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循环流化床技术的研发
 

  循环流化床的基本结构很简单,由提升管或称炉膛+气固分离器+返料器构成。基本原理也似乎很简单,当颗粒所受的向上的气体流动所产生的曳力与重力相等时,颗粒就会“悬浮”起来,堆积的颗粒都“悬浮”起来时就会呈现类似流体的特性。 

  经过三十来年的研究,我们对循环流化床充满了爱恨情仇。它平时像头牛,任劳任怨、默默工作、不计报酬,吃进的是草,挤出的是奶;有时又像娇小姐,莫名其妙乱发脾气,百般呵护仍然不得要领;它看上去是如此的简单朴实开放,可有时像个贵夫人,高深冷漠,只可远观而不可近亵。它远离高温高压高速,最高温度只有1000℃,低于一般耐火材料的许用温度;一般是常压,没有运动部件,颗粒和气体的运动速度为100/秒级,远离声速;它的结构尺度是100米级,颗粒尺度是10-3米级,都可以依靠人的日常经验而直接感知,用不着天文望远镜和电子显微镜。可是,每当我们觉得一切规律尽在掌握之中的时候,我们往往就要被失败所教训。 

  以下从流动、反应和展望三个方面来展开介绍。 

  三十年前,我们从冷态流动试验起步开始研究循环流化床。受限于条件,试验台就建在办公室内,还尽可能地采用了钢化玻璃,使得流动过程可以用肉眼直接观看,提升管尽可能高,提升管的横截面尺寸尽可能大,没有在密相区气泡和压力波动信号方面花费时间;配合冷态试验的主要分析方法是,分析流动过程的基本物理原理,对关键流动参数做量级分析,先忽略小因素量,关注主要因素。这些研究方法的优点是物理概念清晰,大方向正确,但比较遗憾的是忽略了详细的数量关系,也没有留下多少公开的文献。现在回头看,在一个重大的科研方向上,起步阶段就建立了正确的基本研究方法,三十年来一直在用,这是很了不起的! 

  之所以研究所循环流化床方向现在还要继续做冷态流动研究,除了气固流态化的复杂性,主要原因有两方面:容量放大效应和负载新的反应。 

  循环流化床锅炉的技术进步主要体现在容量的逐级放大。现在大家都清楚,容量放大的系数近似为2,这是吕清刚副所长首先明确提出的。如同集成电路的“摩尔定律”,这个容量倍增规律为循环流化床锅炉技术指明了发展方向和技术路径,该规律是由电力工业的发展规律决定的,我们无法超越,只能遵循。与此同时,我们知道,在化工领域,容量放大十倍是很平常的,放大100倍也是可以接受的。这个对比深刻地反映了一个现象,在容量放大技术方面,化工学的技术水平在热工学之上!这可能与化工学有大量的容量放大机会有关。所以,我们要主动向化工学科学习。 

  顺便介绍一下,我们借助“科教融合”的机会,在中国科学院大学的热能工程专业研究生课程中增加了“化工原理”和“物理化学”两门化工类普通专业课。容量放大的主要方面之一是结构尺寸的放大,结构尺寸的放大是三维的,在俯视图上看二维的放大,类似搭积木,这个过程非常有趣。与此同时,受方方面面的限制,实际的放大远非简单的搭积木。在容量放大过程中,研究人员会不断遇到新的气固流动问题,其中很重要的是各种均匀性问题,包括温度、速度、浓度等在炉膛的横向和纵向上的分布均匀性问题。解决问题最可靠的方法还是试验,尤其是大型装置上的试验以及在大型锅炉上的试验;另一方面,在王海刚研究员回国后,我们在循环流化床的模拟计算方面取得了很大的进步,与试验比翼齐飞,使我们的研究如虎添翼。 

  从反应过程看,一方面,循环流化床中气-固强烈掺混,这是循环流化床的最大优势之一;另一方面,气体和颗粒的流动情况相差巨大,气相是近乎平推流,而固相是返混+偏析+平推,与气相截然相反!同时,气相和固相的反应时间也相差很大。气相的反应时间取决于流速和炉膛高度,为100秒级;而固相的反应时间则复杂的多,为100-103秒级。因此,对于不同的反应,要想清楚:在乎气相?在乎固相?抑或同时在乎气相和固相?以下用几个实例说明这点。 

  实例一:对于煤粒干燥,显然在乎固相,固相所需的反应时间在100~103秒之间,取决于煤粒的粒径,利用鼓泡流化床,通过控制排料满足固相的反应时间要求;同时,气相的间仅为100秒级,通过调整流速也满足了其要求。 

  实例二:将含水率达80%的城市下水污泥的干燥直接与焚烧耦合在一起,大幅度缩短了处理流程,但是,将团聚状含水率达80%的城市下水污泥干燥至满足燃烧的合理水平需要耗时103秒级,而焚烧仅耗时100秒级。为了使干燥与焚烧在工艺耗时上同步,我们采用了鼓泡流化床强化干燥+循环流化床焚烧的新技术,实现了干燥与焚烧的同步。 

  实例三:在燃烧过程中向炉膛分级供风的实质是,利用燃料在炉膛中的燃烧过程具有一定程度的平推性质,即挥发分的析出位置偏向炉膛的下部,分级供风造成炉膛下部局部还原性气氛,使煤析出气体中的氮还原成氮气。分级供风使NOx的排放浓度低至200mg/m3,大大低于当时的国家排放限值,可是当新的排放标准发布后,这个技术落后了。我们曾经设想将二次风的分级程度加大,但是试验结果表明效果并不显著。后来,我们将气固反应从循环流化床内延伸到循环流化床的下游,即在循环流化床后补充部分空气,出乎意料地获得了超低NOx排放的效果。 

  实例四:将循环流化床技术应用于煤气化,以此核心技术为契机彻底改造了这个传统的工艺,使传统的常压煤气化工艺在环保、高效、现代化的水平上得以涅槃重生。从煤气化反应的焦炭失重曲线可知,反应所需时间长达103秒级,与气相的停留时间相差103秒级。我们通过在整个煤气化工艺中调整反应,利用燃烧反应快速的优势弥补了煤气化反应慢速的劣势,实现了整体工艺的优化组合。 

  通过以上叙述可以看出,循环流化床是一种强有力的气固反应器,利用气-固之间的平推/返混搭配可以创造出非常多的气固反应器,用于各种气固反应工艺,从这个角度看,循环流化床锅炉不过是很小的应用而已,沿着这条技术创新之路前行,创新成果将难以限量。