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)很簡單，由提升管或稱爐膛+氣固分離器+返料器構(gòu)成?；驹硪菜坪鹾芎唵危旑w粒所受的向上的氣體流動所產(chǎn)生的曳力與重力相等時，顆粒就會“懸浮”起來，堆積的顆粒都“懸浮”起來時就會呈現(xiàn)類似流體的特性。

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

  以下從流動、反應和展望三個方面來展開介紹。

  三十年前，我們從冷態(tài)流動試驗起步開始研究循環(huán)流化床。受限于條件，試驗臺就建在辦公室內(nèi)，還盡可能地采用了鋼化玻璃，使得流動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)氣泡和壓力波動信號方面花費時間；配合冷態(tài)試驗的主要分析方法是，分析流動過程的基本物理原理，對關(guān)鍵流動參數(shù)做量級分析，先忽略小因素量，關(guān)注主要因素。這些研究方法的優(yōu)點是物理概念清晰，大方向正確，但比較遺憾的是忽略了詳細的數(shù)量關(guān)系，也沒有留下多少公開的文獻。現(xiàn)在回頭看，在一個重大的科研方向上，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)流動研究，除了氣固流態(tài)化的復雜性，主要原因有兩方面：容量放大效應和負載新的反應。

  循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)進步主要體現(xiàn)在容量的逐級放大?，F(xiàn)在大家都清楚，容量放大的系數(shù)近似為2，這是呂清剛副所長首先明確提出的。如同集成電路的“摩爾定律”，這個容量倍增規(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，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。這個對比深刻地反映了一個現(xiàn)象，在容量放大技術(shù)方面，化工學的技術(shù)水平在熱工學之上！這可能與化工學有大量的容量放大機會有關(guān)。所以，我們要主動向化工學科學習。

  順便介紹一下，我們借助“科教融合”的機會，在中國科學院大學的熱能工程專業(yè)研究生課程中增加了“化工原理”和“物理化學”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，這個過程非常有趣。與此同時，受方方面面的限制，實際的放大遠非簡單的搭積木。在容量放大過程中，研究人員會不斷遇到新的氣固流動問題，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，尤其是大型裝置上的試驗以及在大型鍋爐上的試驗；另一方面，在王海剛研究員回國后，我們在循環(huán)流化床的模擬計算方面取得了很大的進步，與試驗比翼齊飛，使我們的研究如虎添翼。

  從反應過程看，一方面，循環(huán)流化床中氣-固強烈摻混，這是循環(huán)流化床的優(yōu)勢之一；另一方面，氣體和顆粒的流動情況相差巨大，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，氣相和固相的反應時間也相差很大。氣相的反應時間取決于流速和爐膛高度，為100秒級；而固相的反應時間則復雜的多，為100-103秒級。因此，對于不同的反應，要想清楚：在乎氣相？在乎固相？抑或同時在乎氣相和固相？以下用幾個實例說明這點。

  實例一：對于煤粒干燥，顯然在乎固相，固相所需的反應時間在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時間要求；同時，氣相的間為100秒級，通過調(diào)整流速也滿足了其要求。

  實例二：將含水率達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，將團聚狀含水率達80%的城市下水污泥干燥至滿足燃燒的合理水平需要耗時103秒級，而焚燒耗時100秒級。為了使干燥與焚燒在工藝耗時上同步，我們采用了鼓泡流化床強化干燥+循環(huán)流化床焚燒的新技術(shù)，實現(xiàn)了干燥與焚燒的同步。

  實例三：在燃燒過程中向爐膛分級供風的實質(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，分級供風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氣。分級供風使NOx的排放濃度低至200mg/m3，低于當時的國家排放限值，可是當新的排放標準發(fā)布后，這個技術(shù)落后了。我們曾經(jīng)設(shè)想將二次風的分級程度加大，但是試驗結(jié)果表明效果并不明顯。后來，我們將氣固反應從循環(huán)流化床內(nèi)延伸到循環(huán)流化床的下游，即在循環(huán)流化床后補充部分空氣，出乎意料地獲得了低NOx排放的效果。

  實例四：將循環(huán)流化床技術(shù)應用于煤氣化，以此主要技術(shù)為契機徹底改造了這個傳統(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。從煤氣化反應的焦炭失重曲線可知，反應所需時間長達103秒級，與氣相的停留時間相差103秒級。我們通過在整個煤氣化工藝中調(diào)整反應，利用燃燒反應快速的優(yōu)勢彌補了煤氣化反應慢速的劣勢，實現(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)流化床是一種強有力的氣固反應器，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器，用于各種氣固反應工藝，從這個角度看，循環(huán)流化床鍋爐不過是很小的應用而已，沿著這條技術(shù)創(chuàng)新之路前行，創(chuàng)新成果將難以限量。