循环流化床锅炉富氧燃烧技术
中国是世界上最大的以煤炭为主要能源的国家，根据《2016年中国能源发展报告》数据显示，我国能源消耗达43亿吨标准煤。我国CO2排放总量已经超过美国4.87×109t成为世界碳排放第一大国。富氧燃烧技术，将高含氧量的空气送入炉膛助燃，可以降低入炉煤燃点，加快燃烧速率、提高燃料的燃尽性。同时，富氧燃烧技术使烟气CO2含量高达80%，大大降低CO2封存或资源化利用的成本。
国内学者对富阳燃烧技术进行了大量的研究工作。葛学利、任雨峰等采用数值模拟的方法研究了空气燃烧与富氧燃烧条件下炉膛的温度场和炉内含碳量分布，发现随着入炉空气氧含量的增加，燃尽性提高。廖海燕以某200MW富氧燃烧锅炉为例，通过理论计算发现炉内高温区段由于烟气中三原子气体浓度较高，辐射传热强度增加，而低温区段则由于烟气量减少导致对流传热强度减弱。
1．1 炉内换热强度增加
炉膛内热量传递的方式主要是辐射换热。而决定辐射换热强度的主要因素是烟气中三原子和多原子气体浓度。在空气含量氧为21%的燃烧方式下，炉内烟气的主要成分为氮气，烟气的黑度较低，导致锅炉辐射换热强度较低。在富氧助燃技术的条件下，由于空气量及烟气量大大减小，使得火焰温度和黑度随着空气中含氧量的增加而显著提高，炉内水冷壁辐射换热强度显著增加。
中科院完成了410t/h富氧燃烧CFB锅炉的技术方案，该方案通过计算炉内受热面吸热份额，最终确定锅炉助燃空气中氧气含量的最高限值为30%，此时如果含氧量继续提高，烟气量将继续减小，为保证燃尽时间，炉膛横截面积将会减小，因此，富氧空气的含氧量存在一个最优值。
1．2燃料炉内停留时间相对延长
延长CFB锅炉物料在炉内的停留时间，可以减小飞灰含碳量。物料在富氧条件下的燃烧反应速率大大超过在空气中的燃烧速度，氢气、乙炔在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4~5倍，天然气、丙烷、丁烷达到10倍左右。CFB锅炉采用富氧空气助燃后，由于燃烧速度加快，炉内反应时间相对延长，热传导性能改善，有利于燃料燃尽，降低锅炉固体不完全燃烧损失。
1．3排烟损失减小
排烟损失是锅炉各项损失中比例最大的部分，降低锅炉的烟气量可以降低锅炉的排烟损失，从而提高锅炉效率。采用富氧燃烧技术，可以去除不参加燃烧反应的氮气部分，避免该部分在燃烧过程中被同时加热，携带热量排除锅炉。若使用含氧量为27%的富氧空气送入炉膛助燃，过量空气系数为1，烟气体积比使用含氧量为21%的普通空气减少20%，排烟热损失也相应减少。高大明等采用基于烟气增量分析的方法发现，富氧燃烧运行方式下的CFB锅炉运行中产生的烟气体积和排烟热损失均小于空气燃烧方式，并且随着富氧空气含氧量的增加，排烟损失进一步减小。
本文以某电站210MWCFB锅炉为模型，进行CFB锅炉富氧燃烧改造的研究，该锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的670t/h超高压、单汽包、一次中间再热、自然循环、配备4个外置床的CFB锅炉。针对带外置床的CFB锅炉，可对二次风系统进行富氧燃烧改造，外置床返料风和流化风仍采取常规的空气，在富氧燃烧状态下，由于氧气浓度增大，炉内燃烧需要的总风量减少，容易造成炉膛布风板、外置床的流化不良。对此，可以采用烟气再循环的方式，将引风机出口烟气引入一次风机入口，引风机出口烟气O2体积分数为8％，利用锅炉烟气O2体积分数较低的特点，在不改变一次风流量，保证锅炉流化效率的情况下，降低一次风及密相区氧量，在密相区形成还原性氛围，同时抑制床温，以降低NOX的生成量。为补充被代替的一次风氧量，对二次风进行富氧燃烧改造，为空气分级创造了条件。（图1）
外置床是循环流化床锅炉的重要部件之一，其功能有三个：①返料。将分离下来的飞灰顺利地送入炉内，并随锅炉参数及负荷的变化完成对循环物料量的自动调节；②#1、#2外置床用来调节再热汽温；#3、#4外置床用来调整床温；③密封。防止炉膛的烟气反窜进入旋风分离器。210MW负荷进行了外置床性能试验。试验表明，在保证返料正常的情况下，开大内、外均流风有利于返料稳定、降低温床，减少减温水用量。当锅炉负荷变化时，可通过开大或关小外置床均流风来控制进入炉膛的循环灰量，以此来控制炉膛温度。当密相区床温过高时，可以开大#3、#4外置床均流风，增加循环灰量，降低床温；反之，关小#3、#4外置床均流风，减少循环灰量，提高床温。
富氧燃烧技术与CFB锅炉结合具有炉内换热性能增强、锅炉效率提高、污染物排放低等优点，是将来具有竞争力的一种洁净煤发电技术。对CFB锅炉二次风系统进行富氧燃烧改造，辅以烟气再循环技术，有利于炉内的分级燃烧，遏制氮氧化物生成，提高锅炉效率。
文章来源：热电热力技术
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