循环流化床燃烧技术分析与应用

陈士峰

济南热电有限公司南郊热电厂，山东济南 250021

0 引言

我国目前煤炭年消费量约10多亿吨，其中大多数通过燃烧被利用。随着我国环保要求日益严格，电厂负荷调节范围较大、煤种多变、原煤直接燃烧比例高，燃煤与环保的矛盾日益突出。然而，燃烧设备陈旧、效率低、排放无控制造成了煤炭的浪费和环境污染,节约能源与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的重点。因此，寻求高效、低污染燃烧技术成为关键。

循环流化床燃烧技术作为一种新型的高效低污染清洁煤技术，具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节快等优点，在国内外都得到了迅速发展。如今，中型容量的循环流化床锅炉的研制与开发已进入商业化运行阶段，但要充分发挥其优势，必须走产业化和大型化的道路,开发制造具有我国自主知识产权的大型循环流化锅炉,并在容量上尽快达到煤粉炉的水平。一旦该技术实现了大型化和国内的产业化,就能切实地显现其重大的经济效益、社会效益和环境效益。

1 循环流化床燃烧技术的发展

循环流化床锅炉是近年来发展起来的一种新型煤燃烧技术。在短短的30年间，流化床技术得到了飞速发展，从德国鲁奇公司首先取得循环流化床燃烧技术的专利，至今已经形成多个技术流派：绝热旋风筒带有外置换热床的循环流化床燃烧技术;带有汽冷旋风分离的循环流化床燃烧技术;燃烧室内布置翼形受热面的高温绝热旋风分离的循环流化床燃烧技术等。上世纪90年代中期，又出现了冷却式方型分离紧凑式循环流化床燃烧技术。由笨重易损的热旋风筒进步到90年代初的精巧耐用的汽冷旋风筒,进而开发出冷却式方型分离紧凑式循环流化床锅炉，为循环流化床锅炉最终回归到传统锅炉的简洁布置做下铺垫。

目前，国外大型化循环流化床技术正日趋成熟，逐渐达到与煤粉炉容量相当的水平。而国内中小型循环流化床技术也已相当成熟，但在大型化循环流化床锅炉的开发研究方面，与先进国家仍有相当的大的差距。

2 循环流化床技术特点

循环流化床作为一种新型的清洁煤燃烧技术，具有独特的优点。

2.1 对燃料的适应性特别好

循环流化床锅炉有一个较大的储热层，能够稳定燃烧多种劣质燃料，燃料适应性广。除了烟煤外，还可燃用无烟煤、高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、褐煤、石煤以至歼石等固体燃料，并且可以达到较高的燃烧效率。循环流化床锅炉低负荷运行能力强，在30%的负荷下不投油可以稳定燃烧。

2.2 低温分级强化燃烧

由于循环流化床采用850℃～900℃的低温燃烧，因此可以方便高效地实现炉内脱硫，比较容易地控制NOX等排放，使SOX、NOX的生成量大幅度地降低, 减轻对环境的污染。炉内不易结渣，灰渣活性好，便于综合利用等。

2.3 燃烧效率高

一般来说，燃烧强度为其他流化床锅炉的2倍左右，无论烧劣质煤还是优质煤, 燃烧效率均能达到95%～99%, 与煤粉锅炉相媲美。

2.4 锅炉负荷可以在很大范围内调节

负荷的变化范围为100%～25%, 负荷的连续变化率可达每分钟5%～10%, 负荷调节简单灵敏。

2.5 锅炉的灰渣、飞灰含碳量低

此利于灰渣, 飞灰的综合利用。如灰渣做建筑材料或水泥熟料的添加剂，也有利于灰渣中稀有金属的提炼。

3 循环流化床锅炉的燃烧特性

虽然循环流化床的燃烧机理复杂，但其实施良好燃烧的必要条件无外乎燃烧时间、燃烧温度以及湍流度等传统限制因素。以下是影响循环流化床锅炉燃烧的主要条件。

3.1 流化床床温

循环流化床床温的选取需从多方面考虑，为了使灰粉不熔化，减少结渣的危险性；保证脱硫反应的最佳温度在850℃左右；减少碱金属升华，减低锅炉受热面上的结渣；使燃烧空气中的氮较少得转化成NOX。我们认为，850℃～900℃是最理想的循环流化床运行温度。选取这一温度的前提需保证煤的燃尽。

循环流化床锅炉燃烧温度比煤粉炉低得多，首先是因为循环流化床锅炉沿床高的温度以及旋风分离器与返料装置的温度可以控制得很均匀，煤在整个空间进行燃烧，这就保证了细颗粒和循环燃烧的粗颗粒都能够充分的燃烧；其次是因为循环流化床锅炉的床温比较容易维持，不会因为较小的温度波动造成灭火停炉。如果从有利于燃烧的角度来讲，温度高是有其优点的，因此对于难燃煤种，设计中可适当考虑提高床温以保证燃烧稳定与减少固体未燃尽损失。

3.2 颗粒停留时间

停留时间是决定煤燃尽的重要参数。在炉膛上部区域，挥发己经析出，同时处于富氧状态，是焦炭的燃烧主要发生区域。焦炭颗粒在炉膛中间向上运动，同时沿周壁往下回流，这样焦炭颗粒在炉膛循环多次。因此多数颗粒在炉膛的停留时间，远大于以气速穿过炉膛所需的时间。被夹带出炉膛的未燃尽颗粒进入旋风分离器并继续燃烧，粗颗粒被分离下来送回炉膛，细颗粒作为飞灰排人尾部烟道。循环流化床与其它燃烧方式不同，它不要求所有送入的燃料在一次通过炉膛就实现完全燃烧。送入炉内的煤颗粒有粗有细，处于一定的粒度范围。其中凡终端速度小于气流速度的细小煤粒都将被气流吹走，带往旋风分离器。这部分颗粒中粒径大于旋风分离器临界分离直径的煤粒被分离器捕获，经回料器送回炉内继续进行燃烧。因此只有粒径大于临界分离粒径和终端速度不大于气流速度的中间尺寸煤粒在炉内多次循环燃烧，而所有小于临界分离直径的煤粒要求一次经过炉膛即能燃尽，否则就会形成飞灰未完全燃烧损失。至于终端速度大于气流速度的粗大煤粒不被气流吹走而滞留炉内，有很长的停留时间，能够保证燃尽。燃尽的粗大颗粒最终作为底渣排出炉膛。

3.3 一二次风比例

循环流化床锅炉炉膛上部燃烧分额增加，因此，二次风比例也相应升高。一次风量约为燃料所需化学当量值的60%～80%。一次风主要起流化和下部密相区燃烧的作用。因为在炉膛下部区域燃料完全燃烧所需风量大于实际风量。二次风口位于炉膛下部密相区以上，作为燃尽风并控制炉膛的温度分布均匀，尤其在锅炉启动阶段。当锅炉负荷增加时，一次风比例增加，能够输送数量较大的高温物料到炉膛上部区域。二次风还可促进分级燃烧，随着燃烧的进行逐步补充燃烧风，以控制燃烧区域的风量，使之处于还原性状态。

3.4 旋风分离器

旋风分离器是循环流化床的关键部件，也是结构上不同于煤粉炉的重要特征。其保证飞出炉膛且不被分离器收集的细颗粒能够一次燃尽，而不能一次燃尽的粗颗粒能被收集而循环燃烧，从而达到燃尽的目的。旋风分离器的分离效率随旋风筒直径增大而下降，因此，选取适当直径的旋风分离器并进行合理布置是循环流化床大型化过程中需要克服的问题。旋风分离器的设计应保征分离器对细颗粒的分离保证燃尽，还需要考虑分离器的布置。为了降低成本和减少系统的复杂性，设计中总是尽可能采用大直径的旋风筒。在循环流化床锅炉中，分离效率要比理论计算值高很多，这是由于循环流化床锅炉中，进人分离器的颗粒浓度比其它应用场合高得多。

3.5 流化风速与循环倍率

循环倍率为循环灰质量与入炉煤质量之比，流化风速与循环倍率的选取经历了由高到低的过程。高循环倍率能强化燃烧与传热，使锅炉尺寸紧凑，钢材消耗量降低，但与此同时风机消耗与受热面磨损增大。目前认为循环风速应控制在4m/s～6m/s范围，高温分离的循环流化床循环倍率为30～35左右，低温分离为15～20左右。

3.6 燃煤粒度

煤颗粒的粒度分布大约在0mm～8mm范围内。粒度对循环流化床燃烧和传热很重要，但颗粒粒度的具体构成对燃烧与传热起着更重要的作用。进入流化床内的颗粒分为3种形式存在：一部分是粗颗粒，主要在床内停留、翻滚与燃烧，最终以底渣的形式排出炉外；一部分很细小的灰逃离炉膛和旋风分离器作为飞灰排出；第三部分在循环流化床内循环燃烧直至磨细作为飞灰排。在目前循环流化床锅炉的设计运行中，一般都不排放循环灰，循环灰在炉内会越积越多，使床压升高，致使炉膛上部颗粒浓度升高，造成实际运行锅炉偏离设计值。因此，适当选取粒度对循环流化床锅炉流动、传热与燃烧非常重要。

3.7 循环流化床的试烧

考虑到循环流化床炉内的燃烧过程极为复杂，影响它的因素很多，在目前经验不足的情况下，更为可靠的方法是经过大型热态试验台对设计煤种与石灰石进行试烧工作，以确定合理的燃烧参数。

4 循环流化床燃烧技术应用

我国在80年代初开始循环流化床燃烧技术的开发和应用，促使因素主要是其能燃烧劣质燃料，充分利用能源。早期的开发研制主要由科研院校单位与中小锅炉制造厂合作，至80年代末90年代初，已有35t/h、75t/h各种型式的循环流化床锅炉投人运行。

循环流化床锅炉研制应根据厂房、锅炉蒸发量大小、煤种等做综合的技术经济分析，不要单纯追求锅炉高热效率，否则达不到预期的效果。为了造好合适的炉型，应注意：高携带循环流化床锅炉由于要求气流速度较高，需要的炉膛高度也高，其他配套设备等成本都将增加。对低劣煤建议选用低携带循环流化床锅炉更为经济，对优质煤建议选用高携带循环流化床锅炉，介于二者之间的煤，可进行综合考虑。

5 结论

经过20多年的发展循环流化床燃烧技术显示了它无可置疑的优势。随着环境保护问题的日益突出、能源的紧缺，其作为一种有效的能源利用和环境保护措施，在工业生产中将会得到越来越广泛的应用。随着循环流化床锅炉大型化的普及，开发超临界参数循环流化床锅炉也会成为流化床燃烧技术发展的一个重要的目标。

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