2.4.3 粒煤的流化燃烧
固体颗粒在自下而上的气流作用下具有流体性质的过程称为流化。使煤在流化状态下进行的燃烧称为流化床燃烧。颗粒尺度较大而操作气速较小时在床下部形成鼓泡流化床，即其连续相是气固乳化团，其分散相是以气为主的气泡。在气泡上浮作用下，床内颗粒之间有较强的热质交换。颗粒尺度较小、操作气速较高，加以使用分离器使逸出物料不断返回时，形成另一种流化床，称快速流化床，其分散相为气固乳化团，其连续相为含少量颗粒的气体。目前的循环流化床是有灰循环过程的流化床锅炉的总称。
2.4.3.1 流化床燃烧的优点
煤的流化床燃烧是继层燃燃烧和悬浮燃烧之后发展起来的第三代煤燃烧技术，由于固体颗粒处于流态化状态下具有诸如气固和固固充分混合等一系列特殊气固流动、热量、质量传递和化学反应特性，从而使得流化床燃烧具备一些与层燃燃烧和悬浮燃烧不同的性能。
流化床燃烧具有以下优点。
（1）燃料适应性强
流化床内新加入的燃料和脱硫剂占整个床料的比例很小，燃料一旦进入流化床，立刻被大量的灼热惰性粒子包围和稀释，并在床层温度不明显降低的前提下，使燃料迅速加热到高于其着火温度，顺利地着火、燃烧和燃尽。因此流化床燃烧不但可以燃用优质煤，而且可以燃用高灰煤、高硫煤、高水分煤、煤矸石、泥煤、煤泥、油页岩、石油焦、炉渣和垃圾等。许多循环流化床燃用煤的灰分高达40%～60%。
（2）易于实现炉内高效脱硫
流化床内气固混合充分且燃烧温度恰好处于CaCO3与SO2反应的最佳温度，在燃烧过程中加入廉价易得的石灰石或白云石，就可方便地实现炉内高效脱硫。
（3）NOx排放量低
流化床燃烧实际上是一种有效的低温强化燃烧方式，床内温度低且分布均匀，烟气中的氮氧化物（NOx）的含量很低。
对于分一次空气和二次空气加入助燃空气的分段流化循环流化床来说，因炉膛底部处于还原状态，此处析出的部分燃料氮会转化为分子氮，不能充分与氧反应生成NOx，而分子氮即使在炉膛上部的氧化区也难氧化，因此NOx生成量更小。
（4）燃烧效率高
流化床的气固混合好，燃烧速率高，较小煤粒在炉膛高度的有效范围内，有足够时间燃尽。因此，相对于层燃炉而言，燃烧效率要高。特别是循环流化床锅炉，因为绝大部分未燃尽的炭粒被高温旋风分离器捕集后再送回炉膛，从而获得更长的燃尽时间，所以能在比鼓泡流化床更宽的运行变化范围内获得更高的燃烧效率，达到可与煤粉炉相媲美的程度。
（5）灰渣便于综合利用
流化床的低温燃烧特性使其产生的灰渣具有较好的活性，可以用来做水泥熟料或其他建筑材料的原料。另外，流化床燃烧温度低，燃烧过程中钾、磷等升华很少，灰渣中钾、磷等成分含量相对较高，能用于改良土壤和做肥料添加剂。
除此之外，循环流化床锅炉还具有负荷调节性能好、便于大型化等优点。
与常压流化床相比，增压流化床内气体密度大，允许使用较低的流化速度（约为1m/s），这样可减轻床内受热面和炉墙的磨蚀；较高的压力也允许床层较深，因此低速和深床的综合效应使得气体在床内的停留时间增长，从而进一步减少脱硫所需的脱硫剂用量，并且改善燃烧效率。
2.4.3.2 流化床燃烧工艺及设备
流化床燃烧设备称流化床锅炉，又称沸腾炉，有着与常规锅炉类似的水汽系统，差异主要表现在燃烧系统，在辅助系统中煤制备系统、鼓风及引风除尘系统、脱硫剂系统、排渣系统、仪表控制系统方面也有一定差异。随着流化床锅炉的大型化，流化速度得到了提高，出现了常压鼓泡流化床锅炉、常压循环流化床锅炉、增压鼓泡流化床锅炉、增压循环流化床锅炉等类型，燃烧压力从常压增加到了10多个大气压。从常压锅炉到增压锅炉的发展使锅炉截面热负荷提高了6～10倍，从鼓泡床到循环床的发展使锅炉截面热负荷提高了1～2倍。流化床锅炉的发展使锅炉在相同功率的条件下，大幅度减少了炉膛面积。
图2-9 鼓泡流化床锅炉结构示意图
（1）鼓泡流化床锅炉
图2-9是鼓泡流化床锅炉的结构示意图。给煤可采用床上方重力送入、螺旋输送机给入和给煤喷嘴气流输送等多种方式。重力送入机械由送煤链条、调节挡板和单向煤阀等构成，结构相对简单，对燃料的粒度、水分含量要求较宽松，但送入的小粒径煤容易被气流吹走，影响燃尽程度，而且给煤也不易均匀分布到整个床面上。螺旋输送机给煤可使小粒径煤不会被风吹走，但也不易做到沿床面均匀分布。对于容量大于65t/h的锅炉，多采用气流给煤喷嘴方式，但气流给煤对煤的粒度和水分要求相对比较严格，防止造成给煤喷嘴堵塞。
鼓泡流化床炉底无移动的链条炉排，无法自动将渣连续排出炉外，因此必须在布风板或炉底布置冷渣管，按时排出沉积在床层底部无法流化的重颗粒及不正常燃烧时产生的渣块，保证正常流化；在床面附近还要布置溢流孔连续排出溢流灰，保持流化床床面正常高度和恒定的存料量。在正常存料量下仅1%～3%的床料是燃料，所以着火条件良好，燃料适应性广泛。流化床中的细小颗粒必然会产生扬析，所以在床面上必须布置合适高度的悬浮段，让吹出床面的细粒和析出的挥发分有充分的停留时间，保证较高燃尽率。同时炉膛布置足够数量的受热面，以保持850℃左右的正常床温，受热面主要由膜式水冷壁和埋浸受热面组成。膜式水冷壁延伸到炉底，风帽即安装于水冷壁鳍上，风室也焊接在水冷壁上，整个炉膛、布风装置和风室连成一体，能很好解决炉膛热膨胀带来的一系列问题。
但鼓泡流化床也存在许多问题和缺陷，如热效率低（一般在60%左右），锅炉对流面、埋管磨损严重，在向鼓泡流化床内加石灰石脱硫时，石灰石的钙利用率较低，大型化受到床面积限制等。
（2）循环流化床锅炉
循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧的最大区别是：在循环流化床中布置有高温或中低温分离器，可将未燃尽的煤粒分离下来，经回送装置送回床层继续燃烧。除了分离器难以分离下来的极细颗粒外，其余颗粒都要经历几次、几十次、甚至上百次的循环燃烧，这大大增加了颗粒在床内的总的停留时间，以保证充分的燃尽。另一个主要区别是：鼓泡流化床燃烧的流化速度通常只有2.5～3.0m/s，属鼓泡流化床流动状态，而循环流化床燃烧的流化速度通常为3～10m/s，甚至超过10m/s。
根据燃料粒度、二次风比例及流化速度的不同，循环流化床燃烧炉膛内的流动状态有三种情况：炉膛上下均为快速床流化状态；炉膛下部呈湍动床状态，上部为快速床状态；炉膛下部呈鼓泡床状态，上部为快速床状态。显然，三种情况无论哪一种都与单一的鼓泡流化床在流动结构和流动特性上有很大不同。图2-10为循环流化床锅炉的燃烧原理示意图。可以看出，常压循环流化床锅炉由固体物料循环回路和对流烟道两大部分组成。
图2-10 循环流化床锅炉的燃烧原理示意图
一般地，循环流化床燃烧系统由给料系统、燃烧室（炉膛）、分离装置、循环物料回送装置等组成，有的还外置一个热交换器或内部热交换热器（有些炉型中，返料装置与外置流化床换热器相结合）。炉膛内通常布置有水冷管，燃烧产生热量的一部分就由这些水冷管吸收。而在对流烟道上布置有过热器、省煤器和空气预热器等，用于吸收烟气的余热。此外，循环流化床锅炉还配有排渣和颗粒分级设备。
循环流化床的关键部件是分离装置，其形式有旋风分离型、炉内卧式分离型、惯性分离型、炉内旋涡型和组合分离型等几种。气流从燃烧室携带出来的高温物料经分离器分离后，由循环物料回送装置送回燃烧室，完成循环。分离器引出的高温烟气经尾部受热面冷却后，经除尘器除尘后排入大气。
相比鼓泡流化床，循环流化床具有以下技术特点：
① 循环流化床为湍流床或快速床，炉内混合或湍动强烈，且煤粒反复循环，具有足够长的反应时间，因此燃烧效率高于鼓泡床。
② 循环流化床的操作速率是鼓泡床的3～5倍，炉膛截面热负荷远大于鼓泡床，因此炉膛截面积可大大减小；另外可采用前后墙气力给煤，减少给煤点，因此，容易解决大型化问题。
③ 循环流化床燃烧的炉膛温度控制在850～900℃左右，属低温燃烧；另外，在炉膛上中下不同位置都可以布置二次风，采用分级燃烧，因而可有效抑制NOx的生成。
④ 循环流化床燃烧属低温及分级配风燃烧，燃烧温度水平在850～900℃范围内，低温燃烧技术可实现直接向炉膛中加入石灰石在燃烧过程中直接脱硫，脱硫效率高且技术简单、设备经济。
⑤ 循环流化床负荷调节简单，调节速度快于鼓泡流化床。
⑥ 不布置埋管受热面，不存在鼓泡流化床锅炉中的埋管易磨损问题。另外，床内没有埋管，启动、停炉、结焦处理时间短，长时间压火后也可直接启动。
循环流化床燃烧的主要问题是：
① 由于高颗粒浓度和高气速，在分离器之前对流受热面磨损严重，限制了烟速的提高。
② 高循环倍率循环锅炉中分离器在800～850℃温度下工作，一旦运行不正常，烟温偏高时就会产生结渣，使整个循环系统的工作受到影响，甚至不能正常运行。
③ 循环流化床锅炉的负荷、过热气温、循环倍率和床温等均彼此关联，因此自动控制要求很高。
（3）增压流化床锅炉
增压流化床燃烧技术的出现主要是为了提高流化床的压力，使其能与燃气轮机配套组成联合循环机组，以提高整个热力循环的效率。和常压流化床一样，增压流化床也有鼓泡流化床和循环流化床之分。
从结构上看，增压流化床锅炉与常压流化床锅炉的不同之处在于，它的鼓泡或循环流化床炉膛、启动燃烧器和高温旋风分离器（对于增压循环流化床锅炉）等被置于一个大的压力容器中，加压0.6～1.6MPa，如图2-11所示。
图2-11 增压流化床锅炉结构示意图
1—床体预热器；2—旋风器；3—灰容器；4—压力容器；5—灰冷却器；6—管束；7—床体
从系统配置来看，由于增压流化床内煤的燃烧是在高压下进行的，因此，除了锅炉产生的蒸汽可用来驱动汽轮机发电外，燃烧产生的高压热烟气经过净化，以满足燃气轮机和环境保护的要求后，进入燃气轮机的膨胀室，膨胀产生的能量一方面可用于驱动压缩机，为增压流化床锅炉提供压缩空气，另一方面，能用于发电，从而组成联合循环发电系统。增压流化床可组成增压流化床燃气-蒸汽联合循环（pressurized fluidized-bed combustion combined cycle，PFBC-CC），提高发电效率。增压流化床排出的是有压高温烟气，经高温除尘器除尘后可推动燃气轮机发电，燃气轮机排出的具有较高温度的废气供余热锅炉产生蒸汽，蒸汽再推动蒸汽轮机发电，这样就组成了燃煤燃气-蒸汽联合循环，称为第一代PFBC-CC技术。
第一代PFBC-CC的热力系统包括3部分：空气-燃气循环系统，水-蒸汽系统，煤、脱硫剂、废料系统。空气经低压压气机压缩后，通过内冷却器冷却，进一步在高压压气机中升压至0.6～2MPa，温度达300℃。高温、高压空气经增压流化床风板下部的配风喷嘴喷进流化床，作为流化介质和助燃空气。燃烧产生的高温燃气（温度约850℃）由流化床上部空间进入旋风分离器净化后，再送至燃气轮机膨胀做功，做功后经余热回收，再由烟囱排向大气。与此同时，给水经预热后进入流化床锅炉中，在其中受热后产生蒸汽并进入蒸汽轮机做功。其发电效率比相同参数的常规粉煤电站的发电效率可高出3～5个百分点。
在第一代PFBC-CC中，由于流化床的燃烧温度一般控制在850～900℃的范围内，因此进入燃气轮机的燃气温度多在850℃以下。燃气轮机入口温度低，除直接限制了燃气-蒸汽联合循环的热效率外（一般不会超过40%），还使燃气轮机的功率远小于蒸汽轮机的功率（即燃气轮机的功率只占总功率的20%～25%），严重制约了燃气轮机优势的发挥。另外，增压流化床锅炉进入燃气轮机的高温正压燃气中，含有大量的粉尘，虽经旋风分离器除尘，仍有相当数量的粉尘进入燃气轮机，加速了轮机叶片的磨损。
为了克服第一代PFBC-CC燃气轮机进气温度低（低于900℃）的不足，在其基础上增加了一个煤气化炉和燃气轮机的顶置燃烧室，以及在旋风除尘器后设置陶瓷过滤器。煤和脱硫剂先送入加压气化炉，经气化炉气化生成低热值煤气和半焦，半焦和另一些煤送入增压流化床锅炉，通入过量空气燃烧；低热值煤气经除尘脱硫净化后，在前置燃烧室产生高温燃气（1300～1400℃），并与增压流化床排出的温度为850℃左右的烟气汇成1150℃左右的高温燃气进入燃气轮机，从而使燃气轮机发电比例达到50%左右，称为第二代PFBC-CC技术。
增压流化床在加压条件下燃烧，大大强化了燃烧和传热过程，燃烧室截面热强度比常压时增加5～15倍，从而可大大减小锅炉炉膛和受热面尺寸，进而缩小设备尺寸。另外，在第二代系统中以循环流化床代替鼓泡床，这是由于循环流化床比鼓泡床燃烧更完全，可以达到更高的燃烧效率；可以在低的Ca/S下达到更高的脱硫效率，减少了脱硫剂的消耗；循环流化床的流化速度高，因此炉膛的热负荷高，断面尺寸小，质量轻，有利于大型化；加上炉膛较为细长，便于利用分级燃烧技术来更好地控制NOx的生成。