呂俊復(fù)， 周 托， 張 揚(yáng)， 吳玉新， 黃 中，張 海， 張 縵， 岳光溪

(清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐由于其卓越的燃料種類適應(yīng)性、污染控制經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行范圍靈活性等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)受到長(zhǎng)期重視，近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，引領(lǐng)了該領(lǐng)域的國(guó)際發(fā)展[1]。CFB鍋爐在電力行業(yè)應(yīng)用廣泛，總裝機(jī)容量超過(guò)1億kW，解決了劣質(zhì)煤高效清潔利用問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)碳中和是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在此過(guò)程中，煤電份額逐步下降，因此要在逐漸減少的過(guò)程中充分發(fā)揮好煤電的支撐作用[2]。實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰、2060碳中和目標(biāo)的重要方面是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新能源的間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性對(duì)電力系統(tǒng)的安全造成巨大沖擊。大量的研究表明，即使是碳中和場(chǎng)景下，也要維持一定的煤電裝機(jī)容量[3]，但其作用從提供發(fā)電量轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)性電源，托底新能源為主要電源的電網(wǎng)安全。這一功能性變革對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活性提出了更高的要求，為CFB鍋爐技術(shù)的發(fā)展注入新動(dòng)力。CFB鍋爐在運(yùn)行靈活性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，在碳達(dá)峰和碳中和背景下可以發(fā)揮更大的作用[4]，筆者分析了該技術(shù)的發(fā)展方向。

1 CFB鍋爐運(yùn)行靈活性

CFB燃燒的重要特征是爐膛、分離器和返料閥構(gòu)成主循環(huán)回路，見(jiàn)圖1。爐膛下部密相區(qū)的床料在一次風(fēng)的作用下流化，大于最小流化速度的氣體以氣泡的形式穿越床層，見(jiàn)圖2，在床表面氣泡碎裂，將構(gòu)成氣泡周界的顆粒以及氣泡氣中的顆粒拋向上部空中，進(jìn)而在二次風(fēng)以及燃燒形成的煙氣的作用下攜帶顆粒上行，其中終端速度大于氣流速度的大顆粒在重力作用下落到床層，細(xì)顆粒在上行過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚、顆粒團(tuán)逐漸長(zhǎng)大、上升速度逐漸降低。當(dāng)顆粒團(tuán)的直徑增大到其終端速度大于氣體速度時(shí)，顆粒團(tuán)開(kāi)始下行，被受熱面冷卻并被上升的氣流沖刷、變小直至消失，顆粒進(jìn)入主流區(qū)上行，如此反復(fù)，延長(zhǎng)了顆粒的停留時(shí)間，完成了顆粒向壁面的傳熱，實(shí)現(xiàn)了下部密相區(qū)的熱平衡。燃料進(jìn)入爐膛后，與數(shù)十倍的高溫床料混合，燃料顆粒的溫升速率高達(dá)104K/s，床料能夠提供足夠的熱量用于燃料著火，這是CFB鍋爐燃料適應(yīng)能力強(qiáng)的基礎(chǔ)。因此，高溫物料及其循環(huán)流動(dòng)為CFB傳熱、燃燒和污染控制提供了氣固流動(dòng)條件。

圖1 CFB燃燒過(guò)程中的氣固流動(dòng)Fig.1 Gas-solid flow in the CFB combustion process

圖2 CFB密相區(qū)中的氣泡Fig.2 Bubbles in the dense zone of a CFB boiler

由于CFB燃燒中不存在著火及火焰穩(wěn)定性問(wèn)題，因此其具有燃料靈活性和深度低負(fù)荷穩(wěn)燃的先天優(yōu)勢(shì)。若不考慮水動(dòng)力安全性問(wèn)題，CFB鍋爐的低負(fù)荷下限由穩(wěn)定燃燒轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定流化。流化需要的風(fēng)速與床料粒徑有關(guān)，目前給煤粒度一般為0～8 mm，若床料粒徑嚴(yán)格不超過(guò)5 mm，在安全流化所需要的風(fēng)量下，床溫維持的溫度必須高于燃料著火溫度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最低燃料量對(duì)應(yīng)最低負(fù)荷能力。若不控制過(guò)量空氣系數(shù)以及忽略NOx、SO2對(duì)燃燒參數(shù)的控制約束，低負(fù)荷只保證穩(wěn)定燃燒，考慮到此時(shí)貼壁下降流的量很小，則可獲得不同負(fù)荷率下床溫達(dá)到的上限值，布風(fēng)板收縮率45%、400 mm床料條件下的床溫(tb)見(jiàn)圖3。在某負(fù)荷下，煙塵排放由除塵器控制，硫排放由煙氣脫硫保證，采用降低一次風(fēng)氧含量控制NOx的原始排放。對(duì)于著火溫度低于650 ℃的煤種，在對(duì)循環(huán)系統(tǒng)不進(jìn)行干預(yù)條件下，保證低負(fù)荷穩(wěn)燃的負(fù)荷可降至額定負(fù)荷的15%左右；若干預(yù)物料循環(huán)，則5%負(fù)荷下床溫可高于680 ℃，低負(fù)荷穩(wěn)燃能力更強(qiáng)。

圖3 不同負(fù)荷下的床溫Fig.3 Bed temperatures at different loads

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)系列的合理操作，可以通過(guò)瞬時(shí)停風(fēng)使CFB鍋爐進(jìn)入壓火狀態(tài)。此時(shí)爐膛上部懸浮的熱物料回落到爐膛下部形成堆積的散料床層，通過(guò)上表面向爐膛上部四周水冷壁和懸吊受熱面輻射換熱以及耐火材料向四周和布風(fēng)板水冷壁熱傳導(dǎo)，床溫逐漸下降(見(jiàn)圖4)，但床溫下降比較緩慢[5]。壓火之后，蒸發(fā)量銳減，但由于床料、耐火材料和受熱面金屬的蓄熱，蒸汽流量維持在較低水平，在4 h之內(nèi)約為額定蒸發(fā)量的1%，這一流量足以維持汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)組處于熱備用狀態(tài)，一旦需要，機(jī)組則可以迅速啟動(dòng)。因此，粗略來(lái)看，CFB機(jī)組具有0%～100%的深度調(diào)峰能力，并具有零負(fù)荷熱備用特征，是靈活性煤電，可以更好地適應(yīng)電網(wǎng)中新能源消納方面的需要。

優(yōu)異的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力得益于CFB熱慣性和燃燒慣性大，但這也會(huì)導(dǎo)致變負(fù)荷速度較低。CFB傳熱機(jī)理表明，合理粒度的有效物料存量是傳熱的關(guān)鍵。負(fù)荷變化過(guò)程中，床溫變化較小，傳熱調(diào)節(jié)的主要途徑是調(diào)節(jié)有效物料存量。由于這些床料累積需要時(shí)間，因此升負(fù)荷較慢；降負(fù)荷亦然。因此可以通過(guò)設(shè)置有效循環(huán)顆粒物料、有效燃燒燃料顆粒系統(tǒng)以及高溫物料存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以快速改變爐膛灰濃度。初步測(cè)算，爬坡速率可達(dá)3.8%/min，降負(fù)荷速率可達(dá)5.3%/min。有關(guān)這方面的研究還在進(jìn)行當(dāng)中。

圖4 CFB鍋爐壓火后的床溫和相對(duì)蒸發(fā)量Fig.4 Bed temperature and relative evaporation capacity after shut down in a CFB boiler

2 超低排放CFB鍋爐

CFB燃燒的重要優(yōu)勢(shì)之一是利用爐內(nèi)脫硫和低氮燃燒低成本就能滿足絕大多數(shù)國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，但是不能直接達(dá)到超低排放[6]。研究表明，在CFB燃燒條件下，氣固流態(tài)會(huì)影響整體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[7]，優(yōu)化氣固流態(tài)以調(diào)控化學(xué)反應(yīng)來(lái)控制污染排放的探索取得了重要進(jìn)展[8]。由于CFB鍋爐中產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx，其生成和還原與反應(yīng)氣氛密切相關(guān)。密相區(qū)中，燃料總是位于乳化相中(見(jiàn)圖2)，乳化相近似處于初始流態(tài)化狀態(tài)，則顆粒間氣體流速為最小流化風(fēng)速，與床料顆粒性質(zhì)有關(guān)：顆粒越細(xì)，最小流化風(fēng)速越低，位于乳化相中的燃料顆粒從顆粒間流過(guò)的氣體中獲得的O2越少；氣泡中的O2通過(guò)乳化相顆粒擴(kuò)散到燃料的擴(kuò)散系數(shù)也受到床料粒徑的影響，顆粒越細(xì)，氣體傳質(zhì)阻力很大。因此床料越細(xì)，乳化相中燃料顆粒越缺氧，NOx生成越少。若進(jìn)一步降低一次風(fēng)份額或者降低一次風(fēng)中氧濃度，則更利于降低NOx生成量。

CFB鍋爐爐膛上部氣固流動(dòng)的重要特征是顆粒團(tuán)聚[9]。位于稀相區(qū)的燃料顆粒大部分位于顆粒團(tuán)中(見(jiàn)圖5)，其熱解、燃燒和傳質(zhì)傳熱行為與乳化相中燃料顆粒相似：一方面，顆粒越細(xì)，團(tuán)聚傾向越強(qiáng)，循環(huán)流量越大，團(tuán)聚程度越高；另一方面，顆粒越細(xì)，顆粒團(tuán)中燃料生成NOx越少。

圖5 CFB稀相區(qū)的顆粒團(tuán)聚Fig.5 The agglomeration in the dilute zone of a CFB boiler

CFB燃燒中，抑制燃料型NOx生成會(huì)導(dǎo)致CO和CH4等還原性氣體局部濃度增大。還原性氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)改善其混合程度，還原性氣體一方面進(jìn)一步還原已生成的NOx，另一方面與O2反應(yīng)、燃盡。CFB溫度低、燃燒反應(yīng)速度較低，需要更大的焦炭反應(yīng)面積，這些表面也是NO還原反應(yīng)的表面。

提高分離器效率可以降低CFB床料粒徑。分離器效率提高，必然會(huì)提高物料循環(huán)量，進(jìn)而強(qiáng)化上部稀相區(qū)的顆粒團(tuán)聚。在分離器效率提高的前提下，可以用更細(xì)的石灰石脫硫，從而提供更大的脫硫反應(yīng)表面積，在低氮燃燒的同時(shí)提高爐內(nèi)脫硫效率[10]。因此可通過(guò)降低CFB床料粒徑、增加循環(huán)量來(lái)調(diào)整氣固流態(tài)以調(diào)控NOx生成，提高爐內(nèi)脫硫效率。該技術(shù)實(shí)踐中取得了系列成功[11]。

值得注意的是，在靈活性運(yùn)行條件下，硫氮污染物超低排放是一個(gè)難題。在深度調(diào)峰運(yùn)行條件下，煙塵排放由除塵器控制，SO2排放由煙氣脫硫控制，但此時(shí)的煙溫條件無(wú)論是非催化選擇性還原(SNCR)還是催化選擇性還原(SCR)均難以達(dá)到設(shè)計(jì)溫度范圍，必須依賴爐內(nèi)燃燒控制，初步實(shí)踐表明，對(duì)此CFB鍋爐有解決空間，這一問(wèn)題還需要深入研究。

3 超高參數(shù)小容量CFB鍋爐

可再生能源不穩(wěn)定對(duì)電網(wǎng)安全性的沖擊問(wèn)題使人們清醒地意識(shí)到現(xiàn)階段煤電是供電可靠性的保障。在煤電份額逐年下降的長(zhǎng)期過(guò)程中，若沒(méi)有替代能源的顛覆性突破，一方面由于運(yùn)行壽命燃煤機(jī)組要大規(guī)模退役，另一方面還不得不新建相當(dāng)規(guī)模的燃煤機(jī)組。而由于煤電所處的運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的根本變化，更新的機(jī)組在技術(shù)上不僅要比現(xiàn)有的指標(biāo)更先進(jìn)，而且必須適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)越來(lái)越多地消納可再生能源的發(fā)展趨勢(shì)。為此，美國(guó)2019年啟動(dòng)了所謂的“Coal FIRST”燃煤發(fā)電研發(fā)計(jì)劃。該計(jì)劃的核心思想之一是小容量、與2050年可再生能源市場(chǎng)滲透率相適應(yīng)的高爬坡率和最小負(fù)荷運(yùn)行能力，還要兼具摻燒天然氣和生物質(zhì)等低碳燃料的潛力[12]。

多年來(lái)，CFB鍋爐的發(fā)展方向是高參數(shù)、大容量，系統(tǒng)地解決了大尺寸CFB鍋爐爐膛的氣固流動(dòng)與傳熱[13-14]、超臨界和超超臨界水動(dòng)力等難題，為小型高參數(shù)CFB機(jī)組的開(kāi)發(fā)提供了豐厚的技術(shù)積累。由于汽輪機(jī)的限制，小型高參數(shù)CFB鍋爐目前主要用于背壓機(jī)組以降低供電煤耗。

近年來(lái)，小型高參數(shù)CFB鍋爐取得了重要進(jìn)展。例如浙江新中港熱電股份有限公司的220 t/h超高溫亞臨界CFB鍋爐，蒸汽溫度采用超臨界機(jī)組中常見(jiàn)的570 ℃；為便于運(yùn)行調(diào)節(jié)，采用汽包爐，選用亞臨界壓力17.3 MPa。為與原有蒸汽系統(tǒng)銜接，再熱蒸汽為中溫中壓。鍋爐總圖見(jiàn)圖6，是目前該容量等級(jí)中蒸汽參數(shù)最高的鍋爐。

圖6 220 t/h亞臨界CFB鍋爐Fig.6 220 t/h subcritical CFB boiler

該機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行可靠，滿負(fù)荷出力下，給水溫度為255 ℃，主蒸汽壓力為16.6 MPa，主蒸汽溫度為564 ℃；為便于與原有蒸汽系統(tǒng)銜接，再熱器進(jìn)口蒸汽壓力為4.53 MPa，再熱器進(jìn)口蒸汽溫度為387 ℃，再熱器出口蒸汽壓力為4.25 MPa，再熱器出口蒸汽溫度為435 ℃；床溫為888 ℃，爐膛出口煙氣溫度為891 ℃，返料溫度為896 ℃，排煙溫度為137 ℃。采用爐內(nèi)石灰石脫硫+半干法脫硫，脫硫塔進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為43.8 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度為1.2 mg/m3；采用SNCR脫硝，NOx排放質(zhì)量濃度為25.2 mg/m3。運(yùn)行結(jié)果顯示了該機(jī)組良好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

開(kāi)發(fā)亞臨界、超臨界小容量CFB鍋爐以及相應(yīng)的汽輪機(jī)組是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

4 生物質(zhì)高參數(shù)CFB鍋爐

農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)直燃發(fā)電具有與傳統(tǒng)化石能源相同的可調(diào)度性[15]，在以新能源為主體的新型能源系統(tǒng)中占有獨(dú)特重要的地位。近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)，截至2020年底，已裝備各種生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組約3 000萬(wàn)kW。我國(guó)具有豐富的生物質(zhì)資源，折合每年7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，可支撐1億kW的裝機(jī)容量。由于生物質(zhì)資源的分散性，不宜建設(shè)大容量的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組。國(guó)內(nèi)外純?nèi)忌镔|(zhì)時(shí)多采用室燃或?qū)尤?，但這兩類技術(shù)對(duì)生物質(zhì)種類的適應(yīng)性要求均比較苛刻[16]，燃料成本高，爐膛水冷壁和對(duì)流受熱面的沾污嚴(yán)重，高溫受熱面發(fā)生腐蝕[17-18]，限制了蒸汽溫度，國(guó)內(nèi)外絕大部分純?nèi)忌镔|(zhì)電站鍋爐的蒸汽參數(shù)均以次高壓和高壓為主，導(dǎo)致純?nèi)忌镔|(zhì)發(fā)電機(jī)組供電效率不高，經(jīng)濟(jì)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)生物質(zhì)鍋爐受熱面腐蝕的發(fā)生機(jī)理(見(jiàn)圖7)，針對(duì)CFB鍋爐的爐內(nèi)高溫受熱面防沾污腐蝕，研究人員提出將高溫過(guò)熱器和高溫再熱器等高溫受熱面布置在爐膛中，利用物料循環(huán)對(duì)受熱面反復(fù)沖刷，以“磨”抗“污”，保持高溫受熱面表面清潔，從而降低高溫受熱面表面腐蝕速度，突破了生物質(zhì)鍋爐提高蒸汽參數(shù)的技術(shù)瓶頸[16]。與此同時(shí)，爐膛中的高濃度物料對(duì)煙氣中蒸發(fā)的堿金屬鹽蒸氣有更強(qiáng)的吸附作用[19]，減少了高溫受熱面表面沾污，抑制了腐蝕的發(fā)生。

生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣流經(jīng)對(duì)流受熱面時(shí)，含鹽蒸氣隨著煙氣冷卻逐漸冷凝吸附在金屬表面和伴流的飛灰顆粒表面，形成管子表面的底層黏性層和融黏顆粒，融黏顆粒進(jìn)一步在煙氣沖刷受熱面時(shí)沉積下來(lái)，形成對(duì)流受熱面的沾污。該過(guò)程受煙氣速度、灰濃度、顆粒粒度和來(lái)流方向等影響，尤其是流動(dòng)的固體邊界即繞流表面曲率影響顯著。通過(guò)大間距、小管徑、平行流及低煙氣速度設(shè)計(jì)，可以利用管間繞流減小融黏顆粒的液橋力，有效防止或緩解對(duì)流受熱面表面沾污和積灰[16]。

圖7 沾污和溫度對(duì)金屬受熱面腐蝕速度的影響Fig.7 Effect of fouling and temperature on the corrosion rate of heating surface

生物質(zhì)灰中含有大量鉀、鈉等堿金屬，灰熔點(diǎn)比較低，存在床料結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)[20]，因此需要精確計(jì)算爐內(nèi)傳熱和設(shè)計(jì)爐內(nèi)受熱面，以確保運(yùn)行床溫在設(shè)計(jì)值。在一定床溫下，爐膛中物料濃度決定了傳熱系數(shù)。針對(duì)生物質(zhì)燃料的灰分特點(diǎn)[21]，通過(guò)提升關(guān)鍵部件的性能并利用秸稈夾帶外在灰分實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)CFB鍋爐的高品質(zhì)物料循環(huán)[15]。

生物質(zhì)含硫量普遍較低，利用其本身灰分的自脫硫作用，可實(shí)現(xiàn)SO2原始排放濃度。利用高性能的物料循環(huán)形成的強(qiáng)還原性氣氛，以及較低的床溫可有效降低NOx原始排放濃度[15]；再輔以SNCR作為工程保證措施，可實(shí)現(xiàn)NOx超低排放。

高參數(shù)達(dá)到超高壓一次再熱的純?nèi)嫁r(nóng)業(yè)秸稈的生物質(zhì)CFB鍋爐成功系列化應(yīng)用，包括40 MW (130 t/h)、80 MW(260 t/h)和125 MW(384 t/h)鍋爐，這些機(jī)組運(yùn)行良好，突破了純?nèi)冀斩扖FB鍋爐蒸汽參數(shù)不超過(guò)高溫高壓、不再熱的國(guó)際禁區(qū)。與高溫高壓相比，超高壓一次再熱生物質(zhì)CFB鍋爐的發(fā)電量提高了21%。這些生物質(zhì)鍋爐投運(yùn)以來(lái)，均可在30%～105%額定負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，突破了CFB鍋爐燃燒秸稈普遍面臨的受熱面沾污問(wèn)題，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了煙氣中NOx和SO2的超低排放。未來(lái)還可進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)，開(kāi)發(fā)亞臨界及超臨界生物質(zhì)直燃鍋爐，以獲得更高的發(fā)電效率。

5 低碳燃料CFB鍋爐混燒

CFB鍋爐中的高溫物料為燃料著火提供足夠的著火熱，具有優(yōu)異的燃料適應(yīng)性，這為將生物質(zhì)、污泥和工業(yè)可燃廢棄物等低碳燃料在CFB鍋爐中混燒提供了條件。與煤粉爐生物質(zhì)摻燒存在的腐蝕和結(jié)焦等問(wèn)題[22-23]相比，CFB鍋爐中摻燒生物質(zhì)簡(jiǎn)單，由于生物質(zhì)的熱值和燃燒行為與煤有相同之處，無(wú)需進(jìn)行重大改造，但生物質(zhì)燃料系統(tǒng)(包括存儲(chǔ)和上料等)面臨重大挑戰(zhàn)。

煤電機(jī)組摻燒廢棄物可以利用成熟的煙氣凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化清潔利用。目前，工業(yè)固體廢棄物在CFB鍋爐中摻燒非常普遍。這些工業(yè)廢棄物除了煤泥和矸石等來(lái)自煤炭工業(yè)的廢棄物之外，還包括皮革布條、廢紙殘?jiān)?、氣化殘?jiān)?、木質(zhì)廢物、化工廢液、廢棄潤(rùn)滑油、印染污泥、市政污泥、造紙污泥、河道淤泥、化工尾氣、生化廢氣和低濃度煤層氣等低碳燃料，有時(shí)甚至包括有毒的有機(jī)廢液或者沒(méi)有熱值的廢棄物。固體廢棄物可以隨主燃料一起入爐，也可以通過(guò)單獨(dú)的廢棄物入爐口依靠重力入爐，液體廢棄物通過(guò)霧化配風(fēng)裝置噴入爐膛，漿體廢棄物多采用泵送系統(tǒng)從爐頂或者中部擠壓入爐，氣體廢棄物經(jīng)位于二次風(fēng)口中的燃?xì)鈬娍谶M(jìn)入。

CFB鍋爐摻燒低碳燃料是降低電力生產(chǎn)碳排放的重要舉措，同時(shí)減少?gòu)U棄物處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。社會(huì)對(duì)此需求旺盛，各種容量CFB鍋爐均有成功的案例。

6 粉煤CFB燃燒技術(shù)

針對(duì)CFB鍋爐存在的負(fù)荷變化速率低的問(wèn)題，提出了粉煤CFB(PC-CFB)鍋爐的概念[24]。該技術(shù)保留了CFB燃燒的優(yōu)勢(shì)，又吸收了煤粉爐燃燒響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，采用0 ～1 mm給煤，確保床料中的顆粒直徑小于1 mm，若分離器和返料閥具有良好的性能，則床質(zhì)量即床料粒度可以達(dá)到非常理想的水平，循環(huán)量也很大[25]，具備更強(qiáng)的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、更快的升負(fù)荷速率、更低的NOx原始排放、更少的爐膛受熱面磨損及更低的風(fēng)機(jī)電耗[26]。

為減少投資以及啟動(dòng)需要成本，考慮到CFB燃燒特點(diǎn)，粉煤制備系統(tǒng)不考慮容量冗余，啟動(dòng)過(guò)程或者粉煤制備設(shè)備出現(xiàn)故障，原煤直接入爐。同樣的原因，設(shè)計(jì)和運(yùn)行中磨煤機(jī)的數(shù)量最少可以為1臺(tái)。干燥劑攜帶粉煤離開(kāi)磨煤機(jī)后進(jìn)入氣固分配器進(jìn)行氣固分配，顆粒和少量制粉乏氣從下部進(jìn)入爐膛，制粉乏氣及其攜帶的少量細(xì)煤粉通過(guò)乏氣風(fēng)口進(jìn)入爐膛(見(jiàn)圖8)，關(guān)鍵設(shè)備包括磨煤機(jī)和氣固分配器。工業(yè)試驗(yàn)表明，適當(dāng)調(diào)整中速磨煤機(jī)的操作參數(shù)(如干燥劑流量及其溫度)可以可靠經(jīng)濟(jì)地制備出0～1 mm的粉煤。

1-原煤斗；2-入磨給煤機(jī)；3-磨煤機(jī)；4-入爐給煤機(jī)；5-氣固分配器；6-乏氣風(fēng)口；7-石灰石粉倉(cāng)；8-給粉機(jī)；9-爐膛；10-分離器；11-二次風(fēng)空氣預(yù)熱器；12-二次風(fēng)機(jī)；13-一次風(fēng)空氣預(yù)熱器；14-一次風(fēng)機(jī)；15-除塵器；16-引風(fēng)機(jī)；17-煙囪。圖8 PC-CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)Fig.8 Diagram of the PC-CFB boiler combustion system

煤粉爐中煤粉主要考慮燃燒需要，但在CFB鍋爐中不用考慮著火和火焰穩(wěn)定性問(wèn)題，干燥劑和系統(tǒng)構(gòu)建的約束很少，因此可以借鑒煤粉爐制粉系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。干燥劑采用熱空氣，由一次熱風(fēng)分流并可混合冷風(fēng)形成，經(jīng)過(guò)測(cè)算，一次風(fēng)壓頭滿足需求。鑒于粉煤的粒度范圍要求(0～1 mm)，通風(fēng)速度應(yīng)保證對(duì)1 mm顆粒有攜帶能力。

粉煤CFB燃燒技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，但還是探索中的技術(shù)，初步試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該技術(shù)在運(yùn)行靈活性、排放環(huán)保型和整體經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)顯示出其良好的發(fā)展前景。

7 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑，這為CFB鍋爐的發(fā)展提供了新動(dòng)力。CFB鍋爐發(fā)展面臨一些新的方向：(1) CFB鍋爐零出力熱備用的深度調(diào)峰技術(shù)，通過(guò)循環(huán)干預(yù)、燃燒強(qiáng)化和爐內(nèi)儲(chǔ)熱來(lái)提高變負(fù)荷速率；(2) 改變床料顆粒粒徑以調(diào)控燃燒反應(yīng)過(guò)程，可以降低爐內(nèi)NOx原始生成量，因此CFB鍋爐在實(shí)現(xiàn)靈活性條件下的超低排放更具優(yōu)勢(shì)；(3) 開(kāi)發(fā)小容量亞臨界甚至超臨界CFB鍋爐，改善煤電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性；(4) 發(fā)展高蒸汽參數(shù)生物質(zhì)直燃鍋爐，提高純?nèi)忌镔|(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的供電效率和經(jīng)濟(jì)性；(5) 利用CFB鍋爐燃料適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，在CFB鍋爐中混燒生物質(zhì)、污泥和工業(yè)可燃廢棄物等低碳燃料；(6) 為了進(jìn)一步提高CFB機(jī)組的靈活性、環(huán)保型和經(jīng)濟(jì)性，新型的粉煤CFB燃燒技術(shù)前景較好。