[科普中国]-流态化燃烧

简介与应用简介

流态化燃烧是固体燃料颗粒在炉床内经气体流化后进行燃烧的技术。当气流流过一个固体颗粒的床层时，若其流速达到使气流流阻压降等于固体颗粒层的重力时（即达到临界流化速度umf），固体床本身会变得像流体一样，原来高低不平的界面会自动地流出一个水平面来。换句话说，固体床料已经被流态化了。流态化燃烧即利用了这一现象。假如把气流流速进一步加大，气体会在已经流化的床料中形成气泡，从已流化的固体颗粒中上升，到流化的固体颗粒的界面时，气泡会穿过界面而破裂，就像水在沸腾时汽泡穿过水面而破裂一样。因此这样的流化床又称为“沸腾床”、“鼓泡床”。继续加大气流流速，当超过终端速度ut,颗粒就会被气流带走，但如将被带走的颗粒通过分离器加以捕集并使之重新返回床中，就能连续不断地操纵，成为循环流化床。1

应用流态化燃烧的床料包括化石燃料、废物和各种生物质燃料等。流化床燃烧技术已经广泛应用于国民经济的很多方面。

1.循环流化床在电站锅炉领域的应用与发展

循环流化床燃烧是介乎鼓泡床燃烧和煤粉悬浮燃烧之间的一种燃烧方式，它具有这两种燃烧方式效率高、低污染的优点，克服了鼓泡床锅炉难大型化和煤粉炉燃烧脱硫、脱硝难度高等缺点，近十五年来得到了快速的发展。目前，世界上已有千余台循环流化床锅炉投入运行，并在向大型化发展。我国科研机构与生产单位合作，通过自主研制与引进、吸收、消化国外循环流化床技术相结合，发展出了具有中国特色的循环流化床锅炉。

2.流化床燃烧在产业锅炉、窖炉中的应用

常规流化床、循环流化床具有清洁、高效和燃料适应性好等优点，在产业锅炉、窖炉中得到广泛应用。例如流化床锅炉能燃烧化肥厂造气炉炉渣，在我国几乎每个小化肥厂有一台常规流化床锅炉或循环流化床锅炉。窖炉产业由于经济利益往往使用劣质煤和产业锅炉炉渣，而流化床锅炉恰恰有具有能够燃烧劣质燃料的优点，这就为流化床燃烧技术在窖炉中的应用创造了条件。

3.流化床燃烧在焚烧废物中的应用

各种具有不同热值的固体、液体、气体废物污染环境，占据可用土地面积。这些废物的热值一般偏低，还由于燃烧产物给大气带来污染，不宜用其他燃烧方式燃烧。流化床能烧低热值燃料，又属低温燃烧，对燃烧产物中的有毒气体成分易于控制，近几年已逐渐得到应用。

4.流化床燃烧技术在水泥产业中的应用

中国的劣质煤和煤矸石资源十分丰富。这些燃料的灰的成分与水泥物料的成分十分相近。我国在流化床利用劣质煤制水泥方面有两条途径：一是在劣质煤中加进一些钙质材料，然后将其磨成粉，再成球，经流化床煅烧后可直接得到425胶凝水泥；另一种方法是采用流化床燃烧后的炉渣加一些钙质原料经蒸汽护养和煅烧脱水之后可生产高质量水泥。

除以上几个方面，流态化燃烧技术还应用于煤的气化液化，生物质的气化液化等方面。综上所述，发展流态化燃烧技术具有提高燃烧效率，扩大对燃料的适应性，改善环境性能等优点，是一种洁净、绿色燃烧技术，相信在今后将得到更加广泛的应用

增压流化床流态化燃烧可以在常压下工作，也可以在增压下工作，后者称为增压流化床燃烧（PFBC）。增压流化床燃烧（PFBC）技术从原理上与常压流化床燃烧 （AFBC）大体一致。采用增压（6～20个大气压）燃烧后，燃烧效率和脱硫效率得到进一步提高。燃烧室热负荷增大，改善了传热效率，锅炉容积紧凑。除了可在流化床锅炉中产生蒸汽使汽轮机做功外，从PFBC燃烧室（也就是PFBC锅炉）出来的增压烟气，经过高温除尘后，可进入燃气轮机膨胀做功。通过燃气/ 蒸汽联合循环发电，发电效率得到提高，目前可比相同蒸汽参数的单蒸汽循环发电提高3～4%。因此，采用增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）发电能较大幅度地提高发电效率，并能减少由于燃煤对环境的污染。根据流化床的工作流速不同，又可分为增压鼓泡流化床（PBFB）和增压循环流化床（PCFB）两种类型。2

典型燃烧过程唐锅生产的240吨/小时低温分离循环流化床锅炉，采用德国技术，其燃烧系统由布风装置、燃烧室、分离器、回送装置组成。燃烧过程是，燃料首先进入具有防磨隔热的21m高的燃烧室，在均匀的热力场内进行充分燃烧，高温灰随烟气把热量依次传递给燃烧室上部布置的一级蒸发管、三级过热器、二级过热器、一级过热器、二级蒸发管、高温省煤器，传递热量后温度降至450度的灰随烟气进入分离器，灰被分离下来，经回送装置回到燃烧室，通过调节灰量的大小，把床温控制在850度--950度之间，使进入燃烧室的燃料稳定燃烧，被加热后的回送灰和燃料燃烧产生的灰，随烟气把热量传递给燃烧室上部布置的六级设备，完成了一个燃烧传热循环。3

典型应用举例低浓度煤层气由于热值低、流量变化大,利用较困难,大部分都未经处理就直接被排放,不仅浪费资源,而且还污染环境,引起了国内外的密切关注。较之常规的煤层气利用技术,以惰性颗粒和催化颗粒为床料的流态化燃烧技术具有热容量大、燃料适应性广的特点,在低浓度煤层气燃烧利用方面表现出巨大的潜力。低浓度煤层气在流化床内的燃烧与在大空间的燃烧有本质区别，流化床内涉及气体与固体颗粒的两相流动，不仅影响燃烧的传热和传质过程，而且大量颗粒的存在，使得燃烧产生的自由基消失，对低浓度煤层气燃烧的动力学和燃烧机理产生重大影响。因此，低浓度煤层气流态化燃烧理论与技术的研究引起了国内外学者的广泛关注。文献4综述了该技术的研究现状,分析了惰性颗粒和催化颗粒作用下,床层温度、进气浓度、流化风速及气固两相流对其燃烧特性的影响,介绍了在流化床中催化燃烧反应的模型及其动力学特性,探讨了杂质性气体对气固催化反应的作用机制,明确了SO2作用下硫酸铜的生成是催化剂硫中毒的根本原因,提出了相应的抗硫中毒措施,讨论了水蒸气对低浓度甲烷催化燃烧的影响，并就该技术的未来发展进行了分析与展望,得出的认识如下:①后续的研究应该侧重颗粒尺寸变化对流态化燃烧带来的影响;②应寻找更加廉价、催化活性更优的催化剂替代;③对惰性颗粒下低浓度甲烷流态化燃烧,缺乏燃烧机理分析,需要进一步从理论角度进行深度挖掘。

生物质能作为一种可储存和可运输的可再生能源，具有对环境污染小的优点，其开发和利用已经引起了世界各国的关注。在生物质能分布中，稻壳具有储量丰富、输送简单、易于预处理、分布相对集中、便于利用，倍受人们关注。把稻壳作为锅炉燃料，开展稻壳的燃烧和综合利用，变废为宝，具有重要的经济和社会意义。稻壳的燃烧具有其独有的特点，现今绝大多数的稻壳炉都存在着燃烧效率低、能源浪费严重的问题。燃用稻壳的流化床技术是将生物质作为清洁能源加以开发利用的有效途径之一，能很好地适应稻壳的挥发分析出速度快、固定碳难以燃尽的特点，克服了燃烧效率低、能源浪费严重等弊端。文献5在高为6m、内径为φ0.3m的冷态流化床装置上,以0～0.6mm的河砂为床料,进行了高速循环流化床(CFB)和低速鼓泡床流化床(BFB)不同工况的冷态流态化实验研究,当流化风速达到2.8m/s时,流化床就能实现循环;鼓泡流化床压力分布主要集中在底部的密相区,循环流化床压力分布更趋均匀。以稻壳为原料,在相同尺寸的流化床热态装置上进行了流态化燃烧实验,稳定燃烧阶段,循环流化床和鼓泡流化床沿炉膛的温度分布情况较为类似,循环流化床燃烧效率达到93.36%,鼓泡流化床达到93.01%,循环流化床和鼓泡床燃烧排放烟气中烟尘、SO2、NOx的含量都能满足国家排放标准。