课题：能源转换与环境保护
——浅谈循环流化床锅炉在电厂的应用
能源与环境是当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国，也是用煤大国，目前一次能源消耗中煤炭占76%，在可见的今后若干年内还有上升的趋势，而这些煤炭中又有84%是直接用于燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，以致于我国每年排入大气的87%SO2和67%NOx均来源于煤的直接燃烧，可见发展高效、低污染清洁燃烧技术是当前亟待解决的问题。
循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NOx排放，90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。我国近几年来也有100多台循环流化床锅炉投入运行或正在制造中，100MW级的循环流化床锅炉已有投运，而更大容量的电站循环流化床锅炉在国际上正在示范运行，已被发电行业所接受和公认。可以预见，未来的几年将是CFBB技术飞速发展的一个重要时期。
流态化技术最初来源于化工生产中的流态化反应器。第一台成功运行的流化床是德国人温克勒于1921年发明的，他将燃烧产生的烟气引入一装有焦炭颗粒的炉室的底部，然后观察到了固体颗粒因受气体的阻力而被提升，整个颗粒系统看起来就像沸腾的液体，这也是工业应用的流化床的雏形。此后流态化技术一直在化工领域被应用并发展，直到上个世纪五、六十年代，流态化技术才开始在燃烧领域应用。
流化床燃烧技术的应用最初是鼓泡床技术，其大概的工作过程就是，碾碎的小颗粒燃料通过给煤口送入炉内，床内布置有埋管蒸发受热面，空气由风室通过床下布风板送入床层，将燃料颗粒吹起。吹起的颗粒上升到一定高度，在重力作用下又落下，再由空气吹起上升，然后又落下，如此反复上升、落下， 好像水在沸腾时的状态一样，固体颗粒层也膨胀起来，此时固体颗粒便进入流化状态，这便是最初的鼓泡床燃烧。从以上鼓泡床燃烧特点可以看出，其飞灰含碳量大，不完全燃烧损失大。由于鼓泡床在燃烧宽筛分燃料尤其是劣质燃料时，固体未完全燃烧损失很大、加入石灰石脱硫效率低、埋管受热面和炉墙磨损大以及大型化时床面积过大受热面难以布置等缺点的限制，由于上述种种原因，人们便开始新的探索，力图在此基础上进行改进，克服其固有弱点，循环流化床燃烧技术便应运而生。
提到循环流化床燃烧技术，不得不提芬兰奥斯龙（Ahlstrom）公司。新一代循环流化床燃烧技术真正得到应用始于上世纪七十年代未八十年代初，奥斯龙公司对循环流化床炉的开发是60年代未期在鼓泡流化床炉的基础上开始的。为提高燃烧效率，奥斯龙公司对运行风速为3m/s的鼓泡流化床采用高温旋风分离器来实现细粉的再循环进行了试验，结果表明燃烧效率得到提高。随后，奥斯龙公司在芬兰建造了第一台商用循环流化床锅炉，该锅炉的热功率为15MW。在这个基础上，循环流化床燃烧技术不断被发展，并形成几大技术流派，在工业领域迅速的得到大面积应用。
由于我国电力生产是以火力发电为主的国家，煤炭资源分布极为不均衡，又多高硫劣质煤，随着我国经济的快速增长，能源需求的增加与防治环境污染的矛盾将日益突出，而传统的煤粉炉尾气脱硫投资较高，所以循环流化床锅炉技术及产品将具有巨大的市场潜力和良好的社会效益，其广阔的市场前景促进了大型骨干锅炉制造企业重视循环流化床锅炉技术的发展。先后有哈尔滨锅炉有限责任公司、东方锅炉股份有限公司等采取国际合作、技术引进等不同方式为国内化工及发电行业提供数台220t/h高压无再热循环流化床锅炉。同时，国际上的循环流化床供货商普遍看好中国市场。至今已有石油、化工、电力等部门从国外购进一批的220t/h、410t/h循环流化床锅炉。
循环流化床锅炉是一种新型的燃用固体燃料（如煤）的锅炉。固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒、炉渣等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流态化）运动，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。炉膛内固体颗粒的浓度高，燃烧、传质、传热剧烈，温度分布均匀。
一、循环流化床燃烧锅炉的基本特点可概括如下：
1、低温动力控制燃烧
循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并且有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程，同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般850℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种 低温燃烧 方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无需很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价高效的脱硫工艺等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区（或过渡区）内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有大量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内料的燃尽度很高，通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达98~99%以上。
2、高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程
循环流化床锅炉的固体物料（包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等）经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在前面介绍快速流态化的特点时，我们也介绍了炉膛内固体物料的内循环，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运动的运态过程中逐步完成的。
3、 高强度的热量、质量和动量传递过程
在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。
二、环流化床锅炉具有许多不替代的优点
除以上主要特点外,同其它燃烧方式相比循环流化床锅炉具有许多不替代的优点，主要表现在以下几个方面：
首先，由于循环流化床采用低温燃烧（850℃~900℃），因此可以比较容易地控制NOx的排放，方便高效地脱硫，炉内不存在结渣问题，如果燃烧组织好的话，灰渣可以综合利等。
其次，循环流化床锅炉能稳定燃烧多种劣质燃料，燃料适应性广，除烟煤外，还可燃用无烟煤、劣质烟煤、褐煤、石煤以至矸石等固体燃料，并且可以达到较高燃烧效率。
与第一代流化床（鼓泡床）燃烧锅炉相比，循环流化床锅炉燃烧效率高，脱硫效率高，给煤容易，传热系数高，便于大型化，磨损问题也易于解决
一、循环流化床的原理及特点
在气流以不同速度通过固体颗粒床层时，固体颗粒床层会呈现不同的流动状态。随着气流速度的增加，固体颗粒分别呈现固定床、鼓泡流化床、湍流流化床、快速流化床和气力输送状态。循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下。快速流化流体动力特性的形成对循环流化床是至关重要的，此时，固体物料被速度大于单颗物料的终端速度的气流所流化，以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。颗粒团向各个方向运动，且不断形成和解体。在这种流体状态下，气流还可携带一定数量的大颗粒，尽管其终端速度远大于截面平均气速。这种气固运动方式中，存在较大的气固两相速度差，即相对速度，循环流化床由快速流化床（上升段），气固物料分离装置和固体物料回送装置组成。
循环流化床的特点可归纳如下：
不再有鼓泡流化床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升段空间；
有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动；
颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关；
运行流化速度为鼓泡床的2~3倍；
床层压降随流化速度和颗粒的质量流量而变化；
颗粒横向混合良好；
强烈的颗粒返混，颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个 升段内温度分布均匀；
通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟到数小时范围内调节；
流化气体的整体性状呈塞状流；
流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。
二、循环流化床锅炉工作原理
循环流化床锅炉是一种新型的燃用固体燃料（如煤）的锅炉。固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒、炉渣等）在炉膛内以一种特殊的气固流动方式（流态化）运动，离开炉膛的颗粒又被分离并送回炉膛循环燃烧。炉膛内固体颗粒的浓度高，燃烧、传质、传热剧烈，温度分布均匀。
一次风（流化风）经过风室由炉膛底部穿过孔的底板（布风板）送入炉膛，炉膛内是一些粒度为0~6mm（甚至更大）的固体颗粒（燃料、石灰石、砂粒等），它们被流化风流化呈流体的特性并充满整个炉膛；较细的颗粒被气流夹带飞出炉膛并由旋风分离器（也可以是其它分离器）分离收集，并通过分离器下面的料腿与返料器送回炉膛循环燃烧；烟气和不被分离器捕集的细颗粒排入尾部烟道，尾部烟道和除尘等与常规煤粉炉相似。
