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初雷哲1,2，張衍國1，康建斌2
（1.清華大學能源與動力工程系，清華大學-滑鐵盧大學微納米能源環境聯合研究中心，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京100084；2.北京熱華能源科技有限公司，北京100085）
摘要：多流程循環流化床技術是在傳統循環流化床技術基礎上開發的一種新型循環流化床技術，采用“三床兩返多流程”的獨特架構，具有效率高、燃料適應性廣和原始污染物排放低的優點。研究人員對多流程循環流化床內部的流動和傳熱做了大量的研究，揭示了多流程循環流化床各爐膛內的氣固流動及傳熱機理，開發了適用于不同燃料的多流程循環流化床工業鍋爐。本文介紹了多流程循環流化床的技術特點，重點分析了該技術對生物質燃料的適應性及其在生物質鍋爐中的應用現狀，結合該技術的特點及我國生物質能現狀，探討了其在生物質鍋爐中的合理利用途徑，指出應充分發揮該技術原始污染物控制的優勢，在減少排放的同時，降低生物質鍋爐運行成本。
生物質燃料具有揮發成分多、灰分低、反應活性高的特點，適合燃燒利用，而且生物質中硫含量很低，全生命周期的碳排放為零，也是一種環境友好的燃料[3-7]。生物質鍋爐常用的燃燒技術是層燃技術、懸浮燃燒技術和循環流化床燃燒技術，其中循環流化床燃燒技術具有燃燒效率高、污染排放低、燃料適應性廣等優點，是高效規模化利用生物質最具有前途的技術之一[8-11]。多流程循環流化床是一種新型的循環流化床技術，除了具有常規循環流化床技術的優點外，其燃燒行程長以及中溫分離技術都對生物質燃燒具有很好的適應性[12-13]，本文重點介紹多流程循環流化床技術的特點及其在生物質工業鍋爐領域的應用。
1多流程循環流化床技術原理
傳統立式循環流化床如圖1所示，主要結構由爐膛、分離裝置和返料系統構成，這幾個部件形成了一個固體物料的循環回路，爐膛中存有大量流態化的床料，燃料從爐膛下部給入，反應所需空氣從爐膛底部和下部分級送入，燃料與空氣在爐膛中發生反應，燃燒的煙氣攜帶部分固體物料進入分離裝置，大顆粒物料被分離裝置分離下來，通過返料裝置回送到爐膛中，其中未反應的大顆粒燃料可以回送到爐膛再次反應，提高燃料的燃燒效率[14-17]。
多流程循環流化床如圖2所示，在傳統的立式循環流化床基礎上，將一級爐膛改成三級爐膛，形成一個“三床兩返多流程”的獨特架構，三床B3由“上行床”主燃室1“下行床”副燃室2和“上行床”燃盡室3構成，“兩返R2”由主返料系統5和副返料系統6構成，反U型通道7、正U型通道8、分離器4、“三床”和“兩返”等形成了“多流程Pn”的物料循環。多流程循環流化床主燃室中流動與傳統立式循環流化床相似，從主燃室處理的高溫煙氣夾著固體物料進入副燃室，煙氣通過副燃室煙溫稍有下降，在副燃室底部與燃盡室拐角處部分較大顆粒物料被分離下來通過一級返料裝置回送到主燃室，形成一級物料循環，煙氣在燃盡室中進一步降溫，到生物質能是重要的可再生能源，具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點。我國生物質資源豐富，能源化利用潛力大，全國每年可作為能源利用的農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和能源作物、生活垃圾與有機廢棄物等生物質資源總量約4.6億噸標準煤[1-2]。生物質能的利用方向包括能源化、飼料化、肥料化和材料化，在生物質能源化利用方式中，燃燒是其規模化應用的主要途徑，達出口的旋風分離器時溫度降低到500℃左右進行中溫分離，煙氣中攜帶的物料被進一步分離下來，以較低溫度回送到主燃室，形成二級物料循環，從旋風分離器出來的煙氣經尾部受熱面和煙氣處理后排入大氣[18-19]。
2多流程循環流化床內部流動和傳熱特性
多流程循環流化床結構設計的特殊性導致了其內部氣固流動及物料平衡的特殊性。傳統循環流化床只有一級爐膛，其中的氣固流動是逆重力場的流動，而多流程循環流化床三個爐膛在水平方向依次排布，爐膛中的氣固流動在流經三個爐膛的過程中依次要經過逆重力場和順重力場的交替流動，順重力場與逆重力場的氣固特性有很大差異，在主燃室/副燃室和副燃室/燃盡室爐內氣流發生兩次轉折，拐角處的結構對流動也會有很大影響，所以多流程循環流化床鍋爐內氣固流動特性較傳統立式循環流化床更為復雜[20-21]。
本文作者搭建了冷態實驗裝置對多流程循環流化床鍋爐內部的氣固流動特性進行研究（圖3）[22-25]。
圖4是多流程循環流化床中典型的爐膛壓降分布，多流程循環流化床內部的壓力損失主要分布在三個部分：主燃室、主燃室到副燃室的拐角1以及副燃室到燃盡室的拐角2。其中主燃室中物料濃度最高，壓力損失占絕大部分；副燃室中氣固兩相為順重力場流動，氣體不需要支撐固體物料的重量，所以在副燃室中壓降較小；由于副燃室與燃盡室之間的拐角物料的分離作用，燃盡室顆粒濃度很低，所以燃盡室的壓降最小。在整個流程中兩個氣流轉折的拐角處都有明顯的局部阻力損失效應，多流程結構產生的氣流轉折對爐內流動有很大的影響，可以通過優化拐角處的結構形式，改善爐內的流動特性。
對多流程循環流化床內部物料濃度的研究表明，與傳統循環流化床類似，多流程循環流化床主燃室的沿程壓降和軸向顆粒體積分數呈指數分布，橫向顆粒體積分數呈“環-核”結構分布。在副燃室，沿流動方向上，由于受拐角1影響，顆粒主要集中于右側，且風速的增大會使這種偏向性更加嚴重；在垂直于流動方向上，受主燃室直接影響，也呈現出類似的“邊壁高、中心低”的環核分布。氣體和顆粒對副燃室右側壁面沖刷嚴重，燃盡室顆粒體積分數始終很低，顆粒主要貼著右側壁面運動。
循環流化床鍋爐內傳熱系數與爐內的氣固流動特性密切相關，影響傳熱系數的主要因素有物料濃度、粒徑分布、流化風速和受熱面布置形式等[26-34]。多流程循環流化床由于獨特的結構，其爐內的氣固流動特性與傳統循環流化床鍋爐有很大不同，尤其是副燃室和燃盡室中由于氣流轉折造成的氣固流動特性與主燃室有很大區別，所以多流程循環流化床內傳熱系數也具有其獨特的分布特性[35-37]。
在多流程循環流化床氣固流動特性的基礎上，黃潤華、叢堃林等[38-39]對爐內的傳熱系數的分布進行了研究，在冷態實驗裝置上采用自制的橫掠單管與壁面傳熱測量裝置對多流程循環流化床的三個爐膛內部的單管橫掠傳熱系數和壁面傳熱系數進行了研究。
研究指出，主燃室內密相區物料濃度很高，且沿高度迅速降低，稀相區物料濃度很低且變化較緩，所以主燃室內傳熱系數沿床高方向逐漸減小，且下部密相區換熱系數變化劇烈，上部稀相區傳熱系數變化平緩，副燃室和燃盡室中物料濃度更低，傳熱系數較主燃室又有明顯下降，單管實驗與壁面實驗主燃室密相區、稀相區、副燃室和燃盡室的傳熱系數比例分別為4.04∶1.46∶1.26∶1及1.83∶1.18∶1.06∶1。黃潤華[38]還考察了物料粒徑對傳熱系數的影響，發現采用細顆粒的物料傳熱系數比粗顆粒物料明顯提高，87μm的物料傳熱系數比174μm的物料傳熱系數在不同工況下提高了10%～40%。
3多流程循環流化床生物質燃燒的適應性
傳統的立式循環流化床鍋爐應用于中小型工業鍋爐領域，受限于爐膛高度，燃料在爐膛內停留時間較短，難以滿足燃料的燃盡要求，導致鍋爐效率低下，一般認為35t·h-1以下的鍋爐不適合采用循環流化床技術[40-41]，這限制了循環流化床技術作為一種高效低排放燃燒技術在中小型工業鍋爐領域應用。多流程循環流化床技術“三床兩返”的結構用縱向深度換豎直高度，真正實現了循環流化床鍋爐小型化。
多流程循環流化床三級爐膛的設計延長了燃料在爐內的燃燒行程，有利于燃料充分燃燒，同時，三級爐膛的設計使得鍋爐受熱面的布置更靈活，可以合理組織爐內燃燒過程，這些都有利于提高鍋爐的效率，使得中小型的循環流化床鍋爐能達到接近大型鍋爐的效率（88%～92%）。
生物質的燃燒利用過程中，由于其堿金屬含量高、灰熔點低、灰的黏度比較大，容易在分離器中發生后燃、結焦現象，還容易造成鍋爐尾部受熱面積灰[42-48]。多流程循環流化床技術采用的是中溫分離技術，爐膛出口的溫度控制在500℃左右，低于堿金屬黏結沉積溫度，能有效防止尾部對流管束積灰；同時由于采用三級爐膛，爐內的輻射受熱面較多，尾部對流受熱面比例減小，也有效減少了積灰風險。
多流程循環流化床的三級爐膛形成了兩級物料循環，一方面可以將未燃盡的燃料回送爐膛提高燃盡率，另一方面將溫度較低的灰，尤其是中溫分離的二級灰返回到主燃室，可以降低主燃室密相區溫度，避免密相區超溫，在燃用低灰熔點的生物質燃料時，能有效防止爐膛結焦。
在環保方面，多流程循環流化床配以爐外經濟合理的污染物控制措施可以達到超低排放，典型的多流程循環流化床超低排放工藝流程如圖5所示，煙塵采用一級粗除塵加一級高效布袋除塵，粗除塵成本低，可以將大部分顆粒分離下來，降低后端布袋除塵負荷，高效布袋除塵可以嚴格控制出口的煙塵濃度；脫硫采用爐內石灰石脫硫加尾部堿液脫硫，由于三級爐膛延長了爐內的反應時間，配合兩級物料循環，爐內脫硫效率可以達到85%，爐內脫硫的成本低，尾部堿液脫硫可靠性高，運行穩定，可以保證出口SO2排放達標，盡管堿液價格較高，但由于大部分脫硫負荷在爐內完成，所以總體脫硫成本不高。對于氮氧化物（NOx），多流程循環流化床爐膛內反應溫度低，結合分級配風，在主燃室密相區形成還原性氛圍，可以控制NOx的原始排放小于150mg·m-3，再配以選擇性非催化還原（SNCR）可以進一步降低NOx排放，由于多流程循環流化床內有較長的高溫區，其NOx控制對變燃料、變負荷都有很好的適應性。
4多流程循環流化床生物質鍋爐的應用案例
多流程循環流化床燃燒技術對生物質燃料有很好的適應性，該技術已經在多種不同種類生物質工業鍋爐上得到應用，并取得很好的效果。
2009年德彥紙業（廈門）有限公司建設了第一臺15t·h-1多流程循環流化床生物質鍋爐，燃料為稻殼，至今已有生物質鍋爐項目13個，共三百多蒸噸（蒸噸的單位t/h，1t/h=0.7MW，下同）。已應用的生物質燃料包括秸稈、木屑、稻殼、玉米芯、生物質成型燃料等。
2009年華潤三九（棗莊）藥業有限公司建設了第一臺20t·h-1燃有機固廢的多流程循環流化床鍋爐，燃料為“煤+中藥渣”，至今已有燃有機固廢項目26個，共600多蒸噸，已應用項目的燃料包括中藥渣、咖啡渣、酒糟、煙梗[49-50]、造紙廢料等。
圖6是位于江蘇興化脫水蔬菜工業園區的2×45t·h-1多流程循環流化床生物質鍋爐，用于替代原有的三十多臺小型燃煤鍋爐向園區企業供汽，鍋爐效率達到90%，污染物排放達到GB13271-2014鍋爐大氣污染物排放標準中燃氣鍋爐排放標準，徹底解決園區各廠分散小鍋爐的污染問題，同時充分利用了當地豐富的生物質資源，以生物質代替化石能源，實現了節能減排和可持續發展。
在多流程循環流化床生物質鍋爐實際運營過程中，由于生物質原料供給的波動，很多項目出現了燃料更換甚至多種燃料混用的情況，在這種情況下多流程循環流化床鍋爐能保證穩定運行，表現出了強大的適應能力。
5多流程循環流化床生物質鍋爐的應用前景
生物質燃料的堆積密度低，原料的收集和儲運成本較高，所以其收集半徑不宜過大，更適用于中小型的工業鍋爐，多流程循環流化床技術真正實現了循環流化床技術的小型化，能夠實現生物質燃料的清潔高效利用，具有廣闊的應用前景。
在多流程循環流化床生物質燃燒應用中，應該充分利用該技術的“多燃料混燒”特點，在生物質資源豐富的地區以及工業廢棄物集中的用戶，實施“一爐多燃料”，綜合利用不同種類的生物質和工業廢棄物燃料，既可以有效應對燃料季節性波動，又可以降低運行成本。
國家對工業鍋爐污染物排放的要求日趨嚴格，充分利用多流程循環流化床污染物原始排放低的特點，設計合理的超低排放工藝，可以降低污染物控制成本，有利于該技術在生物質和有機固廢領域的推廣應用，在節約化石燃料消耗的同時，還可有效減少二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放，助力解決大氣污染環境問題。
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