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【專家解說】：

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)是一項(xiàng)近二十年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。

一，概念

　　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(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的污染排放指標(biāo)，同時(shí)燃用劣質(zhì)燃料，在負(fù)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。

二，性能特點(diǎn)

1、 鍋爐燃料適用性廣

可燃用無煙煤、煙煤、劣質(zhì)煤、工業(yè)煤渣、煤研石等；

2、 鍋爐燃燒效率高

燃料燃燼率在98％以上，分離效果好，飛灰損失少；

3、 鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大

最小負(fù)荷可降至25-30％，每分鐘負(fù)荷變化速率為全負(fù)荷的5－10％；

4、 環(huán)保效果好

鍋爐床內(nèi)低溫燃燒，實(shí)現(xiàn)低ＮＯx排放，可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫，脫硫效果好（脫硫率大于90％），煙塵排放濃度低；

5、 鍋爐受熱面磨損少

特殊線型結(jié)構(gòu)的旋渦內(nèi)分離器，分離效率高，總分離效率達(dá)98％，最小分離粒徑8－12um，爐膛出口煙氣含塵低，減少對鍋爐受熱面的磨損；

6、 投資省

爐膛內(nèi)置旋渦分離器，降低了爐膛高度，結(jié)構(gòu)緊湊，占地少，鋼耗低，節(jié)約初期投資；

7、 分離、回料系統(tǒng)安全、可靠

分離器和物料循環(huán)回料系統(tǒng)均由膜式水冷壁構(gòu)成，即：全水冷，允許殘?zhí)荚谄鋬?nèi)燃盡而不易引起超溫結(jié)焦、堵塞等事故。耐磨耐火，內(nèi)襯薄，重量輕，節(jié)省材料，并且鍋爐啟停速度快，內(nèi)襯不易裂開及剝落，運(yùn)行安全可靠。

8、 埋管壽命長，更換方便

埋管是采和厚壁管加焊密排防磨筋圈的豎埋管，埋管區(qū)設(shè)計(jì)煙速低，使用壽命在5年以上（每年對部分磨損的筋圈補(bǔ)焊，延長使用壽命）；

9、 投資回報(bào)

鍋爐灰渣可綜合利用，經(jīng)濟(jì)性好（可作建筑材料如水泥添加劑），投資回報(bào)率高。

三，3.1燃燒機(jī)理　　循環(huán)流化床鍋爐采用流態(tài)化的燃燒方式，是介于煤粉爐懸浮燃燒和鏈條爐固定燃燒之間的燃燒方式，即通常所講的半懸浮燃燒方式。在循環(huán)流化床鍋爐中,存有大量床料,首次啟動(dòng)時(shí)人為添加床料,在鍋爐運(yùn)行時(shí)床料主要由煤中的灰、未反應(yīng)的石灰石、石灰石脫硫反應(yīng)產(chǎn)物等構(gòu)成。床料在從布風(fēng)板下送入的一次風(fēng)的作用下處于流化狀態(tài)，煤粒、床料及石灰石被煙氣夾帶在爐膛內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，在爐膛的不同高度部分大顆粒將沿著爐膛邊壁下落，形成物料的內(nèi)循環(huán)；較小固體顆粒被煙氣夾帶進(jìn)入分離器，進(jìn)行分離，絕大多數(shù)顆粒被分離下來，一部分通過回料閥直接返回爐膛，另一部分通過外置式換熱器后返回爐膛，形成物料的外循環(huán)；飛灰隨煙氣進(jìn)入尾部煙道。通過爐膛的內(nèi)循環(huán)和爐外的外循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)燃料不斷的往復(fù)循環(huán)燃燒?！　⊙h(huán)流化床根據(jù)物料濃度的不同將爐膛分為密相區(qū)、過渡區(qū)和稀相區(qū)三部分，密相區(qū)中固體顆粒濃度較大，具有很大的熱容量，因此在給煤進(jìn)入密相區(qū)后，可以順利實(shí)現(xiàn)著火；與密相區(qū)相比，稀相區(qū)的物料濃度很小，稀相區(qū)是燃料的燃燒、燃盡段，同時(shí)完成爐內(nèi)氣固兩相介質(zhì)與蒸發(fā)受熱面的換熱，以保證鍋爐的出力及爐內(nèi)溫度的控制?！　?.2脫硫原理　　循環(huán)流化床鍋爐處在830-900℃的工作溫度下，在此溫度下石灰石可充分發(fā)生焙燒反應(yīng)，使碳酸鈣分解為氧化鈣，氧化鈣與煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫進(jìn)行鹽化反應(yīng)，生成硫酸鈣，以固體形式排出達(dá)到脫硫的目的。石灰石脫硫反應(yīng)方程CaCO3=CaO+CO2-熱量Q 　　 CaO+SO2+1/2O2=CaSO4+熱量Q　　因此循環(huán)流化床鍋爐可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)高效廉價(jià)脫硫，一般脫硫率均在90%以上。同時(shí)，由于較低的爐內(nèi)燃燒溫度，循環(huán)流化床鍋爐中生成的NOX主要由燃料NOX構(gòu)成即燃料中的N轉(zhuǎn)化成的NOX；而熱力NOX即空氣中的N轉(zhuǎn)化成的NOX生成量很?。煌瑫r(shí)循環(huán)流化床鍋爐采用分級送風(fēng)的方式即一次風(fēng)從布風(fēng)板下送入，二次風(fēng)分二層從爐膛下部密相區(qū)送入，可以有效地抑制NOX的生成。因此循環(huán)流化床鍋爐中的污染物排放很低。

四、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展歷史回顧

　　主循環(huán)回路是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵，其主要作用是將大量的高溫固體物料從氣流中分離出來，送回燃燒室，以維持燃燒室穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng)，以提高燃燒效率和脫硫效率。

　　分離器是主循環(huán)回路的關(guān)鍵部件，其作用是完成含塵氣流的氣固分離，并把收集下來的物料回送至爐膛，實(shí)現(xiàn)灰平衡及熱平衡，保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定與高效。從某種意義上講，CFB鍋爐的性能取決于分離器的性能，所以循環(huán)床技術(shù)的分離器研制經(jīng)歷了三代發(fā)展，而分離器設(shè)計(jì)上的差異標(biāo)志了CFB燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程。

　　●（一）絕熱旋風(fēng)筒分離器

　　德國Lurgi公司較早地開發(fā)出了采用保溫、耐火及防磨材料砌裝成筒身的高溫絕熱式旋風(fēng)分離器的CFB鍋爐[1]。分離器入口煙溫在850℃左右。應(yīng)用絕熱旋風(fēng)筒作為分離器的循環(huán)流化床鍋爐稱為第一代循環(huán)流化床鍋爐，目前已經(jīng)商業(yè)化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技術(shù)轉(zhuǎn)移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等設(shè)計(jì)制造的循環(huán)流化床鍋爐均采用了此種形式。

　　這種分離器具有相當(dāng)好的分離性能，使用這種分離器的循環(huán)流化床鍋爐具有較高的性能。但這種分離器也存在一些問題，主要是旋風(fēng)筒體積龐大，因而鋼耗較高，鍋爐造價(jià)高，占地較大，旋風(fēng)筒內(nèi)襯厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、費(fèi)用高啟動(dòng)時(shí)間長、運(yùn)行中易出現(xiàn)故障；密封和膨脹系統(tǒng)復(fù)雜；尤其是在燃用揮發(fā)份較低或活性較差的強(qiáng)后燃性煤種時(shí)，旋風(fēng)筒內(nèi)的燃燒導(dǎo)致分離下的物料溫度上升，引起旋風(fēng)筒內(nèi)或回料腿回料閥內(nèi)的超溫。這些問題在我國實(shí)際生產(chǎn)條件下顯得更突出。

　　Circofluid的中溫分離技術(shù)在一定程度上緩解了高溫旋風(fēng)筒的問題，爐膛上部布置較多數(shù)量的受熱面，降低了旋風(fēng)筒入口煙氣溫度和體積，旋風(fēng)筒的體積和重量有所減小，因此相當(dāng)程度上克服了絕熱旋風(fēng)筒技術(shù)的缺陷，使其運(yùn)行可靠性提高，但爐膛上部布置有過熱器和高溫省煤器等，需要采用塔式布置，爐膛較高，鋼耗量大，鍋爐造價(jià)提高。同時(shí)，它的CO排放及檢修問題在一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展。

　　●（二）水(汽)冷旋風(fēng)筒分離器

　　為保持絕熱旋風(fēng)筒循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效地克服該爐型的缺陷，F(xiàn)oster Wheeler公司設(shè)計(jì)出了堪稱典范的水（汽）冷旋風(fēng)分離器。應(yīng)用水(汽)冷分離器的循環(huán)流化床鍋爐被稱為第二代循環(huán)流化床鍋爐。

　　該分離器外殼由水冷或汽冷管彎制、焊裝而成，取消絕熱旋風(fēng)筒的高溫絕熱層，代之以受熱面制成的曲面及其內(nèi)側(cè)布滿銷釘涂一層較薄厚度的高溫耐磨澆注料，殼外側(cè)覆以一定厚度的保溫層。水(汽)冷旋風(fēng)筒可吸收一部分熱量，分離器內(nèi)物料溫度不會上升，甚至略有下降，同時(shí)較好地解決了旋風(fēng)筒內(nèi)側(cè)防磨問題。該公司投運(yùn)的循環(huán)流化床鍋爐從未發(fā)生回料系統(tǒng)結(jié)焦的問題，也未發(fā)生旋風(fēng)筒內(nèi)磨損問題，充分顯示了其優(yōu)越性。這樣，高溫絕熱型旋風(fēng)分離循環(huán)床的優(yōu)點(diǎn)得以繼續(xù)發(fā)揮，缺點(diǎn)則基本被克服。

　　當(dāng)然，任何一種設(shè)計(jì)都難以盡善盡美，F(xiàn)W式水（汽）冷旋風(fēng)分離器的問題是制造工藝及生產(chǎn)成本，這使其商業(yè)競爭力下降，通用性和推廣價(jià)值受到了限制。同時(shí)該分離器的結(jié)構(gòu)形式與高溫絕熱旋風(fēng)筒并無本質(zhì)差異，因此鍋爐結(jié)構(gòu)仍未恢復(fù)到傳統(tǒng)鍋爐完美的形式。為了各部件的熱膨脹而設(shè)置的大型膨脹節(jié)成為該爐型最薄弱的環(huán)節(jié)，損壞事故頻繁發(fā)生(見第15屆FBC國際會議Operator Section)。因此調(diào)整分離器的形狀，進(jìn)一步提高緊湊性和可靠性問題成為循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

　　●（三）方型水冷分離器

　　為克服汽冷旋風(fēng)筒鍋爐的結(jié)構(gòu)問題及制造成本高的問題，芬蘭Ahlstrom公司創(chuàng)造性地提出了Pyroflow Compact設(shè)計(jì)構(gòu)想。

　　Pyroflow Compact循環(huán)床鍋爐采用其獨(dú)特專利技術(shù)的方型分離器，分離器的分離機(jī)理與圓形旋風(fēng)筒本質(zhì)上無差別，殼體仍采用FW式水（汽）冷管壁式，但因筒體為平面結(jié)構(gòu)而別具一格。這就是第三代循環(huán)流化床鍋爐。它與常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐的最大區(qū)別是采用了方型的氣固分離裝置，分離器的壁面作為爐膛壁面水循環(huán)系統(tǒng)的一部分，因此與爐膛之間免除熱膨脹節(jié)。同時(shí)方型分離器可緊貼爐膛布置從而使整個(gè)循環(huán)床鍋爐的體積大為減少，布置顯得十分緊湊。借鑒汽冷旋風(fēng)筒成功的防磨經(jīng)驗(yàn)，方型分離器水冷表面敷設(shè)了一層薄的耐火層，分離器成為受熱面的一部分，為鍋爐快速啟停提供了條件。

五、方型分離器循環(huán)床技術(shù)

　 芬蘭Ahlstrom公司的方型分離器緊湊型設(shè)計(jì)推出之后，立即引起了廣泛的重視。但人們對該技術(shù)一直持觀望態(tài)度。但經(jīng)過多臺鍋爐5年的運(yùn)行實(shí)踐，已經(jīng)為人們所接受，其標(biāo)志為1999年5月第15屆國際流化床燃燒會議上該專利持有人Timo榮獲唯一的ASME最高貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。Foster Wheeler公司和Ahlstrom公司合并后即將方型分離器循環(huán)流化床鍋爐作為大型化方向予以重點(diǎn)發(fā)展。采用方型分離器的緊湊型布置循環(huán)床鍋爐的市場份額逐年增加。

　　目前各循環(huán)流化床鍋爐制造廠家和研究機(jī)構(gòu)都十分重視循環(huán)流化床鍋爐的大型化，方型分離器在大型化方面具有很大的優(yōu)勢。1993年清華大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室對國外方型分離器專利進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并改進(jìn)了入口段設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)改進(jìn)是完全正確的，這個(gè)改進(jìn)最終取得了中國專利—“水冷異型分離器”。為進(jìn)一步優(yōu)化分離器的效果和驗(yàn)證改進(jìn)可靠性，在實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)實(shí)驗(yàn)、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于75t/h完善化循環(huán)流化床鍋爐，并取得成功。

　　該分離器是四周用膜式水冷壁組成的方型分離器，煙氣入口加速段由水冷壁管彎制成圓弧形。該設(shè)計(jì)低成本有效地克服了絕熱旋風(fēng)筒的后燃結(jié)焦問題和圓形汽(水)冷旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)問題，被認(rèn)為達(dá)到九十年代國際先進(jìn)水平。

　　對幾種不同當(dāng)量尺寸的方型分離器進(jìn)行了一些卓有成效的試驗(yàn)和較為深入的研究，取得了許多有價(jià)值的結(jié)果。對這些成果進(jìn)行較全面的分析、整理和比較表明，方型分離器的放大性能要優(yōu)于圓形旋風(fēng)分離器，至少絕不遜于后者，特征尺寸在10m以內(nèi)的方型分離器大型化的前景相當(dāng)樂觀。清華大學(xué)在該方面的研究成果以及220t/h、410t/h采用方型分離器的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)得到國際同行的充分肯定和高度評價(jià)，在15屆FBC國際會議上被評為最佳論文。

六、循環(huán)流化床鍋爐的效率

　　循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有以下特點(diǎn)：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(dá)到97.5%～99.5%。

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dá)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(dá)10％以上。一般來講，各種形式的旋風(fēng)筒對100μm以下的細(xì)顆粒分離效率不可能很高，因此旋風(fēng)筒對細(xì)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，而這是目前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，目前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(dá)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?fù)Q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%。