循環流化床燃燒發展現狀及前景分析

   中國循環流化床燃燒技術自1980年起步，經歷了35年的努力掌握了先進的循環流化床設計理論，形成了從小容量的蒸汽鍋爐到大型超臨界發電鍋爐的系列容量產品，控制了中國市場，并走向世界。面臨國內復雜的煤種和日益嚴格的環保要求，中國科技人員和工程師突破了循環流化床流態設計的范圍，形成了高可用率、低廠用電率的第二代循環流化床技術，并正在向超低排放的第三代技術發展。

1 中國循環流化床燃燒技術的地位

循環流化床燃燒技術是20世紀70年代末開始出現的潔凈煤燃燒技術，見圖1。循環流化床中，燃燒室、分離器及返料器組成主循環回路。燃料燃燒產生的灰分及脫硫石灰石在系統中累積，在燃燒室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量熱物料為燃料著火提供足夠的熱源，因此對燃料要求比較寬松。流化過程氣固混合強烈，降低了燃燒或脫硫化學反應的傳質阻力，加速了反應速度。在800~900℃條件下，燃燒比較穩定，加入石灰石顆粒，石灰石中的碳酸鈣可以分解成高孔隙率的氧化鈣，進而吸收燃燒產生的二氧化硫;此溫度下氮氧化物的生成量顯著下降，另外，低溫燃燒形成的多孔灰顆粒對重金屬有很強的吸附能力，煙氣中重金屬排放低。所以循環流化床是適應劣質煤的低成本污染控制的潔凈燃燒技術。

圖1 循環流化床燃燒過程

中國處于工業化期，能源需求大。中國的資源稟賦條件決定了煤炭仍然是中國電力工業主要能源，并且煤炭資源中高灰、硫分大于1%的高硫煤比重較大，其中灰分大于20%的煤占50%以上。洗煤過程產生大量矸石、洗中燃、煤泥需要利用，循環流化床燃燒具備燃料適用范圍廣、低成本干法燃燒中脫硫、低氮氧化物排放的優點是大規模清潔利用此類燃料的最佳選擇。到目前為止，中國循環流化床燃燒鍋爐發電容量近1億kW，總循環流化床鍋爐臺數大于3000臺，為世界第一。

2 中國循環流化床鍋爐燃燒理論與鍋爐設計體系的形成

中國自20世紀60年代起開始研發鼓泡床燃燒(俗稱沸騰爐)，通過20年的開發，形成了自己的鼓泡床燃燒及鼓泡床鍋爐設計理論。到70年代末，國內有3000臺沸騰爐運行，最大容量為130 t/h。自80年代開始，中國與世界同步開始循環流化床燃燒技術的研究。受到鼓泡床開發經驗的限制，科技人員在初期以為，只要在沸騰爐基礎上加上分離器和物料回送裝置，即可構成循環流化床燃燒鍋爐，因此將分離器和物料回送裝置理解為飛灰回送的循環燃燒，而不清楚鼓泡流化床鍋爐和循環流化床鍋爐在燃燒室內的流化狀態是截然不同的。正是由于這些錯誤的認識，中國早期開發循環流化床燃燒基本上是不成功的，物料循環不足，不能滿負荷運行，尾部受熱面磨損嚴重。當時國際上有關的研究均是基于化工流態化反應器的，無法解釋循環流化床燃煤鍋爐的實際問題;國外循環流化床鍋爐開發商內部開展的研發工作是完全保密的。

有鑒于此，得益于中國科技部和發改委對循環流化床燃燒技術的重視和支持，以清華大學為代表的中國研究人員。投入大量力量重新審視循環流化床燃燒的基本理論。通過實踐一理論研究一實踐的多年反復，針對工程設計需要，搭建了中國獨立的循環流化床煤燃燒理論體系。該理論體系的主要創新點全面涵蓋了氣固兩相流、燃燒、爐內傳熱和污染物控制等方面，并進行了綜合和發展，是國際循環流化床燃燒理論的重要進展，也為建立中國自己的循環流化床設計體系提供了理論支撐。

2.1 對循環流化床氣固兩相流理論的新認識

源自化工領域的循環流化床反應器是循環流化床燃燒的基礎。化工循環流化床反應器的流化行為一般針對窄粒徑的催化劑。因為昂貴的催化劑不允許在運行中丟失，所以設計的分離器必須對此粒徑的催化劑具有近乎于100%的分離效率。因而所構成的循環系統對氣相而言是開口系，對催化劑則是近似閉口系。燃煤循環流化床中，連續給入的寬篩分煤顆粒，在燃燒形成的寬篩分灰顆粒流連續進入循環系統。如果像化工反應器一樣對顆粒采用閉口系，則灰分在系統內累計，很快就充滿循環流化床燃燒室，無法達到平衡狀態。所以循環流化床中，灰分連續進入的同時必須也必然連續排除，達到平衡狀態。這就是燃煤循環流化床鍋爐一進二出寬篩分粒度物料開口系平衡的概念。因此，燃煤循環流化床物料平衡的影響因素可以歸納為兩點：煤的成灰磨耗特性和循環系統的綜合效率。

循環流化床物料循環系統的綜合效率，是指在確定流化風速條件下循環系統對不同粒徑顆粒的保存效率。通過簡單的物理模型，即可得到循環流化床一進二出平衡系統的特性，見圖2，圖中的Gin(i)表示燃煤帶入燃燒室的粒度為di的灰分流。該粒度灰分的數量取決于煤種的燃燒成灰粒度特性以及成灰的磨耗特性。不同煤種及不同粒度煤顆粒的成灰與磨耗特性可測試得到。

圖2 循環流化床燃燒的物料平衡