果；但粒径的增加却会延长煤粒的燃尽时间。对单位重量燃料而言，粒径减小，粒子数增加，炭粒的总表面积增加，燃尽时间缩短，燃烧速率增加。
假定流化床中的较粗煤粒（大于1mm）的挥发物析出和碳的燃烧受扩散控制。挥发物完全析出时间和炭粒完全燃尽时间减少，可燃物损失减小。在尽量降低颗粒扬析的情况下，适当减少燃煤粒径，缩小筛分范围乃是提高燃烧效率的一项有效措施。
我国流化床锅炉大多数燃用0～13mm的宽筛分煤粒。由于采用反击式破碎机加工，其中小于0.5mm的煤粒约占25～30%，有的甚至更高。不同粒径的燃料，有着各自的临界速度和飞出速度。为使粗颗粒不至沉积，保证流化良好，一般选用的运行速度为平均粒径dp的临界速度的1.5～2倍。计算表明，直径为2.0mm的粒子的运行速度已经超过0.5mm颗粒的飞出速度。因此燃料中0.5mm以下的细煤粒送人流化床后很快就会随烟气带出床层，固体不完全燃烧损失主要来自这部分细煤粒的不完全燃烧。为提高流化床锅炉的燃烧效率，应采取措施力求减少细煤粒被带出炉膛，并把带出炉膛的细煤粒收集起来，再送回炉膛循环燃烧。
三、布风装置和流化质量的影响
流化床要求布风装置配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉积，使底部流化质量良好。进入床层的空气不仅要求分配均匀，而且要形成细流，以减小初始气泡直径。在鼓泡流化状态中，气泡在沿床层上升的过程中不断增长、合并，形成大气泡。气泡上升速度又随气泡直径增大而增加，这导致从气泡补充到乳化相中炭粒子表面的扩散阻力增加，燃烧速率降低。大气泡动量大，上升到床层表面破裂时，把气泡尾涡中携带的细颗粒抛向上部空间，增加了烟气中颗粒的夹带，这会造成燃烧效率降低。因此，合理的布风结构是减小气泡尺寸，改善流化质量，减少细粒带出量，提高燃烧效率的有效途径。一般采用小直径风帽，合理布置风帽数量和风帽排列方式，设计良好的等压风室，对提高流化质量均有明显的效果。
我国的循环流化床锅炉多数采用0～13mm宽筛分的煤粒，且床层底部按一次风量计算出的空塔速度比鼓泡流化床锅炉也高不了多少。因此，我国很大一部分循环流化床锅炉密相区还是处于鼓泡流化的状态。同样有气泡的生成、长大和破裂，有气泡相和乳化相。所以在这种循环流化床的设计中同样应注意布风的均匀性和流化质量。
四、给煤方式的影响
加入到床层的燃料要求在整个床面上播散均匀，防止局部碳负荷过高，以免造成局部缺氧。因此给煤点应分散布置，给煤量不宜集中加入。有资料表明，给煤点间距采用600～1000mm，每个给煤点负担床面1m2左右为宜。但这样布置会使给煤点数量太多，给煤系统复杂化，降低了运行可靠性。现在多数流化床锅炉每个给煤点负担床面3～4m2，给煤口附近煤量过于集中，煤热解后挥发物首先析出和燃烧，消耗了大量氧气，在给煤口附近形成缺氧区，使该处的细颗粒因缺氧而无法燃烧，随上升气流直接穿过床层进入稀相区。如果在稀相区无足够的停留时间和较高的温度，就会形成飞灰的固体不完全燃烧损失，燃煤的细颗粒组分越高，这种损失也越大。对于挥发物含量很高的烟煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的挥发物都不能在床层内完全燃尽，进人锅炉尾部受热面后受到冷却，形成焦胶和灰分粘附在受热面上，堵塞烟气通道，影响锅炉的安全运行。对采用这类燃料的流化床锅炉，采用正压给煤时，在给煤口加装播煤风，在给煤口上加二次风，可以改善燃烧工况，减少挥发物和细颗粒的不完全燃烧损失，提高燃烧效率。但播煤风是从密相正压区加入的，受着上升气固流的抑制作用，穿透深度是很有限的，细颗粒和挥发物的横向扩散并不强烈，不可能使可燃物在床内分布均匀。如在给煤口上方布置二次风，可使炉内烟气得到比较强烈的混合和搅拌，取得明显的燃烧效果。
还有一部分鼓泡流化床锅炉，采用皮带或圆盘给煤，将燃料送入流化床的负压区，细颗粒燃料未经过高温料层就被烟气带人悬浮段。在悬浮段中停留时间太短，即使有较高的温度，也得不到充分的燃烧，增大了飞灰含碳损失。但负压给煤方式播散面积较大，局部缺氧现象不如正压螺旋给煤那样严重，这种给煤方式对于细颗粒含量不多和含水分较大的燃料在鼓泡流化床锅炉上燃烧还是可取的。
五、床温的影响
在床层中，煤粒挥发物的析出速率和碳的反应速率随床温的增加而增大。因此，提高床温有利于提高燃烧速率和缩短燃尽时间。但床温的提高受到灰熔点的限制。通常要求床温比煤的变形温度(DT)低100～200℃。所以床温的高限应根据煤的变形温度来确定，一般床温控制在850～950℃，最高不超过1050℃。对于采用添加剂在床内进行脱硫的流化床锅炉，脱硫的最佳反应温度为850～870℃，床温过高，脱硫效率急剧降低，钙硫比增大。
稀相区的温度也特别重要。对于燃烧细颗粒份额较高和挥发物含量大的燃料，提高稀相区温度，可以使这部分可燃物进一步燃烧，降低烟气中的可燃物损失。尤其对于循环流化床锅炉，通过分离器收集送回炉膛的细颗粒，其中主要是固定碳，必需在800℃以上的温度才会着火、燃烧，而这部分细颗粒的燃烧区域主要在稀相区。因此应保持稀相区温度在850～900℃，提高稀相区的温度的措施主要是根据稀相区热量的平衡，适当匹配稀相区受热面。
六、床体结构和飞灰再燃的影响
床体结构对燃烧效率有很大影响，除影响流化质量外，还影响细颗粒在炉膛内的停留时间。设计床体结构时，应合理组织气流，使可燃物与空气在床内得到充分混合与搅拌，有利于细颗粒在床内进行重力分离。对于鼓泡流化状态应减少扬析所造成的飞灰含碳损失。为了使细颗粒在悬浮段能够燃尽，对于小型鼓泡流化床锅炉，在设计时采用较大悬浮段横截面积，以降低悬浮段流速，延长细粒子在悬浮段的停留时间。同时在悬浮段维持较高温度，使细粒子在悬浮段充分燃烧。采用扩大悬浮段面积，降低烟速，就会相应增大炉体结构尺寸，因此只适用于10t/h以下小容量鼓泡流化床锅炉。对于循环流化床锅炉在设计中应适当减少稀相区断面积，使稀相区达到一定的气流速度和一定的粒子浓度，在炉膛内形成环核流动，形成内循环，延长粒子在炉膛内的停留时间。对飞出炉膛的细粒子，采用分离性能好的高温或中温分离器，将细粒子捕集下来，送回炉膛循环燃烧，也就是组织好炉膛外的循环。此外，在鼓泡流化床锅炉内也可采用飞灰回燃或灰燃尽床。如从悬浮段沉降、分离出来的带有一定含碳量的飞灰送入主床燃烧或设置单独的飞灰燃尽床来燃烧收集下来的飞灰。还有在悬浮段上部用水冷管构成卧式旋风筒收集飞灰循环燃烧。在悬浮段出口设置U形分离燃尽段也取得了很好的效果。
七、运行水平影响
流化床的燃烧与运行水平亦有密切关系。一台设计比较好的流化床锅炉，如运行水平不高，技术管理不善，有可能降低燃烧效率。锅炉在运行中应根据负荷和煤质的变化，随时调整燃烧工况，保持正常的床温和合理的风煤比，以降低气体和固体不完全燃烧损失。
对于鼓泡流化床锅炉要维持适当的料层高度。料层过高，不但会增大风机电耗，而且会增大气泡尺寸和扬析带来的损失。料层过薄，又会使燃烧工况不稳定，燃料在床内的停留时间缩短，增加溢流渣含碳量。排放冷渣应根据风室静压变化，勤排、少排，避免造成过大的冷渣不完全燃烧损失和物理热损失。
为保证循环流化床锅炉飞灰循环系统正常运行，多采用自动调整型的送灰器。当采用流化密封回料器时应小心地调整松动和送灰风，维持料腿中一定的灰位高度。这股风过大会使料腿吹空，造成烟气短路，送灰器结渣，并且分离器分离效果会明显降低。这股风太小，回送的飞灰太少，达不到设计的循环倍率，影响锅炉负荷和燃烧效率。送灰风量应大于松动风量。松动风只松动料柱，而送灰风是输送飞灰进炉膛。另外还要认真调整一、二次风的比例，很好地组织在密相区和稀相区的燃烧。
第五节 流化床锅炉的炉内传热
循环流化床锅炉的炉内传热是与流化床燃烧同时发生的一个重要过程。目前对于循环流化床锅炉炉内传热的机理尚不十分清楚，加之锅炉结构布置的多样化，以及炉内物料浓度、粒度和流化速度的差别，使这一问题变得更为复杂。锅炉受热面的布置和设计基本上是利用实验数据和经验公式来完成的。这样给投产运行的锅炉带来了许多问题，尤其是早期投产的锅炉问题更多。
随着循环流化床锅炉的大型化，现在越来越多的锅炉在炉内或炉外布置有埋管（炉外物料换热器），因此物料对埋浸管的传热以及鼓泡床锅炉传热也包含在循环流化床锅炉的范畴之内。对流化床传热部分的介绍仍把鼓泡床和循环流化床分开来讲解。
一、鼓泡流化床的炉内传热
(一) 传热机理
在流化床燃烧设备中，燃料在燃烧过程中所产生的热量要用来产生蒸汽以供发电或供热，所以在其中往往布置有大量的换热表面。流化床内换热表面布置恰当与否对于燃烧设备的正常运行有十分重要的影响。实验发现，在气固流化床内床层和换热表面之间的传热系数相当大，要比单纯气体大一到两个数量级，这主要是由于床内颗粒的剧烈运动和良好混合所引起的。
鼓泡床内的固体颗粒浓度很大，容积热容量比气体几乎大1000倍，而且受到气泡的强烈扰动、混合。所以鼓泡床的温度很均匀，对埋管受热面有很大的传热系数，能够把床内放出的热量带走，并以此控制床温，使它保持在对于煤燃烧和除硫两者均有利的温度范围之内。
鼓泡床与埋管受热面之间的热量传递主要通过三个途径：颗粒对流放热、颗粒隙间气体对流放热和床层辐射放热。
鼓泡床内的固体颗粒可以看成是许许多多的颗粒团，每一颗粒团是由数量众多的颗粒集合而成的，颗粒团的温度与床温一样，在气泡运动的带动下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体膜以导热方式传给受热面，或者颗粒团直接碰撞受热面把携带的热量传给受热面。如果颗粒团停留在埋管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。颗粒团更新的频率与气泡扰动的强烈程度以及流化速度与临界速度之差(µ-µmf)的大小有关。颗粒尺寸减少，在其它条件相同的情况下，单位受热面上接触的颗粒数量越多，传热就越激烈。此外，当流化床床温增高时，流化床与埋管受热面之间的放热系数增大，通常颗粒粒径为40～1000µm时，颗粒对流放热是传热的主要方式。
当颗粒直径变大，颗粒隙间气流处于湍流前的过渡状态或湍流状态时，气流的对流放热则很显著。随着颗粒粒径的加大，隙间对流作用加强，通常在粒径＞0.8mm直至数毫米时，隙间气体对流放热在传递热量中占主要份额。
在实际鼓泡床中，这两种传热途径是并存的，因此在0.5～3mm的范围总的传热系数与粒径的关系相对减弱。但随着温度增加，总传热系数由于气体导热系数增加而有所提高。
当床温大于530℃后，辐射交换份额越来越重要，而且组成床层的颗粒愈大时，辐射作用愈强，总传热系数显著上升。
鼓泡床内固-气两相流对埋管受热面传热系数不仅与锅炉运行条件有关，而且与床料固体颗粒物理特性、受热面结构参数以及烟气物理性质等许多因素有关。实践证明，鼓泡床内竖直埋管的换热条件比横向布置好，这是因为横管的下半周有时被上升气泡所包覆，横管的上半周又有可能被活动缓慢的固体颗粒所覆盖，这都将影响横管的传热条件。工业试验测得：当床料温度处于800℃左右，床料颗粒为0.8～1.6mm的条件下对埋管的传热系数约为170～260W/(m2·K)，床料细者取高值，床料粗者取低值。
流化床中所发生的传热过程从本质上讲是内部复杂的气固两相流动所引起的，这样反映出来的传热规律也相当复杂。为了认识发生在流化床内的传热机理和规律，为流化床设备的设计提供计算公式，人们进行了大量的研究工作，得到了许多有用的结果和经验关联式。然而，由于流化床内气固两相流动的复杂性，大多数实验结果和关联式仅在有限的范围内实用，而且不同的研究者之间的研究结果相差很大。尽管如此，一些定性的规律，影响流化床传热的各主要因素之间的关系还是十分有用的。
（二）影响传热的主要因素
有很多因素影响着流化床内的传热，如流化条件、固体颗粒特性、流体特性、床层和换热面的几何变量等。很容易发现，当要仅研究一个变量对传热的影响时，这样的实验是难于实现的。任何代表传热系数随一个变量的变化而变化的规律，而又不明确其它变量的关系，只能是定性的。
1．表观流化速度
当通过流化床的气流速度逐渐增大时，床层由固定床过渡到充分流态化，床层和换热面之间的传热系数随流化速度的变化关系示于图4-5。即在气流速度达到最小流化速度后，在一定的速度范围内传热系数hw很快地增加，在某一速度处达到一个最大值hw,max，这时的流化速度就称为最佳流化速度uopt。然后，传热系数随着流化速度的增加而有所减小。之所以会出现这样的变化规律，是因为随着流化速度的提高，气泡运动越来越剧烈，颗粒混合加强，颗粒在换热表面的停留时间也越短，这样颗粒团在换热表面的停留时的热边界层也越薄。但是，这时换热表面与气泡的接触时间份额也越来越大，而气泡与换热表面的传热强度相对较弱。这样两个对传热起相反作用的趋势共同影响，就造成了传热系数随流化速度呈现先升后降的上凸变化形状。
2．颗粒尺寸
颗粒尺寸的变化将导致不同的流动形式，这也将导致不同的换热规律。图3-6给出了最大传热系数随颗粒尺寸的变化情况。其虚线部分表示颗粒难于流化，而实线部分则显示出最大换热系数首先随着粒径的增大而急剧减小，但其减小的趋势逐渐减弱。在dp＝2mm附近基本保持不变，在此之后又开始有所上升。由此可以看出，对于不同粒径的颗粒床有不同的传热机理在起作用。在粒径较小时，由于颗粒与换热表面间的等效平均气体间隙较小，而缝隙气体速度很小，颗粒主要通过气隙与换热表面进行导热。这是一个非稳态的过程。当流化速度增大时，颗粒在表面停留的时间减小，这时换热系数急剧增大。而对于大颗粒床，其等效气体间隙厚度增加，同时缝隙气体速度增大，从而导热模式的传热作用减小，而气体对流的作用逐渐增加，直至起主导作用。
3．床温和壁温
当床温或壁温升高时，传热系数会有较大的提高。这一方面是由于随着气流温度的提高，流化气体的导热系数也提高，从而导致传热系数的增大。另一方面，随着温度的升高，床层和换热表面之间的辐射传热也逐渐增强。当床温为至850℃时三种颗粒床内辐射传热占总传热量的份额随壁面温度的变化情况。从中可以看出，辐射份额在大颗粒床内所起的作用要比小颗粒床大。
4．床层压力
不少研究者都考察了床层压力对于床内传热的影响，发现传热系数一般均随压力的增大而增大。但对于小颗粒床，其增大的幅度较小；而对于大颗粒床，则增大的幅度较大。这是因为压力的增大改善了床层的流体动力性能，从而在一定程度上增加导热所占的分量，这样以导热为主要机理的小颗粒床传热略有增大；而大颗粒床的主要传热模式为气体的对流传热，它对气体密度也就是压力相当敏感，从而随着压力的增大传热系数增加较大。
5．固体颗粒密度
通过实验可发现传热系数随着固体颗粒密度的增大而增大，但对于颗粒密度的依赖性随着颗粒尺寸的增大而减小。其原因一方面是颗粒的体积热容增大了，另一方面是起始流化速度随着颗粒密度增大而增大，这样对流传热分量也就增大了。
6．固体颗粒的比热
一些研究者在实验中发现传热系数随着颗粒比热的增大而增加，由此推论固体颗粒的比热在流化床传热中有重要作用。
7．气体热导率
这个参数对于换热表面与床层的传热影响相当大。随着气体热导率的增大，传热系数会近似地以1/2到1/3次方幂次增加。正由于此，床温和壁温的提高会在较大程度上提高传热系数。这也从另一个侧面说明了在流化床传热中气体起到了传热介质的作用。
（三）经验关联式
从上面介绍的实验结果中得到的各主要参数对鼓泡流化床与换热表面之间的传热影响情况可以发现，流化床传热是一个相当复杂的热量传递过程。它受相当多的因素，诸如气体与固体颗粒特性、床层结构以及运行条件这样一些参数的影响。作为工程应用，势必应将这些实验结果整理成经验关联式。一个比较成功的经验关联式应当既包括主要的影响因素，又能反映传热系数随各主要因素的变化规律。
早期的关于传热系数的关联式，均在一定程度上反映了传热规律，包括了一些主要的影响参数，形式比较简单，便于工程应用。但它们是在各自的实验结果基础上得到的，均只能在有限的参数范围内得到应用，不能任意外推，即使在同一参数范围内，各个公式的计算结果也相差颇大，这是由于实验结果受到特定实验台架与测试仪器的影响所造成的。
在此介绍一组能在分析了传热机理基础上得到的在较大范围内实用的关联式。
二、循环流化床炉内传热
（一）循环流化床炉内传热机理
循环流化床内热量的传递通常是通过以下三种受热面之一或它们的组合来实现的：
(1) 悬挂于锅炉顶部出口附近的管式换热表面；
(2) 形成锅炉部分壁面的垂直膜式水冷壁；
(3) 外置流化床换热器中的换热管束。
虽然目前对循环流化床锅炉炉内传热机理还不十分清楚，难以用数学公式定量表达，但是大量的研究、试验和工业实践总结对其热交换的主导传热方式，炉内各部受热面的传热系数的大小范围以及对传热系数的影响因素等都得到了可喜成果。
循环流化床炉内换热机理与上述鼓泡床换热有些相似却不完全相同。这主要因为循环流化床内物料流化工况发生了变化，固-气两相呈湍流床和快速床状态。从上节所述可知，炉内物料的动力特性与鼓泡床有很大差别，炉内物料浓度分布尤其稀相区颗粒浓度比鼓泡床锅炉的大得多，固-气两相流速也有所增加，物料在炉内的掺混也比鼓泡床强烈得多，一部分颗粒参与炉内外部循环，一部分固体颗粒在炉内循环并与受热面间形成“面壁流”等，这些因素的变化都对炉内换热产生影响。
目前对于循环流化床炉内换热机理分析主要有两种观点。一种是气膜理论，即认为炉内换热主要依靠烟气对流、固体颗粒对流和辐射来实现的。这里所说的固体颗粒对流的作用可解释为颗粒对热边界（即气膜）的破坏，当颗粒在壁面滑动时实现热量的传递；而另一种是颗粒团理论，认为是颗粒团沿壁面运动时实现热量传递。颗粒团理论得到大多数学者的公认。简要介绍如下：
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及颗粒团同壁面的接触频率。传热系数与流化风速的关系曲线上出现最大的传热系数hmax，是由于颗粒团在壁面上接触的频率增加和传热壁面上气泡数的增加同时发生的缘故。图4-8为颗粒团换热理论模型。
但是无论哪种观点，都可总结为炉内传热主要通过物料对受热面的固体对流和固体、气体辐射换热实现的。因此沿炉膛高度，随着炉内两相混合物的固气比不同，不同区段的主导传热方式和传热系数均不相同。图4-9所示为奥斯龙公司的“百宝炉”的炉膛内，沿炉膛高度主导传热方式随固体物料浓度变化关系。
由图可见，沿炉膛高度随着固体所占的份额(1-)的减小(浓度降低)，主导传热过程由炉膛下部的固体对流传热为主转变为固体对流和辐射传热为主，继而转变为炉膛上部的固体和气体的辐射传热为主，各部分的传热系数大小见表4-5所示。
对于电厂锅炉专业技术人员和运行操作人员不仅要了解炉内的传热机理，还要掌握运行中各参数调整对传热系数的影响，后者也许更为重要。
表4-5 各种主导传热方式的传热系数
|
主导传热方式 |
传热系数[W/(m2.K] |
|
固体和气体辐射 |
57～141 |
|
固体对流和辐射 |
141～340 |
|
固体对流 |
340～454 |
（二）影响循环流化床传热的主要因素
经验表明，循环流化床的传热受诸多设计和操作条件的影响。正是由于影响因素的繁多和相互作用，人们所得到的传热系数在相似操作条件下往往有较大的差别，传热系数的范围相当宽。所以我们在进行炉内换热面的设计和改造时必须针对具体情况，认真选取适当的传热系数，避免由于换热面设计不当所带来的锅炉设备运行不正常或燃烧效率低等情况。下面我们讨论主要的设计和运行参数对传热的影响规律。
1．颗粒浓度的影响
炉内传热系数随着物料浓度的增加而增大，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的多。较密的床和较疏的床相比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的热交换。
实验表明，在循环流化床内所发生的传热强烈地受到床内粒子浓度的影响。图4-10给出的是几位研究者进行的截面平均粒子浓度对传热系数影响的研究结果。由图可知，传热系数随着粒子浓度的增加而增加，物料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。了解这一点对锅炉运行和改造是非常重要的。
循环流化床的温度是燃烧室壁面和床层之间传热强度的函数，而传热强度又是燃烧室中粒子浓度的函数。然而，粒子浓度随着床高而变化。所以在循环流化床锅炉的运行中，可通过调节一、二次风的比例来控制床内沿床高方向的颗粒浓度分布，进而达到控制温度分布和传热系数以及负荷调节的目的。
2．流化速度的影响
对常规鼓泡流化床，床层和换热表面间的传热系数在开始时随着流化速度的增加而增加，在达到一个最大值以后，再增加流化速度，对小颗粒床传热系数会减小，而对于大颗粒床传热系数基本保持不变。然而对于循环流化床则呈现不同的情形，流化速度对传热没有明显的直接影响。在一定的物料浓度下，不同的流化速度对传热系数的影响很小。当流化速度增大时，若保持固体颗粒的循环量不变，床层内的颗粒浓度就会减小，从而造成传热系数的下降。而与此同时，由于流化速度的增加又会引起传热系数的上升。这两个相反趋势的共同作用使得当床层粒子浓度一定时传热系数在不同流化速度下变化很小。
在实际循环流化床锅炉中，空气是分级加入炉膛的。二次风速率的改变对锅炉上部的传热系数并无多大影响，而增加一次风速度会增加传热系数。这是因为增加一次风可将更多的固体颗粒输送到炉膛的上部去，从而增加那儿的粒子浓度。但实际中，流化速度变化对循环倍率是有影响的，这主要由物料粒度和分离器特性决定的。因此在锅炉运行时一般增加（或减小）一次风量和增加（或减少）给料量是同时进行的，这样才能调整锅炉负荷。
3．床层温度的影响
床温增高，不仅减小气体和颗粒的热阻力，而且辐射传热随着床温的增高而增大。由于在较高的温度下导热系数和辐射传热都会增强，它们两个因素的综合作用如图4-11。它表明在相对高的粒子浓度时(20kg/m3)，传热系数随温度成线性增长。而在辐射传热起主要作用的炉膛上部就不是这样的情况。
4．循环倍率的影响
循环倍率对炉内传热的影响，实质上是物料浓度对炉内传热系数的影响。循环倍率K与炉内物料浓度是成正比的。返送回炉床内的物料越多，炉内物料量愈大，物料浓度愈高，传热系数也愈大，反之亦然。因此，循环倍率越大，炉内传热系数也愈大。所以影响循环倍率的因素也必然影响炉内的传热。
5．颗粒尺寸的影响
图4-12给出了在几个试验台上得到的实验数据，它们表明小颗粒的传热系数要比大颗粒的传热系数大。但是，与鼓泡流化床的情况不同，在循环流化床中颗粒尺寸对传热系数的影响并不非常明显。不少研究者采用短换热段嵌装在绝热壁上测量传热系数。这对颗粒团在换热表面仅有很短的停留时间，颗粒与表面的接触热阻控制了传热过程。因为接触热阻与颗粒直径成正比，所以会得到对于较大颗粒传热系数较小的实验结果。在循环流化床锅炉所采用的典型的颗粒尺寸范围内用比较长的换热表面(＞1.5m)进行测量则未得到这样的趋势。所以，在具有水冷壁的商业应用循环流化床锅炉中颗粒尺寸对传热系数无明显的直接影响。但是，在宽筛分的循环流化床锅炉中，如果细颗粒所占的份额增多，则有较多的颗粒被携带到床层的上部，增加了截面颗粒浓度，从而间接地加强了传热。
6．传热面长度的影响
颗粒团在换热面的停留时间取决于它的速度和换热面的长度。从实验测量观察到传热系数随换热表面的长度增大而减小。接触时间与换热面的长度和颗粒团的下降速度之比成正比。测量表明在壁面区内颗粒团的下降速度大多数在0.5～3m/s之间。
所观察到的这种趋势可解释为当固体颗粒沿壁面下降时会受到冷却，温度梯度就减小，从而造成传热系数的减小。这个趋势会持续到温度梯度达到一个渐近值或固体颗粒为新的颗粒所替换。因为在实际的循环流化床锅炉中换热面的长度要比实验时的长度长，所以在这些锅炉中就不会观察到长度的影响。但是，局部传热系数要受截面平均颗粒浓度的影响，这样就会观察到锅炉下部传热系数较大的情况。
如果换热表面较短，颗粒团在整个长度上保持与换热面相接触，由于固体颗粒的热惯性，在它的顶部局部传热系数最大，沿着换热面向下而减小，然而其变化的速率逐渐减小。但是，当超过一定的高度(1.5～2m)，就观察不到传热的进一步减小。这是由于超过这个长度，颗粒团通常会发生弥散，并由新的颗粒团所取代。
7．肋片对传热的强化
循环流化床锅炉的壁面换热可由于采用肋片得到加强。肋片的形式可以是焊接于管子表面的竖直的金属条，也可以是针肋，统称为扩展表面。而焊接到相邻管子之间的金属片与管子一起构成膜式水冷壁，这种肋片称为“侧向肋”。
膜式水冷壁构成了锅炉包覆面，而侧向肋也增加了壁面的吸热。试验表明，在膜式壁上，局部热流在不同的地方是变化的。它在管子顶部最大，而在肋片的宽度方向随着与到管子的焊缝的距离逐渐减小。这在一定程度上是由于相邻的管子构成了小的浅槽，阻碍了颗粒簇的更新。如果管子的间距增大，则肋片的温度就要上升。当肋片的宽度的一半达到管子的外径值时，肋片中部的温度就会接近于炉子的温度。所以一味地加宽肋片宽度，并不能增加热量的吸收，反而有可能使膜式壁的强度降低。侧向肋仅有一个面从炉膛吸收热量，面向绝热壁的另一面没有得到利用。对于大容量锅炉，在锅炉壁面不能布置足够的受热面时，就需要使用流化床外部热交换器或在炉内悬挂受热面。在管子顶部焊接的扩展助片可使两面都得到利用。在冷态和热态条件下的测量表明肋效率达40～70%。与侧向肋不同的是，扩展肋片可以相对方便地增加或移去，从而可对锅炉内的换热面积进行细调。肋片顶部和根部的不同的热膨胀可能是扩展肋片的一个问题。为了避免可能的磨损，肋片应沿整个膜式壁的高度焊接。所以，制造厂必须解决好焊接中的变形问题。
8．悬挂受热面的传热
不少循环流化床锅炉在锅炉内应用悬挂受热面，它们或者集中在炉子的一边(管屏)，或者水平布置在炉子中部(Ω管)。不少研究者在试验台上测量了室温下传热系数的横向分布，发现传热系数随着靠近壁面而增大，这与局部颗粒浓度的变化相一致。但是在高温工业性锅炉中，情况就会发生改变。这时辐射传热变得越来越重要，甚至起主导作用。在离开壁面的地方，颗粒的对流传热是低的，但是因为在炉子中心的角系数最大，辐射传热作用大。总传热系数在离开壁面处稍高于或大致等于壁面处的传热系数，这在颗粒浓度较低时尤其是这样。在高颗粒浓度的情形下由于颗粒对流的增强其变化趋势会发生逆转。
素材来源网络，刘亮亮搜集整理！
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