循環(huán)流化床燃燒技術(shù)分析與應(yīng)用

陳士峰

濟(jì)南熱電有限公司南郊熱電廠，山東濟(jì)南 250021

0 引言

我國目前煤炭年消費(fèi)量約10多億噸，其中大多數(shù)通過燃燒被利用。隨著我國環(huán)保要求日益嚴(yán)格，電廠負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大、煤種多變、原煤直接燃燒比例高，燃煤與環(huán)保的矛盾日益突出。然而，燃燒設(shè)備陳舊、效率低、排放無控制造成了煤炭的浪費(fèi)和環(huán)境污染,節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)已成為現(xiàn)有燃煤技術(shù)所需解決的重點(diǎn)。因此，尋求高效、低污染燃燒技術(shù)成為關(guān)鍵。

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)作為一種新型的高效低污染清潔煤技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)快等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展。如今，中型容量的循環(huán)流化床鍋爐的研制與開發(fā)已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，但要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，必須走產(chǎn)業(yè)化和大型化的道路,開發(fā)制造具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型循環(huán)流化鍋爐,并在容量上盡快達(dá)到煤粉爐的水平。一旦該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大型化和國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化,就能切實(shí)地顯現(xiàn)其重大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

1 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的發(fā)展

循環(huán)流化床鍋爐是近年來發(fā)展起來的一種新型煤燃燒技術(shù)。在短短的30年間，流化床技術(shù)得到了飛速發(fā)展，從德國魯奇公司首先取得循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的專利，至今已經(jīng)形成多個(gè)技術(shù)流派：絕熱旋風(fēng)筒帶有外置換熱床的循環(huán)流化床燃燒技術(shù);帶有汽冷旋風(fēng)分離的循環(huán)流化床燃燒技術(shù);燃燒室內(nèi)布置翼形受熱面的高溫絕熱旋風(fēng)分離的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)等。上世紀(jì)90年代中期，又出現(xiàn)了冷卻式方型分離緊湊式循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。由笨重易損的熱旋風(fēng)筒進(jìn)步到90年代初的精巧耐用的汽冷旋風(fēng)筒,進(jìn)而開發(fā)出冷卻式方型分離緊湊式循環(huán)流化床鍋爐，為循環(huán)流化床鍋爐最終回歸到傳統(tǒng)鍋爐的簡潔布置做下鋪墊。

目前，國外大型化循環(huán)流化床技術(shù)正日趨成熟，逐漸達(dá)到與煤粉爐容量相當(dāng)?shù)乃?。而國?nèi)中小型循環(huán)流化床技術(shù)也已相當(dāng)成熟，但在大型化循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)研究方面，與先進(jìn)國家仍有相當(dāng)?shù)拇蟮牟罹唷?/p>

2 循環(huán)流化床技術(shù)特點(diǎn)

循環(huán)流化床作為一種新型的清潔煤燃燒技術(shù)，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 對燃料的適應(yīng)性特別好

循環(huán)流化床鍋爐有一個(gè)較大的儲(chǔ)熱層，能夠穩(wěn)定燃燒多種劣質(zhì)燃料，燃料適應(yīng)性廣。除了煙煤外，還可燃用無煙煤、高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、褐煤、石煤以至殲石等固體燃料，并且可以達(dá)到較高的燃燒效率。循環(huán)流化床鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行能力強(qiáng)，在30%的負(fù)荷下不投油可以穩(wěn)定燃燒。

2.2 低溫分級(jí)強(qiáng)化燃燒

由于循環(huán)流化床采用850℃～900℃的低溫燃燒，因此可以方便高效地實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫，比較容易地控制NOX等排放，使SOX、NOX的生成量大幅度地降低, 減輕對環(huán)境的污染。爐內(nèi)不易結(jié)渣，灰渣活性好，便于綜合利用等。

2.3 燃燒效率高

一般來說，燃燒強(qiáng)度為其他流化床鍋爐的2倍左右，無論燒劣質(zhì)煤還是優(yōu)質(zhì)煤, 燃燒效率均能達(dá)到95%～99%, 與煤粉鍋爐相媲美。

2.4 鍋爐負(fù)荷可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)

負(fù)荷的變化范圍為100%～25%, 負(fù)荷的連續(xù)變化率可達(dá)每分鐘5%～10%, 負(fù)荷調(diào)節(jié)簡單靈敏。

2.5 鍋爐的灰渣、飛灰含碳量低

此利于灰渣, 飛灰的綜合利用。如灰渣做建筑材料或水泥熟料的添加劑，也有利于灰渣中稀有金屬的提煉。

3 循環(huán)流化床鍋爐的燃燒特性

雖然循環(huán)流化床的燃燒機(jī)理復(fù)雜，但其實(shí)施良好燃燒的必要條件無外乎燃燒時(shí)間、燃燒溫度以及湍流度等傳統(tǒng)限制因素。以下是影響循環(huán)流化床鍋爐燃燒的主要條件。

3.1 流化床床溫

循環(huán)流化床床溫的選取需從多方面考慮，為了使灰粉不熔化，減少結(jié)渣的危險(xiǎn)性；保證脫硫反應(yīng)的最佳溫度在850℃左右；減少堿金屬升華，減低鍋爐受熱面上的結(jié)渣；使燃燒空氣中的氮較少得轉(zhuǎn)化成NOX。我們認(rèn)為，850℃～900℃是最理想的循環(huán)流化床運(yùn)行溫度。選取這一溫度的前提需保證煤的燃盡。

循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度比煤粉爐低得多，首先是因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐沿床高的溫度以及旋風(fēng)分離器與返料裝置的溫度可以控制得很均勻，煤在整個(gè)空間進(jìn)行燃燒，這就保證了細(xì)顆粒和循環(huán)燃燒的粗顆粒都能夠充分的燃燒；其次是因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐的床溫比較容易維持，不會(huì)因?yàn)檩^小的溫度波動(dòng)造成滅火停爐。如果從有利于燃燒的角度來講，溫度高是有其優(yōu)點(diǎn)的，因此對于難燃煤種，設(shè)計(jì)中可適當(dāng)考慮提高床溫以保證燃燒穩(wěn)定與減少固體未燃盡損失。

3.2 顆粒停留時(shí)間

停留時(shí)間是決定煤燃盡的重要參數(shù)。在爐膛上部區(qū)域，揮發(fā)己經(jīng)析出，同時(shí)處于富氧狀態(tài)，是焦炭的燃燒主要發(fā)生區(qū)域。焦炭顆粒在爐膛中間向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿周壁往下回流，這樣焦炭顆粒在爐膛循環(huán)多次。因此多數(shù)顆粒在爐膛的停留時(shí)間，遠(yuǎn)大于以氣速穿過爐膛所需的時(shí)間。被夾帶出爐膛的未燃盡顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器并繼續(xù)燃燒，粗顆粒被分離下來送回爐膛，細(xì)顆粒作為飛灰排人尾部煙道。循環(huán)流化床與其它燃燒方式不同，它不要求所有送入的燃料在一次通過爐膛就實(shí)現(xiàn)完全燃燒。送入爐內(nèi)的煤顆粒有粗有細(xì)，處于一定的粒度范圍。其中凡終端速度小于氣流速度的細(xì)小煤粒都將被氣流吹走，帶往旋風(fēng)分離器。這部分顆粒中粒徑大于旋風(fēng)分離器臨界分離直徑的煤粒被分離器捕獲，經(jīng)回料器送回爐內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行燃燒。因此只有粒徑大于臨界分離粒徑和終端速度不大于氣流速度的中間尺寸煤粒在爐內(nèi)多次循環(huán)燃燒，而所有小于臨界分離直徑的煤粒要求一次經(jīng)過爐膛即能燃盡，否則就會(huì)形成飛灰未完全燃燒損失。至于終端速度大于氣流速度的粗大煤粒不被氣流吹走而滯留爐內(nèi)，有很長的停留時(shí)間，能夠保證燃盡。燃盡的粗大顆粒最終作為底渣排出爐膛。

3.3 一二次風(fēng)比例

循環(huán)流化床鍋爐爐膛上部燃燒分額增加，因此，二次風(fēng)比例也相應(yīng)升高。一次風(fēng)量約為燃料所需化學(xué)當(dāng)量值的60%～80%。一次風(fēng)主要起流化和下部密相區(qū)燃燒的作用。因?yàn)樵跔t膛下部區(qū)域燃料完全燃燒所需風(fēng)量大于實(shí)際風(fēng)量。二次風(fēng)口位于爐膛下部密相區(qū)以上，作為燃盡風(fēng)并控制爐膛的溫度分布均勻，尤其在鍋爐啟動(dòng)階段。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，一次風(fēng)比例增加，能夠輸送數(shù)量較大的高溫物料到爐膛上部區(qū)域。二次風(fēng)還可促進(jìn)分級(jí)燃燒，隨著燃燒的進(jìn)行逐步補(bǔ)充燃燒風(fēng)，以控制燃燒區(qū)域的風(fēng)量，使之處于還原性狀態(tài)。

3.4 旋風(fēng)分離器

旋風(fēng)分離器是循環(huán)流化床的關(guān)鍵部件，也是結(jié)構(gòu)上不同于煤粉爐的重要特征。其保證飛出爐膛且不被分離器收集的細(xì)顆粒能夠一次燃盡，而不能一次燃盡的粗顆粒能被收集而循環(huán)燃燒，從而達(dá)到燃盡的目的。旋風(fēng)分離器的分離效率隨旋風(fēng)筒直徑增大而下降，因此，選取適當(dāng)直徑的旋風(fēng)分離器并進(jìn)行合理布置是循環(huán)流化床大型化過程中需要克服的問題。旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)應(yīng)保征分離器對細(xì)顆粒的分離保證燃盡，還需要考慮分離器的布置。為了降低成本和減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)中總是盡可能采用大直徑的旋風(fēng)筒。在循環(huán)流化床鍋爐中，分離效率要比理論計(jì)算值高很多，這是由于循環(huán)流化床鍋爐中，進(jìn)人分離器的顆粒濃度比其它應(yīng)用場合高得多。

3.5 流化風(fēng)速與循環(huán)倍率

循環(huán)倍率為循環(huán)灰質(zhì)量與入爐煤質(zhì)量之比，流化風(fēng)速與循環(huán)倍率的選取經(jīng)歷了由高到低的過程。高循環(huán)倍率能強(qiáng)化燃燒與傳熱，使鍋爐尺寸緊湊，鋼材消耗量降低，但與此同時(shí)風(fēng)機(jī)消耗與受熱面磨損增大。目前認(rèn)為循環(huán)風(fēng)速應(yīng)控制在4m/s～6m/s范圍，高溫分離的循環(huán)流化床循環(huán)倍率為30～35左右，低溫分離為15～20左右。

3.6 燃煤粒度

煤顆粒的粒度分布大約在0mm～8mm范圍內(nèi)。粒度對循環(huán)流化床燃燒和傳熱很重要，但顆粒粒度的具體構(gòu)成對燃燒與傳熱起著更重要的作用。進(jìn)入流化床內(nèi)的顆粒分為3種形式存在：一部分是粗顆粒，主要在床內(nèi)停留、翻滾與燃燒，最終以底渣的形式排出爐外；一部分很細(xì)小的灰逃離爐膛和旋風(fēng)分離器作為飛灰排出；第三部分在循環(huán)流化床內(nèi)循環(huán)燃燒直至磨細(xì)作為飛灰排。在目前循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行中，一般都不排放循環(huán)灰，循環(huán)灰在爐內(nèi)會(huì)越積越多，使床壓升高，致使?fàn)t膛上部顆粒濃度升高，造成實(shí)際運(yùn)行鍋爐偏離設(shè)計(jì)值。因此，適當(dāng)選取粒度對循環(huán)流化床鍋爐流動(dòng)、傳熱與燃燒非常重要。

3.7 循環(huán)流化床的試燒

考慮到循環(huán)流化床爐內(nèi)的燃燒過程極為復(fù)雜，影響它的因素很多，在目前經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，更為可靠的方法是經(jīng)過大型熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)對設(shè)計(jì)煤種與石灰石進(jìn)行試燒工作，以確定合理的燃燒參數(shù)。

4 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)應(yīng)用

我國在80年代初開始循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，促使因素主要是其能燃燒劣質(zhì)燃料，充分利用能源。早期的開發(fā)研制主要由科研院校單位與中小鍋爐制造廠合作，至80年代末90年代初，已有35t/h、75t/h各種型式的循環(huán)流化床鍋爐投人運(yùn)行。

循環(huán)流化床鍋爐研制應(yīng)根據(jù)廠房、鍋爐蒸發(fā)量大小、煤種等做綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，不要單純追求鍋爐高熱效率，否則達(dá)不到預(yù)期的效果。為了造好合適的爐型，應(yīng)注意：高攜帶循環(huán)流化床鍋爐由于要求氣流速度較高，需要的爐膛高度也高，其他配套設(shè)備等成本都將增加。對低劣煤建議選用低攜帶循環(huán)流化床鍋爐更為經(jīng)濟(jì)，對優(yōu)質(zhì)煤建議選用高攜帶循環(huán)流化床鍋爐，介于二者之間的煤，可進(jìn)行綜合考慮。

5 結(jié)論

經(jīng)過20多年的發(fā)展循環(huán)流化床燃燒技術(shù)顯示了它無可置疑的優(yōu)勢。隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益突出、能源的緊缺，其作為一種有效的能源利用和環(huán)境保護(hù)措施，在工業(yè)生產(chǎn)中將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著循環(huán)流化床鍋爐大型化的普及，開發(fā)超臨界參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐也會(huì)成為流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的目標(biāo)。

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