內(nèi)容摘要：綜述了近年來關(guān)于CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤的研究，包括燃盡研究和低污染燃燒排放研究等。研究認(rèn)為，致密的顆粒結(jié)構(gòu)、很差的反應(yīng)性、強(qiáng)烈的熱破碎性等煤質(zhì)及其燃燒特性是影響福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡的主要因素；采用高爐膛、敷設(shè)衛(wèi)燃帶、采取中低循環(huán)倍率、提高分離效率的分離器等鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有利于福建無煙煤的燃盡；維持爐膛運(yùn)行溫度在950℃以上、入爐煤采用窄篩分偏粗顆粒、適當(dāng)提高二次風(fēng)率等運(yùn)行措施也有利于福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡。對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐而言，爐內(nèi)脫硫是一種有效、便捷、低成本的脫硫工藝，但為達(dá)到較好的脫硫效果（>50%），鈣硫摩爾比需在2.5以上；當(dāng)過量空氣系數(shù)保持不變時(shí)，氮氧化物的排放濃度隨著二次風(fēng)率的增加而降低。對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，存在有最佳二次風(fēng)率，使得燃料氮的轉(zhuǎn)化率最低。本文并對CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤今后的研究提出了建議。

關(guān)鍵詞  福建無煙煤  循環(huán)流化床鍋爐  試驗(yàn)研究  結(jié)論意見及建議

0 前言

福建省的能源資源以煤為主，其中無煙煤占98.3%。福建無煙煤結(jié)構(gòu)致密、反應(yīng)性較差，灰熔點(diǎn)低、具有強(qiáng)烈的熱破碎性質(zhì)、難于著火和燃盡，在燃燒利用上存在有不少困難。循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣，燃燒效率高，污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，近年來已成為燃燒福建無煙煤的首選爐型，在福建省的應(yīng)用發(fā)展很快，目前已投運(yùn)有60多臺(tái)，單機(jī)最大容量已達(dá)440t/h，總蒸發(fā)量已達(dá)6000t/h，在我省能源工業(yè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中正扮演著越來越重要的角色。開展CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤的研究，顯然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，關(guān)于CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤的研究主要集中在兩個(gè)方面：其一是有關(guān)燃盡技術(shù)的研究；其二是有關(guān)低污染排放的燃燒技術(shù)研究。本文擬對這些研究進(jìn)行總結(jié)綜述并在此基礎(chǔ)上指出今后CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤的若干研究方向。

1  福建無煙煤在CFB鍋爐中燃燼技術(shù)的研究

理論上，循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率可以達(dá)到98%以上[1]，但由于福建無煙煤燃燒性質(zhì)特殊，目前福建省內(nèi)已投運(yùn)的中小型CFB鍋爐 (75t/h及以下) 的實(shí)際燃燒效率一般卻不超過90%[2]。據(jù)了解，造成燃燒效率偏低的主要原因是飛灰含碳量較高，機(jī)械不完全燃燒損失較大。

影響煤在CFB鍋爐中燃盡的因素不外有煤質(zhì)因素、鍋爐結(jié)構(gòu)與煤種的適配性和鍋爐燃燒運(yùn)行參數(shù)等，近年來關(guān)于福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡技術(shù)的研究也主要圍繞著這三方面展開。

1.1 煤質(zhì)及其燃燒特性對燃盡影響的研究

福建無煙煤顆粒結(jié)構(gòu)致密，顆粒中的孔隙以1.0mm以下的微孔為主。以典型的福建龍巖無煙煤為例，其真密度在1.6g/cm3以上，顆粒中絕大多數(shù)孔隙的孔徑在0.1mm以下。研究發(fā)現(xiàn)[3]，宏觀上，福建無煙煤入爐煤可分為三類：表面烏黑發(fā)亮、光潔致密的亮煤；表面黑暗無光澤、但附著有很多粉狀微小粒子的暗煤；表面光澤度介于暗煤和亮煤之間的灰煤。其中亮煤顆粒的結(jié)構(gòu)較密實(shí)，內(nèi)部孔隙以亞微孔(0.01~0.1mm)居多，大孔徑較少；暗煤顆粒中細(xì)孔、微孔、亞微孔都存在，但以微孔和亞微孔為主；灰煤顆粒中的孔隙最不發(fā)達(dá)，能檢測到的孔隙極少且以超微孔(<0.01mm)為主。福建無煙煤顆粒密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)意味著一方面燃燒時(shí)氧氣不容易擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部參與反應(yīng)，另一方面，燃燒生成的氣體也不容易及時(shí)輸出，因此燃燒反應(yīng)速度慢，是造成其難于燃燒和燃盡的一個(gè)重要因素[4]。

與我國其它煙煤或無煙煤相比，福建無煙煤具有很高的著火和燃盡溫度，難于著火和燃盡的。以典型的福建龍巖無煙煤為例，其熱天平著火溫度和燃盡溫度分別為：Ti=575℃，Tb =753℃，遠(yuǎn)高于我國其它煙煤和無煙煤的著火和燃盡溫度。另外，研究發(fā)現(xiàn)[5]，福建無煙煤的活化能極高，一般在200kJ/mol左右?；罨芨?，意味著反應(yīng)性差，難于被燃燒，這是CFB鍋爐在燃燒福建無煙煤時(shí)飛灰碳含量遠(yuǎn)高于燃燒其它煤種時(shí)的一個(gè)主要內(nèi)在原因。

福建無煙煤的熱破碎性質(zhì)也是影響其在CFB鍋爐中燃盡的重要因素之一。煤的破碎影響了煤的燃燒反應(yīng)性、并顯著改變了給煤的粒度分布，直接決定了爐床內(nèi)的固體顆粒濃度、物料的揚(yáng)析夾帶過程、爐內(nèi)的傳熱過程和煤顆粒的燃燒過程，同時(shí)對燃燒室內(nèi)熱負(fù)荷的分布有極為重要的影響[6],福建無煙煤不同宏觀煤巖顆粒的燃燒性質(zhì)不同，破碎性質(zhì)差異很大。流化床燃燒中，亮煤與灰煤發(fā)生了嚴(yán)重破碎（包括一次破碎和二次破碎），產(chǎn)生了大量的、粒徑小于0.3mm的細(xì)小顆粒，被揚(yáng)析到爐膛中上部燃燒；暗煤雖不發(fā)生破碎或僅發(fā)生輕微破碎，但因顆粒表面孔隙較發(fā)達(dá)，吸附了許多微細(xì)顆粒，這些微細(xì)顆粒在流態(tài)化燃燒時(shí)也會(huì)從其母體顆粒表面脫落，被揚(yáng)析到爐膛中上部燃燒，從而增加爐膛中上部細(xì)顆粒的濃度[7]。因此CFB鍋爐在燃燒福建無煙煤時(shí)，其爐膛中細(xì)顆粒特別是0.1mm以下不可循環(huán)的微小顆粒的實(shí)際濃度遠(yuǎn)高于一般工業(yè)循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)值。這些微小顆粒的反應(yīng)性較差，具有明顯的后燃性，一次通過爐膛時(shí)有很大一部分未能被完全燃盡，其中沒有被旋風(fēng)分離器捕捉回爐膛再燃燒的細(xì)小顆粒便構(gòu)成了飛灰殘?zhí)肌?/p>

1.2  關(guān)于CFB鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)適配性方面的研究

這方面的研究內(nèi)容主要包括有爐型、受熱面布置、循環(huán)倍率和分離器等結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和燃燒溫度、入爐煤粒徑、流化氣速、過量空氣系數(shù)、二次風(fēng)率等運(yùn)行參數(shù)選擇。

1.2.1  CFB鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與煤種適配性方面的研究

較高的爐膛高度有利于延長細(xì)顆粒一次性通過燃燒室的停留時(shí)間，有利于如福建無煙煤這類后燃性煤種的燃燼。工業(yè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，“瘦高”爐型比“矮胖”爐型鍋爐更適合于燃燒福建無煙煤[8]。

福建無煙煤的反應(yīng)性差，要求有較高的燃燒溫度以利于燃燼。在爐膛燃燒室密相區(qū)至稀相區(qū)之間敷設(shè)一定高度的耐磨材料作為衛(wèi)燃帶，可以有效提高燃燒室的燃燒強(qiáng)度，有利于福建無煙煤的燃燼。衛(wèi)燃帶一方面使顆粒在絕熱狀態(tài)下燃燒，可以使燃燒室內(nèi)保持高溫；另一方面也可以充分發(fā)揮爐膛底部的“熱池”作用，讓物料將熱量源源不斷帶到爐膛上部。工業(yè)運(yùn)行實(shí)踐表明，敷設(shè)衛(wèi)燃帶可以有效提高燃燒效率[2]。

循環(huán)倍率是影響福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)倍率較小時(shí)，隨著鍋爐循環(huán)倍率的增加，煤的燃燼程度迅速提高，鍋爐的燃燒效率也明顯提高；在分離器效率相同的條件下，對于不同煤種，其循環(huán)倍率也不同。對于高灰煤，宜于采用低循環(huán)倍率，對于低灰煤，宜于采用中高循環(huán)倍率，研究認(rèn)為[9]，福建無煙煤屬中灰煤，采用中低循環(huán)倍率，對福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡有促進(jìn)作用。

氣固分離器是CFB鍋爐系統(tǒng)的核心部件之一。經(jīng)過近年來的發(fā)展，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的氣固分離器已由最初的慣性分離裝置發(fā)展到現(xiàn)在的異型水汽共冷分離器。由于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐膛中細(xì)粉濃度較大，氣固分離器的分離效率已成為影響其燃燒效率的最重要因素。分離器的切割粒徑越小，能捕捉到的細(xì)顆粒份額就越大，細(xì)顆粒的在爐膛高溫區(qū)域的燃燒停留時(shí)間就越長，燃盡率就越高。研究表明，當(dāng)旋風(fēng)分離器的切割粒徑由30mm減小到10mm時(shí)，飛灰碳含量可降低10個(gè)百分點(diǎn)，見圖1[10].

1.2.2  CFB鍋爐運(yùn)行參數(shù)對燃燼影響的研究

福建無煙煤的著火溫度和燃盡溫度比一般無煙煤高，因而燃燒福建無煙煤CFB鍋爐運(yùn)行溫度也要比燃燒其它煤種的鍋爐高，以利于提高焦炭的反應(yīng)速度，縮短細(xì)顆粒煤焦的燃盡時(shí)間，加快煤焦的燃盡；同時(shí)，提高燃燒溫度還可以提高顆粒的破碎程度，增加顆粒燃燒的表面積，加快顆粒的燃燒和燃盡。研究發(fā)現(xiàn)，對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，當(dāng)燃燒溫度小于950℃時(shí)，提高燃燒溫度對降低飛灰含碳量有明顯效果，但當(dāng)燃燒溫度高于1000℃時(shí)，進(jìn)一步提高燃燒溫度對提高燃盡率意義不大，見圖2[10]。

入爐煤粒徑是影響CFB鍋爐燃燒福建無煙煤燃盡的重要因素。福建無煙煤的煤質(zhì)硬而脆，且有強(qiáng)烈熱破碎傾向，破碎后產(chǎn)生了大量粒徑小于0.1mm的細(xì)粉顆粒，使得爐膛煙氣中的粉塵顆粒濃度較高，懸浮段的顆粒濃度較高。因此，在一定的分離器效率下就會(huì)有較多的飛灰量，在爐膛中上部稀相區(qū)中就會(huì)有更多熾熱的循環(huán)灰和進(jìn)行著燃燒反應(yīng)的焦炭粒子。那些未能被分離器捕捉的、未來得及燃盡的細(xì)小煤粉就容易進(jìn)入尾部煙道而形成飛灰碳。研究認(rèn)為[11]，對于燃燒福建無煙煤的小型老式CFB鍋爐，燃燒窄篩分偏粗顆粒煤較有利于降低飛灰含碳量，提高鍋爐燃燒效率。

在爐膛高度確定的情況下，流化氣速是決定顆粒在燃燒高溫區(qū)停留時(shí)間的重要因素，對于細(xì)顆粒煤焦的燃盡有重要影響。研究認(rèn)為，在保證流化的情況下，適當(dāng)降低爐膛煙氣流速有利于福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡[10]。

福建無煙煤屬中灰煤，其燃燒反應(yīng)速度受化學(xué)動(dòng)力學(xué)和擴(kuò)散阻力共同控制，且因其后燃性，提高爐膛稀相區(qū)氧氣的濃度有助于其細(xì)煤焦顆粒的燃燼。但研究發(fā)現(xiàn)[12]，CFB鍋爐燃燒室的氧氣濃度卻隨爐膛高度的增加而衰減的，在爐膛中心的流動(dòng)核心區(qū)域存在有一個(gè)“貧氧區(qū)”，對于細(xì)焦顆粒后期的燃燼極為不利，是造成燃燒福建無煙煤CFB鍋爐飛灰碳含量偏高的重要原因之一。適當(dāng)提高二次風(fēng)率，增加二次風(fēng)速度，提高二次風(fēng)的穿透能力，可使?fàn)t內(nèi)煙氣得到比較強(qiáng)烈的混合和攪拌，從而有利于提高稀相區(qū)上部中心區(qū)域的氧濃度，對福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡有促進(jìn)作用。研究表明[13]，當(dāng)燃燒空氣量較少時(shí)（l<1.25），二次風(fēng)率變化對飛灰含碳量的影響不顯著：隨著二次風(fēng)率增加，飛灰含碳量緩慢減少。但當(dāng)總過量空氣系數(shù)較大時(shí)(l>1.25)，飛灰含碳量隨二次風(fēng)率的增大而迅速降低，見圖3。

當(dāng)然，影響燃燒效率方面，CFB鍋爐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)之間也是相互影響的。例如，爐膛高度、流化氣速、入爐煤粒度之間就存在著相互依賴關(guān)系。因此，提高燃燒效率方面，應(yīng)綜合考慮合適的爐膛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)。

2  燃燒福建無煙煤CFB鍋爐低污染排放的技術(shù)研究

近年來在這方面的工作主要是研究了燃燒過程中的爐內(nèi)脫硫和脫硝問題。

2.1  脫硫研究

一般情況下，燃燒產(chǎn)生的SO2是燃料問題而非技術(shù)工藝問題。研究發(fā)現(xiàn)，煤中的硫以三種形態(tài)存在：有機(jī)硫、黃鐵礦硫、和硫酸鹽硫。其中，有機(jī)硫和黃鐵礦硫在煤的揮發(fā)分析出階段和焦炭燃燒階段反應(yīng)生成了SO2。對SO2的脫除主要有三種方式，它們是燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后尾部煙氣脫硫，其中，燃燒中的脫硫（即爐內(nèi)脫硫）相對其他兩種方式而言，其投資及運(yùn)行成本是最低的[14]。

燃燒福建無煙煤CFB鍋爐有著不同于燃燒其它煤種的運(yùn)行特點(diǎn)，比如流化速度較低、循環(huán)倍率較低、運(yùn)行溫度較高等[8]，這使得其爐內(nèi)脫硫有自己的特色。通過在一臺(tái)35t/h燃燒福建無煙煤的工業(yè)循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，研究表明[15]，鈣硫比越大、石灰石的平均顆粒徑越細(xì)，脫硫效率越高。但由于煤質(zhì)和燃燒工況特殊，在不考慮自脫硫情況下，燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的爐內(nèi)脫硫效率并不高。研究認(rèn)為，由于福建無煙煤自身含硫量少，加上燃燒性質(zhì)特殊、鍋爐運(yùn)行溫度較高，為達(dá)到較好的脫硫效果（>50%），鈣硫摩爾比需在2.5以上且存在有最佳值，見圖4。另外，脫硫劑的性質(zhì)對脫硫效果也有影響，從試驗(yàn)結(jié)果看，脫硫劑平均顆粒徑在0.5mm以下時(shí)，脫硫效果較好；

由于在還原性氣氛中，煤中的硫分會(huì)形成H2S，然后與CaO反應(yīng)生成CaS，只要保證CaS能夠高效的被氧化成CaSO4，就能使脫硫效率超過90%。有研究認(rèn)為[16]，在還原性氣氛中進(jìn)行的脫硫，既可有較高的脫硫效率，又可以達(dá)到較低氮氧化物排放濃度，是爐內(nèi)脫硫的一個(gè)新方向。

2.2 脫硝研究

CFB鍋爐的低溫燃燒特性和分級(jí)送風(fēng)燃燒方式對抑制氮氧化物生成有利，其氮氧化物的排放濃度較低，一般在100～200mg/Nm3之間，而且主要是燃料型NOX（NO含量占90%以上，NO2含量在5%~10%），和少量的N2O。通過在一臺(tái)75t/h燃燒福建無煙煤工業(yè)循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行燃燒脫硝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明[17]，煤種的含氮量越高，其燃燒煙氣中的NOX排放濃度也越高；NOX的排放濃度隨著燃燒過量空氣系數(shù)的增大而降低；但當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1.3后，NOX的排放濃度趨于穩(wěn)定；在過量空氣系數(shù)保持不變時(shí)，氮氧化物的排放濃度隨著二次風(fēng)率的增加而降低：對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，存在有最佳二次風(fēng)率，使得燃料氮的轉(zhuǎn)化率最低。研究發(fā)現(xiàn)[18]，添加石灰石脫硫?qū)Φ趸锱欧诺挠绊懞芪⑷?。在小鈣硫比工況下，添加石灰石脫硫會(huì)使煙氣中NOx排放量上升,但升幅平緩。在大鈣硫比情況下（Ca/S > 3.0），加入石灰石后使得煙氣中的NOx排放量有所下降；

3  結(jié)語與展望

CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤是一個(gè)系統(tǒng)工程。以往的工作中，我們主要針對燃盡和脫硫脫硝等問題進(jìn)行了研究，取得了一些階段性成果，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題。今后的研究將主要針對以下幾方面展開：

（1）繼續(xù)開展煤質(zhì)特性研究。關(guān)于煤質(zhì)及其燃燒特性的研究，以往主要以龍巖煤為代表開展了一些工作。但“福建無煙煤”是一個(gè)廣義概念，福建省不同煤系的煤種之間燃燒特性差別極大[15]；為全面掌握“福建無煙煤”的燃燒性質(zhì)，使得CFB鍋爐的設(shè)計(jì)建設(shè)更有針對性，應(yīng)針對每一具體煤種做出研究；

（2）繼續(xù)進(jìn)行爐內(nèi)脫硫技術(shù)開發(fā)。雖然爐內(nèi)脫硫是CFB鍋爐的技術(shù)優(yōu)勢，但在應(yīng)用上卻也會(huì)存在有一些問題，特別是會(huì)增加灰渣數(shù)量和改變灰渣性質(zhì)。由于添加了鈣基脫硫劑，脫硫情況下產(chǎn)生的灰渣與同容量未經(jīng)脫硫情況相比要多出30％左右；同時(shí)，脫硫灰渣與普通灰渣的性質(zhì)又有很多不同之處，脫硫灰渣的鈣和硫含量都遠(yuǎn)高于沒有經(jīng)過脫硫的灰渣，以致于很難用常規(guī)的灰渣利用方式對其進(jìn)行處理。開發(fā)適合于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐脫硫灰渣綜合利用新技術(shù)已成為推動(dòng)CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

（3）開展控制燃燒產(chǎn)生的重金屬痕量元素排放技術(shù)研究。煤中的各種痕量重金屬元素如As、Se、Pb、Cr等在燃燒后會(huì)轉(zhuǎn)化成各類化合物隨煙氣排出，這些化合物多為致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì)，危害極大。某些福建無煙煤富含一些特殊的重金屬元素如Cd等，控制燃燒中這些痕量重金屬元素化合物的生成和排放是進(jìn)一步控制燃燒污染排放的技術(shù)研究重點(diǎn)；

（4）開展燃燒產(chǎn)生的粉塵排放控制技術(shù)研究。 目前，CFB鍋爐除塵器的除塵效率一般可達(dá)99%左右，但這些除塵器對可吸入顆粒物的捕獲效率卻較低，煙塵中有大量的可吸入顆粒物被排入了大氣，構(gòu)成了大氣氣溶膠的主要來源?？刂七@些粒徑小于10微米（PM10）超細(xì)顆粒的排放也是CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤下階段研究工作的重點(diǎn)；

（5）開展CFB鍋爐燃燒福建無煙煤的模型研究。目前，CFB鍋爐在福建省內(nèi)的應(yīng)用正往大型化方向快速發(fā)展。建立針對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐總體數(shù)學(xué)模型，對大型CFB鍋爐的燃燒工況進(jìn)行數(shù)值模擬，確定最佳設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，對于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行具有重要意義。

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集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361021 申良坤 何宏舟

文章作者：集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廈門 361021 申良坤 何宏舟