循環(huán)流化床燃燒

中國自20世紀60年代起開始研發(fā)鼓泡床燃燒（俗稱沸騰爐），通過20年的開發(fā)，形成了自己的鼓泡床燃燒及鼓泡床鍋爐設(shè)計理論。到70年代末，國內(nèi)有3000臺沸騰爐運行，最大容量為130 t/h。自80年代開始，中國與世界同步開始循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究，受到鼓泡床開發(fā)經(jīng)驗的限制，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。正是由于這些錯誤的認識， 中國早期開發(fā)循環(huán)流化床燃燒基本上是不成功的，物料循環(huán)不足，不能滿負荷運行，尾部受熱面磨損嚴重。當(dāng)時國際上有關(guān)的研究均是基于化工流態(tài)化反應(yīng)器的，無法解釋循環(huán)流化床燃煤鍋爐的實際問題；國外循環(huán)流化床鍋爐開發(fā)商內(nèi)部開展的研發(fā)工作是完全保密的。

有鑒于此，得益于中國科技部和發(fā)改委對循環(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。通過實踐—理論研究—實踐的多年反復(fù)， 針對工程設(shè)計需要，搭建了中國獨立的循環(huán)流化床煤燃燒理論體系。該理論體系的主要創(chuàng)新點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，并進行了綜合和發(fā)展，是國際循環(huán)流化床燃燒理論的重要進展，也為建立中國自己的循環(huán)流化床設(shè)計體系提供了理論支撐。

國產(chǎn)自然循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展自1980年開始，在中國設(shè)計體系建立完善發(fā)展過程中， 開發(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， 先后開發(fā)了再熱135 MW 到300 MW 亞臨界循環(huán)流化床鍋爐。國產(chǎn)技術(shù)對循環(huán)流化床設(shè)計流態(tài)圖譜水平軸的設(shè)置點進行了調(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)上簡化了流程， 用燃燒室內(nèi)的過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行維護難度。到2005年，國產(chǎn)循環(huán)流化床技術(shù)基本占領(lǐng)了國內(nèi)市場，并向國外出口。

300MW容量等級亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的自主開發(fā)是成功的典型。為了推進循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展， 國家發(fā)展改革委員會組織三大鍋爐廠及設(shè)計院共同引進了Alstom 公司的亞臨界300~350 MW 循環(huán)流化床鍋爐技術(shù) 。

中國循環(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的循環(huán)流化床設(shè)計理論，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，控制了中國市場，并走向世界。面臨國內(nèi)復(fù)雜的煤種和日益嚴格的環(huán)保要求，中國科技人員和工程師突破了循環(huán)流化床流態(tài)設(shè)計的范圍，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 。

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是20世紀70年代末開始出現(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，因此對燃料要求比較寬松。流化過程氣固混合強烈，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重金屬有很強的吸附能力，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)。

中國處于工業(yè)化期，能源需求大。中國的資源稟賦條件決定了煤炭仍然是中國電力工業(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)點是大規(guī)模清潔利用此類燃料的最佳選擇。到現(xiàn)在為止，中國循環(huán)流化床燃燒鍋爐發(fā)電容量近1 億kW，總循環(huán)流化床鍋爐臺數(shù)大于3000臺，為世界第一。

循環(huán)流化床燃燒本來是一種清潔煤技術(shù)，能夠低成本滿足幾乎世界所有國家的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但是中國的排放標(biāo)準(zhǔn)是世界上最為嚴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)電提出了第二個挑戰(zhàn)。為應(yīng)對兩個挑戰(zhàn)要采取以下措施：

（1） 進一步提高蒸汽參數(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)運行證實的流態(tài)重構(gòu)節(jié)能型流程， 將廠用電率降低到與煤粉爐相同的水平。這個工作已經(jīng)在進行，在“十二五” 科技支撐計劃中獲得了支持， 看來效果比較樂觀。

（3） 深入挖掘循環(huán)流化床鍋爐自身的污染控制潛力， 實現(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，該圖譜事實上存在第三坐標(biāo)軸， 即粒度軸，原有曲線是基于傳統(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，則曲線會發(fā)生改變。循環(huán)流化床循環(huán)物料粒度更細條件下，NOx可以達到原始超低排放；與此同時，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。

運行實踐表明，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，SO2<50 mg/m3。最近山西山陰300 MW和國錦東鍋300MW循環(huán)流化床，也驗證了NOx排放降低的明顯趨勢。上述成果超出了國內(nèi)外對循環(huán)流化床污染控制能力的認知底線， 震驚了國外學(xué)術(shù)界也引起國內(nèi)政府環(huán)保部門的注意。

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)路線是：超高循環(huán)效率CFB 爐內(nèi)細石灰石粉脫硫 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)路線已經(jīng)在50~350MW的多個工程中得到印證。

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

（2）中國在循環(huán)流化床燃燒大型化、高參數(shù)方面達到世界領(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。 （5）在“十三五”期間將啟動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)?？赡馨蜒h(huán)流化床技術(shù)應(yīng)用空間從劣質(zhì)煤推向高硫無煙煤，甚至優(yōu)質(zhì)煤發(fā)電市場 。

循環(huán)流化床鍋爐(CFBB)是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、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：氣固混合很好；燃燒速率高，特別是對粗顆粒燃料；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，通常達到97.5%～99.5%。

根據(jù)統(tǒng)計資料，循環(huán)流化床燃燒效率受煤種影響較大。對較為年輕的褐煤、泥煤，燃燒效率可達到98%以上；而對于變質(zhì)程度較高的無煙煤到煙煤，飛灰含碳量往往高達10%以上。一般來講，各種形式的旋風(fēng)筒對100μm以下的細顆粒分離效率不可能很高，因此旋風(fēng)筒對細顆粒燃盡是無能為力的，應(yīng)當(dāng)采取飛灰回送等措施解決難燃煤種燃燼問題，而這是國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)流化床鍋爐電廠的效率可達43%～44%。根據(jù)法國Stein Industrie公司對超臨界參數(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)布置高溫換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，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)流化床低成本實現(xiàn)了嚴格的污染排放指標(biāo)，同時燃用劣質(zhì)燃料，在負荷適應(yīng)性和灰渣綜合利用等方面具有綜合優(yōu)勢，為煤粉爐的節(jié)能環(huán)保改造提供了一條有效的途徑。