作者:　高纪栓
　　摘要　循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术，因它在燃烧室出口安装了特有的气固分离器、返料循环等装置，使其具有了低温的动力控制燃烧；高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程和高强度的热量、质量和动量传递过程等技术特点。同时也因其具有节能、环保等许多优点，在国内外得到了迅速的发展和使用。
　　1、前言
　　循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术。因其具有燃烧效率高、煤种适应性广、烟气中有害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优点，在当今日益严峻的能源紧缺和环境保护要求下，在国内外得到了迅速的发展，已商品化，正在向大型化发展。
　　我国是产煤大国，也是用煤大国，一次能源结构中，煤炭占70％左右，优中质煤、劣质煤均丰富。全国煤产量的25％是含硫量超过2％的高硫煤。优质煤集中在华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区。目前积存下来的煤矸石达14亿吨，并以每年6千到7千万吨的数量增加。与此同时，因煤燃烧每年有87％的SO2和67％NOX排入大气，造成严重的环境污染。因此发展高效、低污染的清洁燃烧技术是当今社会持续发展的必然要求。
　　我国是开发流化床燃烧技术较早的国家。早在上世纪60年代，就开始研究发展鼓泡流化床技术。循环流化床技术的研究和开发始于上世纪80年代。1989～1991年初，首批35～75T/h的循环流化床锅炉投入运行。由于产品设计和循环流化床锅炉的理论发展落后的原因，运行问题较多。经国家组织的完善化研究后，在90年代中后期得以快速发展。至今据不完全统计，国内已投运或正在制造的循环流化床锅炉已有上千台。蒸发量220t/h及以下容量的循环流化床锅炉已在国内大量使用，410t/h的循环流化床锅炉已开始投入商业运行。随着该技术的不断完善和发展，用于集中供热的热水循环流化床锅炉也在应用和推广。可以预见，今后若干年里将是循环流化床锅炉飞速发展和使用的重要时期。
　　2、流态化理论
　　固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程，称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其炉子称为流化床锅炉。流化理论用于燃烧始于上世纪20年代，40年代以后主要用于石油化工和冶金工业。
　　流化燃烧是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。煤预先经破碎加工成一定大小的颗粒（一般为0～8mm）而置于布风板上，其厚度约在350～500mm左右，空气则通过布风板由下向上吹送（图1）。当空气以较低的气流速度通过料层时，煤粒在布风板上静止不动，料层厚度不变，这一阶段称为固定床（图1a）。这正是煤在层燃炉中的状态，气流的推力小于煤粒重力，气流穿过煤粒间隙，煤粒之间无相对运动。
　　当气流速度增大并达到某一较高值ωlj时，气流对煤粒的推力恰好等于煤粒的重力，煤粒开始飘浮移动，料层高度略有增长。如气流速度继续增大，煤粒间的空隙加大，料层膨胀增高，所有的煤粒、灰渣纷乱混杂，上下翻腾不已，颗粒和气流之间的相对运动十分强烈。这种处于沸腾状态的料床，称为流化床（图1b）。这种燃烧方式即为流化燃烧。当风速继续增大并超过一定限度ωjx时，稳定的沸腾工况就被破坏，颗粒将全部随气流飞走。物料的这种运动形式叫做气力输送（图1c），这正是煤粉在煤粉炉中随气流悬浮燃烧的情景。
　　料层由静止到流化状态，以至为气流携带飞走的整个过程，可用图2所示的特性曲线加以概括。当空气速度在ab范围内，料层高度不变，通风阻力随风速的平方关系增大。当风速增大至b点，料层中颗粒开始浮动，故b点称为临界点，对应的风速ωlj即为流化临界速度。试验研究证明，流化临界速度的大小主要决定于颗粒尺寸及其筛分级配、粒子的密度和气流的物理性质等因素。随着颗粒直径的增大、密度的增加或料层堆积的空隙率增大，临界速度ωlj增大；气流流体的运动粘度增大时，临界速度减小。
　　在b至c的过程中，气流速度虽然继续增高，但因料层膨胀，空隙也增大，通过颗粒间隙的实际风速趋于一个常数，所以料层阻力与刚开始转入流化床时相比，变化不大。如果风速再增大超过一 定限度ωjx时，固体颗粒即被风吹走，从流化状态转化为气力输送，料层不复存在，阻力下降。能挟带固体颗粒飞走的这个空截面气流速度ωjx，称为极限速度，也叫带出速度。
　　3、鼓泡流化床锅炉
　　流化床燃烧按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床。鼓泡流化床锅炉运行在较低的流化风速下（一般为1～3m/s），因气体流经颗粒床层时并不是均匀的通过，一部分气体形成气泡经床层短路逸出，鼓泡流化床因此得名。早期运行的沸腾炉就属此种燃烧。鼓泡流化床最明显的特征是料层仍有清晰的界面，燃烧被分成沸腾段（距布风板高度一般在1400－1500mm）和悬浮燃烧段（沸腾段以上至炉膛出口）。该炉型因其炉膛出口没有气固物料分离设备，飞灰多且含碳量高，致使锅炉效率较低，另外炉膛受热面温度分布梯度大，传热效果不好等原因，使其难以实现大型化。
　　4、循环流化床锅炉的技术特点
　　循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉技术的基础上发展起来的新炉型，它与鼓泡床锅炉的最大区别在于炉内流化风速较高（一般为4～8m/s），在炉膛出口加装了气固物料分离器。被烟气携带排出炉膛的细小固体颗粒，经分离器分离后，再送回炉内循环燃烧。循环流化床锅炉可分为两个部分：第一部分由炉膛（快速流化床）、气固物料分离器、固体物料再循环设备和外置热交换器（有些循环流化床锅炉没有该设备）等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与其它常规锅炉相近。
　　图3为典型循环流化床锅炉燃烧的示意图。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成，炉膛四周布置有水冷壁用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。
　　循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点可概括如下：
　　(1)低温的动力控制燃烧
　　循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程；同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程,反复循环地组织燃烧。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般850℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区)内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高，通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达95～99％以上。
　　(2)高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程
　　从图3中可看出，循环流化床锅炉内的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在炉膛内部因壁面效应还存在着内循环，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运行的动态过程中逐步完成的。
　　(3)高强度的热量、质量和动量传递过程
　　在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。
　　5、循环流化床锅炉与其它炉型的比较
　　固体燃料燃烧的主要方式有三种，即层燃、流化床燃烧和悬浮燃烧，流化床燃烧又分为鼓泡床燃烧和循环流化床燃烧。对四种燃烧方式的比较见表1和表2，从中可以看出各自存在的区域和相互间的差别。
　　6、循环流化床锅炉的优点
　　循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具有许多独特的优点。
　　(1)燃料适应性广
　　这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3％，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。
　　(2)燃烧效率高
　　循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，通常在95～99％范围内，可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气固混合良好；燃烧速率高，其次是飞灰的再循环燃烧。
　　(3)高效脱硫
　　由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用；另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫率可达85～90％。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到85～90％ ，钙硫比要达到3～4，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。
　　(4)氮氧化物（NOX）排放低
　　氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明，循环流化床锅炉的NOX排放范围为50～150ppm或40～120mg/MJ。循环流化床锅炉NOX排放低是由于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的氮一般不会生成NOX ；二是分段燃烧，抑制燃料中的氮转化为NOX ，并使部分已生成的NOX得到还原。
　　(5)燃烧强度高，炉膛截面积小
　　炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.5～4.5MW/m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2～3倍。
　　(6)负荷调节范围大，负荷调节快
　　当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不 必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。也不象煤粉锅炉那样，低负荷时要用油助燃，维持稳定燃烧。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达（3～4）：1。负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4％。
　　(7)易于实现灰渣综合利用
　　循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低（含炭量小于1％），属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用，如作为水泥掺和料或做建筑材料。同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。
　　(8)床内不布置埋管受热面
　　循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间压火等。
　　(9)燃料预处理系统简单
　　循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。
　　(10)给煤点少
　　循环流化床锅炉的炉膛截面积小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。既有利于燃烧，也简化了给煤系统。