循环流化床燃烧发展现状及前景分析

   中国循环流化床燃烧技术自1980年起步，经历了35年的努力掌握了先进的循环流化床设计理论，形成了从小容量的蒸汽锅炉到大型超临界发电锅炉的系列容量产品，控制了中国市场，并走向世界。面临国内复杂的煤种和日益严格的环保要求，中国科技人员和工程师突破了循环流化床流态设计的范围，形成了高可用率、低厂用电率的第二代循环流化床技术，并正在向超低排放的第三代技术发展。

1 中国循环流化床燃烧技术的地位

循环流化床燃烧技术是20世纪70年代末开始出现的洁净煤燃烧技术，见图1。循环流化床中，燃烧室、分离器及返料器组成主循环回路。燃料燃烧产生的灰分及脱硫石灰石在系统中累积，在燃烧室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量热物料为燃料着火提供足够的热源，因此对燃料要求比较宽松。流化过程气固混合强烈，降低了燃烧或脱硫化学反应的传质阻力，加速了反应速度。在800~900℃条件下，燃烧比较稳定，加入石灰石颗粒，石灰石中的碳酸钙可以分解成高孔隙率的氧化钙，进而吸收燃烧产生的二氧化硫;此温度下氮氧化物的生成量显著下降，另外，低温燃烧形成的多孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，烟气中重金属排放低。所以循环流化床是适应劣质煤的低成本污染控制的洁净燃烧技术。

图1 循环流化床燃烧过程

中国处于工业化期，能源需求大。中国的资源禀赋条件决定了煤炭仍然是中国电力工业主要能源，并且煤炭资源中高灰、硫分大于1%的高硫煤比重较大，其中灰分大于20%的煤占50%以上。洗煤过程产生大量矸石、洗中燃、煤泥需要利用，循环流化床燃烧具备燃料适用范围广、低成本干法燃烧中脱硫、低氮氧化物排放的优点是大规模清洁利用此类燃料的最佳选择。到目前为止，中国循环流化床燃烧锅炉发电容量近1亿kW，总循环流化床锅炉台数大于3000台，为世界第一。

2 中国循环流化床锅炉燃烧理论与锅炉设计体系的形成

中国自20世纪60年代起开始研发鼓泡床燃烧(俗称沸腾炉)，通过20年的开发，形成了自己的鼓泡床燃烧及鼓泡床锅炉设计理论。到70年代末，国内有3000台沸腾炉运行，最大容量为130 t/h。自80年代开始，中国与世界同步开始循环流化床燃烧技术的研究。受到鼓泡床开发经验的限制，科技人员在初期以为，只要在沸腾炉基础上加上分离器和物料回送装置，即可构成循环流化床燃烧锅炉，因此将分离器和物料回送装置理解为飞灰回送的循环燃烧，而不清楚鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉在燃烧室内的流化状态是截然不同的。正是由于这些错误的认识，中国早期开发循环流化床燃烧基本上是不成功的，物料循环不足，不能满负荷运行，尾部受热面磨损严重。当时国际上有关的研究均是基于化工流态化反应器的，无法解释循环流化床燃煤锅炉的实际问题;国外循环流化床锅炉开发商内部开展的研发工作是完全保密的。

有鉴于此，得益于中国科技部和发改委对循环流化床燃烧技术的重视和支持，以清华大学为代表的中国研究人员。投入大量力量重新审视循环流化床燃烧的基本理论。通过实践一理论研究一实践的多年反复，针对工程设计需要，搭建了中国独立的循环流化床煤燃烧理论体系。该理论体系的主要创新点全面涵盖了气固两相流、燃烧、炉内传热和污染物控制等方面，并进行了综合和发展，是国际循环流化床燃烧理论的重要进展，也为建立中国自己的循环流化床设计体系提供了理论支撑。

2.1 对循环流化床气固两相流理论的新认识

源自化工领域的循环流化床反应器是循环流化床燃烧的基础。化工循环流化床反应器的流化行为一般针对窄粒径的催化剂。因为昂贵的催化剂不允许在运行中丢失，所以设计的分离器必须对此粒径的催化剂具有近乎于100%的分离效率。因而所构成的循环系统对气相而言是开口系，对催化剂则是近似闭口系。燃煤循环流化床中，连续给入的宽筛分煤颗粒，在燃烧形成的宽筛分灰颗粒流连续进入循环系统。如果像化工反应器一样对颗粒采用闭口系，则灰分在系统内累计，很快就充满循环流化床燃烧室，无法达到平衡状态。所以循环流化床中，灰分连续进入的同时必须也必然连续排除，达到平衡状态。这就是燃煤循环流化床锅炉一进二出宽筛分粒度物料开口系平衡的概念。因此，燃煤循环流化床物料平衡的影响因素可以归纳为两点：煤的成灰磨耗特性和循环系统的综合效率。

循环流化床物料循环系统的综合效率，是指在确定流化风速条件下循环系统对不同粒径颗粒的保存效率。通过简单的物理模型，即可得到循环流化床一进二出平衡系统的特性，见图2，图中的Gin(i)表示燃煤带入燃烧室的粒度为di的灰分流。该粒度灰分的数量取决于煤种的燃烧成灰粒度特性以及成灰的磨耗特性。不同煤种及不同粒度煤颗粒的成灰与磨耗特性可测试得到。

图2 循环流化床燃烧的物料平衡