碳中和目標下循環流化床鍋爐技術的展望

呂俊復， 周 托， 張 揚， 吳玉新， 黃 中，張 海， 張 縵， 岳光溪

(清華大學 能源與動力工程系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

循環流化床(CFB)鍋爐由于其卓越的燃料種類適應性、污染控制經濟性和運行范圍靈活性等優勢，在我國受到長期重視，近年來取得了長足的進步，引領了該領域的國際發展[1]。CFB鍋爐在電力行業應用廣泛，總裝機容量超過1億kW，解決了劣質煤高效清潔利用問題。

實現碳中和是一個長期的過程，在此過程中，煤電份額逐步下降，因此要在逐漸減少的過程中充分發揮好煤電的支撐作用[2]。實現2030碳達峰、2060碳中和目標的重要方面是構建以新能源為主體的新型電力系統。新能源的間歇性、波動性和隨機性對電力系統的安全造成巨大沖擊。大量的研究表明，即使是碳中和場景下，也要維持一定的煤電裝機容量[3]，但其作用從提供發電量轉化為調節性電源，托底新能源為主要電源的電網安全。這一功能性變革對燃煤發電機組的靈活性提出了更高的要求，為CFB鍋爐技術的發展注入新動力。CFB鍋爐在運行靈活性、環保性和經濟性方面具有更大的優勢，在碳達峰和碳中和背景下可以發揮更大的作用[4]，筆者分析了該技術的發展方向。

1 CFB鍋爐運行靈活性

CFB燃燒的重要特征是爐膛、分離器和返料閥構成主循環回路，見圖1。爐膛下部密相區的床料在一次風的作用下流化，大于最小流化速度的氣體以氣泡的形式穿越床層，見圖2，在床表面氣泡碎裂，將構成氣泡周界的顆粒以及氣泡氣中的顆粒拋向上部空中，進而在二次風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，細顆粒在上行過程中發生團聚、顆粒團逐漸長大、上升速度逐漸降低。當顆粒團的直徑增大到其終端速度大于氣體速度時，顆粒團開始下行，被受熱面冷卻并被上升的氣流沖刷、變小直至消失，顆粒進入主流區上行，如此反復，延長了顆粒的停留時間，完成了顆粒向壁面的傳熱，實現了下部密相區的熱平衡。燃料進入爐膛后，與數十倍的高溫床料混合，燃料顆粒的溫升速率高達104K/s，床料能夠提供足夠的熱量用于燃料著火，這是CFB鍋爐燃料適應能力強的基礎。因此，高溫物料及其循環流動為CFB傳熱、燃燒和污染控制提供了氣固流動條件。

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

圖2 CFB密相區中的氣泡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定性問題，因此其具有燃料靈活性和深度低負荷穩燃的先天優勢。若不考慮水動力安全性問題，CFB鍋爐的低負荷下限由穩定燃燒轉化為穩定流化。流化需要的風速與床料粒徑有關，目前給煤粒度一般為0～8 mm，若床料粒徑嚴格不超過5 mm，在安全流化所需要的風量下，床溫維持的溫度必須高于燃料著火溫度，此時對應的最低燃料量對應最低負荷能力。若不控制過量空氣系數以及忽略NOx、SO2對燃燒參數的控制約束，低負荷只保證穩定燃燒，考慮到此時貼壁下降流的量很小，則可獲得不同負荷率下床溫達到的上限值，布風板收縮率45%、400 mm床料條件下的床溫(tb)見圖3。在某負荷下，煙塵排放由除塵器控制，硫排放由煙氣脫硫保證，采用降低一次風氧含量控制NOx的原始排放。對于著火溫度低于650 ℃的煤種，在對循環系統不進行干預條件下，保證低負荷穩燃的負荷可降至額定負荷的15%左右；若干預物料循環，則5%負荷下床溫可高于680 ℃，低負荷穩燃能力更強。

圖3 不同負荷下的床溫Fig.3 Bed temperatures at different loads

運行經驗表明，經過系列的合理操作，可以通過瞬時停風使CFB鍋爐進入壓火狀態。此時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板水冷壁熱傳導，床溫逐漸下降(見圖4)，但床溫下降比較緩慢[5]。壓火之后，蒸發量銳減，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之內約為額定蒸發量的1%，這一流量足以維持汽輪機的轉動，使機組處于熱備用狀態，一旦需要，機組則可以迅速啟動。因此，粗略來看，CFB機組具有0%～100%的深度調峰能力，并具有零負荷熱備用特征，是靈活性煤電，可以更好地適應電網中新能源消納方面的需要。

優異的低負荷穩燃能力得益于CFB熱慣性和燃燒慣性大，但這也會導致變負荷速度較低。CFB傳熱機理表明，合理粒度的有效物料存量是傳熱的關鍵。負荷變化過程中，床溫變化較小，傳熱調節的主要途徑是調節有效物料存量。由于這些床料累積需要時間，因此升負荷較慢；降負荷亦然。因此可以通過設置有效循環顆粒物料、有效燃燒燃料顆粒系統以及高溫物料存儲系統，可以快速改變爐膛灰濃度。初步測算，爬坡速率可達3.8%/min，降負荷速率可達5.3%/min。有關這方面的研究還在進行當中。

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

2 超低排放CFB鍋爐

CFB燃燒的重要優勢之一是利用爐內脫硫和低氮燃燒低成本就能滿足絕大多數國家排放標準，但是不能直接達到超低排放[6]。研究表明，在CFB燃燒條件下，氣固流態會影響整體化學反應過程[7]，優化氣固流態以調控化學反應來控制污染排放的探索取得了重要進展[8]。由于CFB鍋爐中產生的NOx主要是燃料型NOx，其生成和還原與反應氣氛密切相關。密相區中，燃料總是位于乳化相中(見圖2)，乳化相近似處于初始流態化狀態，則顆粒間氣體流速為最小流化風速，與床料顆粒性質有關：顆粒越細，最小流化風速越低，位于乳化相中的燃料顆粒從顆粒間流過的氣體中獲得的O2越少；氣泡中的O2通過乳化相顆粒擴散到燃料的擴散系數也受到床料粒徑的影響，顆粒越細，氣體傳質阻力很大。因此床料越細，乳化相中燃料顆粒越缺氧，NOx生成越少。若進一步降低一次風份額或者降低一次風中氧濃度，則更利于降低NOx生成量。

CFB鍋爐爐膛上部氣固流動的重要特征是顆粒團聚[9]。位于稀相區的燃料顆粒大部分位于顆粒團中(見圖5)，其熱解、燃燒和傳質傳熱行為與乳化相中燃料顆粒相似：一方面，顆粒越細，團聚傾向越強，循環流量越大，團聚程度越高；另一方面，顆粒越細，顆粒團中燃料生成NOx越少。

圖5 CFB稀相區的顆粒團聚Fig.5 The agglomeration in the dilute zone of a CFB boiler

CFB燃燒中，抑制燃料型NOx生成會導致CO和CH4等還原性氣體局部濃度增大。還原性氣體進入旋風分離器后，旋轉流動改善其混合程度，還原性氣體一方面進一步還原已生成的NOx，另一方面與O2反應、燃盡。CFB溫度低、燃燒反應速度較低，需要更大的焦炭反應面積，這些表面也是NO還原反應的表面。

提高分離器效率可以降低CFB床料粒徑。分離器效率提高，必然會提高物料循環量，進而強化上部稀相區的顆粒團聚。在分離器效率提高的前提下，可以用更細的石灰石脫硫，從而提供更大的脫硫反應表面積，在低氮燃燒的同時提高爐內脫硫效率[10]。因此可通過降低CFB床料粒徑、增加循環量來調整氣固流態以調控NOx生成，提高爐內脫硫效率。該技術實踐中取得了系列成功[11]。

值得注意的是，在靈活性運行條件下，硫氮污染物超低排放是一個難題。在深度調峰運行條件下，煙塵排放由除塵器控制，SO2排放由煙氣脫硫控制，但此時的煙溫條件無論是非催化選擇性還原(SNCR)還是催化選擇性還原(SCR)均難以達到設計溫度范圍，必須依賴爐內燃燒控制，初步實踐表明，對此CFB鍋爐有解決空間，這一問題還需要深入研究。

3 超高參數小容量CFB鍋爐

可再生能源不穩定對電網安全性的沖擊問題使人們清醒地意識到現階段煤電是供電可靠性的保障。在煤電份額逐年下降的長期過程中，若沒有替代能源的顛覆性突破，一方面由于運行壽命燃煤機組要大規模退役，另一方面還不得不新建相當規模的燃煤機組。而由于煤電所處的運營和經濟環境的根本變化，更新的機組在技術上不僅要比現有的指標更先進，而且必須適應現代電網越來越多地消納可再生能源的發展趨勢。為此，美國2019年啟動了所謂的“Coal FIRST”燃煤發電研發計劃。該計劃的核心思想之一是小容量、與2050年可再生能源市場滲透率相適應的高爬坡率和最小負荷運行能力，還要兼具摻燒天然氣和生物質等低碳燃料的潛力[12]。

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

近年來，小型高參數CFB鍋爐取得了重要進展。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組中常見的570 ℃；為便于運行調節，采用汽包爐，選用亞臨界壓力17.3 MPa。為與原有蒸汽系統銜接，再熱蒸汽為中溫中壓。鍋爐總圖見圖6，是目前該容量等級中蒸汽參數最高的鍋爐。

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

該機組投運以來，運行可靠，滿負荷出力下，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銜接，再熱器進口蒸汽壓力為4.53 MPa，再熱器進口蒸汽溫度為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 ℃。采用爐內石灰石脫硫+半干法脫硫，脫硫塔進口SO2質量濃度為43.8 mg/m3，出口SO2質量濃度為1.2 mg/m3；采用SNCR脫硝，NOx排放質量濃度為25.2 mg/m3。運行結果顯示了該機組良好的可靠性、經濟性和環保性。

開發亞臨界、超臨界小容量CFB鍋爐以及相應的汽輪機組是一個重要的發展方向。

4 生物質高參數CFB鍋爐

農林廢棄物等生物質直燃發電具有與傳統化石能源相同的可調度性[15]，在以新能源為主體的新型能源系統中占有獨特重要的地位。近年來，我國大力發展生物質直燃發電技術，截至2020年底，已裝備各種生物質發電機組約3 000萬kW。我國具有豐富的生物質資源，折合每年7億t標準煤，可支撐1億kW的裝機容量。由于生物質資源的分散性，不宜建設大容量的生物質發電機組。國內外純燃生物質時多采用室燃或層燃，但這兩類技術對生物質種類的適應性要求均比較苛刻[16]，燃料成本高，爐膛水冷壁和對流受熱面的沾污嚴重，高溫受熱面發生腐蝕[17-18]，限制了蒸汽溫度，國內外絕大部分純燃生物質電站鍋爐的蒸汽參數均以次高壓和高壓為主，導致純燃生物質發電機組供電效率不高，經濟上缺乏競爭力。

根據生物質鍋爐受熱面腐蝕的發生機理(見圖7)，針對CFB鍋爐的爐內高溫受熱面防沾污腐蝕，研究人員提出將高溫過熱器和高溫再熱器等高溫受熱面布置在爐膛中，利用物料循環對受熱面反復沖刷，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，突破了生物質鍋爐提高蒸汽參數的技術瓶頸[16]。與此同時，爐膛中的高濃度物料對煙氣中蒸發的堿金屬鹽蒸氣有更強的吸附作用[19]，減少了高溫受熱面表面沾污，抑制了腐蝕的發生。

生物質燃燒產生的煙氣流經對流受熱面時，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，融黏顆粒進一步在煙氣沖刷受熱面時沉積下來，形成對流受熱面的沾污。該過程受煙氣速度、灰濃度、顆粒粒度和來流方向等影響，尤其是流動的固體邊界即繞流表面曲率影響顯著。通過大間距、小管徑、平行流及低煙氣速度設計，可以利用管間繞流減小融黏顆粒的液橋力，有效防止或緩解對流受熱面表面沾污和積灰[16]。

圖7 沾污和溫度對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

生物質灰中含有大量鉀、鈉等堿金屬，灰熔點比較低，存在床料結焦的風險[20]，因此需要精確計算爐內傳熱和設計爐內受熱面，以確保運行床溫在設計值。在一定床溫下，爐膛中物料濃度決定了傳熱系數。針對生物質燃料的灰分特點[21]，通過提升關鍵部件的性能并利用秸稈夾帶外在灰分實現生物質CFB鍋爐的高品質物料循環[15]。

生物質含硫量普遍較低，利用其本身灰分的自脫硫作用，可實現SO2原始排放濃度。利用高性能的物料循環形成的強還原性氣氛，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，可實現NOx超低排放。

高參數達到超高壓一次再熱的純燃農業秸稈的生物質CFB鍋爐成功系列化應用，包括40 MW (130 t/h)、80 MW(260 t/h)和125 MW(384 t/h)鍋爐，這些機組運行良好，突破了純燃秸稈CFB鍋爐蒸汽參數不超過高溫高壓、不再熱的國際禁區。與高溫高壓相比，超高壓一次再熱生物質CFB鍋爐的發電量提高了21%。這些生物質鍋爐投運以來，均可在30%～105%額定負荷范圍內穩定運行，突破了CFB鍋爐燃燒秸稈普遍面臨的受熱面沾污問題，連續運行時間超過10個月，實現了煙氣中NOx和SO2的超低排放。未來還可進一步提高蒸汽參數，開發亞臨界及超臨界生物質直燃鍋爐，以獲得更高的發電效率。

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，具有優異的燃料適應性，這為將生物質、污泥和工業可燃廢棄物等低碳燃料在CFB鍋爐中混燒提供了條件。與煤粉爐生物質摻燒存在的腐蝕和結焦等問題[22-23]相比，CFB鍋爐中摻燒生物質簡單，由于生物質的熱值和燃燒行為與煤有相同之處，無需進行重大改造，但生物質燃料系統(包括存儲和上料等)面臨重大挑戰。

煤電機組摻燒廢棄物可以利用成熟的煙氣凈化技術，實現廢棄物的資源化清潔利用。目前，工業固體廢棄物在CFB鍋爐中摻燒非常普遍。這些工業廢棄物除了煤泥和矸石等來自煤炭工業的廢棄物之外，還包括皮革布條、廢紙殘渣、氣化殘渣、木質廢物、化工廢液、廢棄潤滑油、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，有時甚至包括有毒的有機廢液或者沒有熱值的廢棄物。固體廢棄物可以隨主燃料一起入爐，也可以通過單獨的廢棄物入爐口依靠重力入爐，液體廢棄物通過霧化配風裝置噴入爐膛，漿體廢棄物多采用泵送系統從爐頂或者中部擠壓入爐，氣體廢棄物經位于二次風口中的燃氣噴口進入。

CFB鍋爐摻燒低碳燃料是降低電力生產碳排放的重要舉措，同時減少廢棄物處理費用，實現廢棄物的資源化利用。社會對此需求旺盛，各種容量CFB鍋爐均有成功的案例。

6 粉煤CFB燃燒技術

針對CFB鍋爐存在的負荷變化速率低的問題，提出了粉煤CFB(PC-CFB)鍋爐的概念[24]。該技術保留了CFB燃燒的優勢，又吸收了煤粉爐燃燒響應快的優點，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，則床質量即床料粒度可以達到非常理想的水平，循環量也很大[25]，具備更強的低負荷穩燃能力、更快的升負荷速率、更低的NOx原始排放、更少的爐膛受熱面磨損及更低的風機電耗[26]。

為減少投資以及啟動需要成本，考慮到CFB燃燒特點，粉煤制備系統不考慮容量冗余，啟動過程或者粉煤制備設備出現故障，原煤直接入爐。同樣的原因，設計和運行中磨煤機的數量最少可以為1臺。干燥劑攜帶粉煤離開磨煤機后進入氣固分配器進行氣固分配，顆粒和少量制粉乏氣從下部進入爐膛，制粉乏氣及其攜帶的少量細煤粉通過乏氣風口進入爐膛(見圖8)，關鍵設備包括磨煤機和氣固分配器。工業試驗表明，適當調整中速磨煤機的操作參數(如干燥劑流量及其溫度)可以可靠經濟地制備出0～1 mm的粉煤。

1-原煤斗；2-入磨給煤機；3-磨煤機；4-入爐給煤機；5-氣固分配器；6-乏氣風口；7-石灰石粉倉；8-給粉機；9-爐膛；10-分離器；11-二次風空氣預熱器；12-二次風機；13-一次風空氣預熱器；14-一次風機；15-除塵器；16-引風機；17-煙囪。圖8 PC-CFB鍋爐燃燒系統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定性問題，干燥劑和系統構建的約束很少，因此可以借鑒煤粉爐制粉系統的經驗。干燥劑采用熱空氣，由一次熱風分流并可混合冷風形成，經過測算，一次風壓頭滿足需求。鑒于粉煤的粒度范圍要求(0～1 mm)，通風速度應保證對1 mm顆粒有攜帶能力。

粉煤CFB燃燒技術已經開始進行工業試驗，但還是探索中的技術，初步試驗結果達到了預期目標。該技術在運行靈活性、排放環保型和整體經濟性上的優勢顯示出其良好的發展前景。

7 結 語

構建以新能源為主體的新型電力系統是實現碳中和目標的重要途徑，這為CFB鍋爐的發展提供了新動力。CFB鍋爐發展面臨一些新的方向：(1) CFB鍋爐零出力熱備用的深度調峰技術，通過循環干預、燃燒強化和爐內儲熱來提高變負荷速率；(2) 改變床料顆粒粒徑以調控燃燒反應過程，可以降低爐內NOx原始生成量，因此CFB鍋爐在實現靈活性條件下的超低排放更具優勢；(3) 開發小容量亞臨界甚至超臨界CFB鍋爐，改善煤電的靈活性和經濟性；(4) 發展高蒸汽參數生物質直燃鍋爐，提高純燃生物質發電項目的供電效率和經濟性；(5) 利用CFB鍋爐燃料適應性的優勢，在CFB鍋爐中混燒生物質、污泥和工業可燃廢棄物等低碳燃料；(6) 為了進一步提高CFB機組的靈活性、環保型和經濟性，新型的粉煤CFB燃燒技術前景較好。