論循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

柏延樞

（山東晉煤明水化工集團有限公司，山東 濟南 250200）

全球變暖是地球面臨的最大挑戰(zhàn)，循環(huán)流化床鍋以其傳熱率高、效率高、燃燒溫度低、污染物排放量小等特點，在許多化工和能源行業(yè)中作新的能源解決方案被廣泛應(yīng)用。流態(tài)化是將固體燃料顆粒轉(zhuǎn)化為類似燃燒狀態(tài)的流體的過程，它具有高傳熱率、緊湊的鍋爐設(shè)計、燃料的靈活性、低品位燃料的燃燒以及硫氧化物和氮氧化物等減排的優(yōu)點。當(dāng)氣體速度逐漸增加時，達(dá)到床內(nèi)壓力降等于該高度單位面積床的重量的狀態(tài)，此階段，單個顆粒懸浮在氣流中，床被稱為“流化床”。隨著空氣速度的進(jìn)一步增加，床內(nèi)有氣泡。氣泡的形成和固體顆粒的床層表現(xiàn)出沸騰液體的特性，在這一階段，床層被稱為“鼓泡流化床”。由于較高的速度，氣泡形成和消失很快，導(dǎo)致顆粒從流化床中吹出，一些顆粒必須重新循環(huán)以保持穩(wěn)定的系統(tǒng)，稱為“循環(huán)流化床”。流化床技術(shù)有鼓泡流化床、循環(huán)流化床和加壓流化床技術(shù)，加壓流化床正處于發(fā)展階段，世界范圍內(nèi)循環(huán)流化床的應(yīng)用日益增多。

1 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)是在鼓泡床鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的較為先進(jìn)的技術(shù)，在這之前，舊鍋爐的改造和新鍋爐的研發(fā)為此提供了數(shù)據(jù)和豐富的經(jīng)驗。近10 年來，循環(huán)流化床鍋爐作為一種高效、清潔的燃燒技術(shù)得到了迅速發(fā)展，并在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。循環(huán)流化床的主要特點是燃料適應(yīng)性廣、過?？諝庀禂?shù)小、受熱面積相對較小、燃燒效率高、降負(fù)荷比大、負(fù)荷跟蹤能力好、有害污染物排放量低。循環(huán)流化床鍋爐的智能化設(shè)計依賴于充分了解燃燒室內(nèi)物理化學(xué)流體動力學(xué)，在燃燒動力學(xué)特性方面，流化床中煤的燃燒一般與溫度、顆粒尺寸和氧向顆粒表面的轉(zhuǎn)移速率有關(guān)。

2 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的特點

（1）燃料利用率高?！傲骰病币辉~顯然是指固體顆粒和氣體流動的強混合系統(tǒng)中的流體動力學(xué)，它使顆粒保持動態(tài)運動。根據(jù)技術(shù)行為的觀察，可以將不同的系統(tǒng)描述為鼓泡、湍流化床。因此，各種制造商將其系統(tǒng)稱為鼓泡床、渦輪流化床。流化床系統(tǒng)可以設(shè)計成誘導(dǎo)特定的強制循環(huán)，即循環(huán)流化床鍋爐，如，“內(nèi)部循環(huán)”或“外部循環(huán)”，靠近主燃燒室是一個大型旋風(fēng)分離器，用于分離返回到流體中的較大固體顆粒。流化床和熱煙氣通過加力燃燒區(qū)離開旋風(fēng)分離器，在燃料燃燒時，氣固混合好，燃燒的速率高。

（2）燃料適應(yīng)性廣。循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展至今，已經(jīng)能適應(yīng)多數(shù)種類的燃料，這是循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)能被市場廣泛采用的重要因素。強烈的湍流允許在流化床系統(tǒng)的給定條件下進(jìn)行廣泛的吸附過程，特別是硫氧化物與鈣和鎂氧化物的化學(xué)結(jié)合，這些吸附劑已存在于廢物中或以碳酸鈣（石灰石）或規(guī)定細(xì)顆粒尺寸的氫氧化鈣的形式送入流化床。該特性還可有效地用于流化床系統(tǒng)中的低品位煤的燃燒，二氧化硫排放量綜合減少約90%（無二次脫硫措施）。循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計和運行適用于平均燃料混合物，從約5～8MJ/kg，到超過40MJ/kg 的值。在極端情況下，要焚燒的廢物的平均熱值可以低于3MJ/kg，例如，機械脫水的污水污泥，預(yù)熱的燃燒空氣（熱量的內(nèi)部回收）和一些廢物流在利用自備蒸汽輪機提供的低壓蒸汽的系統(tǒng)中部分干燥。因此，循環(huán)流化床鍋爐的利用對燃料的適應(yīng)性非常廣泛。

（3）負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、速度快。當(dāng)床層負(fù)荷壓力變化時，以往采用的鼓泡流化床鍋爐采用分離床壓火技術(shù)，操作困難。循環(huán)流化床鍋爐操作簡單，只需調(diào)整煤、空氣、物料循環(huán)，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)范圍大幅度增加。同時，循環(huán)流化床爐內(nèi)的垃圾燃燒速率遠(yuǎn)高于移動爐排爐內(nèi)的燃燒速率。因此，底部和飛灰殘留物以及煙氣中的未燃燒有機物濃度非常低。此外，由于精確的過程控制，完全燃燒所需的過量空氣可以保持在低于移動爐排過程的水平，這減少了煙氣的熱損失。

（4）排放污染物少。對于工業(yè)生產(chǎn)來講，能夠降低對環(huán)境的污染代表生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，循環(huán)流化床鍋爐通過底部進(jìn)料噴嘴從密相區(qū)底部送回，粉煤灰固體與湍流床層物質(zhì)混合，并與它們發(fā)生強烈的熱質(zhì)交換。此外，氧化鈣表面的硫酸鈣產(chǎn)品也將被磨掉。在高溫、空氣新鮮的條件下，粉煤灰容易著火燃燒。粉煤灰顆粒進(jìn)入稀相區(qū)后仍保持高溫，在稀相區(qū)可進(jìn)一步燃燒。經(jīng)過這樣一次循環(huán)，爐內(nèi)停留時間大大提高，這優(yōu)于傳統(tǒng)的鍋爐再循環(huán)，燃燒時的有害氣體和其他有污染的副產(chǎn)物大幅度減少。

3 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展前景

（1）向超臨界、大型化方向轉(zhuǎn)變。目前，循環(huán)流化床鍋爐正逐步向大容量、高運行參數(shù)方向發(fā)展。隨著鍋爐尺寸和容量的增大，鍋爐的總體運行參數(shù)不斷提高，蒸汽參數(shù)由亞臨界逐漸提高到超臨界。在循環(huán)流化床鍋爐中，熱通量隨爐高的增加而減小，最大熱通量出現(xiàn)在爐底，即水冷壁中水溫最低的部位，有利于控制水冷壁的金屬溫度。另一方面，鍋爐內(nèi)燃燒溫度低于一般灰熔點，密集的固體顆粒有利于水冷壁的吸熱。因此，循環(huán)流化床鍋爐適用于流化燃燒技術(shù)和超臨界蒸汽參數(shù)的組合。由于流化床燃燒方式和給煤顆粒尺寸范圍廣，循環(huán)流化床鍋爐的熱慣性較大，能量轉(zhuǎn)換過程比較復(fù)雜。超臨界機組采用直流爐，而不是傳統(tǒng)的汽包爐，對給水控制提出了更高的要求。超臨界鍋爐不采用自然循環(huán)，而是采用水冷壁的一次循環(huán)。水冷壁系統(tǒng)包括集管、入口管、管板、出口管、彎管和其他用于吸收爐側(cè)熱通量的元件。飽和蒸汽從蒸汽分離器頂部排出，通過再熱系統(tǒng)重新進(jìn)入爐膛，然后將超臨界參數(shù)的蒸汽送入渦輪，超臨界循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率更高，同時容量相較之前顯著提高。

（2）深度脫硫與脫硝。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，空氣污染已成為世界各國越來越重要的考慮因素。鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的大量污染空氣中，主要是含氧氮化物和二氧化硫。隨著粉煤灰再循環(huán)率的增加，二氧化硫排放量降低，再循環(huán)對二氧化硫排放有兩個方面的影響。首先，粉煤灰循環(huán)使密相床溫降低，接近循環(huán)流化床最佳脫硫溫度，通常為850℃，有助于避免硫酸鈣分解，提高脫硫效率。其次，粉煤灰中含有大量未鈣化的碳酸鈣和未反應(yīng)的氧化鈣，它們通過粉煤灰再循環(huán)送回爐子。此外，覆蓋在碳酸鈣或氧化鈣表面的硫酸鈣會從顆粒中被去除，這使得吸附劑更加活躍。隨著吸附劑在爐內(nèi)停留時間的延長，脫硫效率得到提高。二氧化硫是酸雨和其他形式大氣污染的主要成分之一，為消除硫磺進(jìn)行了大量的研究，循環(huán)流化床脫硫是一種新的脫硫方法，該技術(shù)具有除塵效率高、煙氣潔凈、循環(huán)費用低等優(yōu)點。

（3）提升防磨損技術(shù)。在循環(huán)流化床鍋爐運行過程中，由于燃料的高速運動和燃燒造成的高溫摩擦對鍋爐本體造成了極其嚴(yán)重和不可逆轉(zhuǎn)的永久性損傷。這一缺陷大大縮短了鍋爐設(shè)備的使用壽命，增加了生產(chǎn)成本。因此，探索降低材料磨損的技術(shù)，開發(fā)更多的耐磨爐料是今后循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的新發(fā)展方向。

（4）實現(xiàn)能源綜合性利用。煤炭為不可再生能源，因此，循環(huán)流化床鍋爐如何能實現(xiàn)資源利用最大利用率是當(dāng)前主要的問題。一方面，依靠現(xiàn)有的技術(shù)水平，研發(fā)人員可以考慮使用一些環(huán)保替代能源來降低主要能源短缺造成的生產(chǎn)壓力。另一方面，對于循環(huán)流化床鍋爐燃料燃燒產(chǎn)生的大量灰份還沒有完善的處理方法，這些技術(shù)有廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)語

循環(huán)流化床鍋爐由于具有燃燒效率高、污染排放低、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。但是，循環(huán)流化床鍋爐在大規(guī)模商業(yè)化過程中仍存在著長期不能滿負(fù)荷運行、燃燒效率低、分離器效率低、飛灰含碳量高、結(jié)渣、受熱面磨損等問題，從長遠(yuǎn)來看，該技術(shù)仍存在一些不足。隨著循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中，在市場經(jīng)濟條件下必將實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，更好地促進(jìn)未來工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，從而促進(jìn)社會文明進(jìn)步。