循環流化床燃燒技術分析與應用

陳士峰

濟南熱電有限公司南郊熱電廠，山東濟南 250021

0 引言

我國目前煤炭年消費量約10多億噸，其中大多數通過燃燒被利用。隨著我國環保要求日益嚴格，電廠負荷調節范圍較大、煤種多變、原煤直接燃燒比例高，燃煤與環保的矛盾日益突出。然而，燃燒設備陳舊、效率低、排放無控制造成了煤炭的浪費和環境污染,節約能源與環境保護已成為現有燃煤技術所需解決的重點。因此，尋求高效、低污染燃燒技術成為關鍵。

循環流化床燃燒技術作為一種新型的高效低污染清潔煤技術，具有燃料適應性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、負荷調節快等優點，在國內外都得到了迅速發展。如今，中型容量的循環流化床鍋爐的研制與開發已進入商業化運行階段，但要充分發揮其優勢，必須走產業化和大型化的道路,開發制造具有我國自主知識產權的大型循環流化鍋爐,并在容量上盡快達到煤粉爐的水平。一旦該技術實現了大型化和國內的產業化,就能切實地顯現其重大的經濟效益、社會效益和環境效益。

1 循環流化床燃燒技術的發展

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

目前，國外大型化循環流化床技術正日趨成熟，逐漸達到與煤粉爐容量相當的水平。而國內中小型循環流化床技術也已相當成熟，但在大型化循環流化床鍋爐的開發研究方面，與先進國家仍有相當的大的差距。

2 循環流化床技術特點

循環流化床作為一種新型的清潔煤燃燒技術，具有獨特的優點。

2.1 對燃料的適應性特別好

循環流化床鍋爐有一個較大的儲熱層，能夠穩定燃燒多種劣質燃料，燃料適應性廣。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，并且可以達到較高的燃燒效率。循環流化床鍋爐低負荷運行能力強，在30%的負荷下不投油可以穩定燃燒。

2.2 低溫分級強化燃燒

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

2.3 燃燒效率高

一般來說，燃燒強度為其他流化床鍋爐的2倍左右，無論燒劣質煤還是優質煤, 燃燒效率均能達到95%～99%, 與煤粉鍋爐相媲美。

2.4 鍋爐負荷可以在很大范圍內調節

負荷的變化范圍為100%～25%, 負荷的連續變化率可達每分鐘5%～10%, 負荷調節簡單靈敏。

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 循環流化床鍋爐的燃燒特性

雖然循環流化床的燃燒機理復雜，但其實施良好燃燒的必要條件無外乎燃燒時間、燃燒溫度以及湍流度等傳統限制因素。以下是影響循環流化床鍋爐燃燒的主要條件。

3.1 流化床床溫

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

循環流化床鍋爐燃燒溫度比煤粉爐低得多，首先是因為循環流化床鍋爐沿床高的溫度以及旋風分離器與返料裝置的溫度可以控制得很均勻，煤在整個空間進行燃燒，這就保證了細顆粒和循環燃燒的粗顆粒都能夠充分的燃燒；其次是因為循環流化床鍋爐的床溫比較容易維持，不會因為較小的溫度波動造成滅火停爐。如果從有利于燃燒的角度來講，溫度高是有其優點的，因此對于難燃煤種，設計中可適當考慮提高床溫以保證燃燒穩定與減少固體未燃盡損失。

3.2 顆粒停留時間

停留時間是決定煤燃盡的重要參數。在爐膛上部區域，揮發己經析出，同時處于富氧狀態，是焦炭的燃燒主要發生區域。焦炭顆粒在爐膛中間向上運動，同時沿周壁往下回流，這樣焦炭顆粒在爐膛循環多次。因此多數顆粒在爐膛的停留時間，遠大于以氣速穿過爐膛所需的時間。被夾帶出爐膛的未燃盡顆粒進入旋風分離器并繼續燃燒，粗顆粒被分離下來送回爐膛，細顆粒作為飛灰排人尾部煙道。循環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現完全燃燒。送入爐內的煤顆粒有粗有細，處于一定的粒度范圍。其中凡終端速度小于氣流速度的細小煤粒都將被氣流吹走，帶往旋風分離器。這部分顆粒中粒徑大于旋風分離器臨界分離直徑的煤粒被分離器捕獲，經回料器送回爐內繼續進行燃燒。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多次循環燃燒，而所有小于臨界分離直徑的煤粒要求一次經過爐膛即能燃盡，否則就會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，有很長的停留時間，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 一二次風比例

循環流化床鍋爐爐膛上部燃燒分額增加，因此，二次風比例也相應升高。一次風量約為燃料所需化學當量值的60%～80%。一次風主要起流化和下部密相區燃燒的作用。因為在爐膛下部區域燃料完全燃燒所需風量大于實際風量。二次風口位于爐膛下部密相區以上，作為燃盡風并控制爐膛的溫度分布均勻，尤其在鍋爐啟動階段。當鍋爐負荷增加時，一次風比例增加，能夠輸送數量較大的高溫物料到爐膛上部區域。二次風還可促進分級燃燒，隨著燃燒的進行逐步補充燃燒風，以控制燃燒區域的風量，使之處于還原性狀態。

3.4 旋風分離器

旋風分離器是循環流化床的關鍵部件，也是結構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燃燒，從而達到燃盡的目的。旋風分離器的分離效率隨旋風筒直徑增大而下降，因此，選取適當直徑的旋風分離器并進行合理布置是循環流化床大型化過程中需要克服的問題。旋風分離器的設計應保征分離器對細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的復雜性，設計中總是盡可能采用大直徑的旋風筒。在循環流化床鍋爐中，分離效率要比理論計算值高很多，這是由于循環流化床鍋爐中，進人分離器的顆粒濃度比其它應用場合高得多。

3.5 流化風速與循環倍率

循環倍率為循環灰質量與入爐煤質量之比，流化風速與循環倍率的選取經歷了由高到低的過程。高循環倍率能強化燃燒與傳熱，使鍋爐尺寸緊湊，鋼材消耗量降低，但與此同時風機消耗與受熱面磨損增大。目前認為循環風速應控制在4m/s～6m/s范圍，高溫分離的循環流化床循環倍率為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。粒度對循環流化床燃燒和傳熱很重要，但顆粒粒度的具體構成對燃燒與傳熱起著更重要的作用。進入流化床內的顆粒分為3種形式存在：一部分是粗顆粒，主要在床內停留、翻滾與燃燒，最終以底渣的形式排出爐外；一部分很細小的灰逃離爐膛和旋風分離器作為飛灰排出；第三部分在循環流化床內循環燃燒直至磨細作為飛灰排。在目前循環流化床鍋爐的設計運行中，一般都不排放循環灰，循環灰在爐內會越積越多，使床壓升高，致使爐膛上部顆粒濃度升高，造成實際運行鍋爐偏離設計值。因此，適當選取粒度對循環流化床鍋爐流動、傳熱與燃燒非常重要。

3.7 循環流化床的試燒

考慮到循環流化床爐內的燃燒過程極為復雜，影響它的因素很多，在目前經驗不足的情況下，更為可靠的方法是經過大型熱態試驗臺對設計煤種與石灰石進行試燒工作，以確定合理的燃燒參數。

4 循環流化床燃燒技術應用

我國在80年代初開始循環流化床燃燒技術的開發和應用，促使因素主要是其能燃燒劣質燃料，充分利用能源。早期的開發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各種型式的循環流化床鍋爐投人運行。

循環流化床鍋爐研制應根據廠房、鍋爐蒸發量大小、煤種等做綜合的技術經濟分析，不要單純追求鍋爐高熱效率，否則達不到預期的效果。為了造好合適的爐型，應注意：高攜帶循環流化床鍋爐由于要求氣流速度較高，需要的爐膛高度也高，其他配套設備等成本都將增加。對低劣煤建議選用低攜帶循環流化床鍋爐更為經濟，對優質煤建議選用高攜帶循環流化床鍋爐，介于二者之間的煤，可進行綜合考慮。

5 結論

經過20多年的發展循環流化床燃燒技術顯示了它無可置疑的優勢。隨著環境保護問題的日益突出、能源的緊缺，其作為一種有效的能源利用和環境保護措施，在工業生產中將會得到越來越廣泛的應用。隨著循環流化床鍋爐大型化的普及，開發超臨界參數循環流化床鍋爐也會成為流化床燃燒技術發展的一個重要的目標。

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