循環流化牀燃燒

中國循環流化牀燃燒技術自1980年起步，經歷了35年的努力掌握了先進的循環流化牀設計理論，形成了從小容量的蒸汽鍋爐到大型超臨界發電鍋爐的系列容量產品，控制了中國市場，並走向世界。面臨國內複雜的煤種和日益嚴格的環保要求，中國科技人員和工程師突破了循環流化牀流態設計的範圍，形成了高可用率、低廠用電率的第二代循環流化牀技術，並正在向超低排放的第三代技術發展 ^[1]  。

循環流化牀燃燒技術是20世紀70年代末開始出現的清潔煤燃燒技術。循環流化牀中，燃燒室、分離器及返料器組成主循環迴路。燃料燃燒產生的灰分及脱硫石灰石在系統中累積，在燃燒室下部形成鼓泡牀或湍流牀，上部形成快速牀。下部的大量熱物料為燃料着火提供足夠的熱源，因此對燃料要求比較寬鬆。流化過程氣固混合強烈，降低了燃燒或脱硫化學反應的傳質阻力，加速了反應速度。在800~900 ℃條件下，燃燒比較穩定，加入石灰石顆粒，石灰石中的碳酸鈣可以分解成高孔隙率的氧化鈣， 進而吸收燃燒產生的二氧化硫；此温度下氮氧化物的生成量顯著下降，另外，低温燃燒形成的多孔灰顆粒對重金屬有很強的吸附能力，煙氣中重金屬排放低。所以循環流化牀是適應劣質煤的低成本污染控制的潔淨燃燒技術。

中國處於工業化期，能源需求大。中國的資源稟賦條件決定了煤炭仍然是中國電力工業主要能源， 並且煤炭資源中高灰、硫分大於1%的高硫煤比重較大，其中灰分大於20%的煤佔50%以上。洗煤過程產生大量矸石、洗中煤、煤泥需要利用， 循環流化牀燃燒具備燃料適用範圍廣、低成本幹法燃燒中脱硫、低氮氧化物排放的優點是大規模清潔利用此類燃料的最佳選擇。到現在為止，中國循環流化牀燃燒鍋爐發電容量近1 億kW，總循環流化牀鍋爐台數大於3000台，為世界第一。

中國自20世紀60年代起開始研發鼓泡牀燃燒（俗稱沸騰爐），通過20年的開發，形成了自己的鼓泡牀燃燒及鼓泡牀鍋爐設計理論。到70年代末，國內有3000台沸騰爐運行，最大容量為130 t/h。自80年代開始，中國與世界同步開始循環流化牀燃燒技術的研究，受到鼓泡牀開發經驗的限制，科技人員在初期以為，只要在沸騰爐基礎上加上分離器和物料回送裝置，即可構成循環流化牀燃燒鍋爐，因此將分離器和物料回送裝置理解為飛灰回送的循環燃燒， 而不清楚鼓泡流化牀鍋爐和循環流化牀鍋爐在燃燒室內的流化狀態是截然不同的。正是由於這些錯誤的認識， 中國早期開發循環流化牀燃燒基本上是不成功的，物料循環不足，不能滿負荷運行，尾部受熱面磨損嚴重。當時國際上有關的研究均是基於化工流態化反應器的，無法解釋循環流化牀燃煤鍋爐的實際問題；國外循環流化牀鍋爐開發商內部開展的研發工作是完全保密的。

有鑑於此，得益於中國科技部和發改委對循環流化牀燃燒技術的重視和支持，以清華大學為代表的中國研究人員，投入大量力量重新審視循環流化牀燃燒的基本理論。通過實踐—理論研究—實踐的多年反覆， 針對工程設計需要，搭建了中國獨立的循環流化牀煤燃燒理論體系。該理論體系的主要創新點全面涵蓋了氣固兩相流、燃燒、爐內傳熱和污染控制等方面，並進行了綜合和發展，是國際循環流化牀燃燒理論的重要進展，也為建立中國自己的循環流化牀設計體系提供了理論支撐。

國產自然循環流化牀鍋爐的發展自1980年開始，在中國設計體系建立完善發展過程中， 開發了各種容量的自然循環蒸汽鍋爐和用於供暖的熱水鍋爐。2000 年之後， 循環流化牀鍋爐從熱電領域發展到發電領域， 先後開發了再熱135 MW 到300 MW 亞臨界循環流化牀鍋爐。國產技術對循環流化牀設計流態圖譜水平軸的設置點進行了調整， 使煤種適應性更廣， 並大大緩解了燃燒室磨損； 結構上簡化了流程， 用燃燒室內的過熱器或再熱器插屏替代了高能耗結構複雜的外置換熱牀， 降低了製造成本和運行維護難度。到2005年，國產循環流化牀技術基本佔領了國內市場，並向國外出口。

300MW容量等級亞臨界循環流化牀鍋爐的自主開發是成功的典型。為了推進循環流化牀鍋爐技術的發展， 國家發展改革委員會組織三大鍋爐廠及設計院共同引進了Alstom 公司的亞臨界300~350 MW 循環流化牀鍋爐技術 ^[2]  。

循環流化牀燃燒本來是一種清潔煤技術，能夠低成本滿足幾乎世界所有國家的環保標準，但是中國的排放標準是世界上最為嚴格的燃煤污染物排放標準， 這將成為循環流化牀燃燒技術的第一個挑戰。發改委新公佈的供電煤耗標準也給超臨界循環流化牀節能高效發電提出了第二個挑戰。為應對兩個挑戰要採取以下措施：

（1） 進一步提高蒸汽參數發展超超臨界循環流化牀， 蒸汽壓力達到29 MPa， 温度為605/623℃， 供電標煤耗<285 g/（kW·h）， 將在“十三五”期間安排660MW示範工程。

（2） 採用在“十二五”期間已經在300MW以下容量循環流化牀得到商業運行證實的流態重構節能型流程， 將廠用電率降低到與煤粉爐相同的水平。這個工作已經在進行，在“十二五” 科技支撐計劃中獲得了支持， 看來效果比較樂觀。

（3） 深入挖掘循環流化牀鍋爐自身的污染控制潛力， 實現循環流化牀污染控制能力的突破。這是循環流化牀燃燒污染控制技術的新挑戰。

要衝破傳統循環流化牀爐內脱硫脱硝能力的極限，目光仍然回到循環流化牀流態圖譜，該圖譜事實上存在第三座標軸， 即粒度軸，原有曲線是基於傳統循環流化牀循環物料平均粒度在150~250μm條件下確定的。如果改變循環物料平均粒度，則曲線會發生改變。循環流化牀循環物料粒度更細條件下，NOx可以達到原始超低排放；與此同時，循環物料粒度減小意味着石灰石顆粒的利用率顯著增加。

運行實踐表明，如果分離器分離效率得到顯著改善，飛灰切割粒徑降至10μm，循環灰中位粒徑接近100μm，爐膛上部的平均壓降可以提高到60 Pa/m，NOx原始排放可穩定在20～30 mg/ m³；爐內脱硫在Ca/S=1.5 時，SO2<50 mg/m³。最近山西山陰300 MW和國錦東鍋300MW循環流化牀，也驗證了NOx排放降低的明顯趨勢。上述成果超出了國內外對循環流化牀污染控制能力的認知底線， 震驚了國外學術界也引起國內政府環保部門的注意。

因此，現階段比較理想的低成本循環流化牀燃煤鍋爐的超低排放技術路線是：超高循環效率CFB+爐內細石灰石粉脱硫+袋式除塵為基礎裝備，SNCR及半乾法增濕活化二次脱硫作為熱備用，這條技術路線已經在50~350MW的多個工程中得到印證。

（1）循環流化牀燃燒技術對中國燃煤污染控制和消納大量洗煤矸石、泥煤有重要意義。

（2）中國在循環流化牀燃燒大型化、高參數方面達到世界領先。

（3）基於流態重構的節能型循環流化牀技術，是中國自主創新的循環流化牀發展新方向。

（4）在循環流化牀流態圖譜的第三軸（循環物料粒度軸）可以找到循環流化牀低成本超低排放的突破點。 （5）在“十三五”期間將啓動660 MW 超超臨界循環流化牀鍋爐示範和超低排放循環流化牀的工程示範， 形成最高發電效率、最高可用率和超低排放的循環流化牀燃燒技術。可能把循環流化牀技術應用空間從劣質煤推向高硫無煙煤，甚至優質煤發電市場 ^[3]  。