煤粉-流化床復(fù)合燃燒技術(shù)簡介

【摘 要】 我國的能源結(jié)構(gòu)決定了我國能源消費將長期以煤為主，在能源供需矛盾日益嚴(yán)峻的今天，工業(yè)鍋爐節(jié)能工作勢在必行。本文針對煤粉鍋爐和流化床鍋爐各自的優(yōu)點，提出煤粉-流化床復(fù)合燃燒的方式，從工業(yè)鍋爐燃燒的角度，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐節(jié)能減排。

【關(guān)鍵詞】 工業(yè)鍋爐 煤粉-流化床 復(fù)合燃燒

1、緒論

我國的能源資源特點是“富煤、缺油、少氣”。為此，在我國能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭的消費占有很大的比例，在20世紀(jì)50、60年代，煤炭能源產(chǎn)量曾一度占到80%~95%的比例，即使到了80年代，煤炭能源所占比例也依然高達70%。今年來，隨著新能源、可再生能源的開發(fā)與利用，以及煤炭消費過程中帶來的諸多環(huán)境問題，煤炭消費總量略有下降。2012年我國煤炭消費量占能源消費總量的61.2%。

鍋爐是主要的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，也是重要的煤炭消耗和污染物排放裝置。截至2012年底，我國鍋爐在用量63.5萬臺，其中工業(yè)鍋爐62.4萬臺。我國鍋爐以燃煤為主，由于工業(yè)鍋爐煙氣凈化裝置技術(shù)水平及配備率較低，且多為低空排放，是形成霧霾天氣的重要原因之一。

近年來，我國燃煤電站鍋爐向大容量、高參數(shù)方向快速發(fā)展，無論是生產(chǎn)制造還是運營管理均接近國外先進水平。但是，燃煤工業(yè)鍋爐平均運行效率不到70%，比國際先進水平低10～15個百分點，節(jié)能潛力及煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的減排潛力巨大。黨的“十八大”提出“五位一體”的總體布局，把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位，對我國鍋爐的節(jié)能環(huán)保工作提出了新的更高的要求。為此，提高燃煤工業(yè)鍋爐的運行效率，降低污染物排放對加強生態(tài)文明建設(shè)，推動節(jié)能減排工作具有重要意義。

2 煤粉鍋爐、流化床鍋爐的特點

2.1煤粉鍋爐

煤粉鍋爐是指以煤粉為燃料的懸燃鍋爐，利用燃燒器將磨碎的煤粉和空氣混合后，噴入爐膛。主要應(yīng)用于大型電站鍋爐，目前較大容量的工業(yè)鍋爐也采用這種燃燒形式，由于煤粉在爐膛內(nèi)燃燒的比表面積較大，燃燒狀況相對較好，其燃燒效率較高。但由于影響燃燒穩(wěn)定性的因素較多，也存在相當(dāng)多的缺點（見表1）。

2.2流化床鍋爐

流化床是介于固定床和懸浮床之間的氣固兩相床層，其氣固兩相流動的特點決定了這種床層的優(yōu)缺點[1]（見表2）。

3 復(fù)合燃燒技術(shù)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

所謂復(fù)合燃燒，該概念來源于鏈條爐的改造，就是在鏈條爐的爐側(cè)或爐前，另加裝一套煤粉燃燒器，向爐內(nèi)噴煤粉燃燒。因此，在鏈條爐的內(nèi)部就同時存在兩種燃燒方式，其中一部分的煤在爐排上層狀燃燒，另一部分煤以煤粉形式在爐膛內(nèi)懸浮燃燒，這樣既充分利用了爐膛空間，又減輕了爐排熱負(fù)荷，提高了爐膛溫度。煤粉-鏈條爐復(fù)合燃燒不僅提高了鍋爐熱效率，又大幅增加了鍋爐出力。類似的，廣義的復(fù)合燃燒即只要在同一鍋爐內(nèi)同時存在兩種或兩種以上燃燒方式（燃燒方式主要有三種：層狀燃燒、懸浮燃燒、流化燃燒）時，就稱為復(fù)合燃燒。

關(guān)于復(fù)合燃燒，國外已經(jīng)進行了很多研究，但主要集中于不同燃料混燃的復(fù)合燃燒技術(shù)上[2][3][4]，與本文對復(fù)合燃燒的定義有所不同；國內(nèi)的研究則主要集中在層燃-懸浮復(fù)合燃燒技術(shù)上，對其他方式的復(fù)合燃燒研究相對較少。陳慶林[5]列舉了層燃鍋爐改造成層燃-懸浮復(fù)合燃燒鍋爐、沸騰爐改造成懸浮-流化復(fù)合燃燒爐的改造實例，證明了對于20t/h~35t/h的工業(yè)小鍋爐復(fù)合燃燒改造是成功的，能大幅提高鍋爐熱效率，降低飛灰含碳量，增強鍋爐煤種適應(yīng)性，更加節(jié)能環(huán)保。李清海[6]對層燃-流化復(fù)合燃燒垃圾焚燒爐的污染物排放和燃燒進行了系統(tǒng)的建模和實驗研究，分析指出了采用層燃爐預(yù)熱干燥、循環(huán)流化床焚燒這一技術(shù)路線的獨特優(yōu)勢，通過對橘子皮等典型垃圾的實驗研究和理論分析，得出了復(fù)合爐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和燃燒排放的半經(jīng)驗計算模型，證明了層燃-流化復(fù)合燃燒爐焚燒垃圾方面的可行性和可靠性。王彥、李元章[7]，[8]等針對鏈條爐熱效率偏低的現(xiàn)狀，把復(fù)合燃燒技術(shù)引入鏈條爐，通過層狀燃燒和懸浮燃燒兩種燃燒方式結(jié)合的方法，大大改善了鏈條爐的燃燒狀況，提高了鍋爐的熱效率和煤種適應(yīng)性，實現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保的雙重目標(biāo)。許忠春[9]等研究了使用復(fù)合燃燒技術(shù)改造舊鍋爐的效果，在鏈條爐上加裝噴粉裝置，研究發(fā)現(xiàn)該裝置以間歇方式運行效果最好，根據(jù)負(fù)荷變化噴粉量可以隨意調(diào)節(jié)。針對具體鏈條爐的改造經(jīng)濟效益顯著，各技術(shù)指標(biāo)均有優(yōu)化。

綜合以上文獻，通過對鏈條鍋爐采用煤粉-層燃燃燒方式的改造，對提高工業(yè)鍋爐運行效率，增強煤種的使用性等方面取得了良好的效果。這些研究對改造后系統(tǒng)產(chǎn)生的問題研究較少，主要集中在改造的經(jīng)濟性和可行性研究中，鍋爐用復(fù)合燃燒技術(shù)改造后的燃燒效率、燃燒穩(wěn)定性等問題沒有進行更深入的研究。

煤粉流化床燃燒（PCF-FBC）是一種比較特殊的復(fù)合燃燒技術(shù)。該燃燒技術(shù)的主要特點是，在鍋爐內(nèi)存在層燃和懸浮燃燒兩種燃燒方式，但是只有一套給煤系統(tǒng)。煤粉從底飼進入流化床燃燒區(qū)，完成著火、揮發(fā)分燃燒、部分固定碳燃燒后，飛入上部懸浮燃燒區(qū)，并在多層四角切圓二次風(fēng)作用下進一步完成燃燒和燃盡。陳鴻偉、李永華等[10]，[11]對煤粉流化床燃燒進行了熱態(tài)試驗，并對NO的生成和排放控制特征進行了研究。結(jié)果表明，煤粉流化床燃燒具有煤粉燃燒的高效率和流化床低污染的特點，同時NO排放濃度遠低于煤粉爐。但是他們并沒有研究流化床燃用大顆粒煤燃料、上部采用煤粉懸浮燃燒的情況。王輝[12]等研究了水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)，并設(shè)計了一臺14MW的臥式鍋爐。該燃燒技術(shù)的特點是使用水煤漿為唯一的燃料，水煤漿以滴狀顆粒團送入鍋爐下部密相區(qū)，在密相區(qū)中迅速被加熱并著火燃燒，著火后的水煤漿在隨煙氣上升過程中繼續(xù)燃燒，未燃盡的顆粒團會被捕集并輸回燃盡裝置，解決了水煤漿燃燒過程中存在的放炮、易熄火等問題。吳少華[13]首先提出了煤粉-流化床復(fù)合燃燒的概念，并在理論上分析了煤粉-流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點、熱力特性，指出該種鍋爐結(jié)合了煤粉爐的燃燒高效率特點和流化床的廣泛煤種適應(yīng)性及污染物排放低的特點，并進行了煤粉爐、燃油鍋爐改造為復(fù)合燃燒鍋爐的可行性研究，指出改造不僅能優(yōu)化各項運行指標(biāo)，還能獲得良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，而且由于未改動鍋爐本體結(jié)構(gòu)，改造成本低廉。吳少華的研究工作為這一新型復(fù)合燃燒技術(shù)的發(fā)展起到了巨大推動作用。趙廣播[14]，[15]，[16]等分析了燃燒樹皮和煤粉雙燃料的煤粉-流化床復(fù)合燃燒鍋爐爐膛內(nèi)的物質(zhì)平衡和熱平衡，得到了爐膛及空氣預(yù)熱器的物質(zhì)平衡方程、沸騰層及煤粉爐爐膛的熱平衡方程及爐膛出口的過量空氣系數(shù)、鍋爐氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失的計算公式；考慮流化床、火焰和受熱面之間換熱的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了流化床-煤粉復(fù)合燃燒鍋爐爐膛傳熱計算方程，得到了爐膛傳熱計算的零維模型半經(jīng)驗法；針對雙燃料的煤粉-流化床復(fù)合燃燒鍋爐的特點，提出了按基本蒸汽負(fù)荷設(shè)計流化床的思路，并以75t/h樹皮流化床-煤粉復(fù)合燃燒鍋爐為例，分析預(yù)測了負(fù)荷變化時鍋爐的熱力特性。周建軍[17]等對在流化床鍋爐中煤粉不同噴入位置對爐內(nèi)固相運動特性的影響做了研究。針對流化床復(fù)合煤粉懸浮燃燒技術(shù)，建立了爐內(nèi)氣固運動特性的三維數(shù)學(xué)模型并進行了數(shù)值計算。復(fù)合燃燒的爐內(nèi)氣固兩相流場對鍋爐的設(shè)計有重要指導(dǎo)意義，此外，燃燒產(chǎn)生的氣相各組分濃度分布、溫度分布等，對鍋爐實際運行也有重要參考價值，這方面的研究還有待展開。

4 總結(jié)

復(fù)合燃燒技術(shù)在近幾十年的研究和應(yīng)用中逐漸成熟，尤其是層狀燃燒-懸浮燃燒復(fù)合燃燒技術(shù)，無論在理論研究和工程應(yīng)用中都得到了較為深入的發(fā)展。但是目前復(fù)合燃燒技術(shù)對懸浮-流化復(fù)合燃燒研究仍然較少。煤粉-流化床復(fù)合燃燒技術(shù)結(jié)合了流化床和煤粉爐二者的優(yōu)點，又彌補了各自的缺點，大有發(fā)展的必要。目前由于對煤粉-流化床復(fù)合燃燒爐爐膛內(nèi)氣固兩相流動特性及反應(yīng)的研究和認(rèn)識還很不夠，從而較大地阻礙了該技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。因此十分有必要對此展開進一步研究，對于這一技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

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