煤粉-流化床復合燃燒技術簡介

【摘 要】 我國的能源結構決定了我國能源消費將長期以煤為主，在能源供需矛盾日益嚴峻的今天，工業鍋爐節能工作勢在必行。本文針對煤粉鍋爐和流化床鍋爐各自的優點，提出煤粉-流化床復合燃燒的方式，從工業鍋爐燃燒的角度，實現工業鍋爐節能減排。

【關鍵詞】 工業鍋爐 煤粉-流化床 復合燃燒

1、緒論

我國的能源資源特點是“富煤、缺油、少氣”。為此，在我國能源消費結構中，煤炭的消費占有很大的比例，在20世紀50、60年代，煤炭能源產量曾一度占到80%~95%的比例，即使到了80年代，煤炭能源所占比例也依然高達70%。今年來，隨著新能源、可再生能源的開發與利用，以及煤炭消費過程中帶來的諸多環境問題，煤炭消費總量略有下降。2012年我國煤炭消費量占能源消費總量的61.2%。

鍋爐是主要的能源轉換設備，也是重要的煤炭消耗和污染物排放裝置。截至2012年底，我國鍋爐在用量63.5萬臺，其中工業鍋爐62.4萬臺。我國鍋爐以燃煤為主，由于工業鍋爐煙氣凈化裝置技術水平及配備率較低，且多為低空排放，是形成霧霾天氣的重要原因之一。

近年來，我國燃煤電站鍋爐向大容量、高參數方向快速發展，無論是生產制造還是運營管理均接近國外先進水平。但是，燃煤工業鍋爐平均運行效率不到70%，比國際先進水平低10～15個百分點，節能潛力及煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的減排潛力巨大。黨的“十八大”提出“五位一體”的總體布局，把生態文明建設放在突出地位，對我國鍋爐的節能環保工作提出了新的更高的要求。為此，提高燃煤工業鍋爐的運行效率，降低污染物排放對加強生態文明建設，推動節能減排工作具有重要意義。

2 煤粉鍋爐、流化床鍋爐的特點

2.1煤粉鍋爐

煤粉鍋爐是指以煤粉為燃料的懸燃鍋爐，利用燃燒器將磨碎的煤粉和空氣混合后，噴入爐膛。主要應用于大型電站鍋爐，目前較大容量的工業鍋爐也采用這種燃燒形式，由于煤粉在爐膛內燃燒的比表面積較大，燃燒狀況相對較好，其燃燒效率較高。但由于影響燃燒穩定性的因素較多，也存在相當多的缺點（見表1）。

2.2流化床鍋爐

流化床是介于固定床和懸浮床之間的氣固兩相床層，其氣固兩相流動的特點決定了這種床層的優缺點[1]（見表2）。

3 復合燃燒技術在國內外研究現狀

所謂復合燃燒，該概念來源于鏈條爐的改造，就是在鏈條爐的爐側或爐前，另加裝一套煤粉燃燒器，向爐內噴煤粉燃燒。因此，在鏈條爐的內部就同時存在兩種燃燒方式，其中一部分的煤在爐排上層狀燃燒，另一部分煤以煤粉形式在爐膛內懸浮燃燒，這樣既充分利用了爐膛空間，又減輕了爐排熱負荷，提高了爐膛溫度。煤粉-鏈條爐復合燃燒不僅提高了鍋爐熱效率，又大幅增加了鍋爐出力。類似的，廣義的復合燃燒即只要在同一鍋爐內同時存在兩種或兩種以上燃燒方式（燃燒方式主要有三種：層狀燃燒、懸浮燃燒、流化燃燒）時，就稱為復合燃燒。

關于復合燃燒，國外已經進行了很多研究，但主要集中于不同燃料混燃的復合燃燒技術上[2][3][4]，與本文對復合燃燒的定義有所不同；國內的研究則主要集中在層燃-懸浮復合燃燒技術上，對其他方式的復合燃燒研究相對較少。陳慶林[5]列舉了層燃鍋爐改造成層燃-懸浮復合燃燒鍋爐、沸騰爐改造成懸浮-流化復合燃燒爐的改造實例，證明了對于20t/h~35t/h的工業小鍋爐復合燃燒改造是成功的，能大幅提高鍋爐熱效率，降低飛灰含碳量，增強鍋爐煤種適應性，更加節能環保。李清海[6]對層燃-流化復合燃燒垃圾焚燒爐的污染物排放和燃燒進行了系統的建模和實驗研究，分析指出了采用層燃爐預熱干燥、循環流化床焚燒這一技術路線的獨特優勢，通過對橘子皮等典型垃圾的實驗研究和理論分析，得出了復合爐的優化結構和燃燒排放的半經驗計算模型，證明了層燃-流化復合燃燒爐焚燒垃圾方面的可行性和可靠性。王彥、李元章[7]，[8]等針對鏈條爐熱效率偏低的現狀，把復合燃燒技術引入鏈條爐，通過層狀燃燒和懸浮燃燒兩種燃燒方式結合的方法，大大改善了鏈條爐的燃燒狀況，提高了鍋爐的熱效率和煤種適應性，實現了節能和環保的雙重目標。許忠春[9]等研究了使用復合燃燒技術改造舊鍋爐的效果，在鏈條爐上加裝噴粉裝置，研究發現該裝置以間歇方式運行效果最好，根據負荷變化噴粉量可以隨意調節。針對具體鏈條爐的改造經濟效益顯著，各技術指標均有優化。

綜合以上文獻，通過對鏈條鍋爐采用煤粉-層燃燃燒方式的改造，對提高工業鍋爐運行效率，增強煤種的使用性等方面取得了良好的效果。這些研究對改造后系統產生的問題研究較少，主要集中在改造的經濟性和可行性研究中，鍋爐用復合燃燒技術改造后的燃燒效率、燃燒穩定性等問題沒有進行更深入的研究。

煤粉流化床燃燒（PCF-FBC）是一種比較特殊的復合燃燒技術。該燃燒技術的主要特點是，在鍋爐內存在層燃和懸浮燃燒兩種燃燒方式，但是只有一套給煤系統。煤粉從底飼進入流化床燃燒區，完成著火、揮發分燃燒、部分固定碳燃燒后，飛入上部懸浮燃燒區，并在多層四角切圓二次風作用下進一步完成燃燒和燃盡。陳鴻偉、李永華等[10]，[11]對煤粉流化床燃燒進行了熱態試驗，并對NO的生成和排放控制特征進行了研究。結果表明，煤粉流化床燃燒具有煤粉燃燒的高效率和流化床低污染的特點，同時NO排放濃度遠低于煤粉爐。但是他們并沒有研究流化床燃用大顆粒煤燃料、上部采用煤粉懸浮燃燒的情況。王輝[12]等研究了水煤漿流化-懸浮燃燒技術，并設計了一臺14MW的臥式鍋爐。該燃燒技術的特點是使用水煤漿為唯一的燃料，水煤漿以滴狀顆粒團送入鍋爐下部密相區，在密相區中迅速被加熱并著火燃燒，著火后的水煤漿在隨煙氣上升過程中繼續燃燒，未燃盡的顆粒團會被捕集并輸回燃盡裝置，解決了水煤漿燃燒過程中存在的放炮、易熄火等問題。吳少華[13]首先提出了煤粉-流化床復合燃燒的概念，并在理論上分析了煤粉-流化床鍋爐的結構特點、熱力特性，指出該種鍋爐結合了煤粉爐的燃燒高效率特點和流化床的廣泛煤種適應性及污染物排放低的特點，并進行了煤粉爐、燃油鍋爐改造為復合燃燒鍋爐的可行性研究，指出改造不僅能優化各項運行指標，還能獲得良好的經濟效益和環保效益，而且由于未改動鍋爐本體結構，改造成本低廉。吳少華的研究工作為這一新型復合燃燒技術的發展起到了巨大推動作用。趙廣播[14]，[15]，[16]等分析了燃燒樹皮和煤粉雙燃料的煤粉-流化床復合燃燒鍋爐爐膛內的物質平衡和熱平衡，得到了爐膛及空氣預熱器的物質平衡方程、沸騰層及煤粉爐爐膛的熱平衡方程及爐膛出口的過量空氣系數、鍋爐氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失的計算公式；考慮流化床、火焰和受熱面之間換熱的基礎上，推導了流化床-煤粉復合燃燒鍋爐爐膛傳熱計算方程，得到了爐膛傳熱計算的零維模型半經驗法；針對雙燃料的煤粉-流化床復合燃燒鍋爐的特點，提出了按基本蒸汽負荷設計流化床的思路，并以75t/h樹皮流化床-煤粉復合燃燒鍋爐為例，分析預測了負荷變化時鍋爐的熱力特性。周建軍[17]等對在流化床鍋爐中煤粉不同噴入位置對爐內固相運動特性的影響做了研究。針對流化床復合煤粉懸浮燃燒技術，建立了爐內氣固運動特性的三維數學模型并進行了數值計算。復合燃燒的爐內氣固兩相流場對鍋爐的設計有重要指導意義，此外，燃燒產生的氣相各組分濃度分布、溫度分布等，對鍋爐實際運行也有重要參考價值，這方面的研究還有待展開。

4 總結

復合燃燒技術在近幾十年的研究和應用中逐漸成熟，尤其是層狀燃燒-懸浮燃燒復合燃燒技術，無論在理論研究和工程應用中都得到了較為深入的發展。但是目前復合燃燒技術對懸浮-流化復合燃燒研究仍然較少。煤粉-流化床復合燃燒技術結合了流化床和煤粉爐二者的優點，又彌補了各自的缺點，大有發展的必要。目前由于對煤粉-流化床復合燃燒爐爐膛內氣固兩相流動特性及反應的研究和認識還很不夠，從而較大地阻礙了該技術的進一步發展和應用。因此十分有必要對此展開進一步研究，對于這一技術的應用具有重要意義。

參考文獻：

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