內容摘要：綜述了近年來關于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。研究認為，致密的顆粒結構、很差的反應性、強烈的熱破碎性等煤質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、敷設衛燃帶、采取中低循環倍率、提高分離效率的分離器等鍋爐結構設計參數有利于福建無煙煤的燃盡；維持爐膛運行溫度在950℃以上、入爐煤采用窄篩分偏粗顆粒、適當提高二次風率等運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，爐內脫硫是一種有效、便捷、低成本的脫硫工藝，但為達到較好的脫硫效果（>50%），鈣硫摩爾比需在2.5以上；當過量空氣系數保持不變時，氮氧化物的排放濃度隨著二次風率的增加而降低。對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，存在有最佳二次風率，使得燃料氮的轉化率最低。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。

關鍵詞  福建無煙煤  循環流化床鍋爐  試驗研究  結論意見及建議

0 前言

福建省的能源資源以煤為主，其中無煙煤占98.3%。福建無煙煤結構致密、反應性較差，灰熔點低、具有強烈的熱破碎性質、難于著火和燃盡，在燃燒利用上存在有不少困難。循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣，燃燒效率高，污染物排放低等優點，近年來已成為燃燒福建無煙煤的首選爐型，在福建省的應用發展很快，目前已投運有60多臺，單機最大容量已達440t/h，總蒸發量已達6000t/h，在我省能源工業與經濟建設發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，顯然具有重要的現實意義。

近年來，關于CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤的研究主要集中在兩個方面：其一是有關燃盡技術的研究；其二是有關低污染排放的燃燒技術研究。本文擬對這些研究進行總結綜述并在此基礎上指出今后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鍋爐中燃燼技術的研究

理論上，循環流化床鍋爐燃燒效率可以達到98%以上[1]，但由于福建無煙煤燃燒性質特殊，目前福建省內已投運的中小型CFB鍋爐 (75t/h及以下) 的實際燃燒效率一般卻不超過90%[2]。據了解，造成燃燒效率偏低的主要原因是飛灰含碳量較高，機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因素、鍋爐結構與煤種的適配性和鍋爐燃燒運行參數等，近年來關于福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡技術的研究也主要圍繞著這三方面展開。

1.1 煤質及其燃燒特性對燃盡影響的研究

福建無煙煤顆粒結構致密，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，顆粒中絕大多數孔隙的孔徑在0.1mm以下。研究發現[3]，宏觀上，福建無煙煤入爐煤可分為三類：表面烏黑發亮、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。其中亮煤顆粒的結構較密實，內部孔隙以亞微孔(0.01~0.1mm)居多，大孔徑較少；暗煤顆粒中細孔、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達，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的內部結構意味著一方面燃燒時氧氣不容易擴散到顆粒內部參與反應，另一方面，燃燒生成的氣體也不容易及時輸出，因此燃燒反應速度慢，是造成其難于燃燒和燃盡的一個重要因素[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，研究發現[5]，福建無煙煤的活化能極高，一般在200kJ/mol左右。活化能高，意味著反應性差，難于被燃燒，這是CFB鍋爐在燃燒福建無煙煤時飛灰碳含量遠高于燃燒其它煤種時的一個主要內在原因。

福建無煙煤的熱破碎性質也是影響其在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性、并顯著改變了給煤的粒度分布，直接決定了爐床內的固體顆粒濃度、物料的揚析夾帶過程、爐內的傳熱過程和煤顆粒的燃燒過程，同時對燃燒室內熱負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不同，破碎性質差異很大。流化床燃燒中，亮煤與灰煤發生了嚴重破碎（包括一次破碎和二次破碎），產生了大量的、粒徑小于0.3mm的細小顆粒，被揚析到爐膛中上部燃燒；暗煤雖不發生破碎或僅發生輕微破碎，但因顆粒表面孔隙較發達，吸附了許多微細顆粒，這些微細顆粒在流態化燃燒時也會從其母體顆粒表面脫落，被揚析到爐膛中上部燃燒，從而增加爐膛中上部細顆粒的濃度[7]。因此CFB鍋爐在燃燒福建無煙煤時，其爐膛中細顆粒特別是0.1mm以下不可循環的微小顆粒的實際濃度遠高于一般工業循環流化床鍋爐的設計值。這些微小顆粒的反應性較差，具有明顯的后燃性，一次通過爐膛時有很大一部分未能被完全燃盡，其中沒有被旋風分離器捕捉回爐膛再燃燒的細小顆粒便構成了飛灰殘碳。

1.2  關于CFB鍋爐爐膛結構及運行參數適配性方面的研究

這方面的研究內容主要包括有爐型、受熱面布置、循環倍率和分離器等結構參數設計和燃燒溫度、入爐煤粒徑、流化氣速、過量空氣系數、二次風率等運行參數選擇。

1.2.1  CFB鍋爐設計結構與煤種適配性方面的研究

較高的爐膛高度有利于延長細顆粒一次性通過燃燒室的停留時間，有利于如福建無煙煤這類后燃性煤種的燃燼。工業實踐發現，“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至稀相區之間敷設一定高度的耐磨材料作為衛燃帶，可以有效提高燃燒室的燃燒強度，有利于福建無煙煤的燃燼。衛燃帶一方面使顆粒在絕熱狀態下燃燒，可以使燃燒室內保持高溫；另一方面也可以充分發揮爐膛底部的“熱池”作用，讓物料將熱量源源不斷帶到爐膛上部。工業運行實踐表明，敷設衛燃帶可以有效提高燃燒效率[2]。

循環倍率是影響福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡的一個重要設計參數。研究發現，當循環倍率較小時，隨著鍋爐循環倍率的增加，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，其循環倍率也不同。對于高灰煤，宜于采用低循環倍率，對于低灰煤，宜于采用中高循環倍率，研究認為[9]，福建無煙煤屬中灰煤，采用中低循環倍率，對福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡有促進作用。

氣固分離器是CFB鍋爐系統的核心部件之一。經過近年來的發展，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展到現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，能捕捉到的細顆粒份額就越大，細顆粒的在爐膛高溫區域的燃燒停留時間就越長，燃盡率就越高。研究表明，當旋風分離器的切割粒徑由30mm減小到10mm時，飛灰碳含量可降低10個百分點，見圖1[10].

1.2.2  CFB鍋爐運行參數對燃燼影響的研究

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速度，縮短細顆粒煤焦的燃盡時間，加快煤焦的燃盡；同時，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。研究發現，對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，當燃燒溫度小于950℃時，提高燃燒溫度對降低飛灰含碳量有明顯效果，但當燃燒溫度高于1000℃時，進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。福建無煙煤的煤質硬而脆，且有強烈熱破碎傾向，破碎后產生了大量粒徑小于0.1mm的細粉顆粒，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有較多的飛灰量，在爐膛中上部稀相區中就會有更多熾熱的循環灰和進行著燃燒反應的焦炭粒子。那些未能被分離器捕捉的、未來得及燃盡的細小煤粉就容易進入尾部煙道而形成飛灰碳。研究認為[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停留時間的重要因素，對于細顆粒煤焦的燃盡有重要影響。研究認為，在保證流化的情況下，適當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，其燃燒反應速度受化學動力學和擴散阻力共同控制，且因其后燃性，提高爐膛稀相區氧氣的濃度有助于其細煤焦顆粒的燃燼。但研究發現[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，在爐膛中心的流動核心區域存在有一個“貧氧區”，對于細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。適當提高二次風率，增加二次風速度，提高二次風的穿透能力，可使爐內煙氣得到比較強烈的混合和攪拌，從而有利于提高稀相區上部中心區域的氧濃度，對福建無煙煤在CFB鍋爐中的燃盡有促進作用。研究表明[13]，當燃燒空氣量較少時（l<1.25），二次風率變化對飛灰含碳量的影響不顯著：隨著二次風率增加，飛灰含碳量緩慢減少。但當總過量空氣系數較大時(l>1.25)，飛灰含碳量隨二次風率的增大而迅速降低，見圖3。

當然，影響燃燒效率方面，CFB鍋爐的設計結構及運行參數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系。因此，提高燃燒效率方面，應綜合考慮合適的爐膛設計結構及運行參數。

2  燃燒福建無煙煤CFB鍋爐低污染排放的技術研究

近年來在這方面的工作主要是研究了燃燒過程中的爐內脫硫和脫硝問題。

2.1  脫硫研究

一般情況下，燃燒產生的SO2是燃料問題而非技術工藝問題。研究發現，煤中的硫以三種形態存在：有機硫、黃鐵礦硫、和硫酸鹽硫。其中，有機硫和黃鐵礦硫在煤的揮發分析出階段和焦炭燃燒階段反應生成了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（即爐內脫硫）相對其他兩種方式而言，其投資及運行成本是最低的[14]。

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

由于在還原性氣氛中，煤中的硫分會形成H2S，然后與CaO反應生成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%。有研究認為[16]，在還原性氣氛中進行的脫硫，既可有較高的脫硫效率，又可以達到較低氮氧化物排放濃度，是爐內脫硫的一個新方向。

2.2 脫硝研究

CFB鍋爐的低溫燃燒特性和分級送風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75t/h燃燒福建無煙煤工業循環流化床鍋爐上進行燃燒脫硝試驗研究，結果表明[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的增大而降低；但當過量空氣系數大于1.3后，NOX的排放濃度趨于穩定；在過量空氣系數保持不變時，氮氧化物的排放濃度隨著二次風率的增加而降低：對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐，存在有最佳二次風率，使得燃料氮的轉化率最低。研究發現[18]，添加石灰石脫硫對氮氧化物排放的影響很微弱。在小鈣硫比工況下，添加石灰石脫硫會使煙氣中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  結語與展望

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

（1）繼續開展煤質特性研究。關于煤質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，使得CFB鍋爐的設計建設更有針對性，應針對每一具體煤種做出研究；

（2）繼續進行爐內脫硫技術開發。雖然爐內脫硫是CFB鍋爐的技術優勢，但在應用上卻也會存在有一些問題，特別是會增加灰渣數量和改變灰渣性質。由于添加了鈣基脫硫劑，脫硫情況下產生的灰渣與同容量未經脫硫情況相比要多出30％左右；同時，脫硫灰渣與普通灰渣的性質又有很多不同之處，脫硫灰渣的鈣和硫含量都遠高于沒有經過脫硫的灰渣，以致于很難用常規的灰渣利用方式對其進行處理。開發適合于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐脫硫灰渣綜合利用新技術已成為推動CFB鍋爐爐內脫硫技術應用的關鍵。

（3）開展控制燃燒產生的重金屬痕量元素排放技術研究。煤中的各種痕量重金屬元素如As、Se、Pb、Cr等在燃燒后會轉化成各類化合物隨煙氣排出，這些化合物多為致癌物質和基因毒性誘變物質，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一步控制燃燒污染排放的技術研究重點；

（4）開展燃燒產生的粉塵排放控制技術研究。 目前，CFB鍋爐除塵器的除塵效率一般可達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，構成了大氣氣溶膠的主要來源。控制這些粒徑小于10微米（PM10）超細顆粒的排放也是CFB鍋爐清潔燃燒福建無煙煤下階段研究工作的重點；

（5）開展CFB鍋爐燃燒福建無煙煤的模型研究。目前，CFB鍋爐在福建省內的應用正往大型化方向快速發展。建立針對于燃燒福建無煙煤的CFB鍋爐總體數學模型，對大型CFB鍋爐的燃燒工況進行數值模擬，確定最佳設計和運行參數，對于燃燒福建無煙煤CFB鍋爐的優化設計和優化運行具有重要意義。

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集美大學機械工程學院 廈門 361021 申良坤 何宏舟

文章作者：集美大學機械工程學院 廈門 361021 申良坤 何宏舟