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本期为您重磅推荐：来自清华大学岳光溪院士团队研究成果，欢迎关注！
面向双碳目标的多元燃料循环流化床燃烧技术展望
岳光溪1，张扬1，张建春2，王志宁3，柯希玮4，张海1
（1. 热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学能源与动力工程系), 北京市 海淀区 100084
2. 太原锅炉集团有限公司, 山西省 太原市 030000
3. 怀柔实验室山西研究院, 山西省 太原市 030032
4. 北京怀柔实验室, 北京市 怀柔区 101400）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.241986
随着“碳达峰、碳中和”目标的深入实施，传统煤电的比重逐渐下降，而光伏和风电等可再生能源迅速增长。循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧技术将成为高比例可再生能源并网的重要技术支撑，我国电力系统亟需挖掘煤电的灵活性，以确保电力供应的安全性与可靠性。近年来，CFB技术在我国取得了显著进展，发展出大容量、高参数、节能型和超低排放型的多代标志性装备，总结推演了三维流态设计图谱(见图1)来指导装备设计。2024年6月，国家发改委、国家能源局印发了《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027)》，决定转化应用一批煤电低碳发电技术，这对于CFB技术而言是重要发展契机。CFB锅炉的调峰深度和速率潜力远超预期，且调峰改造的成本相对较低。开发低碳灵活燃料CFB技术以适应生物质、氢、氨等中性/零碳燃料，为我国电力系统的可持续发展提供坚实保障。
图1 循环流化床锅炉三维流态设计图谱
低碳和零碳燃料特殊的性质对CFB锅炉的燃料适应性提出了新的挑战。研究集中在燃料着火、低成本污染物控制和受热面安全等方面。通过优化床料蓄热和物料循环，CFB技术的低碳燃料适应性有望提升。如图2所示，针对生物质燃料，循环物料冲刷可减少受热面沾污，提升发电效率；对于氨燃料，高温床料蓄热可增强燃烧稳定性，炉内气氛调控实现低成本脱硝。此外，CFB技术可处理超低热值废气，回收热能，提升经济性并降低碳排放。本文探讨了CFB技术在碳减排目标中的关键技术，为新一代低碳发电系统提供了重要参考。
图2 CFB作为燃烧装备，在生物质直燃、氨燃料和超低热值废气燃烧方面具有明显优势
本文针对双碳目标下煤电机组低碳化转型需求，提出了低碳燃料替代与CFB燃烧技术的适应性提升方案。基于燃料着火与燃尽、低成本污染物控制、受热面安全三个关键角度，系统分析了CFB燃烧技术应对零碳、低碳燃料挑战的理论基础。通过床料蓄热与高效物料循环，CFB燃烧技术展现出在多元低碳燃料燃烧中的适应性优势。接下来，将介绍CFB锅炉内的燃料着火与燃尽、污染物排放控制、受热面安全等三个方面的理论基础。
1）燃料着火与燃尽。
CFB锅炉依靠其独特的宽筛分特性，形成了粗颗粒与细颗粒共同作用的“鼓泡床+快速床”复合流态，如图3所示。这种流态不仅保障了燃料在炉内的稳定着火和充分燃尽，还通过粗颗粒促进了燃料的横向扩散与温度均匀分布，确保了燃烧室内的热稳定性。与此同时，细颗粒通过强烈的气固混合和高效循环，大幅提升了传热效率，并延长了燃料在炉内的停留时间，进一步促进了难燃燃料的完全燃尽。正是由于这种复合流态，CFB锅炉能够高效处理煤泥、煤矸石等难燃燃料，展示出卓越的燃料适应性与操作灵活性，推动了复杂燃料的高效利用和技术进步，为煤电机组的低碳化转型提供了有力支撑。
图3 循环流化床内气固流动特征示意图
2）污染物排放控制。
CFB锅炉自2015年以来在超低排放方面表现突出。通过优化气固流态、低氮燃烧和石灰石脱硫技术，CFB锅炉实现了SO2和NOx的超低排放，体现了低成本污染物控制的优势。SO2脱除方面，CFB锅炉直接利用石灰石颗粒进行炉内脱硫，较湿法脱硫流程更为简化。优化石灰石粒度和提升分离器效率后，钙硫比为2左右时，脱硫效率超过99%，确保SO2排放浓度低于35 mg·m-3(见图4)。在NOx控制中，均匀的温度分布和还原性气氛有效抑制NOx生成，燃料中的即燃碳和循环灰的活性物质促进NOx还原，使NOx原始排放低于50 mg·m-3。因此，CFB锅炉的流态特性使其不仅能在煤燃烧中实现超低排放，还能广泛适应生物质、污泥及工业废气等低碳燃料，为未来能源系统的低碳化应用奠定基础。
图4 循环流化床锅炉内石灰石脱硫粒度范围
3）受热面安全。
受热面安全在燃料变化中至关重要。不同燃料的燃烧特性导致炉膛热负荷分布不均，增加了过热风险。煤粉锅炉和燃气锅炉主要依赖火焰辐射传热，而CFB锅炉通过循环床料吸收热量，利用细颗粒的辐射与对流传热，稀相区的气固流动有效均匀热流，减小燃料变化对热负荷的影响。以某135MWe超高压CFB机组(BD-135)和某350MWe超临界CFB机组(HP-350)为例(见图5)，运行时炉膛上下温差较小。燃料中硫元素对受热面安全影响显著，尤其在低氮燃烧下，有机硫易转化为H2S，增加腐蚀风险。CFB锅炉在800~900℃下运行，低于煤灰熔融温度，受热面不易沾污，颗粒流动有助于清洗，避免高温腐蚀。因此，CFB锅炉能适应高硫燃料，并在处理生物质和固体废弃物时表现优越。
图5 典型循环流化床锅炉炉膛内温度和吸/放热率沿炉膛高度的分布
基于上述理论基础，下面重点探讨CFB技术在生物质、氨燃料及超低热值废气的应用，并展望其在稳燃、脱硝和废气热能回收等领域的发展前景。
1）生物质的CFB燃烧技术。
生物质是可调度的新能源。然而，生物质中的低沸点盐(如钾、氯)会导致锅炉受热面粘污和腐蚀，限制了蒸汽参数与锅炉效率。CFB锅炉利用气固两相流动特性，有望突破这一瓶颈。通过炉内布置过热器和再热器，CFB循环物料能有效清洁受热面，缓解腐蚀，并通过优化对流受热面结构及控制烟气流速(7.5~9.5 m·s⁻¹)减少沾污。流态优化提升燃烧效率与燃尽率，合理设计炉膛温度并利用含铁、含铝物质可显著提高灰熔点。研发的6~125 MW系列生物质CFB锅炉在高碱高氯条件下效率超91%，具备10个月连续运行能力，硫氮污染物实现超低排放，宽负荷稳定运行能力达30%~100%(见图6)，推动燃煤机组低碳化进程。
图6 生物质直燃循环流化床锅炉技术路线
2）氨燃料的CFB燃烧技术。
燃煤机组掺氨燃烧研究起步较晚，但近五年已取得显著进展。日本JERA、IHI公司及我国国家能源集团、皖能集团等已完成初步工程试验，为高比例掺氨燃烧探索有效路径。氨燃料的高着火温度(~657℃)和低火焰传播速度(0.07~0.08 m·s⁻¹)使其燃烧稳定性差。为改善氨的燃烧特性，研究者提出多种方案，如与甲烷、氢气混烧、预热燃烧和使用特殊燃烧器等。尽管CFB中氨燃烧研究较少，但已有研究表明，CFB炉内的热颗粒循环和气固混合可有效改善氨的着火和稳定性，同时强还原气氛有助于降低NOx排放。分级燃烧也是控制NOx生成的有效手段。因此，CFB技术在纯氨或掺氨燃烧中具独特优势，值得进一步探索。
3）超低热值工业废气的CFB燃烧技术。
超低热值工业废气的燃烧利用为废气无害化处理与节能减碳提供了有效手段，CFB燃烧技术在处理钢铁生产烧结烟气方面取得显著进展。如图7所示，该技术能够在利用低氧浓度的烧结烟气做助燃氧化剂的条件下保证稳定燃烧，既能够回收可燃成分的能量，同时有效去除有害物质（如二噁英、SO2和NOx），满足超低排放要求。因此，该技术能够回收能量，“变废为宝”，减轻了企业污染物处理的经济负担，展现出良好的推广前景。
图7 烧结烟气的循环流化床燃烧处理技术路线
为实现双碳目标，发展低碳多元燃料的CFB燃烧技术具有重要意义。CFB锅炉以独特的气固流动和高效循环，能够适应生物质、氨燃料及工业废气等低碳燃料。实践表明，其在生物质和烧结烟气净化方面表现优异，且在氨燃料稳定燃烧与氮氧化物控制方面具有潜力。未来应提升多元燃料CFB燃烧技术的负荷灵活性，推动“安全、高效、灵活、智能、清洁、低碳”的新一代CFB燃烧技术，以满足能源安全需求并促进新型电力系统建设。
引文信息
岳光溪，张扬，张建春，等．面向双碳目标的多元燃料循环流化床燃烧技术展望[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6844-6854．
YUE Guangxi，ZHANG Yang，ZHANG Jianchun，et al．Outlook for multiple fuel circulating fluidized bed combustion technologies for the dual carbon goals[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6844-6854(in Chinese)．
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责编：胡琳琳
审核：乔宝榆
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