循環(huán)流化床燃燒

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(chēng)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(mǎn)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—理論研究—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。

國(guó)產(chǎn)自然循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展自1980年開(kāi)始，在中國(guó)設(shè)計(jì)體系建立完善發(fā)展過(guò)程中， 開(kāi)發(fā)了各種容量的自然循環(huán)蒸汽鍋爐和用于供暖的熱水鍋爐。2000 年之后， 循環(huán)流化床鍋爐從熱電領(lǐng)域發(fā)展到發(fā)電領(lǐng)域， 先后開(kāi)發(fā)了再熱135 MW 到300 MW 亞臨界循環(huán)流化床鍋爐。國(guó)產(chǎn)技術(shù)對(duì)循環(huán)流化床設(shè)計(jì)流態(tài)圖譜水平軸的設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整， 使煤種適應(yīng)性更廣， 并大大緩解了燃燒室磨損； 結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了流程， 用燃燒室內(nèi)的過(guò)熱器或再熱器插屏替代了高能耗結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外置換熱床， 降低了制造成本和運(yùn)行維護(hù)難度。到2005年，國(guó)產(chǎn)循環(huán)流化床技術(shù)基本占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并向國(guó)外出口。

300MW容量等級(jí)亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的自主開(kāi)發(fā)是成功的典型。為了推進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展， 國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)組織三大鍋爐廠(chǎng)及設(shè)計(jì)院共同引進(jìn)了Alstom 公司的亞臨界300~350 MW 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù) 。

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(chǎng)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 。

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)的清潔煤燃燒技術(shù)。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)。

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、洗中煤、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(lèi)燃料的最佳選擇。到現(xiàn)在為止，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。

循環(huán)流化床燃燒本來(lái)是一種清潔煤技術(shù)，能夠低成本滿(mǎn)足幾乎世界所有國(guó)家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但是中國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)是世界上最為嚴(yán)格的燃煤污染物排放標(biāo)準(zhǔn)， 這將成為循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的第一個(gè)挑戰(zhàn)。發(fā)改委新公布的供電煤耗標(biāo)準(zhǔn)也給超臨界循環(huán)流化床節(jié)能高效發(fā)電提出了第二個(gè)挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)兩個(gè)挑戰(zhàn)要采取以下措施：

（1） 進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)發(fā)展超超臨界循環(huán)流化床， 蒸汽壓力達(dá)到29 MPa， 溫度為605/623℃， 供電標(biāo)煤耗<285 g/（kW·h）， 將在“十三五”期間安排660MW示范工程。

（2） 采用在“十二五”期間已經(jīng)在300MW以下容量循環(huán)流化床得到商業(yè)運(yùn)行證實(shí)的流態(tài)重構(gòu)節(jié)能型流程， 將廠(chǎng)用電率降低到與煤粉爐相同的水平。這個(gè)工作已經(jīng)在進(jìn)行，在“十二五” 科技支撐計(jì)劃中獲得了支持， 看來(lái)效果比較樂(lè)觀(guān)。

（3） 深入挖掘循環(huán)流化床鍋爐自身的污染控制潛力， 實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床污染控制能力的突破。這是循環(huán)流化床燃燒污染控制技術(shù)的新挑戰(zhàn)。

要沖破傳統(tǒng)循環(huán)流化床爐內(nèi)脫硫脫硝能力的極限，目光仍然回到循環(huán)流化床流態(tài)圖譜，該圖譜事實(shí)上存在第三坐標(biāo)軸， 即粒度軸，原有曲線(xiàn)是基于傳統(tǒng)循環(huán)流化床循環(huán)物料平均粒度在150~250μm條件下確定的。如果改變循環(huán)物料平均粒度，則曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生改變。循環(huán)流化床循環(huán)物料粒度更細(xì)條件下，NOx可以達(dá)到原始超低排放；與此同時(shí)，循環(huán)物料粒度減小意味著石灰石顆粒的利用率顯著增加。

運(yùn)行實(shí)踐表明，如果分離器分離效率得到顯著改善，飛灰切割粒徑降至10μm，循環(huán)灰中位粒徑接近100μm，爐膛上部的平均壓降可以提高到60 Pa/m，NOx原始排放可穩(wěn)定在20～30 mg/ m3；爐內(nèi)脫硫在Ca/S=1.5 時(shí)，SO2<50 mg/m3。最近山西山陰300 MW和國(guó)錦東鍋300MW循環(huán)流化床，也驗(yàn)證了NOx排放降低的明顯趨勢(shì)。上述成果超出了國(guó)內(nèi)外對(duì)循環(huán)流化床污染控制能力的認(rèn)知底線(xiàn)， 震驚了國(guó)外學(xué)術(shù)界也引起國(guó)內(nèi)政府環(huán)保部門(mén)的注意。

因此，現(xiàn)階段比較理想的低成本循環(huán)流化床燃煤鍋爐的超低排放技術(shù)路線(xiàn)是：超高循環(huán)效率CFB 爐內(nèi)細(xì)石灰石粉脫硫 袋式除塵為基礎(chǔ)裝備，SNCR及半干法增濕活化二次脫硫作為熱備用，這條技術(shù)路線(xiàn)已經(jīng)在50~350MW的多個(gè)工程中得到印證。

（1）循環(huán)流化床燃燒技術(shù)對(duì)中國(guó)燃煤污染控制和消納大量洗煤矸石、泥煤有重要意義。

（2）中國(guó)在循環(huán)流化床燃燒大型化、高參數(shù)方面達(dá)到世界領(lǐng)先。

（3）基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型循環(huán)流化床技術(shù)，是中國(guó)自主創(chuàng)新的循環(huán)流化床發(fā)展新方向。

（4）在循環(huán)流化床流態(tài)圖譜的第三軸（循環(huán)物料粒度軸）可以找到循環(huán)流化床低成本超低排放的突破點(diǎn)。 （5）在“十三五”期間將啟動(dòng)660 MW 超超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范和超低排放循環(huán)流化床的工程示范， 形成最高發(fā)電效率、最高可用率和超低排放的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。可能把循環(huán)流化床技術(shù)應(yīng)用空間從劣質(zhì)煤推向高硫無(wú)煙煤，甚至優(yōu)質(zhì)煤發(fā)電市場(chǎng) 。

循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)是近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低污染的清潔燃煤技術(shù)。循環(huán)循環(huán)流化床鍋爐在汽溫控制和水位控制方面和煤粉鍋爐基本相同,而其燃燒系統(tǒng)與煤粉爐差別較大

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有以下特點(diǎn)：氣固混合很好；燃燒速率高，特別是對(duì)粗顆粒燃料；絕大部分未燃燼的燃料被再循環(huán)至爐膛，因而其燃燒效率可與煤粉爐相媲美，通常達(dá)到97.5%～99.5%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，循環(huán)流化床燃燒效率受煤種影響較大。對(duì)較為年輕的褐煤、泥煤，燃燒效率可達(dá)到98%以上；而對(duì)于變質(zhì)程度較高的無(wú)煙煤到煙煤，飛灰含碳量往往高達(dá)10%以上。一般來(lái)講，各種形式的旋風(fēng)筒對(duì)100μm以下的細(xì)顆粒分離效率不可能很高，因此旋風(fēng)筒對(duì)細(xì)顆粒燃盡是無(wú)能為力的，應(yīng)當(dāng)采取飛灰回送等措施解決難燃煤種燃燼問(wèn)題，而這是國(guó)際上比較成熟的技術(shù)。

關(guān)于提高循環(huán)流化床鍋爐效率的問(wèn)題，比較一致的看法是提高參數(shù)。據(jù)分析，超臨界循環(huán)流化床鍋爐電廠(chǎng)的效率可達(dá)43%～44%。根據(jù)法國(guó)Stein Industrie公司對(duì)超臨界參數(shù)Lurgi循環(huán)流化床鍋爐的研究，由于Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐有外置換熱器，而外置換熱器的工作溫度在700° C左右，使用清潔空氣流化，在外置換熱器內(nèi)布置高溫?fù)Q熱器可防止高溫腐蝕，因而采用超臨界參數(shù)比煤粉爐更為有利。采用超臨界參數(shù)可使發(fā)電效率提高約6%。

自循環(huán)流化床燃燒技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，循環(huán)床鍋爐在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，大容量的循環(huán)床鍋爐已被發(fā)電行業(yè)所接受。

循環(huán)流化床低成本實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的污染排放指標(biāo)，同時(shí)燃用劣質(zhì)燃料，在負(fù)荷適應(yīng)性和灰渣綜合利用等方面具有綜合優(yōu)勢(shì)，為煤粉爐的節(jié)能環(huán)保改造提供了一條有效的途徑。