烧锅炉也是技术活?

2020-03-24 17:58

随着第25届联合国气候变化大会的召开,“节能减排”又上了热搜榜。虽然我国的煤炭消耗量已不再增长了,不过作为一个多煤少油缺气的国家,煤炭依然是我国能源的主角,那么如何清洁高效地烧煤?




循环流化床锅炉是近三十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧技术(关于它的历史请戳:循环流化床锅炉的前世今生)。我国在上世纪八十年代中期开始开发这种锅炉,经过三十多年的奋斗,如今已经成了该领域的技术和装备制造的强国。今天笔者就来讲讲研发中的一些小故事。


啥是循环流化床锅炉


循环流化床锅炉的关键就是“流态化”和“循环” 。这种锅炉把固体颗粒(就是燃烧的物料)用空气等流体介质悬浮起来,然后经过上升-集聚-变重-下降-吹散-变轻-上升的不断循环,形成温度均匀的“床”;新加进来的物料能被高温物质包围,迅速加热到燃烧温度,没有烧完的物料会通过分离器和返料器,再回到“床”上重新燃烧,直至燃尽。


在循环流化床锅炉里,从超低挥发分的无烟煤到超高挥发分的褐煤乃至灰分含量高达70%的劣质高灰煤均可充分燃烧,而且脱硫效果好、氮氧化物排放量低。


循环流化床锅炉的奥秘很多,今天笔者要说的是其中的一个关键设备:高温气固分离器。



循环流化床锅炉以及旋风分离器(右侧蓝色是炉膛的外覆板,中间银色的就是高温旋风分离器,左侧蓝色是尾部烟道的外覆板。与800毫米高的栏杆对比就可以看出高温旋风分离器的基本尺寸了)

(图片来源:作者提供


为什么风和颗粒几秒钟就要分手?


颗粒在炉膛中被风吹得上下翻腾,热闹无比,迅速高效地进行风与颗粒、颗粒与颗粒之间的各种掺混,同时进行风与颗粒之间的各种反应,比如加热、干燥、热解、裂解、分解、化合、气化、燃烧等。可是,天下没有不散的宴席,一旦离开炉膛,风和颗粒就要分手喽。为什么?


风从炉膛的底部加入炉膛,从炉膛的上部离开炉膛,风离开炉膛后被导向其它设备,也就是说风从炉膛一次流过。风在炉膛中停留的短短几秒钟内,就可以完成与颗粒之间的所谓气-固反应。比如,以燃烧为例,加入炉膛的风是空气,主要目的是为炉膛中燃料的燃烧提供氧气,在离开炉膛时,空气完成了对燃料的助燃作用,变成了烟气。与此同时,当风离开炉膛时还携带了大量的颗粒,一般每立方米的风会携带几公斤的颗粒,这些颗粒比较小,与风难舍难离。


如果不将风与颗粒分开,会出现三个问题:


1. 炉膛内的颗粒很快会被吹空,或者只剩下吹不动的粗颗粒,炉膛成了空床,只有舞台而没有演员,戏就没法演了;


2. 携带大量颗粒的风对后续设备来讲是灾难,就像大量的难民涌入,哪个国家都承受不了啊;


3. 这些被携带离开炉膛的颗粒还有好些没有完成反应呢,比如,以煤燃烧为例,被风携带离开炉膛的颗粒中还有好些炭没有燃烧完呢,这样离开,岂不是降低燃烧效率?这显然无法接受。


为了解决这三个问题,就要做气固分离,将被风携带离开炉膛的颗粒与风分离,再送回炉膛,继续反应,而与颗粒分离后的风则一身轻松奔向后续设备。


曾经难以解决的大难题:高温气固分离


气固怎么分离可是一个大问题。看到这里,化工专家可能要忍不住发笑了。什么?气固分离是个大问题?是的!虽然有些尴尬,但是作为诚实的历史唯物主义者,笔者在此必须勇敢承认,这不仅是个大问题,曾经还是个看似难以解决的大难题。


分离是化工工艺中最基本的单元反应,包括气气分离、液液分离、固固分离、气液分离、气固分离、液固分离、气液固分离等等。其中最简单的就是气固分离了。因为气体与固体的密度差别巨大,一般可以达到三个数量级的密度差。气固分离的最简单方法是自然沉降,这个过程我们每人每天都会遇到,这迫使有洁癖的人经常擦桌面,尤其在北方。


工业中最常用的气固分离设备是旋风分离器,两百多年前就被德国人注册了发明专利。直到现在,还有不少人在做旋风分离器的研究。几年前,日本大学八十多岁退休教授小川名经常给余申教授主编的《热科学》杂志投稿,乐此不疲地用偏微分方程解析颗粒与气体之间在旋风分离器中的各种博弈。我国已故院士时铭显也为旋风分离器研究了一辈子。



旋风分离器的基本结构和基本原理示意图(红色曲线示意旋风分离器内部的外侧旋流,蓝色曲线示意旋风分离器内部的内侧旋流)(图片来源:作者提供)


因此,德国人制造世界**台循环流化床工业炉(水泥煅烧炉)时,就是用旋风分离器使风与颗粒分离,看来也顺理成章了。但是在循环流化床锅炉上应用旋风分离器,传统锅炉行业没有任何经验,在结构、材料等方面都存在困难。


到了中国,这些问题就更严重了。上世纪八十年代,我国工业基础还比较薄弱。举个小例子:在八十年代末开发的国内首台35吨/时循环流化床锅炉上,旋风分离器与炉膛之间没有合理的连接结构,是硬碰硬直接焊接的。在做锅炉性能测试时,因受热膨胀不一致而拉裂,产生漏风,严重影响锅炉性能测试,当时在场的张亚夫老师(50多岁的女同志)情急之中脱下棉衣堵住裂口,直至性能测试结束。在那个年代,科研人员硬是靠拼搏精神顽强地推动技术进步!在此,笔者要再次向他们表达深深的敬意。


三十年来孜孜不倦地追求分离效率

居然有点做过头了


由旋风分离器造成的技术掣肘,逼着业内的大腕们思考出路。在国内外,陆续出现了一批替代旋风分离器的气固分离技术,这类被称为惯性分离的技术在业内迅速成为研究热点,比较知名的有:U型槽式、百叶窗式、S型平面流式、卧式旋流式、V型鳍片管式等等;同时,由于采用惯性分离器的循环流化床锅炉的整体结构简单合理、成本低廉,深受用户欢迎,有力地促进了循环流化床锅炉的普及。




几年之后,潮水逐渐退去。采用惯性分离的循环流化床锅炉暴露出可靠性低、性能不高的问题,而可靠性低对于锅炉是致命的。没有办法,业内不约而同地将目光回转,重新审视那个外形庞大笨拙的旋风分离器。


事物的发展常常是螺旋上升的,此时的基础工业技术水平已不可同日而语了。一大批先进材料和先进制造技术相继出现,比如:超大尺寸的耐高温三维膨胀节、复杂曲面的膜式壁壳体、耐高温抗磨损的耐火材料以及施工工艺等。同时,针对循环流化床的大型旋风分离器的性能计算理论日臻成熟。虽然被尊称为中国循环流化床锅炉之父的王达三研究员推崇美国权威Zenz的旋风分离器理论,可是德国教授Trefz和Muschelknautz提出的饱和夹带理论,更适合计算循环流化床的大型旋风分离器的外旋涡的性能。而循环流化床的大型旋风分离器的内旋涡的性能模型实际上是由日本鸟取大学的教授突破的。



材料、工艺、计算模型都已具备了,又恰逢中国电力大发展。新一代高性能的循环流化床锅炉研制成功后迅速在我国大面积推广,创造了一个科研促进产业发展的耀眼数据:全国采用工程热物理研究所技术许可生产的循环流化床锅炉超过了2000台,最高峰时占全国市场份额三分之二;也创造了整体技术包出口(印度)的先例。身处其间,笔者可以很自豪的宣称,为国奉献绵薄之力,此生无憾了!


借着这个劲头,再说一个有些不那么谦虚的事。我们一不小心,将旋风分离器的分离效率做得好过头了,以至于还要想办法刻意将分离效率调低一些,以求在燃烧效率和运行成本之间达到**平衡。


不过,如果你认为循环流化床锅炉的气固分离技术发展已经到此结束了,那说明你对科研的魅力还没有深刻的体验。实际上,关于循环流化床的气固分离,还有很多奥秘等待揭晓。这不,中国科学院工程热物理研究所近年开发的一种新工艺,要求循环流化床的旋风分离器只分离特定粒度的颗粒,而将另外的颗粒放行;还有一种新的工艺要求将循环流化床的旋风分离器的尺寸尽可能压缩,还要求不断减少旋风分离器的阻力。这些都是未知结果的挑战啊。