摘 要：循环流化床锅炉的燃烧过程是锅炉燃烧的重要组成部分，它可以燃烧所有煤种以及垃圾，但每台锅炉燃烧的煤种都是有限的，否则，影响锅炉出力，甚至因结焦而无法运行。
关键词：循环流化床锅炉；燃烧过程；燃料；燃烧效率
1 研究的目的
支持循环流化床锅炉燃烧的燃料很广，如煤、煤矸石、煤泥以及垃圾、生物质燃料等，其优越的着火条件是其它燃烧设备都不可比拟的，因此可燃用几乎所有劣质燃料。由于目前绝大多数循环流化床锅炉还是以煤为主要燃料，所以我们将讨论煤颗粒在流化床锅炉中的燃烧过程。燃烧过程在循环流化床锅炉的设计、运行中占有十分重要的地位。与层燃炉、煤粉炉相比，流化床中煤的颗粒相对运动十分强烈，煤粒不仅着火迅速，而且和空气混合也很好。它燃烧的速度很快。良好的燃烧可以促进锅炉燃烧效率的提高，而燃烧效率的高低直接关系着运行费用的增减，严重影响了经济效益。
2 循环流化床锅炉燃烧的过程分析
传统的燃烧理论认为组织良好燃烧过程的必要条件是时间、温度和湍流度。在循环流化床锅炉中，床温的标准维持在850～900℃左右。为了保持比较长的停留时间，得利用炉内物料的内循环和外循环黑燃烧颗粒，同时必需的湍流度靠床内强烈的气固混合提供。另一方面，密相床上方的气固两相流动比较差，也就是说在稀相区内局部，如果出现欠氧情况，周围的氧很难扩散到该区域内。因而焦炭和一氧化碳的燃尽是存在困难的。为此，需要增加二次风，补充炉内燃烧的氧气和加强物料的掺混。根据炉型的不同和燃煤的不同，二次风可以由不同的高度被给入。一些布置在侧墙，有的被布置在四周炉墙，还有在四角分布。
依次经历干燥和加热、挥发份析出和燃烧、膨胀和一次破碎、焦炭燃烧和二次破碎，磨损等程序后，煤颗粒将送入流化床中。由于瞬间新燃料量占床料重量的部分只有大约1%-3%，位置极小。因此，当新鲜煤颗粒被送入炉膛后，不可燃的大量高温物料立即包围，并迅速加热将其至接近床温。这时煤颗粒的粒度率影响到加热速度。粒度越大，被加热速率的就降低了，延长了时间。
挥发份的产量和构成受到加热速率、最终温度、停留时间、初始温度、煤种和粒度分布、压力等许多因素的影响。高温物料的进一步加热，使得挥发份逐渐被析出。第一个稳定挥发份的析出阶段，大约发生在温度500-600℃范围内；而第二个稳定析出阶段则在温度800-1000℃范围内。经历了一个塑性相，煤颗粒在挥发份析出过程的420-500℃温度范围内，破坏了煤中的小孔。因此，颗粒的表面积在挥发份开始析出时是最小的。此后，煤颗粒随着内部气相物质的析出逐渐膨胀。煤颗粒中析出的挥发份有时会在煤粒中形成很高的压力，压碎了煤颗粒，这种现象就被称为“一级破碎”或“一次爆裂”。在这一过程中，有些煤种的颗粒会有膨胀现象发生。煤颗粒在投入炉膛后，热烟气和热物料使其温度升高，挥发份被析出并且燃烧。它一边还与其它物料一起流动在炉内。可以看出挥发份在沿炉膛高度方向上的浓度分布与床内物料的分布，和流动有着紧密的联系。单颗粒的运动方向是混乱的，它以统计的方法探析燃料的挥发，从整体上来分析总结挥发的规律。由于挥发份的燃烧被氧的扩散速率控制着，直接影响了挥发份的燃烧好坏及热量释放的位置，特别是悬浮段的氧浓度分布。而挥发份的燃烧也与床内的物料分布和流动有关，是因为氧在炉内的分布和扩散取决于床内气固混合情况。
在煤颗粒进入流化床床内以后，沉浸在流化床中的受热面上，主要以接触方式传热，灼热的颗粒与管壁的碰撞十分强烈，而且固体粒子的热容量比气体大许多倍，强化了传热过程。加上骤增的环境温度加强了颗粒表面的传热效果，其内部由于依次出现相当大的温升速率，进入煤的热解温度范围的速度很快。煤中的挥发份在此时的颗粒内部的孔隙中，被大量析出。传输到颗粒表面的速度比较缓慢，从而孔隙中气体压力不断上升。颗粒的固体结构也受到一定的张力，当这个张力达到一定值后，整个颗粒的将会面临爆裂的情况。
一次爆裂特性与煤的种类有关联。一般情况下，随着挥发份含量升高，爆裂程度得到增强，灰粉对爆裂程度的影响是双重的：一方面颗粒不均匀性增加，内部分界面形成后，一次爆裂加剧。而另一方面灰粉又可以使颗粒的强度提高，碳含量对爆裂特性的影响比较挥发份含量的影响却大相径庭。最直接的结果是，一次爆裂会影响到在流化床内粒度中固体颗粒的分布，进而影响到对物料的扬析夹带过程、床内传热过程、煤和焦炭颗粒的燃烧过程以及燃烧室内热负荷的分布。颗粒的粒度分布在爆裂前后有着较明显的变化，初始给煤的粒度分布狭窄，而在爆裂后，焦炭颗粒的粒度分布宽于原煤。焦炭的粒度在爆裂后，大部分质量集中在较大的碎片上，小颗粒虽然相较于大的碎片数量较多，但是，其所占质量份额是相当少的。一般而言，它的规律如下：原煤随着粒度的增大，原煤粒度分布和爆裂后焦炭的粒度分布差别也增大。
在燃烧反应和颗粒碰撞的综合作用下，经历热解过程，使得煤颗粒基本变为焦炭颗粒。而此时颗粒网络结构中，某些牵连在一起的部分可以断开，破碎成更小的、联结的焦炭颗粒，这便是二级破碎。引起煤颗粒的二次碎裂，是煤颗粒内部热解产物形成后引起的压力梯度，以及煤颗粒内部温度梯度导致的热应力等因素造成的。同时，煤颗粒的燃烧程度也与之密切相关。
3 燃烧引起的热量释放规律
综上所述，循环流化床锅炉燃烧问题的研究复杂而困难。不同的煤种的热量释放规律曲线是不同的。在实际中，可以根据不同炉膛高度上的含氧量和物料浓度情况，针对具体的煤种，假定出一条热量释放规律曲线。然后，对用该煤种的循环流化床锅炉的实际运行结果修正曲线，这个煤种在炉膛内的热量释放规律就可以得到。在现阶段，要得到燃烧热量释放的经验性规律，仍然需要通过实验测量。对于低挥发粉的难燃煤种，燃烧份额比较大，释放的热量比较多。因此，需要提供一定的氧气，这需要借助较高比例的一次风，并在炉膛上部，将其释放出来的热量带走；而高挥发粉的煤种在炉膛中、上部的热量释放多，因此补充燃料燃尽所需的氧量，需要使用较高比例的二次风。这样来看，一、二次风的分配比例对应炉膛上部和下部的燃烧份额分配。另一方面，受热面的布置，根据燃料的释放规律来调整风的分配，使受热面可以有效地将燃料释放的热量吸收掉这一过程得到保证，进而维持好燃烧室内正常的热平衡。定性的说，易燃性煤种的燃烧份额在炉膛上部被分配。相同情况下，难燃性煤种却只有在炉膛下部占有较大的燃烧份额。同样，在悬浮段有较大的燃烧份额是高挥发份的煤种，而低挥发份煤种的热量则靠近炉膛下部释放。
长治集中供热第一热源厂使用的同厂家、同型号的4台58MW循环流化床热水锅炉，只因为二次风开口方向不一样，在使用同一煤种，同一参数情况下，二次风开口方向在前后的锅炉出力要优于二次风开口方向在两侧的。
4 结语
总之，循环流化床炉存在有结构和系统复杂、投资和运行费用较高等缺点，但它又因为可燃用几乎所有劣质燃料，燃烧效率高，炉渣含碳量低的优点，是高效清洁的新一代燃烧技术，且在发展成为大容量锅炉时具有明显的优越性，它作为最有前途的洁净燃烧方式得到迅速发展。
作者简介：孛晓杲（1963- ），男，山西长治人，工程师，主要从事集中供热方面的研究。