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流态对CFB燃烧气体污染物排放的影响及其在工业锅炉上的应用∗张缦1，张素花2，郭学茂2，吴玉新1，张一珍2，李军2，杨海瑞1，吕俊复1(1．清华大学，北京市海淀区100084；2．太原锅炉集团有限公司，太原市030000)摘要：我国强制推行燃煤发电机组超低排放，已经延展到工业锅炉领域。本文分析了CFB燃烧的流态特点，探索了流态对气固反应包括脱硫反应和NOx生成、还原反应的作用机制，建议了通过流态重构调控反应实现超低排放的CFB燃烧技术。通过实验室实验验证和工业验证，确认了技术可行性，进而在工业实践中设计应用。该技术突破了传统CFB燃烧的流态设计范围，以改变流态来改变CFB中的燃烧及污染物生成降解化学反应行为，达到减低气体污染的本质变化。为此开发了高性能分离器、返料阀等部件和全新的燃烧设备放大设计方法，打通了新技术流程的工程实现途径，从而形成了下一代、全新的超低排放CFB燃烧技术，突破了CFB污染控制低成本的瓶颈。在热水锅炉上的成功应用，为工业锅炉的超低排放提供了经济可行的方向。关键词：气固流态；循环流化床；气体污染排放；影响；工业锅炉；应用TheEffectofSolid-gasTwo-phaseFlowPatternontheEmissionintheCirculatingFluidizedBedCombustionandItsApplicationintheIndustrialCFBBoilersZHANGMan1,ZHANGSu-hua2,GUOXue-mao2,WUYu-xin1,ZHANGYi-zhen2,LIJun2,YANGHai-rui1,LYUJun-fu1(1.TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.TaiyuanBoilerGroupCo.Ltd.,Taiyuan030000,China)ABSTRACT:Theultra-lowemissionlimitinthecoalfiredpowerplantisforcedtoconductedinChina.Consequently,itisalsoextendedfortheindustrialboiler.Thesolid-gastwo-phaseflowpatternwasanalyzed,leadingtotheeffectmechanismdiscoveryofsolid-gastwo-phaseflowpatternonSulphurcapturebylimestoneandNOxformationandreduction.Therefore,theultra-lowgaseouspollutantemissionCFBprocessingwithflowpatternreconstructionwassuggested.ThisnoveltechnologywasvalidatedbytheexperimentalstudyinthepilotCFBrigandconfirmedbysystematicalCFBboilersbeforeitwasappliedintheCFBboilerdesign.thistechnologywasquitedifferentfromthetraditionaloneinsolid-gastwo-phaseflowpattern.Itwastoreducethegaseouspollutantgenerationbyanoptimizedsolid-gastwo-phaseflowpattern,whichisafundamentalchangecompartedwiththetraditionalCFBboiler.Furthermore,theexcellentperformancecycloneandloopsealwerecreatedandanewscaling-updesigncodeforcombustionequipmentwassuggested,resultingintheengineeringrealization,andthenewintrinsicultra-lowemissionCFBboilerfacingnextgenerationwasdeveloped,whichbrokethroughthebottleneckoflowcostpollutioncontrolofCFBforultra-lowemission.Thesuccessesoftheapplicationinthehotwaterindicatesanavailableeconomicdirectionforindustrialboiler.KEYWORDS:solid-gastwo-phaseflowpattern;circulatingfluidizedbed;gaseouspollutantemission;effect;industrialboiler;application0引言循环流化床（CFB）是上世纪80年代新出现的燃烧技术，燃烧过程中添加适量的石灰石，可以炉内脱硫；分级低温燃烧，无成本地实现较低的NOx排放，具有低成本满足世界上绝大多数国家和地区污染排放标准的优势，对以煤炭为主要一次能源的我国十分重要[1,2]。多年来，我国在CFB锅炉发电技术方面取得了长足的进步[3,4]。我国煤炭消耗量巨大，燃煤排放受到高度关注。作为煤炭的主要利用方式，燃煤电站的烟气排放标准日益严格。鉴于环境容量，进一步推广实施超低排放，要求NOx排放低于50mg/m3、SO2低于35mg/m3。进而对工业锅炉的排放也提出了世界上最严格的限值。这对传统的CFB锅炉提出了严峻的挑战[5,6]。采用煤粉锅炉烟气脱硫脱硝的方法解决CFB超低排放问题，无论从建设成本还是运行管理上，将使CFB技术失去优∗基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0600201)；国家质检总局科技计划项目(2017QK178)；山西省科技计划（MD2016-01）。第一作者：张缦(1971.04-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，副教授，从事循环流化床燃烧技术研究开发与应用。势。尤其是数量巨大、容量较小、频繁启停或压火的工业锅炉，运行复杂的烟气净化导致其经济性不佳[7,8]。如何深度挖掘CFB锅炉气体污染物低成本控制潜力，不用或者简化烟气净化系统达到超低排放，是CFB燃烧技术进步的方向，也是中国的紧迫需求。CFB定态设计理论表明[9]，CFB锅炉的设计核心是锅炉内部气固两相流流化状态的选定，CFB流化状态选择的图谱表征了CFB燃烧的成熟过程,也涵盖了传统CFB锅炉的气固两相流流态特征。但是该图谱对于CFB流态设计图谱的三维特征尚未充分展现。第三维是炉内床料主要是循环物料的平均粒度。关于图谱第三轴的粒度位置对于燃烧行为包括污染物生成与脱除的影响，有待于深入研究，这为炉内高效脱硫和低氮燃烧到达更好的水平指明了方向。基于定态设计理论、流态图谱及采用该图谱发展第一代和第二代CFB技术的经验，探索能否通过流态优化以拓展CFB锅炉自身的气体污染物控制水平。本文介绍这方面的研究及应用。1CFB燃烧的气固流态分析与重构CFB燃烧技术，是从化工领域的流态化气固反应器拓展到燃烧领域产生的。早期国际上的各类CFB燃烧技术，基本上都是延续了化工反应器的经验开发出来，经历的是流化速度逐渐下降的过程。我国的CFB燃烧技术起源于鼓泡流化床，略晚于国际。由于受到早期开发鼓泡床的经验限制，遇到了极大困难。通过调整CFB流态的流化速度选择，形成了第一代CFB技术，见图1。CFB燃烧实质上是化工气固流化反应器的延展，流态对循环流化床锅炉的传热[10,11]、燃烧[12,13]具有影响是不言而喻的，因此必须从流态化的角度认识CFB燃烧过程的基本特征。通过十年探索，清华大学提出了CFB流态定态设计理论，即任何CFB燃烧技术本质上是其所选定的流化状态有所不同，进而给出了CFB流化状态选择的指导图：CFB流态设计图谱。该图谱在流化速度-循环流率的二维坐标系中，给出了各种技术流派的流态位置，并指出了适合中国多数煤种的流态选择范围，见图1。这使得CFB锅炉的流态设计突破了经验性设计的束缚，发展为理论指导下的自由选择，实现了定量化[9]。在经典的CFB分离器和返料装置条件下，典型的循环流化床锅炉的循环物料的平均粒度普遍在150-250µm。在此粒度范围，流态的范围是一个快速床要求的下限、分离器效率决定的上限、磨损要求的速度三条曲线之间的三角区域，见图1。图1CFB流态设计图谱Fig.1Gas-solidtwophaseflowpatterninaCFBboiler在CFB二维流态设计图谱指导下，发现了循环流率的存在最佳范围。这是CFB性能要求的较高循环量的技术基础，也是早期化工反应器直接演化而来的燃煤CFB循环量设计不断下降的原因。2007年，建议修正了代表循环流率的纵轴设置位置，形成了基于流态重构的节能型CFB技术[14]。CFB锅炉床料中，包括参与循环的细颗粒和只在炉膛密相区流化而不能参与循环的粗颗粒。细颗粒的存量影响到循环量[15]，是形成上部快速床的条件[16]；粗颗粒的存量是提供着火热源、粗燃料颗粒的停留时间以便燃尽。一定厚度的床料被一次风流化。布风板有一定的阻力，以免床料反串漏渣。一次风的压头等于床料的重力压降和布风板阻力之和。只在炉膛密相区流化的粗颗粒在炉膛下部运动，不可避免地对过渡段水冷壁产生磨损。根据图1，可以在保持循环量的条件下减少粗颗粒的存量，见图2[17]，并通过降低入炉煤的大颗粒流量实现。这样，一次风的压头可以降低，布风板的阻力可随之降低，一次风的风机电耗下降，产生节能效果[18]。图2CFB锅炉的流态优化后的床料构成Fig.2BedinventorycompositionofaCFBboilerbeforeandaftergas-solidtwophasepatternoptimization第二代CFB技术具有显著的节能效果，极大的减少了CFB锅炉一次风机电耗，并进一步减轻了水冷壁的磨损，提高了锅炉的可用率[19]。图1的二维CFB流态图谱可以定量指导CFB锅炉的流态设计，但是没有考虑床料的质量。考虑到床料粒径既是循环系统性能的结果，又是影响CFB燃烧行为的原因[20]，从而可将床料颗粒直径作为第三轴，将二维图谱发展到三维，见图1。研究发现，调整图谱中第三轴（粒度轴）的设定位置向细粒度方向迁移，可以强化颗粒团的形成，利于气固两相流的浓度、密度提高[21]，对炉内燃烧和污染控制反应产生重要影响，见图1。颗粒团的强化，可以延长分离器很难分离下来的一次通过的细颗粒在炉膛中的停留时间，同时引发气固反应的传质阻力发生变化[22]，从而实现燃烧过程中的气固反应流态调控，降低SO2和NOx的原始排放浓度[23,24]，提高CFB燃烧自身污染控制能力，形成全新的超低排放CFB流程。2CFB流态重构炉内高效脱硫2.1CFB燃烧炉内脱硫分析燃料进入炉膛后受热发生热解、着火、燃烧、燃尽[25]，其中的硫份转化为SO2，与石灰石分解生成的多孔CaO[26,27]反应，生成摩尔体积更大的15252030501023156479108ABCDEFGHI流化速度uf,m/s循环流率Gs,kg/(m2⋅s)磨损限软煤硬煤推荐第一代CFB中国国外第二代CFBCaSO3或CaSO4[28]，导致表面被产物层致密覆盖[29,30]。这个产物层厚度仅仅为几十微米[31,32]，这决定了石灰石的利用率与其原始粒径大小有关[33,34]。石灰石粒径对于脱硫的影响存在两面性[35]，一方面，随着粒径减小，脱硫剂的比表面积增大，反应速率加快；另一方面，过细的石灰石难以被分离器捕捉，导致停留时间不足[36]。针对传统的CFB锅炉分离器，其分离效率能够有效保存石灰石颗粒的粒径不宜低于100μm[37]，小于38μm的石灰石颗粒停留时间难以保证，无法用于CFB炉