0 前言
    福建省的能源资源以煤为主，其中无烟煤占98.3%。福建无烟煤结构致密、反应性较差，灰熔点低、具有强烈的热破碎性质、难于着火和燃尽，在燃烧利用上存在有不少困难。循环流化床锅炉具有燃料适应性广，燃烧效率高，污染物排放低等优点，近年来已成为燃烧福建无烟煤的首选炉型，在福建省的应用发展很快，目前已投运有60多台，单机最大容量已达440t/h，总蒸发量已达6000t/h，在我省能源工业与经济建设发展中正扮演着越来越重要的角色。开展CFB锅炉清洁燃烧福建无烟煤的研究，显然具有重要的现实意义。
    近年来，关于CFB锅炉清洁燃烧福建无烟煤的研究主要集中在两个方面：其一是有关燃尽技术的研究；其二是有关低污染排放的燃烧技术研究。本文拟对这些研究进行总结综述并在此基础上指出今后CFB锅炉清洁燃烧福建无烟煤的若干研究方向。
    1 福建无烟煤在CFB锅炉中燃烬技术的研究
    理论上，循环流化床锅炉燃烧效率可以达到98%以上[1]，但由于福建无烟煤燃烧性质特殊，目前福建省内已投运的中小型CFB锅炉 (75t/h及以下) 的实际燃烧效率一般却不超过90%[2]。据了解，造成燃烧效率偏低的主要原因是飞灰含碳量较高，机械不完全燃烧损失较大。
    影响煤在CFB锅炉中燃尽的因素不外有煤质因素、锅炉结构与煤种的适配性和锅炉燃烧运行参数等，近年来关于福建无烟煤在CFB锅炉中燃尽技术的研究也主要围绕着这三方面展开。
    1.1 煤质及其燃烧特性对燃尽影响的研究
    福建无烟煤颗粒结构致密，颗粒中的孔隙以1.0μm以下的微孔为主。以典型的福建龙岩无烟煤为例，其真密度在1.6g/cm3以上，颗粒中绝大多数孔隙的孔径在0.1μm以下。研究发现[3]，宏观上，福建无烟煤入炉煤可分为三类：表面乌黑发亮、光洁致密的亮煤；表面黑暗无光泽、但附着有很多粉状微小粒子的暗煤；表面光泽度介于暗煤和亮煤之间的灰煤。其中亮煤颗粒的结构较密实，内部孔隙以亚微孔(0.01∼0.1μm)居多，大孔径较少；暗煤颗粒中细孔、微孔、亚微孔都存在，但以微孔和亚微孔为主；灰煤颗粒中的孔隙最不发达，能检测到的孔隙极少且以超微孔(<0.01μm)为主。福建无烟煤颗粒密实的内部结构意味着一方面燃烧时氧气不容易扩散到颗粒内部参与反应，另一方面，燃烧生成的气体也不容易及时输出，因此燃烧反应速度慢，是造成其难于燃烧和燃尽的一个重要因素[4]。
    与我国其它烟煤或无烟煤相比，福建无烟煤具有很高的着火和燃尽温度，难于着火和燃尽的。以典型的福建龙岩无烟煤为例，其热天平着火温度和燃尽温度分别为：Ti=575℃，Tb =753℃，远高于我国其它烟煤和无烟煤的着火和燃尽温度。另外，研究发现[5]，福建无烟煤的活化能极高，一般在200kJ/mol左右。活化能高，意味着反应性差，难于被燃烧，这是CFB锅炉在燃烧福建无烟煤时飞灰碳含量远高于燃烧其它煤种时的一个主要内在原因。
    福建无烟煤的热破碎性质也是影响其在CFB锅炉中燃尽的重要因素之一。煤的破碎影响了煤的燃烧反应性、并显著改变了给煤的粒度分布，直接决定了炉床内的固体颗粒浓度、物料的扬析夹带过程、炉内的传热过程和煤颗粒的燃烧过程，同时对燃烧室内热负荷的分布有极为重要的影响[6],福建无烟煤不同宏观煤岩颗粒的燃烧性质不同，破碎性质差异很大。流化床燃烧中，亮煤与灰煤发生了严重破碎（包括一次破碎和二次破碎），产生了大量的、粒径小于0.3mm的细小颗粒，被扬析到炉膛中上部燃烧；暗煤虽不发生破碎或仅发生轻微破碎，但因颗粒表面孔隙较发达，吸附了许多微细颗粒，这些微细颗粒在流态化燃烧时也会从其母体颗粒表面脱落，被扬析到炉膛中上部燃烧，从而增加炉膛中上部细颗粒的浓度[7]。因此CFB锅炉在燃烧福建无烟煤时，其炉膛中细颗粒特别是0.1mm以下不可循环的微小颗粒的实际浓度远高于一般工业循环流化床锅炉的设计值。这些微小颗粒的反应性较差，具有明显的后燃性，一次通过炉膛时有很大一部分未能被完全燃尽，其中没有被旋风分离器捕捉回炉膛再燃烧的细小颗粒便构成了飞灰残碳。
    1.2 关于CFB锅炉炉膛结构及运行参数适配性方面的研究
    这方面的研究内容主要包括有炉型、受热面布置、循环倍率和分离器等结构参数设计和燃烧温度、入炉煤粒径、流化气速、过量空气系数、二次风率等运行参数选择。
    1.2.1 CFB锅炉设计结构与煤种适配性方面的研究
    较高的炉膛高度有利于延长细颗粒一次性通过燃烧室的停留时间，有利于如福建无烟煤这类后燃性煤种的燃烬。工业实践发现，“瘦高”炉型比“矮胖”炉型锅炉更适合于燃烧福建无烟煤[8]。
    福建无烟煤的反应性差，要求有较高的燃烧温度以利于燃烬。在炉膛燃烧室密相区至稀相区之间敷设一定高度的耐磨材料作为卫燃带，可以有效提高燃烧室的燃烧强度，有利于福建无烟煤的燃烬。卫燃带一方面使颗粒在绝热状态下燃烧，可以使燃烧室内保持高温；另一方面也可以充分发挥炉膛底部的“热池”作用，让物料将热量源源不断带到炉膛上部。工业运行实践表明，敷设卫燃带可以有效提高燃烧效率[2]。
    循环倍率是影响福建无烟煤在CFB锅炉中燃尽的一个重要设计参数。研究发现，当循环倍率较小时，随着锅炉循环倍率的增加，煤的燃烬程度迅速提高，锅炉的燃烧效率也明显提高；在分离器效率相同的条件下，对于不同煤种，其循环倍率也不同。对于高灰煤，宜于采用低循环倍率，对于低灰煤，宜于采用中高循环倍率，研究认为[9]，福建无烟煤属中灰煤，采用中低循环倍率，对福建无烟煤在CFB锅炉中的燃尽有促进作用。
    气固分离器是CFB锅炉系统的核心部件之一。经过近年来的发展，燃烧福建无烟煤CFB锅炉的气固分离器已由最初的惯性分离装置发展到现在的异型水汽共冷分离器。由于燃烧福建无烟煤CFB锅炉炉膛中细粉浓度较大，气固分离器的分离效率已成为影响其燃烧效率的最重要因素。分离器的切割粒径越小，能捕捉到的细颗粒份额就越大，细颗粒的在炉膛高温区域的燃烧停留时间就越长，燃尽率就越高。研究表明，当旋风分离器的切割粒径由30μm减小到10μm时，飞灰碳含量可降低10个百分点，见图1[10]. 

    1.2.2 CFB锅炉运行参数对燃烬影响的研究
    福建无烟煤的着火温度和燃尽温度比一般无烟煤高，因而燃烧福建无烟煤CFB锅炉运行温度也要比燃烧其它煤种的锅炉高，以利于提高焦炭的反应速度，缩短细颗粒煤焦的燃尽时间，加快煤焦的燃尽；同时，提高燃烧温度还可以提高颗粒的破碎程度，增加颗粒燃烧的表面积，加快颗粒的燃烧和燃尽。研究发现，对于燃烧福建无烟煤的CFB锅炉，当燃烧温度小于950℃时，提高燃烧温度对降低飞灰含碳量有明显效果，但当燃烧温度高于1000℃时，进一步提高燃烧温度对提高燃尽率意义不大，见图2[10]。

    入炉煤粒径是影响CFB锅炉燃烧福建无烟煤燃尽的重要因素。福建无烟煤的煤质硬而脆，且有强烈热破碎倾向，破碎后产生了大量粒径小于0.1mm的细粉颗粒，使得炉膛烟气中的粉尘颗粒浓度较高，悬浮段的颗粒浓度较高。因此，在一定的分离器效率下就会有较多的飞灰量，在炉膛中上部稀相区中就会有更多炽热的循环灰和进行着燃烧反应的焦炭粒子。那些未能被分离器捕捉的、未来得及燃尽的细小煤粉就容易进入尾部烟道而形成飞灰碳。研究认为[11]，对于燃烧福建无烟煤的小型老式CFB锅炉，燃烧窄筛分偏粗颗粒煤较有利于降低飞灰含碳量，提高锅炉燃烧效率。
    在炉膛高度确定的情况下，流化气速是决定颗粒在燃烧高温区停留时间的重要因素，对于细颗粒煤焦的燃尽有重要影响。研究认为，在保证流化的情况下，适当降低炉膛烟气流速有利于福建无烟煤在CFB锅炉中的燃尽[10]。
    福建无烟煤属中灰煤，其燃烧反应速度受化学动力学和扩散阻力共同控制，且因其后燃性，提高炉膛稀相区氧气的浓度有助于其细煤焦颗粒的燃烬。但研究发现[12]，CFB锅炉燃烧室的氧气浓度却随炉膛高度的增加而衰减的，在炉膛中心的流动核心区域存在有一个“贫氧区”，对于细焦颗粒后期的燃烬极为不利，是造成燃烧福建无烟煤CFB锅炉飞灰碳含量偏高的重要原因之一。适当提高二次风率，增加二次风速度，提高二次风的穿透能力，可使炉内烟气得到比较强烈的混合和搅拌，从而有利于提高稀相区上部中心区域的氧浓度，对福建无烟煤在CFB锅炉中的燃尽有促进作用。研究表明[13]，当燃烧空气量较少时（λ<1.25），二次风率变化对飞灰含碳量的影响不显著：随着二次风率增加，飞灰含碳量缓慢减少。但当总过量空气系数较大时(λ>1.25)，飞灰含碳量随二次风率的增大而迅速降低，见图3。

    当然，影响燃烧效率方面，CFB锅炉的设计结构及运行参数之间也是相互影响的。例如，炉膛高度、流化气速、入炉煤粒度之间就存在着相互依赖关系。因此，提高燃烧效率方面，应综合考虑合适的炉膛设计结构及运行参数。
    2 燃烧福建无烟煤CFB锅炉低污染排放的技术研究
    近年来在这方面的工作主要是研究了燃烧过程中的炉内脱硫和脱硝问题。
    2.1 脱硫研究
    一般情况下，燃烧产生的SO2是燃料问题而非技术工艺问题。研究发现，煤中的硫以三种形态存在：有机硫、黄铁矿硫、和硫酸盐硫。其中，有机硫和黄铁矿硫在煤的挥发分析出阶段和焦炭燃烧阶段反应生成了SO2。对SO2的脱除主要有三种方式，它们是燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后尾部烟气脱硫，其中，燃烧中的脱硫（即炉内脱硫）相对其他两种方式而言，其投资及运行成本是最低的[14]。
    燃烧福建无烟煤CFB锅炉有着不同于燃烧其它煤种的运行特点，比如流化速度较低、循环倍率较低、运行温度较高等[8]，这使得其炉内脱硫有自己的特色。通过在一台35t/h燃烧福建无烟煤的工业循环流化床锅炉上进行脱硫试验，研究表明[15]，钙硫比越大、石灰石的平均颗粒径越细，脱硫效率越高。但由于煤质和燃烧工况特殊，在不考虑自脱硫情况下，燃烧福建无烟煤CFB锅炉的炉内脱硫效率并不高。研究认为，由于福建无烟煤自身含硫量少，加上燃烧性质特殊、锅炉运行温度较高，为达到较好的脱硫效果（>50%），钙硫摩尔比需在2.5以上且存在有最佳值，见图4。另外，脱硫剂的性质对脱硫效果也有影响，从试验结果看，脱硫剂平均颗粒径在0.5mm以下时，脱硫效果较好；

    由于在还原性气氛中，煤中的硫分会形成H2S，然后与CaO反应生成CaS，只要保证CaS能够高效的被氧化成CaSO4，就能使脱硫效率超过90%。有研究认为[16]，在还原性气氛中进行的脱硫，既可有较高的脱硫效率，又可以达到较低氮氧化物排放浓度，是炉内脱硫的一个新方向。
    2.2 脱硝研究
    CFB锅炉的低温燃烧特性和分级送风燃烧方式对抑制氮氧化物生成有利，其氮氧化物的排放浓度较低，一般在100～200mg/Nm3之间，而且主要是燃料型NOX（NO含量占90%以上，NO2含量在5%~10%），和少量的N2O。通过在一台75t/h燃烧福建无烟煤工业循环流化床锅炉上进行燃烧脱硝试验研究，结果表明[17]，煤种的含氮量越高，其燃烧烟气中的NOX排放浓度也越高；NOX的排放浓度随着燃烧过量空气系数的增大而降低；但当过量空气系数大于1.3后，NOX的排放浓度趋于稳定；在过量空气系数保持不变时，氮氧化物的排放浓度随着二次风率的增加而降低：对于燃烧福建无烟煤的CFB锅炉，存在有最佳二次风率，使得燃料氮的转化率最低。研究发现[18]，添加石灰石脱硫对氮氧化物排放的影响很微弱。在小钙硫比工况下，添加石灰石脱硫会使烟气中NOx排放量上升,但升幅平缓。在大钙硫比情况下（Ca/S > 3.0），加入石灰石后使得烟气中的NOx排放量有所下降；
    3 结语与展望
    CFB锅炉清洁燃烧福建无烟煤是一个系统工程。以往的工作中，我们主要针对燃尽和脱硫脱硝等问题进行了研究，取得了一些阶段性成果，但也发现了一些问题。今后的研究将主要针对以下几方面展开：
    （1）继续开展煤质特性研究。关于煤质及其燃烧特性的研究，以往主要以龙岩煤为代表开展了一些工作。但“福建无烟煤”是一个广义概念，福建省不同煤系的煤种之间燃烧特性差别极大[15]；为全面掌握“福建无烟煤”的燃烧性质，使得CFB锅炉的设计建设更有针对性，应针对每一具体煤种做出研究；
    （2）继续进行炉内脱硫技术开发。虽然炉内脱硫是CFB锅炉的技术优势，但在应用上却也会存在有一些问题，特别是会增加灰渣数量和改变灰渣性质。由于添加了钙基脱硫剂，脱硫情况下产生的灰渣与同容量未经脱硫情况相比要多出30％左右；同时，脱硫灰渣与普通灰渣的性质又有很多不同之处，脱硫灰渣的钙和硫含量都远高于没有经过脱硫的灰渣，以致于很难用常规的灰渣利用方式对其进行处理。开发适合于燃烧福建无烟煤CFB锅炉脱硫灰渣综合利用新技术已成为推动CFB锅炉炉内脱硫技术应用的关键。
    （3）开展控制燃烧产生的重金属痕量元素排放技术研究。煤中的各种痕量重金属元素如As、Se、Pb、Cr等在燃烧后会转化成各类化合物随烟气排出，这些化合物多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。某些福建无烟煤富含一些特殊的重金属元素如Cd等，控制燃烧中这些痕量重金属元素化合物的生成和排放是进一步控制燃烧污染排放的技术研究重点；
    （4）开展燃烧产生的粉尘排放控制技术研究。 目前，CFB锅炉除尘器的除尘效率一般可达99%左右，但这些除尘器对可吸入颗粒物的捕获效率却较低，烟尘中有大量的可吸入颗粒物被排入了大气，构成了大气气溶胶的主要来源。控制这些粒径小于10微米（PM10）超细颗粒的排放也是CFB锅炉清洁燃烧福建无烟煤下阶段研究工作的重点；
    （5）开展CFB锅炉燃烧福建无烟煤的模型研究。目前，CFB锅炉在福建省内的应用正往大型化方向快速发展。建立针对于燃烧福建无烟煤的CFB锅炉总体数学模型，对大型CFB锅炉的燃烧工况进行数值模拟，确定最佳设计和运行参数，对于燃烧福建无烟煤CFB锅炉的优化设计和优化运行具有重要意义。
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