循環(huán)流化床技術(shù)的研發(fā)

  循環(huán)流化床的基本結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由提升管或稱爐膛+氣固分離器+返料器構(gòu)成。基本原理也似乎很簡(jiǎn)單，當(dāng)顆粒所受的向上的氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的曳力與重力相等時(shí)，顆粒就會(huì)“懸浮”起來，堆積的顆粒都“懸浮”起來時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)類似流體的特性。

  經(jīng)過三十來年的研究，我們對(duì)循環(huán)流化床充滿了愛恨情仇。它平時(shí)像頭牛，任勞任怨、默默工作、不計(jì)報(bào)酬，吃進(jìn)的是草，擠出的是奶；有時(shí)又像嬌小姐，莫名其妙亂發(fā)脾氣，百般呵護(hù)仍然不得要領(lǐng)；它看上去是如此的簡(jiǎn)單樸實(shí)開放，可有時(shí)像個(gè)貴夫人，高深冷漠，只可遠(yuǎn)觀而不可近褻。它遠(yuǎn)離高溫高壓高速，高溫度只有1000℃，低于一般耐火材料的許用溫度；一般是常壓，沒有運(yùn)動(dòng)部件，顆粒和氣體的運(yùn)動(dòng)速度為100米/秒級(jí)，遠(yuǎn)離聲速；它的結(jié)構(gòu)尺度是100米級(jí)，顆粒尺度是10-3米級(jí)，都可以依靠人的日常經(jīng)驗(yàn)而直接感知，用不著天文望遠(yuǎn)鏡和電子顯微鏡。可是，每當(dāng)我們覺得一切規(guī)律盡在掌握之中的時(shí)候，我們往往就要被失敗所教訓(xùn)。

  以下從流動(dòng)、反應(yīng)和展望三個(gè)方面來展開介紹。

  三十年前，我們從冷態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)起步開始研究循環(huán)流化床。受限于條件，試驗(yàn)臺(tái)就建在辦公室內(nèi)，還盡可能地采用了鋼化玻璃，使得流動(dòng)過程可以用肉眼直接觀看，提升管盡可能高，提升管的橫截面尺寸盡可能大，沒有在密相區(qū)氣泡和壓力波動(dòng)信號(hào)方面花費(fèi)時(shí)間；配合冷態(tài)試驗(yàn)的主要分析方法是，分析流動(dòng)過程的基本物理原理，對(duì)關(guān)鍵流動(dòng)參數(shù)做量級(jí)分析，先忽略小因素量，關(guān)注主要因素。這些研究方法的優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，大方向正確，但比較遺憾的是忽略了詳細(xì)的數(shù)量關(guān)系，也沒有留下多少公開的文獻(xiàn)?，F(xiàn)在回頭看，在一個(gè)重大的科研方向上，起步階段就建立了正確的基本研究方法，三十年來一直在用，這是很了不起的！

  之所以研究所循環(huán)流化床方向現(xiàn)在還要繼續(xù)做冷態(tài)流動(dòng)研究，除了氣固流態(tài)化的復(fù)雜性，主要原因有兩方面：容量放大效應(yīng)和負(fù)載新的反應(yīng)。

  循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在容量的逐級(jí)放大。現(xiàn)在大家都清楚，容量放大的系數(shù)近似為2，這是呂清剛副所長(zhǎng)首先明確提出的。如同集成電路的“摩爾定律”，這個(gè)容量倍增規(guī)律為循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)指明了發(fā)展方向和技術(shù)路徑，該規(guī)律是由電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)律決定的，我們無法超越，只能遵循。與此同時(shí)，我們知道，在化工領(lǐng)域，容量放大十倍是很平常的，放大100倍也是可以接受的。這個(gè)對(duì)比深刻地反映了一個(gè)現(xiàn)象，在容量放大技術(shù)方面，化工學(xué)的技術(shù)水平在熱工學(xué)之上！這可能與化工學(xué)有大量的容量放大機(jī)會(huì)有關(guān)。所以，我們要主動(dòng)向化工學(xué)科學(xué)習(xí)。

  順便介紹一下，我們借助“科教融合”的機(jī)會(huì)，在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的熱能工程專業(yè)研究生課程中增加了“化工原理”和“物理化學(xué)”兩門化工類普通專業(yè)課。容量放大的主要方面之一是結(jié)構(gòu)尺寸的放大，結(jié)構(gòu)尺寸的放大是三維的，在俯視圖上看二維的放大，類似搭積木，這個(gè)過程非常有趣。與此同時(shí)，受方方面面的限制，實(shí)際的放大遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的搭積木。在容量放大過程中，研究人員會(huì)不斷遇到新的氣固流動(dòng)問題，其中很重要的是各種均勻性問題，包括溫度、速度、濃度等在爐膛的橫向和縱向上的分布均勻性問題。解決問題可靠的方法還是試驗(yàn)，尤其是大型裝置上的試驗(yàn)以及在大型鍋爐上的試驗(yàn)；另一方面，在王海剛研究員回國(guó)后，我們?cè)谘h(huán)流化床的模擬計(jì)算方面取得了很大的進(jìn)步，與試驗(yàn)比翼齊飛，使我們的研究如虎添翼。

  從反應(yīng)過程看，一方面，循環(huán)流化床中氣-固強(qiáng)烈摻混，這是循環(huán)流化床的優(yōu)勢(shì)之一；另一方面，氣體和顆粒的流動(dòng)情況相差巨大，氣相是近乎平推流，而固相是返混+偏析+平推，與氣相截然相反！同時(shí)，氣相和固相的反應(yīng)時(shí)間也相差很大。氣相的反應(yīng)時(shí)間取決于流速和爐膛高度，為100秒級(jí)；而固相的反應(yīng)時(shí)間則復(fù)雜的多，為100-103秒級(jí)。因此，對(duì)于不同的反應(yīng)，要想清楚：在乎氣相？在乎固相？抑或同時(shí)在乎氣相和固相？以下用幾個(gè)實(shí)例說明這點(diǎn)。

  實(shí)例一：對(duì)于煤粒干燥，顯然在乎固相，固相所需的反應(yīng)時(shí)間在100~103秒之間，取決于煤粒的粒徑，利用鼓泡流化床，通過控制排料滿足固相的反應(yīng)時(shí)間要求；同時(shí)，氣相的間為100秒級(jí)，通過調(diào)整流速也滿足了其要求。

  實(shí)例二：將含水率達(dá)80%的城市下水污泥的干燥直接與焚燒耦合在一起，大幅度縮短了處理流程，但是，將團(tuán)聚狀含水率達(dá)80%的城市下水污泥干燥至滿足燃燒的合理水平需要耗時(shí)103秒級(jí)，而焚燒耗時(shí)100秒級(jí)。為了使干燥與焚燒在工藝耗時(shí)上同步，我們采用了鼓泡流化床強(qiáng)化干燥+循環(huán)流化床焚燒的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了干燥與焚燒的同步。

  實(shí)例三：在燃燒過程中向爐膛分級(jí)供風(fēng)的實(shí)質(zhì)是，利用燃料在爐膛中的燃燒過程具有一定程度的平推性質(zhì)，即揮發(fā)分的析出位置偏向爐膛的下部，分級(jí)供風(fēng)造成爐膛下部局部還原性氣氛，使煤析出氣體中的氮還原成氮?dú)?。分?jí)供風(fēng)使NOx的排放濃度低至200mg/m3，低于當(dāng)時(shí)的國(guó)家排放限值，可是當(dāng)新的排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，這個(gè)技術(shù)落后了。我們?cè)?jīng)設(shè)想將二次風(fēng)的分級(jí)程度加大，但是試驗(yàn)結(jié)果表明效果并不明顯。后來，我們將氣固反應(yīng)從循環(huán)流化床內(nèi)延伸到循環(huán)流化床的下游，即在循環(huán)流化床后補(bǔ)充部分空氣，出乎意料地獲得了低NOx排放的效果。

  實(shí)例四：將循環(huán)流化床技術(shù)應(yīng)用于煤氣化，以此主要技術(shù)為契機(jī)徹底改造了這個(gè)傳統(tǒng)的工藝，使傳統(tǒng)的常壓煤氣化工藝在環(huán)保、高效、現(xiàn)代化的水平上得以涅槃重生。從煤氣化反應(yīng)的焦炭失重曲線可知，反應(yīng)所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)103秒級(jí)，與氣相的停留時(shí)間相差103秒級(jí)。我們通過在整個(gè)煤氣化工藝中調(diào)整反應(yīng)，利用燃燒反應(yīng)快速的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了煤氣化反應(yīng)慢速的劣勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了整體工藝的優(yōu)化組合。

  通過以上敘述可以看出，循環(huán)流化床是一種強(qiáng)有力的氣固反應(yīng)器，利用氣-固之間的平推/返混搭配可以創(chuàng)造出非常多的氣固反應(yīng)器，用于各種氣固反應(yīng)工藝，從這個(gè)角度看，循環(huán)流化床鍋爐不過是很小的應(yīng)用而已，沿著這條技術(shù)創(chuàng)新之路前行，創(chuàng)新成果將難以限量。