重磅解析 | 循环流化床燃烧发展现状及前景分析

岳光溪1，吕俊复1，徐鹏2，胡修奎2，凌文3，陈英3，李剑锋4

1.清华大学，北京  10084

2.东方锅炉股份有限公司，自贡  643001

3.神华集团有限责任公司，北京  100011

4.中国电力企业联合会，北京  100761

摘要

中国循环流化床燃烧技术自1980年起步，经历了35年的努力掌握了先进的循环流化床设计理论，形成了从小容量的蒸汽锅炉到大型超临界发电锅炉的系列容量产品，控制了中国市场，并走向世界。面临国内复杂的煤种和日益严格的环保要求，中国科技人员和工程师突破了循环流化床流态设计的范围，形成了高可用率、低厂用电率的第二代循环流化床技术，并正在向超低排放的第三代技术发展。 

关键词

循环流化床锅炉；发展，超低排放 

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中国循环流化床燃烧技术的地位

循环流化床燃烧技术是20世纪70年代末开始出现的洁净煤燃烧技术，见图1。循环流化床中，燃烧室、分离器及返料器组成主循环回路。燃料燃烧产生的灰分及脱硫石灰石在系统中累积，在燃烧室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量热物料为燃料着火提供足够的热源，因此对燃料要求比较宽松。流化过程气固混合强烈，降低了燃烧或脱硫化学反应的传质阻力，加速了反应速度。在800~900℃条件下，燃烧比较稳定，加入石灰石颗粒，石灰石中的碳酸钙可以分解成高孔隙率的氧化钙，进而吸收燃烧产生的二氧化硫；此温度下氮氧化物的生成量显著下降，另外，低温燃烧形成的多孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，烟气中重金属排放低。所以循环流化床是适应劣质煤的低成本污染控制的洁净燃烧技术。

图1  循环流化床燃烧过程

中国处于工业化期，能源需求大。中国的资源禀赋条件决定了煤炭仍然是中国电力工业主要能源，并且煤炭资源中高灰、硫分大于1%的高硫煤比重较大，其中灰分大于20%的煤占50%以上。洗煤过程产生大量矸石、洗中燃、煤泥需要利用，循环流化床燃烧具备燃料适用范围广、低成本干法燃烧中脱硫、低氮氧化物排放的优点是大规模清洁利用此类燃料的最佳选择。到目前为止，中国循环流化床燃烧锅炉发电容量近1亿kW，总循环流化床锅炉台数大于3000台，为世界第一。

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中国循环流化床锅炉燃烧理论与锅炉设计体系的形成

中国自20世纪60年代起开始研发鼓泡床燃烧（俗称沸腾炉），通过20年的开发，形成了自己的鼓泡床燃烧及鼓泡床锅炉设计理论。到70年代末，国内有3000台沸腾炉运行，最大容量为130 t/h。自80年代开始，中国与世界同步开始循环流化床燃烧技术的研究。受到鼓泡床开发经验的限制，科技人员在初期以为，只要在沸腾炉基础上加上分离器和物料回送装置，即可构成循环流化床燃烧锅炉，因此将分离器和物料回送装置理解为飞灰回送的循环燃烧，而不清楚鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉在燃烧室内的流化状态是截然不同的。正是由于这些错误的认识，中国早期开发循环流化床燃烧基本上是不成功的，物料循环不足，不能满负荷运行，尾部受热面磨损严重。当时国际上有关的研究均是基于化工流态化反应器的，无法解释循环流化床燃煤锅炉的实际问题；国外循环流化床锅炉开发商内部开展的研发工作是完全保密的。

有鉴于此，得益于中国科技部和发改委对循环流化床燃烧技术的重视和支持，以清华大学为代表的中国研究人员。投入大量力量重新审视循环流化床燃烧的基本理论。通过实践一理论研究一实践的多年反复，针对工程设计需要，搭建了中国独立的循环流化床煤燃烧理论体系。该理论体系的主要创新点全面涵盖了气固两相流、燃烧、炉内传热和污染物控制等方面，并进行了综合和发展，是国际循环流化床燃烧理论的重要进展，也为建立中国自己的循环流化床设计体系提供了理论支撑。

2.1 对循环流化床气固两相流理论的新认识

源自化工领域的循环流化床反应器是循环流化床燃烧的基础。化工循环流化床反应器的流化行为一般针对窄粒径的催化剂。因为昂贵的催化剂不允许在运行中丢失，所以设计的分离器必须对此粒径的催化剂具有近乎于100%的分离效率。因而所构成的循环系统对气相而言是开口系，对催化剂则是近似闭口系。燃煤循环流化床中，连续给入的宽筛分煤颗粒，在燃烧形成的宽筛分灰颗粒流连续进入循环系统。如果像化工反应器一样对颗粒采用闭口系，则灰分在系统内累计，很快就充满循环流化床燃烧室，无法达到平衡状态。所以循环流化床中，灰分连续进入的同时必须也必然连续排除，达到平衡状态。这就是燃煤循环流化床锅炉一进二出宽筛分粒度物料开口系平衡的概念。因此，燃煤循环流化床物料平衡的影响因素可以归纳为两点：煤的成灰磨耗特性和循环系统的综合效率。

循环流化床物料循环系统的综合效率，是指在确定流化风速条件下循环系统对不同粒径颗粒的保存效率。通过简单的物理模型，即可得到循环流化床一进二出平衡系统的特性，见图2，图中的Gin（i）表示燃煤带入燃烧室的粒度为di的灰分流。该粒度灰分的数量取决于煤种的燃烧成灰粒度特性以及成灰的磨耗特性。不同煤种及不同粒度煤颗粒的成灰与磨耗特性可测试得到。

图2  循环流化床燃烧的物料平衡

宽筛分的灰颗粒进入循环流化床后，由于系统对不同粒度颗粒的保存能力不同，达到物料平衡后，循环流化床内的物料粒度分布必然会在系统保存效率最高点形成峰值，见图3中的曲线1。因此燃煤循环流化床即使燃料带入的灰颗粒是宽筛分的，但循环系统平衡累计的结果必然是床内物料趋于某个粒径。当此粒径的物料存量达到一定程度，气流对此粒径的夹带达到饱和，则循环流化床燃烧室上部区域就进入了以颗粒团聚为特征的快速床状态，而不再是鼓泡床上部的扬析夹带。

图3  循环流化床锅炉的效率与床料粒径分布

循环流化床锅炉上部的快速床状态存在多态性，见图4，同一流化风速下的快速床，床存量不同，物料浓度分布不同，即快速床状态不同。所以，即使床料平均粒度相同，快速床也具备多态性。

按照上述概念，可以建立循环流化床物料平衡模型，以此可以预测锅炉的物料循环系统的性能和物料浓度分布。例如，采用实验室煤成灰磨耗实验及物料平衡模型，对某250MW循环流化床物料浓度分布进行预测，模型计算结果与现场测试的结果完全一致，见图5。

2.2  对循环流化床燃烧理论方面的贡献

在循环流化床煤燃烧理论基础研究方面，国外研究者把目光主要集中于单个煤颗粒在循环流化床状态下的燃烧行为研究上。而循环流化床锅炉的设计者则更关心给煤流进入循环流化床燃烧室时的燃烧热量释放规律。为此清华大学提出了燃烧份额沿高度一维分配的概念和测试方法，理论研究与现场测定找到了燃料性质和粒度对燃烧份额分配的影响，如图6所示，而这个结果提供了循环流化床给煤粒度级配的理论依据和一二次风比的设计依据。

循环流化床锅炉中，物料循环对于燃烧行为在微观上存在影响。循环流化床燃烧室密相区由于物料平衡的作用使平均粒度下降，使得密相区在富氧条件下仍然属于欠氧燃烧，大大降低了密相区燃烧份额，见图7a）。这个发现纠正了国际上对循环流化床密相区燃烧份额的计算错误，成为设计锅炉一二次风配比的理想根据。

与此同时，发现了循环流化床锅炉由于二次风穿透不足造成燃烧室中心区欠氧现象，见图7b），找到二次风动量设计依据。

2.3  对循环流化床炉内传热的新认识

国外学者的研究鉴别了循环流化床燃烧室内的气固两相流对受热面的传热机制，但是关于能够给设计工程师使用的传热系数计算式则是由国外锅炉公司各自形成，并作为设计秘密，不对外公布。中国的研究者将工程用循环流化床锅炉传热系数控制机制简化为空间辐射及颗粒对流两项。并开发了传热系数测试手段，展开了详尽的工业测试。形成了能够反映床温、局部物料浓度、膜式壁几何参数和管内工质侧温度及其换热影响的传热系数计算半经验、半理论式，见图8。

上述传热模型是基于局部物料浓度。若能够获得任何一点的局部物料浓度，就可以获得该点的换热系数；若获得炉膛的平均物料浓度，则可以获得炉膛的平均换热系数。

2.4  中国独立知识产权的循环流化床锅炉设计体系

基于对循环流化床锅炉燃烧理论的新认知，建立了自己的循环流化床锅炉流态设计体系：这个设计体系的基点是循环流化床燃烧室内部由下部的鼓泡床或湍流床与上部的快速床流型(regimes)组合、以及快速床可能存在不同的状态(status)，提出了“定态设计”的概念以解决“快速床”流型的多态性问题，这就突破了国外循环流化床流态设计完全经验性方式。清华大学在世界上首次公布了循环流化床锅炉流态图谱，如图9所示．作为设计工程师定态设计参数选择的依据。

该图谱用两个参数——流化风速和物料携带率确定循环流化床燃烧室上部的流化状态。流动下限代表该风速下的饱和夹带率，低于此线则燃烧室上部为鼓泡床过渡区的扬析夹带，只有夹带率高于此线才能进入快速床状态。上面红线是循环流化床物料平衡系统在单级旋风筒和两级串联旋风筒所能达到的最大携带率上限。所以，循环流化床的快速床状态只能设计在上下限之间。根据燃煤灰分的磨损程度不同提出了磨损要求的上限，避免工况点超过此线带来垂直受热面的严重磨损。目前国际上几乎所有的循环流化床锅炉技术在此图谱中均能找到其状态位置。

这个图谱是循环流化床锅炉流态设计的评价依据。据此可以看到某两个国外技术流派的设计点已经接触到了硬度较大的灰分磨损线，存在着磨损的潜在可能，这为其在中国的实践所证实。

依此，清华大学建议了适合中国不同煤种的合理快速床状态设计点。相应的燃烧份额分配、一、二次风比、传热系数即可按照前述的理论研究成果加以确定，从而形成了中国自己的循环流化床设计体系。使循环流化床锅炉流态设计进入自由王国，而不必盲目抄袭其他技术的设计。

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中国循环流化床锅炉的技术进步与发展

3.1  里程碑之一：国产自然循环流化床锅炉的发展

自1980年开始，在中国设计体系建立完善发展过程中，开发了各种容量的自然循环蒸汽锅炉和用于供暖的热水锅炉。2000年之后，循环流化床锅炉从热电领域发展到发电电域，先后开发了再热135 MW到300 MW亚临界循环流化床锅炉。国产技术对循环流化床设计流态图谱水平轴的设置点进行了调整，使煤种适应性更广，并大大缓解了燃烧室磨损；结构上简化了流程，用燃烧室内的过热器或再热器插屏替代了高能耗结构复杂的外置换热床，降低了制造成本和运行维护难度。到2005年，国产循环流化床技术基本占领了国内市场，并向国外出。

300 MW容量等级亚临界循环流化床锅炉的自主开发是成功的典型，为了推进循环流化床锅炉技术的发展，国家发展改革委员会组织三大锅炉厂及设计院共同引进了Alstom公司的亚临界300~350 MW循环流化床锅炉技术，见图10a）。第一台在四川白马投运后，给用户采用同等级容量循环流化床发电带来了信心。但是同时也充分意识到，引进技术的结构和流程复杂，对中国的燃料条件运行水平适应性差，这些问题促生了适合中国条件的简约型设计的开发，见图10 b）。自第一台300 MW简约型亚临界循环流化床锅炉在宝丽华电厂成功投运后，由于流程简单、运行可靠、操作维护方便、造价较低而迅速占倨了国内市场，成为技术主流。

3.2里程碑之二：从追赶到超越——600 MW超临界循环流化床技术研究与工程示范

从2000年起，中国与世界同步启动了超临界直流循环流化床锅炉的研究。中国的前期理论与工程实践为超临界循环流化床开发打下了坚实的理论与工业制造基础，在国家的支持下，采用产学研方式，集合了国内最有经验的研究单位，实施世界最大容量超临界循环流化床示范工程。

3.2.1  开发600 MW超临界循环流化床锅炉面临的关键挑战

从300 MW亚临界到600 MW超临界表面上是容量跨越和参数突破，但二者有本质不同。蒸汽参数提高到超临界后，锅炉汽水系统从亚临界的自然循环转变到超临界的强制循环。自然循环水冷壁管的随负荷正向水侧自补偿特性消失了。管间热负荷差别引起的阻力正向变化会造成管间管壁温度差，进而发生安全问题。超临界煤粉锅炉燃烧室膜式壁为减少管间热负荷差别的措施多采用高质量流速的螺旋上升管。这在循环流化床燃烧室是不允许的，否则会引起剧烈磨损。所以人们建议是否可以采用德国西门子早期就建议的管内水侧低质量流率设计。但到2000年为止，世界上还没有任何成功的工程实践。循环流化床热负荷范围内膜式壁采用低质量流率时的气液两相流传热和阻力特性数据也不足以支撑可靠的工程设计。因此，超临界循环流化床研发面临着三大挑战：

(1)流化床燃烧室放大带来的气固两相流动、传热、燃烧、混合列未知问题的挑战。

(2)将直流强制循环与循环流化床燃烧结合引发的水动力学安全性，水动力设计方法的挑战。

(3)强制循环水系统和大惯性循环流化床燃烧系统结合带来的动态特性问题及控制问题挑战。

上述挑战从科研和工程两个层面可以归结为系列研发课题：

(1)科学层面上需要回答：超高燃烧室的气同两相流规律——物料浓度分布规律、直流锅炉燃烧室二维传热和热流分布规律、物料平衡规律、超大截面炉膛及多路循环稳定性及分配规律、本生低质量流率水动力学和热负荷分配交联规律。

(2)工程设计层面要回答：大容量超临界循环流化床锅炉基本结构形式、外置换热床的选择及物料循环流路热负荷分配、质量流率选取与安全性计算、水冷壁强度及安全性、锅炉动态仿真、DCS控制模式，等等。

3.2.2核心技术研究的突破

在科技支撑计划的支持下，清华大学将所分解的课题分配到最有经验的科研单位和制造单位，通过配合研究给出了上述所有关键问题的答案。

下面仅介绍部分研究成果：

超临界循环流化床采用低质量流率垂直管圈的水冷壁结构及其吸热量，要求燃烧室高度达到了55 m左右。如此高的循环流化床其内部气固两相流的流动状态和物料浓度分布规律是全世界文献里都找不到的，也从未有此类实验和理论研究结果。在白马发电厂协助下清华大学建设了世界最高的60 m冷态循环流化床模型，世界首次以实验形式回答了超高炉膛物料平衡及物料浓度与流化风速和床存量的关系，见图11。该数据直接用于600 MW超临界循环流化床燃烧室设计，也被国外的循环流化床研究著作引用。

为了获得水冷壁沿高度和沿宽度、深度的热流密度分布，需要知道炉内的局部物料浓度分布。建立了循环流化床锅炉炉膛浓度分布模型，模型计算误差见图12，可以得到循环流化床燃烧室的热流密度。

清华大学与东方锅炉厂在300MW亚临界循环流化床锅炉的28m宽的燃烧室上进行了二维热流分布测试，验证了上述计算模型，模型计算误差见图13。

建立了水动力与热流分配交联管壁温计算模型，给出了光管和内螺旋管在不同质量流率下的壁温预测，典型结果见图14。预测结果与实际运行数据完全吻合，见图15。

根据循环流化床锅炉的燃烧特点和超临界水的流动特性，建立了基于“即燃残炭”概念下的四输入、三输出锅炉负荷自动控制模块，解决了超临界循环流化床负荷自动控制和汽温精准控制的世界难题，并在600 MW超临界循环流化床锅炉发电的DCS系统上得到证实，见图16。

3.2.3．自主研发600 MW超临界循环流化床锅炉的工程设计

自主研发的600 MW超临界循环流化床锅炉的设计煤种为高灰高硫低热值贫煤。灰分达到43.82%。发热量为15173 kJ/kg，硫分为3.3%。BMCR下的基本参数如表1所示。

600 MW超临界循环流化床锅炉采用H型布置解决6个旋风筒位置安排，采用双炉膛结构解决炉膛截面放大问题，双炉膛之间设置非连续双面受热水冷壁保持双炉膛压力平衡。汽冷旋风分离器直径8.6 m。6个外置换热器中，2个布置再热器，4个布置二级过热器。炉膛底部设置6个水冷滚筒冷渣器。600 MW超临界循环流化床锅炉水系统结构示意如图17所示，炉膛尺寸设计为15.03m* 27.9m* 55m水冷壁采用低质量流速，为725kg/(s·m2)，以充分利用垂直管圈的正向自补偿能力。汽水系统如图18所示。

3.2.4  600 MW超临界循环流化床示范工程性能

2012年年底，锅炉安装完成并进入调试，2013年4月14日一次通过168 h满负荷运行，1年后，对白马电厂600 MW超临界循环流化床锅炉示范工程进行了性能测试。结果全面达到设计预期，部分指标高于预期，如表2所示。膜式壁管间最大温差<><28℃。超临界循环流化床锅炉燃烧室的安全性指标优于超临界煤粉炉，证实低质量流率水动力设计成功；nox、 sox排放指标好于预期，炉内石灰石脱硫效率超过97%，nox原始排放仅为111.94 mg>

3.2.5超临界循环流化床锅炉的推广

白马示范项目成功后，已签订2台660 MW循环流化床机组订单，将600 MW超临界循环流化床锅炉的关键技术进一步应用于350 MW超临界循环流化床锅炉的设计，形成了大批量的订单，现在订货已经超过50台，运行的350 MW超临界循环流化床锅炉有4台。

白马600 MW超临界循环流化床锅炉的成功运行，被国际能源署作为CFB技术发展历史的里程碑事件，标志着中国CFB技术处于世界领先水平，实现了中国CFB燃烧技术的跨越式发展，带动了行业技术进步，显著地提高了中国循环流化床锅炉的国际竞争力，已经开始出口到罗马尼亚、克罗地亚，走向世界。

 

3.3里程碑之三：基于流态重构的节能型循环流化床燃烧技术的发展

3.3.1  流态重构的节能型循环流化床设想的提出

传统循环流化床锅炉在燃用劣质煤和低成本污染控制方面具备一定优势，发展很快，但实践中也存在一些问题，主要表现在厂用电率高和可用率低两个方面。由于循环流化床锅炉需要高压头风机实现床料流化和物料循环，厂用电比同容量煤粉炉高2%-3%，典型的厂用电分析见图19大颗粒物料流化引发燃烧室膜式壁下部严重磨损，影响可用率。

为解决上述问题，清华大学的研究者根据循环流化床流态图谱，建议改变传统循环流化床流态设计定态区域，以达到减少床存量、降低风机压头达到节能和减少粗床料对燃烧室磨损的建议。这个设想突破了循环流化床燃烧原有基础流程专利范围，是全新的流化定态，见图20。

由于循环流化床内物料存量是多粒度物料的混合物。欲减少总存量而不影响形成上部快速床的细物料存量，则必须改进物料平衡系统的性能，使总存量内的细物料比例增加，见图21。

从物料平衡角度分析，该设想本质则是提高物料循环系统分级保存效率的最高点数值，使得平衡后山峰状的粒度分布的顶点再往高和尖锐程度上变化。

流态重构表现为床存量即床压降的降低，但是床压降的降低不是实现流态重构的手段，而是目的。流态重构不是简单通过排渣控制就能实现的，而是要通过具体的工程措施，其中典型的手段包括改进分离器的截止粒径点d99的效率，与此同时加大二次风动量，解决二次风穿透深度，强化燃烧室上部燃烧强度。

3.3.2节能型循环流化床锅炉的实践

基于流态重构的节能型循环流化床锅炉设想，2007年在山西大土河热电厂第一次实现。该炉燃用洗中煤和泥煤的混合物，通过设备改造，运行中可以将床压降运行在3.2kPa运行而不影响负荷，床温保持基本不变。运行1年后检查，燃烧室水冷壁毫无磨损，年运行可用率超过95%，由此年节约厂用电500万kWh。

按照此理念设计的220t/h循环流化床锅炉建设在海拉尔热电厂，锅炉风机设计电机容量见表3，运行电耗见表4。

该炉运行时的风室压力为7.7kPa；飞灰含碳量为0.49%；排渣含碳量为0.32%；运行3年燃烧室水冷壁无明显磨损。

采用该思路改进的福建龙岩电厂300MW循环流化床锅炉辅机电耗降至4.6%接近同容量煤粉炉的水平，而同容量原设计厂用电率为7.1%；全国平均水平为8%，国外平均水平也大于9%。

3.3.3流态重构节能型循环流化床技术的推广   

流态重构的节能型循环流化床锅炉投运后，在太原锅炉厂形成产品系列，在国内中小容量循环流化床市场因其厂用电耗低和可用率高的优势快速扩展，并打入国际市场。锅炉容量从75 t/h已经发展到亚临界300 MW，正在进行超临界350MW的开发，投运达到数百台。

3.4里程碑之四：循环流化床燃烧原始NOx超低排放技术的探索

循环流化床锅炉由于其中温燃烧、炉内存在大量还原性物料等特点，相较于煤粉锅炉具有天然的NOx低排放优势，一般可以达到200 mg/m3，能够满足世界上大部分国家和地区的排放标准。然而，面对中国颁布实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)要求的100 mg/m3的最新标准，甚至进一步严格到50 mg/m3的超低排放，CFB锅炉面临着极大的挑战。尤其是由于设计不准导致床温偏高时，NOx排放显著增加。

3.4.1  CFB燃烧条件下NOx的生成过程

NOx生成取决于热解燃烧发生的气氛。在CFB锅炉中，存在着气泡流动的下部密相区和大量颗粒团聚的上部快速床。密相区可以分为几乎不含固体的气泡相和近似处于最小流化状态的乳化相，见图17a）。乳化相内部气体速度接近于该粒度颗粒所对应的最小流化风速umf，而多余气体以气泡的形式上升。进入CFB炉膛中的燃料颗粒可以分为两类，一类是终端速度大于流化速度的大颗粒，一类是终端速度小于流化速度的小颗粒；前者趋于下沉，在乳化相中热解燃烧，后者将随气流上升，在上升过程中与循环物料一起发生团聚，颗粒团逐渐长大，当颗粒团生长到终端速度大于流化速度时又开始下降，下降过程中被上升气流逐渐吹散，重新上升，进入一个周期，从而有效延长颗粒在炉内的停留时间，完成燃尽。

大燃料颗粒进入密相区后，存在于乳化相中，燃料颗粒周围是惰性床料颗粒。燃料颗粒的比例很小。乳化相中的气流速度即为最小流化风速Umf，气体流量较小，燃料颗粒能够获得O2的条件很差：一方面直接流经燃料颗粒的气体很少，另一方面大量的一次风存在于气泡相中，O2从气泡相向燃料颗粒的传质阻力非常大，导致颗粒的热解和燃烧处于严重的缺氧状态。尽管密相区整体上富氧，但是对于处于乳化相中的燃料颗粒而言仍处于贫氧的还原性气氛中。在此还原性气氛下，燃料颗粒热解产生的挥发分N及焦炭N转化为NOx等小分子在离开密相区之后随着气泡的破裂改善了获的O2的条件，部分转化为NOx。挥发分的含量越高，如褐煤、次烟煤等，相应挥发分氮的比例越大，由此产生的NOx越多，这就是CFB锅炉燃用高挥发分煤种时NOx排放水平相对较高的一个重要原因。由于乳化相中的气体流速仅仅是最小流化风速，即使增加一次风份额。超过最小流化风速的多余气体只能以气泡的形式流动，增加了气泡的数量和大小，因此一次风份额并不能改善乳化相中的燃料颗粒获得O2的能力，但是对于气泡破裂后的混合有积极意义，会强化气泡破裂后挥发分的燃烧和NOx的生成，但是影响并不显著。

进人炉膛的小颗粒燃料随着气流向上流动，由于CFB上部处于快速床状态，燃料颗粒倾向于与床料发生团聚。颗粒团中燃料颗粒的热解燃烧条件与乳化相中相似，与底部的鼓泡流态化相比，发生了物相倒置。颗粒团中燃料颗粒的传质与传热规律仍可以由密相区乳化相近似比拟。由于细颗粒的团聚倾向强于粗颗粒，且上部较高的物料浓度也强化了团聚效果，因此床料变细后使得包裹于颗粒团内的燃料颗粒面临更大的传质阻力。因此对处于颗粒团中的燃料颗粒而言，也是处于贫氧的还原性气氛中，从而抑制了NOx的生成，焦炭氮转化为NOx的比例同样比较低，在细颗粒进入颗粒团之前，接触O2的条件变好，会产生部分NOx。

3.4.2 CFB燃烧条件下的NOx还原过程

为了改善燃烧效率，必须有适当的O2提供给燃料，燃料型NOx是燃烧的必然副产物。CFB燃烧具备了将这些副产的NOx还原的天然条件。如前所述，CFB燃烧无论下部密相区还是上部稀相区，对于燃料颗粒而言都处于特殊的还原性气氛下，在抑制燃料型NOx生成的同时，产生了大量还原性气体，这些还原性气体在炉膛中上升和流经分离器的过程中，能够进一步还原已生成的NOx，尤其是CFB锅炉循环灰颗粒为不易发生的CO还原NOx反应提供了丰富的吸附表面，循环灰富含的多种金属化合物也催化了这一反应过程。

由CFB是低温燃烧，燃烧反应速度比较低。为了满足释热速率的负荷要求，需要更多反应表面，因此主循环回路中有大量的焦炭。这些焦炭不仅提供燃烧反应进行的表面，而且提供了NO的还原条件。对于高挥发分燃料，其焦炭反应活性比较高，因此主循环回路中存有的焦炭表面积相对较少，对NOx的还原程度较低，这是CFB锅炉燃用高挥发分煤种时NOx排放水平相对较高的另一个重要原因。

二次风的比例和风口布置对于稀相区的还原性气氛有一些影响，但是实践证明影响并不显著。因此，气固两相流流态导致的特殊还原性气氛在低温条件下是CFB锅炉的NOx原始排放比较低的根本原因。而一次风比例的影响不大。在没有外置换热床条件下，床温的唯一控制手段是一次风率，试图通过调节一次风率以降低NOx的结果是床温提高，NOx变化的幅度很小。

运行条件如过量空气系数。给煤条件、配风形式等，也对NOx的排放产生影响。在严格控制床温、炉内过量空气系数和合理的风比、二次风口位置条件下，提高床质量、减少床存量、增加循环量可以进一步增强燃烧反应的还原性气氛，是深入挖掘CFB锅炉降低NOx排放潜力的可行技术手段。

3.4.3 CFB锅炉NOx超低排放的探索实践

CFB锅炉NOx超低排放的工程实现是通过系列的锅炉关键部件改进实现的。在充分研究的基础上，将该技术路线在实际工程上进行检验，相继在150 t/h、260 t/h和560 t/h的CFB锅炉上进行了工程实践。将此与已有CFB锅炉进行比较，见图22，可见对于燃用相近煤种，可以使NOx原始排放显著降低。

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循环流化床燃烧技术的发展展望

循环流化床燃烧本来是一种清洁煤技术，能够低成本满足几乎世界所有国家的环保标准，但是中国目前的排放标准是世界上最为严格的燃煤污染物排放标准，这将成为循环流化床燃烧技术的第一个挑战。发改委新公布的供电煤耗标准也给超临界循环流化床节能高效发电提出了第二个挑战。为应对两个挑战要采取以下措施：

(1)进一步提高蒸汽参数发展超超临界循环流化床，蒸汽压力达到29 MPa，温度为605/623℃，供电标煤耗<285 g>

(2)采用在“十二五”期间已经在300 MW以下容量循环流化床得到商业运行证实的流态重构节能型流程，将厂用电率降低到与煤粉炉相同的水平。这个工作已经在进行，在“十二五”科技支撑计划中获得了支持，目前看来效果比较乐观。

(3)深入挖掘循环流化床锅炉自身的污染控制潜力，实现循环流化床污染控制能力的突破这是循环流化床燃烧污染控制技术的新挑战。

人们公认的传统循环流化床炉内脱硫效率，在Ca/S =2.0 ～2.5条件下，燃用高硫煤时可高达95%，SO2的排放<300 mg><200 mg>

要冲破传统循环流化床炉内脱硫脱硝能力的极限，目光仍然回到循环流化床流态图谱，见图9。该图谱事实上存在第三坐标轴，即颗粒轴，原有曲线是基于传统循环流化床循环物料平均粒度在150-250μm条件下确定的。如果改变循环物料平均粒度，则曲线会发生改变。

如前3.4所述，循环流化床循环物料粒度更细条件下，NOx可以达到原始超低排放；与此同时，循环物料粒度减小意味着石灰石颗粒的利用率显著增加。

运行实践表明，如果分离器分离效率得到显著改善，飞灰切割粒径降至10μm，循环灰中位粒径接近100μm，炉膛上部的平均压降可以提高到60Pa/m，NOx原始排放可稳定在20～30mg/m3。最近山西山阴300MW和国锦东锅300MW循环流化床，也验证了NOx排放降低的明显趋势。上述成功超出了国内外对循环流化床污染物控制能力的认知底线，震惊了国外学术界也引起国内政府环保部门的注意。

因此，现阶段比较理想的低成本循环流化床燃煤锅炉的超低排放技术路线是：超高循环效率CFB+炉内细石灰石粉脱硫+袋式除尘器为基础装备，SNCR及半干法增湿活化二次脱硫作为热备用，见图23。这条技术路线已经在50～350MW的多个工程中得到印证。

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结论

(1)循环流化床燃烧技术对中国燃煤污染控制和消纳大量洗煤矸石、泥煤有重要意义。

(2)中国在循环流化床燃烧大型化、高参数方面达到世界领先。

(3)基于流态重构的节能型循环流化床技术，是中国自主创新的循环流化床发展新方向。

(4)在循环流化床流态图谱的第三轴（循环物料粒度轴）可以找到循环流化床低成本超低排放的突破点。

(5)在“十三五”期间将启动660 MW超超临界循环流化床锅炉示范和超低排放循环流化床的工程示范，形成最高发电效率、最高可用率和超低排放的循环流化床燃烧技术。可能把循环流化床技术应用空间从劣质煤推向高硫无烟煤，甚至优质煤发电市场。

备注：

本文原载于《中国电力》2016年1月（第49卷第1期），P1-13