循環(huán)流化床燃燒發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

   中國(guó)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)自1980年起步，經(jīng)歷了35年的努力掌握了先進(jìn)的循環(huán)流化床設(shè)計(jì)理論，形成了從小容量的蒸汽鍋爐到大型超臨界發(fā)電鍋爐的系列容量產(chǎn)品，控制了中國(guó)市場(chǎng)，并走向世界。面臨國(guó)內(nèi)復(fù)雜的煤種和日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，中國(guó)科技人員和工程師突破了循環(huán)流化床流態(tài)設(shè)計(jì)的范圍，形成了高可用率、低廠用電率的第二代循環(huán)流化床技術(shù)，并正在向超低排放的第三代技術(shù)發(fā)展。

1 中國(guó)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的地位

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是20世紀(jì)70年代末開(kāi)始出現(xiàn)的潔凈煤燃燒技術(shù)，見(jiàn)圖1。循環(huán)流化床中，燃燒室、分離器及返料器組成主循環(huán)回路。燃料燃燒產(chǎn)生的灰分及脫硫石灰石在系統(tǒng)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(duì)燃料要求比較寬松。流化過(guò)程氣固混合強(qiáng)烈，降低了燃燒或脫硫化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)阻力，加速了反應(yīng)速度。在800~900℃條件下，燃燒比較穩(wěn)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(jìn)而吸收燃燒產(chǎn)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(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸附能力，煙氣中重金屬排放低。所以循環(huán)流化床是適應(yīng)劣質(zhì)煤的低成本污染控制的潔凈燃燒技術(shù)。

圖1 循環(huán)流化床燃燒過(guò)程

中國(guó)處于工業(yè)化期，能源需求大。中國(guó)的資源稟賦條件決定了煤炭仍然是中國(guó)電力工業(yè)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(guò)程產(chǎn)生大量矸石、洗中燃、煤泥需要利用，循環(huán)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(yōu)點(diǎn)是大規(guī)模清潔利用此類燃料的最佳選擇。到目前為止，中國(guó)循環(huán)流化床燃燒鍋爐發(fā)電容量近1億kW，總循環(huán)流化床鍋爐臺(tái)數(shù)大于3000臺(tái)，為世界第一。

2 中國(guó)循環(huán)流化床鍋爐燃燒理論與鍋爐設(shè)計(jì)體系的形成

中國(guó)自20世紀(jì)60年代起開(kāi)始研發(fā)鼓泡床燃燒(俗稱沸騰爐)，通過(guò)20年的開(kāi)發(fā)，形成了自己的鼓泡床燃燒及鼓泡床鍋爐設(shè)計(jì)理論。到70年代末，國(guó)內(nèi)有3000臺(tái)沸騰爐運(yùn)行，最大容量為130 t/h。自80年代開(kāi)始，中國(guó)與世界同步開(kāi)始循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究。受到鼓泡床開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的限制，科技人員在初期以為，只要在沸騰爐基礎(chǔ)上加上分離器和物料回送裝置，即可構(gòu)成循環(huán)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(huán)燃燒，而不清楚鼓泡流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐在燃燒室內(nèi)的流化狀態(tài)是截然不同的。正是由于這些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，中國(guó)早期開(kāi)發(fā)循環(huán)流化床燃燒基本上是不成功的，物料循環(huán)不足，不能滿負(fù)荷運(yùn)行，尾部受熱面磨損嚴(yán)重。當(dāng)時(shí)國(guó)際上有關(guān)的研究均是基于化工流態(tài)化反應(yīng)器的，無(wú)法解釋循環(huán)流化床燃煤鍋爐的實(shí)際問(wèn)題;國(guó)外循環(huán)流化床鍋爐開(kāi)發(fā)商內(nèi)部開(kāi)展的研發(fā)工作是完全保密的。

有鑒于此，得益于中國(guó)科技部和發(fā)改委對(duì)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的重視和支持，以清華大學(xué)為代表的中國(guó)研究人員。投入大量力量重新審視循環(huán)流化床燃燒的基本理論。通過(guò)實(shí)踐一理論研究一實(shí)踐的多年反復(fù)，針對(duì)工程設(shè)計(jì)需要，搭建了中國(guó)獨(dú)立的循環(huán)流化床煤燃燒理論體系。該理論體系的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)全面涵蓋了氣固兩相流、燃燒、爐內(nèi)傳熱和污染物控制等方面，并進(jìn)行了綜合和發(fā)展，是國(guó)際循環(huán)流化床燃燒理論的重要進(jìn)展，也為建立中國(guó)自己的循環(huán)流化床設(shè)計(jì)體系提供了理論支撐。

2.1 對(duì)循環(huán)流化床氣固兩相流理論的新認(rèn)識(shí)

源自化工領(lǐng)域的循環(huán)流化床反應(yīng)器是循環(huán)流化床燃燒的基礎(chǔ)。化工循環(huán)流化床反應(yīng)器的流化行為一般針對(duì)窄粒徑的催化劑。因?yàn)榘嘿F的催化劑不允許在運(yùn)行中丟失，所以設(shè)計(jì)的分離器必須對(duì)此粒徑的催化劑具有近乎于100%的分離效率。因而所構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)對(duì)氣相而言是開(kāi)口系，對(duì)催化劑則是近似閉口系。燃煤循環(huán)流化床中，連續(xù)給入的寬篩分煤顆粒，在燃燒形成的寬篩分灰顆粒流連續(xù)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。如果像化工反應(yīng)器一樣對(duì)顆粒采用閉口系，則灰分在系統(tǒng)內(nèi)累計(jì)，很快就充滿循環(huán)流化床燃燒室，無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)。所以循環(huán)流化床中，灰分連續(xù)進(jìn)入的同時(shí)必須也必然連續(xù)排除，達(dá)到平衡狀態(tài)。這就是燃煤循環(huán)流化床鍋爐一進(jìn)二出寬篩分粒度物料開(kāi)口系平衡的概念。因此，燃煤循環(huán)流化床物料平衡的影響因素可以歸納為兩點(diǎn)：煤的成灰磨耗特性和循環(huán)系統(tǒng)的綜合效率。

循環(huán)流化床物料循環(huán)系統(tǒng)的綜合效率，是指在確定流化風(fēng)速條件下循環(huán)系統(tǒng)對(duì)不同粒徑顆粒的保存效率。通過(guò)簡(jiǎn)單的物理模型，即可得到循環(huán)流化床一進(jìn)二出平衡系統(tǒng)的特性，見(jiàn)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(shù)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(cè)試得到。

圖2 循環(huán)流化床燃燒的物料平衡