循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler, CFB鍋爐)是一種高效、清潔的燃煤技術(shù),特別以其優(yōu)異的燃料適應(yīng)性、低污染排放和高效的脫硫能力而著稱(chēng)。本文將系統(tǒng)闡述其構(gòu)成特點(diǎn)、工作原理以及其內(nèi)在的脫硫機(jī)制。
一、 構(gòu)成特點(diǎn)
循環(huán)流化床鍋爐的系統(tǒng)構(gòu)成與傳統(tǒng)煤粉爐有顯著不同,核心在于實(shí)現(xiàn)物料的循環(huán)流態(tài)化燃燒。其主要由以下幾大系統(tǒng)構(gòu)成:
- 爐膛(流化床燃燒室):這是鍋爐的核心區(qū)域。其下部設(shè)有布風(fēng)板,板上安裝風(fēng)帽,用于均勻分布流化風(fēng)。爐膛截面通常為矩形,四周布置水冷壁,以吸收燃燒產(chǎn)生的熱量。爐膛設(shè)計(jì)確保燃料和床料(如砂子、石灰石)在高速氣流作用下處于強(qiáng)烈的湍流流化狀態(tài)。
- 氣固分離裝置(旋風(fēng)分離器):這是實(shí)現(xiàn)“循環(huán)”的關(guān)鍵部件。通常采用高溫旋風(fēng)分離器,位于爐膛出口。它能將煙氣中攜帶的大量高溫固體顆粒(未燃盡的燃料、灰渣和脫硫劑)高效分離下來(lái),并通過(guò)回料腿返回爐膛,形成物料循環(huán)。分離效率的高低直接決定了鍋爐的燃燒效率和脫硫效率。
- 返料系統(tǒng):包括回料腿和返料器(如L閥、U閥等)。它將分離器收集的固體顆粒穩(wěn)定、可控地輸送回爐膛下部密相區(qū),維持爐內(nèi)物料平衡和循環(huán)量。返料系統(tǒng)還起到密封作用,防止煙氣短路進(jìn)入分離器下部的回料系統(tǒng)。
- 尾部受熱面:分離后的潔凈煙氣進(jìn)入尾部煙道,依次流過(guò)過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等受熱面,進(jìn)一步冷卻后排入除塵和脫硝系統(tǒng)。
- 燃料與石灰石給料系統(tǒng):分別將破碎至一定粒度的煤和脫硫劑(通常為石灰石)連續(xù)、均勻地送入爐膛。
- 布風(fēng)與配風(fēng)系統(tǒng):由一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和布風(fēng)裝置組成。一次風(fēng)從爐底布風(fēng)板送入,主要起流化床料和提供部分燃燒氧量的作用;二次風(fēng)從爐膛不同高度分層送入,實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒,有效降低氮氧化物(NOx)的生成。
構(gòu)成特點(diǎn)其核心特點(diǎn)是“循環(huán)”與“流化床”。通過(guò)物料的外循環(huán)(爐膛-分離器-返料系統(tǒng)-爐膛)和內(nèi)循環(huán)(爐膛內(nèi)部的擾動(dòng)),極大延長(zhǎng)了燃料和脫硫劑在爐內(nèi)的停留時(shí)間,為高效燃燒和脫硫創(chuàng)造了條件。
二、 工作原理
循環(huán)流化床鍋爐的工作原理基于流態(tài)化技術(shù)。具體過(guò)程如下:
- 流化與燃燒:一次風(fēng)以足夠的速度通過(guò)布風(fēng)板,使?fàn)t膛床上的惰性床料(如砂子)、煤粒和石灰石顆粒懸浮起來(lái),形成類(lèi)似流體的氣固兩相流狀態(tài)。燃料在這種強(qiáng)烈的湍流混合中與空氣充分接觸,迅速加熱、著火并燃燒。燃燒溫度通常控制在850~950℃之間,這是一個(gè)理想的溫度窗口,既能實(shí)現(xiàn)高效燃燒,又能有效抑制熱力型NOx的生成,并為爐內(nèi)脫硫提供最佳反應(yīng)條件。
- 氣固分離與循環(huán):攜帶大量固體顆粒的煙氣離開(kāi)爐膛頂部,進(jìn)入高溫旋風(fēng)分離器。在離心力作用下,絕大部分固體顆粒被分離出來(lái),落入分離器下部的立管(回料腿)。分離后含塵量很低的“潔凈”煙氣則進(jìn)入尾部煙道。
- 物料返送與熱量傳遞:立管中積聚的高溫固體顆粒通過(guò)返料器,在流化風(fēng)或松動(dòng)風(fēng)的輔助下,被連續(xù)穩(wěn)定地送回爐膛下部密相區(qū)。這些高溫物料帶來(lái)了大量熱量,能迅速加熱新加入的燃料和空氣,維持爐膛溫度穩(wěn)定。未燃盡的炭粒得以再次燃燒,脫硫劑顆粒也得以反復(fù)利用。
這一“燃燒-分離-返送”的循環(huán)過(guò)程周而復(fù)始,循環(huán)倍率(單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)物料量與給煤量之比)通常高達(dá)20~50,甚至更高,確保了極高的燃燒效率和脫硫效率。
三、 脫硫原理與特點(diǎn)
循環(huán)流化床鍋爐最突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì)之一是其爐內(nèi)脫硫能力,這是一種經(jīng)濟(jì)高效的脫硫方式。
- 脫硫原理:在給煤的按一定比例(鈣硫摩爾比)將破碎的石灰石(主要成分CaCO?)或白云石直接噴入爐膛。在850~950℃的燃燒溫度下,發(fā)生如下反應(yīng):
- 煅燒反應(yīng):CaCO? → CaO + CO?↑
- 硫化反應(yīng):CaO + SO? + ?O? → CaSO?
生成的硫酸鈣(CaSO?,石膏)是穩(wěn)定的固體產(chǎn)物,隨飛灰和底渣排出。爐內(nèi)強(qiáng)烈的湍流混合、較長(zhǎng)的顆粒停留時(shí)間(得益于循環(huán))以及最佳的脫硫反應(yīng)溫度,共同保證了高的二氧化硫(SO?)捕捉效率。
- 脫硫特點(diǎn):
- 爐內(nèi)原位脫硫:脫硫過(guò)程直接在燃燒過(guò)程中完成,無(wú)需在煙氣尾部增設(shè)復(fù)雜的濕法或干法脫硫裝置(FGD),系統(tǒng)簡(jiǎn)單,投資和運(yùn)行成本相對(duì)較低。
- 最佳反應(yīng)溫度:CFB的低溫燃燒工況恰好處于石灰石脫硫反應(yīng)的最佳動(dòng)力學(xué)溫度窗口,脫硫效率高。
- 循環(huán)利用:未完全反應(yīng)的CaO顆粒在循環(huán)過(guò)程中多次通過(guò)脫硫反應(yīng)區(qū),提高了脫硫劑的利用率。
- 脫硫效率:通過(guò)控制石灰石粒度和鈣硫比(通常為1.5~2.5),在不需要尾部煙氣脫硫的情況下,脫硫效率可達(dá)90%以上,輕松滿(mǎn)足嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。
循環(huán)流化床鍋爐通過(guò)其獨(dú)特的構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了物料的循環(huán)流態(tài)化燃燒。其工作原理不僅保障了燃料的高效、穩(wěn)定燃燒,更通過(guò)爐內(nèi)添加石灰石,在燃燒過(guò)程中同步高效脫除二氧化硫,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的統(tǒng)一,是當(dāng)前清潔煤技術(shù)的重要代表之一。