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【专家解说】：

循环流化床燃烧技术

循环流化床(CFB)燃烧技术是一项近二十年发展起来的清洁煤燃烧技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石炉内脱硫、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。

一，概念

　　自循环流化床燃烧技术出现以来，循环床锅炉在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环床锅炉已被发电行业所接受。

循环流化床低成本实现了严格的污染排放指标，同时燃用劣质燃料，在负荷适应性和灰渣综合利用等方面具有综合优势，为煤粉炉的节能环保改造提供了一条有效的途径。

二，性能特点

1、 锅炉燃料适用性广

可燃用无烟煤、烟煤、劣质煤、工业煤渣、煤研石等；

2、 锅炉燃烧效率高

燃料燃烬率在98％以上，分离效果好，飞灰损失少；

3、 锅炉负荷调节范围大

最小负荷可降至25-30％，每分钟负荷变化速率为全负荷的5－10％；

4、 环保效果好

锅炉床内低温燃烧，实现低ＮＯx排放，可实现炉内脱硫，脱硫效果好（脱硫率大于90％），烟尘排放浓度低；

5、 锅炉受热面磨损少

特殊线型结构的旋涡内分离器，分离效率高，总分离效率达98％，最小分离粒径8－12um，炉膛出口烟气含尘低，减少对锅炉受热面的磨损；

6、 投资省

炉膛内置旋涡分离器，降低了炉膛高度，结构紧凑，占地少，钢耗低，节约初期投资；

7、 分离、回料系统安全、可靠

分离器和物料循环回料系统均由膜式水冷壁构成，即：全水冷，允许残碳在其内燃尽而不易引起超温结焦、堵塞等事故。耐磨耐火，内衬薄，重量轻，节省材料，并且锅炉启停速度快，内衬不易裂开及剥落，运行安全可靠。

8、 埋管寿命长，更换方便

埋管是采和厚壁管加焊密排防磨筋圈的竖埋管，埋管区设计烟速低，使用寿命在5年以上（每年对部分磨损的筋圈补焊，延长使用寿命）；

9、 投资回报

锅炉灰渣可综合利用，经济性好（可作建筑材料如水泥添加剂），投资回报率高。

三，3.1燃烧机理　　循环流化床锅炉采用流态化的燃烧方式，是介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的燃烧方式，即通常所讲的半悬浮燃烧方式。在循环流化床锅炉中,存有大量床料,首次启动时人为添加床料,在锅炉运行时床料主要由煤中的灰、未反应的石灰石、石灰石脱硫反应产物等构成。床料在从布风板下送入的一次风的作用下处于流化状态，煤粒、床料及石灰石被烟气夹带在炉膛内向上运动，在炉膛的不同高度部分大颗粒将沿着炉膛边壁下落，形成物料的内循环；较小固体颗粒被烟气夹带进入分离器，进行分离，绝大多数颗粒被分离下来，一部分通过回料阀直接返回炉膛，另一部分通过外置式换热器后返回炉膛，形成物料的外循环；飞灰随烟气进入尾部烟道。通过炉膛的内循环和炉外的外循环，从而实现燃料不断的往复循环燃烧。　　循环流化床根据物料浓度的不同将炉膛分为密相区、过渡区和稀相区三部分，密相区中固体颗粒浓度较大，具有很大的热容量，因此在给煤进入密相区后，可以顺利实现着火；与密相区相比，稀相区的物料浓度很小，稀相区是燃料的燃烧、燃尽段，同时完成炉内气固两相介质与蒸发受热面的换热，以保证锅炉的出力及炉内温度的控制。　　3.2脱硫原理　　循环流化床锅炉处在830-900℃的工作温度下，在此温度下石灰石可充分发生焙烧反应，使碳酸钙分解为氧化钙，氧化钙与煤燃烧产生的二氧化硫进行盐化反应，生成硫酸钙，以固体形式排出达到脱硫的目的。石灰石脱硫反应方程CaCO3=CaO+CO2-热量Q 　　 CaO+SO2+1/2O2=CaSO4+热量Q　　因此循环流化床锅炉可实现炉内高效廉价脱硫，一般脱硫率均在90%以上。同时，由于较低的炉内燃烧温度，循环流化床锅炉中生成的NOX主要由燃料NOX构成即燃料中的N转化成的NOX；而热力NOX即空气中的N转化成的NOX生成量很小；同时循环流化床锅炉采用分级送风的方式即一次风从布风板下送入，二次风分二层从炉膛下部密相区送入，可以有效地抑制NOX的生成。因此循环流化床锅炉中的污染物排放很低。

四、循环流化床燃烧技术发展历史回顾

　　主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。

　　分离器是主循环回路的关键部件，其作用是完成含尘气流的气固分离，并把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。从某种意义上讲，CFB锅炉的性能取决于分离器的性能，所以循环床技术的分离器研制经历了三代发展，而分离器设计上的差异标志了CFB燃烧技术的发展历程。

　　●（一）绝热旋风筒分离器

　　德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉[1]。分离器入口烟温在850℃左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。

　　这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高启动时间长、运行中易出现故障；密封和膨胀系统复杂；尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时，旋风筒内的燃烧导致分离下的物料温度上升，引起旋风筒内或回料腿回料阀内的超温。这些问题在我国实际生产条件下显得更突出。

　　Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置较多数量的受热面，降低了旋风筒入口烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛较高，钢耗量大，锅炉造价提高。同时，它的CO排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。

　　●（二）水(汽)冷旋风筒分离器

　　为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点，同时有效地克服该炉型的缺陷，Foster Wheeler公司设计出了堪称典范的水（汽）冷旋风分离器。应用水(汽)冷分离器的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉。

　　该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料，壳外侧覆以一定厚度的保温层。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，同时较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题，也未发生旋风筒内磨损问题，充分显示了其优越性。这样，高温绝热型旋风分离循环床的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。

　　当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW式水（汽）冷旋风分离器的问题是制造工艺及生产成本，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制。同时该分离器的结构形式与高温绝热旋风筒并无本质差异，因此锅炉结构仍未恢复到传统锅炉完美的形式。为了各部件的热膨胀而设置的大型膨胀节成为该炉型最薄弱的环节，损坏事故频繁发生(见第15届FBC国际会议Operator Section)。因此调整分离器的形状，进一步提高紧凑性和可靠性问题成为循环流化床燃烧技术发展的关键。

　　●（三）方型水冷分离器

　　为克服汽冷旋风筒锅炉的结构问题及制造成本高的问题，芬兰Ahlstrom公司创造性地提出了Pyroflow Compact设计构想。

　　Pyroflow Compact循环床锅炉采用其独特专利技术的方型分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，壳体仍采用FW式水（汽）冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方型的气固分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间免除热膨胀节。同时方型分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。借鉴汽冷旋风筒成功的防磨经验，方型分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，分离器成为受热面的一部分，为锅炉快速启停提供了条件。

五、方型分离器循环床技术

　 芬兰Ahlstrom公司的方型分离器紧凑型设计推出之后，立即引起了广泛的重视。但人们对该技术一直持观望态度。但经过多台锅炉5年的运行实践，已经为人们所接受，其标志为1999年5月第15届国际流化床燃烧会议上该专利持有人Timo荣获唯一的ASME最高贡献奖。Foster Wheeler公司和Ahlstrom公司合并后即将方型分离器循环流化床锅炉作为大型化方向予以重点发展。采用方型分离器的紧凑型布置循环床锅炉的市场份额逐年增加。

　　目前各循环流化床锅炉制造厂家和研究机构都十分重视循环流化床锅炉的大型化，方型分离器在大型化方面具有很大的优势。1993年清华大学在实验室对国外方型分离器专利进行了验证实验，并改进了入口段设计，实验表明这个改进是完全正确的，这个改进最终取得了中国专利—“水冷异型分离器”。为进一步优化分离器的效果和验证改进可靠性，在实验室冷态实验、热态实验的基础上应用于75t/h完善化循环流化床锅炉，并取得成功。

　　该分离器是四周用膜式水冷壁组成的方型分离器，烟气入口加速段由水冷壁管弯制成圆弧形。该设计低成本有效地克服了绝热旋风筒的后燃结焦问题和圆形汽(水)冷旋风筒的结构问题，被认为达到九十年代国际先进水平。

　　对几种不同当量尺寸的方型分离器进行了一些卓有成效的试验和较为深入的研究，取得了许多有价值的结果。对这些成果进行较全面的分析、整理和比较表明，方型分离器的放大性能要优于圆形旋风分离器，至少绝不逊于后者，特征尺寸在10m以内的方型分离器大型化的前景相当乐观。清华大学在该方面的研究成果以及220t/h、410t/h采用方型分离器的循环流化床锅炉设计得到国际同行的充分肯定和高度评价，在15届FBC国际会议上被评为最佳论文。

六、循环流化床锅炉的效率

　　循环流化床燃烧技术具有以下特点：气固混合很好；燃烧速率高，特别是对粗颗粒燃料；绝大部分未燃烬的燃料被再循环至炉膛，因而其燃烧效率可与煤粉炉相媲美，通常达到97.5%～99.5%。

　　根据统计资料，循环流化床燃烧效率受煤种影响较大。对较为年轻的褐煤、泥煤，燃烧效率可达到98％以上；而对于变质程度较高的无烟煤到烟煤，飞灰含碳量往往高达10％以上。一般来讲，各种形式的旋风筒对100μm以下的细颗粒分离效率不可能很高，因此旋风筒对细颗粒燃尽是无能为力的，应当采取飞灰回送等措施解决难燃煤种燃烬问题，而这是目前国际上比较成熟的技术。

　　关于提高循环流化床锅炉效率的问题，目前比较一致的看法是提高参数。据分析，超临界循环流化床锅炉电厂的效率可达43％～44％。根据法国Stein Industrie公司对超临界参数Lurgi循环流化床锅炉的研究，由于Lurgi型循环流化床锅炉有外置换热器，而外置换热器的工作温度在700° C左右，使用清洁空气流化，在外置换热器内布置高温换热器可防止高温腐蚀，因而采用超临界参数比煤粉炉更为有利。采用超临界参数可使发电效率提高约6%。