谈李佑楚快速流态化理论对CFB锅炉技术发展的助力_杨海瑞.pdf

第 37 卷 第 6 期2022 年 12 月Vol.37 No.6Dec.2022电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2022）06-0479-06 中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2022.057开放科学（资源服务）标识码（OSID）：谈李佑楚快速流态化理论对 CFB锅炉技术发展的助力杨海瑞，邓博宇，张翼，姚宣，汪佩宁，岳光溪（清华大学 能源与动力工程系 CFB课题组，北京 100084）摘要：已故中国科学院过程工程研究所（原中国科学院化工冶金研究所）李佑楚教授在气固流态化理论方面取得了众多成果和应用，明确了 A 类颗粒快速流态形成条件，即当风速超过转变速度utr时，必须维持一个临界值以上的颗粒流率，才能维持提升管稳定的颗粒浓度分布，且在不同的颗粒流率下，提升管内的浓度分布是不同的。明确了快速流态化提升管内浓度呈现“S”分布，随床存量增加，只改变密相区和稀相区拐点高度，而提升管出口颗粒流率不变。以上研究理论对国内循环流化床锅炉煤燃烧技术发展起到了理论指导和启示的作用。关键词：快速流态化；CFB锅炉；学术贡献The Contribution of LI You-chu s Fast Fluidization Theory on the Development of CFB Boiler TechnologyYANG Hai-rui，DENG Bo-yu，ZHANG Yi，YAO Xuan，WANG Pei-ning，YUE Guang-xi（CFB Research Group，Department of Energy and Power Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）Abstract：Prof.LI You-chu，retired from Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences（former Institute of Chemical and Metallurgy，Chinese Academy of Sciences），has made great contribution to gas solid fluidization theory，such as the prediction conditions for fast fluidization with least gas velocity lager than transition velocity utr and the critical solid circulating rate，Gs，at certain gas velocity.“S”shape profile of the solid suspension density is found and only the inflection point between dense bed and dilute bed increases with bed inventory increasing while Gs remains stable at certain gas velocity.This paper retrospect the directions and enlightens of his fast fluidization theory on the development of CFB boiler technology in China and to show the respect and yearn on his academic contribution.Key words：fast fluidization；CFB boiler；contribution0 引言 温克勒煤气化炉被认为是流态化最早的工业应用案例，之后被广泛应用到石油化工领域，出现了经典 特约专稿 收稿日期：2022-11-13作者简介：杨海瑞（1972），男，博士，教授，主要研究方向为能源与动力工程，；邓博宇（1995），男，博士生，主要研究方向为循环流化床锅炉变负荷特性，；张翼（1993），男，博士生，主要研究方向为气固两相流流态转变，；姚宣（1987），男，博士，主要研究方向为气固两相流及颗粒分层特性，；汪佩宁（1991），男，博士，主要研究方向为循环流化床二次风射流及颗粒扩散行为，；岳光溪（1945），男，中国工程院院士，主要研究方向为循环流化床燃烧技术，ygx-。引文格式：杨海瑞，邓博宇，张翼，等.谈李佑楚快速流态化理论对 CFB 锅炉技术发展的助力 J.电力学报，2022，37（06）：479-484.DOI：10.13357/j.dlxb.2022.057.第 37 卷电力学报的石油催化裂化（FCC）、催化重整等工业应用，同时激发了对气固流态化基础理论的探索。流态化化工反应器常用的催化剂具有相对较窄的粒度分布，特别是 FCC 属于典型的 A 类颗粒，因此高气速下可以进入快速流化状态，李佑楚、郭慕孙给出了经典的 Li-Kwauk流态相图，见图 1，表征典型的 A 类颗粒随着流化风速增加，所经历的流态转变过程。当风速超过转变速度 utr时，必须维持一个临界值以上的颗粒流率，才能维持提升管（化工反应器常用表示）稳定的颗粒浓度分布，且在不同的颗粒流率下，提升管内的浓度分布是不同的1-2。这就是快速流态化不同于鼓泡床、湍动床的明显区别，必须满足两个条件才能确定提升管内的流化状态。床料进入快速流态化后，在特定风速和颗粒粒度的前提下，足够高的提升管内出现底部密相区、上部稀相区，中间的过渡点随着总床料量的增加而增高，提升管出口的循环流率维持不变，即“S”分布，见图 2（a）。同时，由于气体对颗粒的携带率达到饱和，在稀相区不同高度处形成若干颗粒聚集的颗粒团；由于气流无法提供足够的曳力，因此出现颗粒团的下沉运行，下降一定高度后颗粒团破碎随气流上升，再聚团，周而复始，形成剧烈的内循环，见图 2（b），内循环的作用有利于强化提升管轴向的温度分布1-2。清华大学循环流化床（CFB）课题组与已故的中国科学院过程工程研究所（原中国科学院化工冶金研究所）李佑楚教授在气固流态化理论与技术应用领域具有多年的合作交流基础，本文通过几个示例，回顾了李佑楚学术理论，特别是快速流态化形成满足条件及“S”分布，对 CFB 锅炉煤燃烧技术发展的指导和启示作用，谨以此文表达对李老师的学术敬意和深切怀念。1 循环流化床锅炉定态设计理论 相对于化工反应器催化剂的窄筛分粒度，燃煤 CFB 锅炉的给煤具有较宽的粒度分布，一般在 0 mm8 mm，因此燃烧后形成的床料也是宽筛分粒度，在特定的流化风速下，CFB 锅炉炉膛（锅炉的常用表示）内的流化状态是一个复合流态，即粗颗粒在底部密相区处于鼓泡、湍动流化状态，而较细的颗粒在炉膛上部形成快速床或气力输送3。CFB炉膛上部的流态是快速床还是气力输送，目前在国际学术界还存在较大的争论。清华大学岳光溪教授认为，随着分离器效率的提高，给煤粒度控制的优化变细，导致 CFB 系统内的较细的可以参与循环的颗粒份额大大增加，尽管大部分属于 B类颗粒，但依然进入到了快速流态化3。因为大量试验室工作证明，B 类颗粒也存在“S”型分布，同时煤的燃烧释放热量在炉膛高度上是不均匀的4，而炉膛的图 1A类颗粒流态相图2Fig.1Flow regime of Class A particle图 2快速流态化流动特征2Fig.2Typical characteristic of fast fluidization480第 6 期杨海瑞，等：谈李佑楚快速流态化理论对 CFB锅炉技术发展的助力上部（即使没有受热面插屏）温度变化也不大，只有颗粒团的出现，才能产生足够的内循环来拉均炉膛上部的温度。由于锅炉设计过程中需要根据炉膛内轴向颗粒浓度分布来设计受热面的布置，因此这个设计的流态是固定的，是由流化风速和选定的循环流率来决定的3，5。根据国际上多家锅炉设计制造商的“态”的选取不同，清华大学岳光溪教授受 Li-Kwauk相图的启发，在 2005年第 18届 FBC 会议上提出了著名的循环流化床锅炉定态设计理论，见图 3，并根据中国的煤种特性优化出适应中国煤种的定态设计点，从而显著避免了制约锅炉长周期运行的炉膛磨损3。这是清华大学第一代流态优化的 CFB锅炉燃烧技术。2 基于流态重构的节能型 CFB锅炉技术 清华大学的循环流化床锅炉定态设计理论，除了解决了锅炉设计阶段“定态”的选取，对 CFB 锅炉优化运行也同样具有指导意义。由于煤种的变化、分离器效率变化（比如中心筒变形、脱落等），往往导致炉膛内的气固流态偏离了最初的设计定态，那如何调整呢？根据快速流态化的特点，通过调整给煤粒度和床压降（系统总的物料量），改变床内物料的粗、细颗粒的比例，可以将炉膛上部的颗粒浓度分布拉回到原来的状态6-7，这也恰恰是李佑楚“S”型分布快速流态化带来的启示。应用此概念，清华大学成功解决了石化系统进口 CFB锅炉换烧煤种面临的外方天价改造费的问题。在此基础上，为了解决 CFB 锅炉特有的一次风机压头高导致厂用电高的劣势，结合清华大学的循环流化床锅炉定态设计理论和李佑楚的快速流态理论，清华大学岳光溪团队在 2007 年提出了基于流态重构的节能型循环流化床锅炉技术。针对 CFB 锅炉宽筛分粒度分布，在特定风速下，炉膛内的气固流动属于复合流化状态，即由无法参与循环的粗大颗粒在炉膛底部形成的鼓泡床流动、参与外循环的细颗粒构成的快速床流动8-9，见图 4。据此，循环流化床锅炉的床料可以定性分为两类，即有效床料和无效床料10-11。有效床料可以形成外部循环，影响炉膛内和循环回路中的燃烧和受热面布置，这是 CFB 锅炉的必要条件。无效床料是指那些终端速度大于流化风速的颗粒，无法参与循环，只能在底部形成密相的鼓泡流动。对于可以参与外循环的细颗粒而言，其在炉膛内的流化状态为快速床，在一定的范围内改变床料量，不会改变炉膛上部浓度分布和循环流率，只会改变底部密相区细颗粒的高度。通过降低粗颗粒的存量和细颗粒的存量，可将上部炉膛的浓度控制在更加合理的范围内，这就是流态重构10-11。通过流态重构，炉膛上部依然维持快速流化状态，气固浓度和外循环流率可以维持不变，保证传热性能要求，但二次风区域物料浓度会明显降低，二次风穿透扰动效果增强，炉膛上部气固混合效果得以改进，提高了锅炉燃烧效率，降低了锅炉机组的供电煤耗6-7。流态重构技术可以同时在厂用电、水冷壁磨损和燃烧效率三方面取得显著效果，部分煤种实现原始超低排放7，10-12。该技术在“十二五”“十三五”电力发展的支持下，开发系列节能超低排放 CFB 锅炉产品，在 300 MW350 MW CFB 机组上完成工业应用7，12。这是清华大学第二代基于流态优化的 CFB锅炉燃烧技术。图 3CFB锅炉定态设计理论图谱3Fig.3Regime of static state design theory of CFB boiler图 4CFB锅炉炉膛内复合流态11Fig.4Composition flow regime in CFB boiler furnace481第 37 卷电力学报3“一进二出”的全回路压力与物料平衡体系 相对于流态化工反应器闭口体系，CFB锅炉是“一进二出”的开口体系，在稳定运行时，通过“一进”的给煤和脱硫剂进入系统的物料流率，等于从“二出”分离器出口的飞灰流率和底部排渣流率3，13。早期研究炉膛内床存量对气固流动和循环流率时发现，改变回料阀内流化风量，炉内的气固浓度和循环流率也发生变化14，似乎料腿内的存料量也影响炉膛内的气固流动，特别是具有外置换热床结构的炉型，调整外置床内流化风可以显著改变炉膛内的床温分布，因此，针对影响提升管内“S”型分布的床内物料存量，产生了是否存在“系统有效存料量”的疑惑。李佑楚老师在著作 流态化过程工程导论 一书中，根据进出口约束强弱，外回路是否存在料仓等，将流态化反应器分为 ABC 三类15。其中 B 类自由型反应器具有较弱的进出口约束，因此提升管内的气固流动会受到回料腿内流动形式及存料量导致的压头的影响。对比发现，循环流化床锅炉分离器进口布置及常用的 Loop seal都属于弱约束，因此也属于 B 类流化床，进而对 CFB 锅炉炉膛与外回路的相互影响的困惑便豁然开朗了。2000年前某个时候（具体时间不记得了），岳光溪教授参观李佑楚的试验室时，发现不锈钢料腿在高温下可以清楚地看到管内颗粒的流动。李佑楚老师介绍，即使关闭料腿的流化风，整个系统依然可以维持稳定循环运行，并建议了通量比较高的回送阀设计准则，以及回送阀的定流量松动风控制方法，见图 516，我们在 CFB 锅炉机组上采用罗茨风机得以实现，一直使用到今天。但是，无流化风返料运行现象在实验室冷态实验中始终没有复现过，因此简单将其归因为高温颗粒流动性好所导致的，一直没有更深入地考虑。2005年之后，商业运行的许多 CFB 锅炉出现了频繁的返料不畅的问题，2008 年北京奥运会开幕前，山西省一台135 MW 的 CFB 机组由于料腿震动，甚至出现了料腿局部拉裂，高温颗粒流动性好的解释似乎不适用了。因此，2006年2011年，作者将研究兴趣转到了料腿内的气固流动上，系统地研究了不同返料风量下，料腿内压差梯度、提升管内浓度分布及系统压力平衡关系。开发世界首台 600 MW 超临界 CFB 锅炉之初，由于炉膛高度超出已有的实践认知，2008年 3月，作者带领研究生在白马电厂搭建 54 m 超高提升管试验台，研究超高提升管内流态转变。试验中发现返料阀失去了控制功能，无论如何调整返料风，系统的循环流率都不变。后来发现由于返料阀的压阻太小，相对于超高提升管内压降，可以忽略，也就是典型的弱约束，证明该试验台是典型的 B 类反应器，因此提升管内气固流态转变也可以出现典型的“S”分布，见图 6，进而证实维持优化床压可以在稀相区形成快速流态化，满足传热要求。该发现突破已有提升管高度对“S”分布影响的认知，作为成果第一创新点，获得了 2017年国家科技进步一等奖。试验期间，一次偶发的高压风机故障，导致返料阀流化风突然停止，但令人惊奇地发现，返料依然可以平稳运行，李佑楚老师提及的返料现象在冷态条件下复现了！之后的理论分析发现，这是两个条件导图 5料腿内的气固流化特性16Fig.5Gas solid flow in standpipe图 6空隙率轴向分布随床料量变化17Fig.6Axial voidage profile changing with bed inventory482第 6 期杨海瑞，等：谈李佑楚快速流态化理论对 CFB锅炉技术发展的助力致该现象的出现：一是提升管/返料腿截面比大于 10，从而使料腿内实际循环流率足够大；二是超高的提升管和料腿，使下降的物料具有较高的速度，可携带大量的气体进入返料阀，从而起到气固润滑作用，形成典型的气固同向顺重力流动17。后来课题组研究生姚宣通过 CO2示踪法，明确了返料腿内不同循环流率下松动风的流动方向，在较大的循环流率下，部分来自分离器的气体可以被夹带到返料阀，进而返回炉膛；而在较小的循环流率或者较小的有效存料量的情况下，料腿内物料高度低，为了维持足够的驱动压力，需要更大的滑移速度，因此较多的松动风向上流动进入分离器18，会导致分离器效率降低19-20。在上述理解的基础上，将 CFB 锅炉“一进二出”物料平衡系统，发展成“一进二出一循环”全回路物料平衡系统6-7。该物料平衡系统，可以解释运行过程中炉膛和外回路在压力平衡基础上的物料分配问题21；可以解释系统压力不平衡导致的料腿震动问题22；以及解释返料风过大导致的分离器效率降低的问题。在“双碳”目标背景下，为了消纳新能源，提高 CFB 机组灵活性运行性能，可以在料腿内做文章，建立有效存量的吞吐装置，提高升降负荷能力。4 结论 以清华大学 CFB课题组在循环流化床锅炉燃烧技术上几个标志性的成果为例，回忆了李佑楚老师学术成果提供的巨大助力。作者杨海瑞有幸从学生时期开始接受李老师多次指导，在对流态化的理解上亦步亦趋，结合 CFB 锅炉的实际特点，借用了李老师很多的学术思想去实现 CFB 锅炉优化运行及创新设计，限于篇幅本文不再赘述。在此，谨借该文再次表达对李佑楚老师杰出学术的敬仰和真挚的怀念。参考文献：1 李佑楚，陈丙瑜，王凤鸣，等.快速流态化的流动 J.化工学报，1979，30（2）：143-152.LI You-chu，CHEN Bing-yu，WANG Feng-ming，et al.The Dynamics of Fast Fluidization J.Journal of Chemical Industry and Engineering（China），1979，30（2）：143-152.2 LI Y C，KWAUK M.The Dynamics of Fast Fluidization M/Fluidization.Boston，MA：Springer US，1980：537-544.3 YUE G X，LYU J F，ZHANG H，et al.Design Theory of Circulating Fluidized Bed Boilers C/Proceedings of 18th International Conference on Fluidized Bed Combustion，May 22-25，2005，Toronto，Canada.Toronto：s.n.，2005：18-29.4 YUE G X，ZHANG H，LIU Q，et al.Heat Release Fraction Along the Furnace in a CFB Combustor C/Proceedings of the 19th International Conference on Fluidized Bed Combustion，May 21-24，2006，Vienna，Austria.Vienna：s.n.，2006：35.5 杨海瑞，吕俊复，岳光溪.循环流化床锅炉的设计理论与设计参数的确定 J.动力工程，2006，26（1）：42-48，69.YANG Hai-rui，LYU 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