论循环流化床锅炉技术现状及发展前景

柏延枢

（山东晋煤明水化工集团有限公司，山东 济南 250200）

全球变暖是地球面临的最大挑战，循环流化床锅以其传热率高、效率高、燃烧温度低、污染物排放量小等特点，在许多化工和能源行业中作新的能源解决方案被广泛应用。流态化是将固体燃料颗粒转化为类似燃烧状态的流体的过程，它具有高传热率、紧凑的锅炉设计、燃料的灵活性、低品位燃料的燃烧以及硫氧化物和氮氧化物等减排的优点。当气体速度逐渐增加时，达到床内压力降等于该高度单位面积床的重量的状态，此阶段，单个颗粒悬浮在气流中，床被称为“流化床”。随着空气速度的进一步增加，床内有气泡。气泡的形成和固体颗粒的床层表现出沸腾液体的特性，在这一阶段，床层被称为“鼓泡流化床”。由于较高的速度，气泡形成和消失很快，导致颗粒从流化床中吹出，一些颗粒必须重新循环以保持稳定的系统，称为“循环流化床”。流化床技术有鼓泡流化床、循环流化床和加压流化床技术，加压流化床正处于发展阶段，世界范围内循环流化床的应用日益增多。

1 循环流化床锅炉技术的发展现状

循环流化床锅炉技术是在鼓泡床锅炉的基础上发展出来的较为先进的技术，在这之前，旧锅炉的改造和新锅炉的研发为此提供了数据和丰富的经验。近10 年来，循环流化床锅炉作为一种高效、清洁的燃烧技术得到了迅速发展，并在世界范围内得到广泛的应用。循环流化床的主要特点是燃料适应性广、过剩空气系数小、受热面积相对较小、燃烧效率高、降负荷比大、负荷跟踪能力好、有害污染物排放量低。循环流化床锅炉的智能化设计依赖于充分了解燃烧室内物理化学流体动力学，在燃烧动力学特性方面，流化床中煤的燃烧一般与温度、颗粒尺寸和氧向颗粒表面的转移速率有关。

2 循环流化床锅炉技术的特点

（1）燃料利用率高。“流化床”一词显然是指固体颗粒和气体流动的强混合系统中的流体动力学，它使颗粒保持动态运动。根据技术行为的观察，可以将不同的系统描述为鼓泡、湍流化床。因此，各种制造商将其系统称为鼓泡床、涡轮流化床。流化床系统可以设计成诱导特定的强制循环，即循环流化床锅炉，如，“内部循环”或“外部循环”，靠近主燃烧室是一个大型旋风分离器，用于分离返回到流体中的较大固体颗粒。流化床和热烟气通过加力燃烧区离开旋风分离器，在燃料燃烧时，气固混合好，燃烧的速率高。

（2）燃料适应性广。循环流化床锅炉发展至今，已经能适应多数种类的燃料，这是循环流化床锅炉技术能被市场广泛采用的重要因素。强烈的湍流允许在流化床系统的给定条件下进行广泛的吸附过程，特别是硫氧化物与钙和镁氧化物的化学结合，这些吸附剂已存在于废物中或以碳酸钙（石灰石）或规定细颗粒尺寸的氢氧化钙的形式送入流化床。该特性还可有效地用于流化床系统中的低品位煤的燃烧，二氧化硫排放量综合减少约90%（无二次脱硫措施）。循环流化床锅炉的设计和运行适用于平均燃料混合物，从约5～8MJ/kg，到超过40MJ/kg 的值。在极端情况下，要焚烧的废物的平均热值可以低于3MJ/kg，例如，机械脱水的污水污泥，预热的燃烧空气（热量的内部回收）和一些废物流在利用自备蒸汽轮机提供的低压蒸汽的系统中部分干燥。因此，循环流化床锅炉的利用对燃料的适应性非常广泛。

（3）负荷调节范围大、速度快。当床层负荷压力变化时，以往采用的鼓泡流化床锅炉采用分离床压火技术，操作困难。循环流化床锅炉操作简单，只需调整煤、空气、物料循环，负荷调节速度快，调节范围大幅度增加。同时，循环流化床炉内的垃圾燃烧速率远高于移动炉排炉内的燃烧速率。因此，底部和飞灰残留物以及烟气中的未燃烧有机物浓度非常低。此外，由于精确的过程控制，完全燃烧所需的过量空气可以保持在低于移动炉排过程的水平，这减少了烟气的热损失。

（4）排放污染物少。对于工业生产来讲，能够降低对环境的污染代表生产技术的进一步优化，循环流化床锅炉通过底部进料喷嘴从密相区底部送回，粉煤灰固体与湍流床层物质混合，并与它们发生强烈的热质交换。此外，氧化钙表面的硫酸钙产品也将被磨掉。在高温、空气新鲜的条件下，粉煤灰容易着火燃烧。粉煤灰颗粒进入稀相区后仍保持高温，在稀相区可进一步燃烧。经过这样一次循环，炉内停留时间大大提高，这优于传统的锅炉再循环，燃烧时的有害气体和其他有污染的副产物大幅度减少。

3 循环流化床锅炉技术的发展前景

（1）向超临界、大型化方向转变。目前，循环流化床锅炉正逐步向大容量、高运行参数方向发展。随着锅炉尺寸和容量的增大，锅炉的总体运行参数不断提高，蒸汽参数由亚临界逐渐提高到超临界。在循环流化床锅炉中，热通量随炉高的增加而减小，最大热通量出现在炉底，即水冷壁中水温最低的部位，有利于控制水冷壁的金属温度。另一方面，锅炉内燃烧温度低于一般灰熔点，密集的固体颗粒有利于水冷壁的吸热。因此，循环流化床锅炉适用于流化燃烧技术和超临界蒸汽参数的组合。由于流化床燃烧方式和给煤颗粒尺寸范围广，循环流化床锅炉的热惯性较大，能量转换过程比较复杂。超临界机组采用直流炉，而不是传统的汽包炉，对给水控制提出了更高的要求。超临界锅炉不采用自然循环，而是采用水冷壁的一次循环。水冷壁系统包括集管、入口管、管板、出口管、弯管和其他用于吸收炉侧热通量的元件。饱和蒸汽从蒸汽分离器顶部排出，通过再热系统重新进入炉膛，然后将超临界参数的蒸汽送入涡轮，超临界循环流化床锅炉燃烧效率更高，同时容量相较之前显著提高。

（2）深度脱硫与脱硝。随着现代工业的发展，空气污染已成为世界各国越来越重要的考虑因素。锅炉燃烧过程中产生的大量污染空气中，主要是含氧氮化物和二氧化硫。随着粉煤灰再循环率的增加，二氧化硫排放量降低，再循环对二氧化硫排放有两个方面的影响。首先，粉煤灰循环使密相床温降低，接近循环流化床最佳脱硫温度，通常为850℃，有助于避免硫酸钙分解，提高脱硫效率。其次，粉煤灰中含有大量未钙化的碳酸钙和未反应的氧化钙，它们通过粉煤灰再循环送回炉子。此外，覆盖在碳酸钙或氧化钙表面的硫酸钙会从颗粒中被去除，这使得吸附剂更加活跃。随着吸附剂在炉内停留时间的延长，脱硫效率得到提高。二氧化硫是酸雨和其他形式大气污染的主要成分之一，为消除硫磺进行了大量的研究，循环流化床脱硫是一种新的脱硫方法，该技术具有除尘效率高、烟气洁净、循环费用低等优点。

（3）提升防磨损技术。在循环流化床锅炉运行过程中，由于燃料的高速运动和燃烧造成的高温摩擦对锅炉本体造成了极其严重和不可逆转的永久性损伤。这一缺陷大大缩短了锅炉设备的使用寿命，增加了生产成本。因此，探索降低材料磨损的技术，开发更多的耐磨炉料是今后循环流化床锅炉技术的新发展方向。

（4）实现能源综合性利用。煤炭为不可再生能源，因此，循环流化床锅炉如何能实现资源利用最大利用率是当前主要的问题。一方面，依靠现有的技术水平，研发人员可以考虑使用一些环保替代能源来降低主要能源短缺造成的生产压力。另一方面，对于循环流化床锅炉燃料燃烧产生的大量灰份还没有完善的处理方法，这些技术有广阔的发展前景。

4 结语

循环流化床锅炉由于具有燃烧效率高、污染排放低、燃料适应性广等优点，在我国得到了广泛的应用。但是，循环流化床锅炉在大规模商业化过程中仍存在着长期不能满负荷运行、燃烧效率低、分离器效率低、飞灰含碳量高、结渣、受热面磨损等问题，从长远来看，该技术仍存在一些不足。随着循环流化床锅炉技术更加广泛的应用于生产当中，在市场经济条件下必将实现技术创新，更好地促进未来工业生产的可持续发展，从而促进社会文明进步。