循環流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Boiler, CFB鍋爐)是一種高效、清潔的燃煤技術,特別以其優異的燃料適應性、低污染排放和高效的脫硫能力而著稱。本文將系統闡述其構成特點、工作原理以及其內在的脫硫機制。
一、 構成特點
循環流化床鍋爐的系統構成與傳統煤粉爐有顯著不同,核心在于實現物料的循環流態化燃燒。其主要由以下幾大系統構成:
- 爐膛(流化床燃燒室):這是鍋爐的核心區域。其下部設有布風板,板上安裝風帽,用于均勻分布流化風。爐膛截面通常為矩形,四周布置水冷壁,以吸收燃燒產生的熱量。爐膛設計確保燃料和床料(如砂子、石灰石)在高速氣流作用下處于強烈的湍流流化狀態。
- 氣固分離裝置(旋風分離器):這是實現“循環”的關鍵部件。通常采用高溫旋風分離器,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,并通過回料腿返回爐膛,形成物料循環。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: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定、可控地輸送回爐膛下部密相區,維持爐內物料平衡和循環量。返料系統還起到密封作用,防止煙氣短路進入分離器下部的回料系統。
- 尾部受熱面:分離后的潔凈煙氣進入尾部煙道,依次流過過熱器、省煤器和空氣預熱器等受熱面,進一步冷卻后排入除塵和脫硝系統。
- 燃料與石灰石給料系統:分別將破碎至一定粒度的煤和脫硫劑(通常為石灰石)連續、均勻地送入爐膛。
- 布風與配風系統:由一次風機、二次風機和布風裝置組成。一次風從爐底布風板送入,主要起流化床料和提供部分燃燒氧量的作用;二次風從爐膛不同高度分層送入,實現分級燃燒,有效降低氮氧化物(NOx)的生成。
構成特點其核心特點是“循環”與“流化床”。通過物料的外循環(爐膛-分離器-返料系統-爐膛)和內循環(爐膛內部的擾動),極大延長了燃料和脫硫劑在爐內的停留時間,為高效燃燒和脫硫創造了條件。
二、 工作原理
循環流化床鍋爐的工作原理基于流態化技術。具體過程如下:
- 流化與燃燒:一次風以足夠的速度通過布風板,使爐膛床上的惰性床料(如砂子)、煤粒和石灰石顆粒懸浮起來,形成類似流體的氣固兩相流狀態。燃料在這種強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,這是一個理想的溫度窗口,既能實現高效燃燒,又能有效抑制熱力型NOx的生成,并為爐內脫硫提供最佳反應條件。
- 氣固分離與循環:攜帶大量固體顆粒的煙氣離開爐膛頂部,進入高溫旋風分離器。在離心力作用下,絕大部分固體顆粒被分離出來,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返料器,在流化風或松動風的輔助下,被連續穩定地送回爐膛下部密相區。這些高溫物料帶來了大量熱量,能迅速加熱新加入的燃料和空氣,維持爐膛溫度穩定。未燃盡的炭粒得以再次燃燒,脫硫劑顆粒也得以反復利用。
這一“燃燒-分離-返送”的循環過程周而復始,循環倍率(單位時間內循環物料量與給煤量之比)通常高達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
循環流化床鍋爐最突出的環保優勢之一是其爐內脫硫能力,這是一種經濟高效的脫硫方式。
- 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,發生如下反應:
- 煅燒反應:CaCO? → CaO + CO?↑
- 硫化反應:CaO + SO? + ?O? → CaSO?
生成的硫酸鈣(CaSO?,石膏)是穩定的固體產物,隨飛灰和底渣排出。爐內強烈的湍流混合、較長的顆粒停留時間(得益于循環)以及最佳的脫硫反應溫度,共同保證了高的二氧化硫(SO?)捕捉效率。
- 脫硫特點:
- 爐內原位脫硫:脫硫過程直接在燃燒過程中完成,無需在煙氣尾部增設復雜的濕法或干法脫硫裝置(FGD),系統簡單,投資和運行成本相對較低。
- 最佳反應溫度:CFB的低溫燃燒工況恰好處于石灰石脫硫反應的最佳動力學溫度窗口,脫硫效率高。
- 循環利用:未完全反應的CaO顆粒在循環過程中多次通過脫硫反應區,提高了脫硫劑的利用率。
- 脫硫效率:通過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90%以上,輕松滿足嚴格的環保排放標準。
循環流化床鍋爐通過其獨特的構成,實現了物料的循環流態化燃燒。其工作原理不僅保障了燃料的高效、穩定燃燒,更通過爐內添加石灰石,在燃燒過程中同步高效脫除二氧化硫,實現了經濟性與環保性的統一,是當前清潔煤技術的重要代表之一。