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摘 要循环流化床锅炉作为高效、低污染的清洁燃烧技术，在煤的洁净利用方面扮演着重要角色。介绍循环流化床燃烧技术发展现状，在此基础上分析不同粒径的飞灰残碳的燃烧特性并重点研究飞灰残碳燃烧特性改善措施，为开发新的飞灰处理技术并应用于工业实践奠定理论基础和科学依据，对循环流化床锅炉的应用和发展有着积极的意义。
关键词循环流化床；飞灰；残碳；燃烧特性
中图分类号TQ文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)011-0187-01
1循环流化床燃烧技术发展现状
流化床燃烧技术起源于上世纪六十年代，它将化学工业的流态化技术应用于燃烧领域，成为具有竞争力的新一代高效清洁燃烧技术。
循环流化床的工作过程是:被加工成一定粒度的宽筛分煤和脱硫剂被送入炉膛，燃料在大量床料中呈流态化燃烧，飞出炉膛的细颗粒被气固分离器分离后回送入炉膛再次燃烧，烟气与尾部受热面换热，经除尘后排入大气。由于循环流化床内有大量的固体颗粒反复循环，床内气固混合强烈，具有较高的燃烧效率和脱硫效果，与其它燃烧方式相比，循环流化床具有以下优点:燃料适应性好、燃烧效率高、炉膛截面热负荷高、NOx排放低、脱硫效果好、负荷调节灵活。
循环流化床锅炉技术主要应用于联合发电或独立发电，正在向大型化、高参数方向发展。在目前能源储量减少、燃料价格上涨、环境污染严重的现实情况下，循环流化床更显出其独特的优势和巨大的发展潜力。因此进一步研究推广循环流化床锅炉技术，对解决我国当前能源短缺、环境污染严重等问题，将具有重要的现实意义。
有效降低CFB锅炉飞灰含碳量不仅可以提高锅炉燃烧效率，减少能源损失，而且锅炉飞灰可用作建筑材料，部分代替水泥或用于制造水泥。飞灰含碳量过高将限制其在水泥和建筑行业的应用。因此，研究飞灰中残碳的燃烧特性，探索强化燃烧条件对飞灰残碳燃烧特性的影响，对CFB锅炉高含碳飞灰处理和利用有十分重要的意义。
2不同粒径的飞灰残碳的燃烧特性
飞灰残碳燃烧是气体和固体之间发生的异相反应或非均相反应。但它最基本的过程是碳与氧化剂之间的氧化反应。氧化剂到达粒子表面主要是靠扩散来实现。碳分子和碳表面上吸附的氧发生反应，其反应产物可能是CO或CO2，或二者兼有之。
飞灰残碳燃烧速率主要受到碳与氧气之间的化学动力学和气体的扩散两方面的影响。气体扩散包括主流中氧气向碳颗粒外表面扩散，而残碳是多孔介质，具有大量内生孔隙，内部微孔产生的表面积要大大超过固体外表面。
飞灰残碳燃烧速率主要受到碳与氧气之间的化学动力学和气体的扩散两方面的影响。不同粒径的入炉煤组分是不一样的，其反应性是不相同的。再者，入炉煤被送入循环流化床锅炉后，迅速被加热、热解和挥发份燃烧以及焦炭的燃烧，其间还伴有焦炭的破碎、磨损等现象，不同粒径的飞灰在炉内经历的燃烧情况也是不一样的，必然导致不同粒径飞灰中的残碳的燃烧特性也是不同的。
0～63μm各粒径段的飞灰残碳着火温度无较大差别，都在500℃左右，>63μm各粒径段的飞灰残碳着火温度大致都在525℃左右，说明飞灰残碳粒径小于63μm的颗粒着火特性相差不大，大于63μm的颗粒着火特性也大致相同，大于63μm的颗粒较小于63μm颗粒难着火。可以得出，残碳着火温度与粒径的关系总的趋势是粒径越大，着火温度越高。
随着粒径越少，飞灰残碳的最大燃烧速率和平均燃烧速率越大，飞灰残碳的燃烧是发生在碳表面的气固两相反应。粒径越小，比表面积越大，活性越高，燃烧速率越大。
综上所述，粒径越大的飞灰残碳越难着火稳燃，飞灰残碳中的细颗粒燃烧特性比粗颗粒要好。
3飞灰残碳燃烧特性改善的研究
3.1富氧助燃
氧浓度高于20.9％的气体参与燃烧的技术，称为富氧助燃技术。富氧助燃是近代燃烧的最有效的强化燃烧技术之一，在燃烧特性方面具有以下优点：1）降低燃料的着火温度。2）加快燃烧速度，促进燃烧完全。3）减少燃烧后的排气量，提高了燃烧效率。
富氧助燃，会消耗大量的氧气，氧气的制备需要一定的费用和可用的设备，所以富氧助燃的经济性以及氧气的来源都是需要认真考虑。对于这种大规模的使用氧气，氧气的来源也是一个重要内容，目前，工业制造氧气的方法大致分为变压吸附法（PSA），深冷法，膜法富氧等。
3.2富氧对燃烧的影响
1）降低着火热。假设一次风所提供的氧量为一定值，则氧气浓度提高，必然降低一次风量的体积总量，从而降低着火热。2）加快反应速度、提高火焰温度针对一定的化学反应在温度一定时是一定的，化学反应速度仅与反应物的浓度相关。增加氧气浓度势必会加快反应速度。同时，反应速度提高后，反应放热速度增加，火焰温度也必然提高，对于稳燃非常有利。3）减少排烟量。这一点对整体富氧尤显突出，采用富氧空气，比起21%的空气，当所需的氧气量一定的时候，排烟量将有很大的降低。对于电站锅炉，q2为主要热损失，如用富氧燃烧，锅炉效率的提高是显而易见。4）降低过量空气系数。由于空气中含79%氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出。采用富氧燃烧后，氮气的浓度降低，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数。
3.3氧浓度对飞灰残碳燃烧特性的影响
随着氧浓度的增加，飞灰残碳燃烧着火温度呈先快后慢的下降趋势，但不同飞灰残碳敏感程度不一样，富氧可使残碳的着火提前。但过高氧浓度对飞灰残碳的着火温度下降趋势不明显。
由此可见，采取富氧燃烧降低了残碳的着火温度，加快燃烧反应速度，提高了残碳的燃烧反应性。但是随着氧浓度的继续增加，氧浓度对残碳的燃烧特性的影响越来越小，对残碳燃烧特性改善最佳的氧浓度为40％左右，结合膜法富氧在氧浓度40％范围具有良好的经济性，此法已经在很多锅炉上应用取得效果。
3.4加热速率对飞灰残碳燃烧特性的影响
飞灰的着火温度随着升温速率的增加而变大的趋势比较明显。原因是增加升温速率，环境温度增加速度较快，但由于飞灰残碳仍有外灰层，灰层内碳的温度虽然有所提高，但其提高的幅度远远跟不上环境气氛，因而增加加热速率会增加其着火温度。在升温速率升高的情况下，着火温度虽然升高，但是达到着火温度的时间却大大缩短的，这同样对着火是有利的。可以预测，当升温速率升高到足够大，如在锅炉实际炉膛中，飞灰残碳一旦被投入炉膛，会被迅速加热到较高的着火温度，然后迅速着火至燃烧完全。
可见，适当的提高对残碳的加热速率，可以改善残碳的燃烧特性，强化残碳的燃烧。
4结论
我国绝大多数循环流化床锅炉燃用低反应活性的贫煤、无烟煤以及矸石等劣质燃料，这些锅炉的飞灰含碳量比期望值要高出许多。因此，研究循环流化床不同粒径的飞灰残碳的燃烧特性将对节能降耗和提升CFB锅炉的市场竞争力有很重要的意义。
本文对该行业内的研究具有一定的指导意义，但由于国内外对飞灰残碳还没有进行系统研究，作者没有很多经验可以借鉴，加之作者水平有限，时间仓促，本文的工作还有不少有待完善之处。希望广大同行能对这方面进行更加深入的研究，为我国的能源事业做出更大的贡献。
参考文献
[1]吕俊复,张守玉等.循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题[J].动力工程,2004,24(2):170-175.
[2]姜秀民,李巨斌,邱健荣.超细化煤粉燃烧特性的研究[J].中国电机工程学报,2000,20(6):71-78.
关键词循环流化床；飞灰；残碳；燃烧特性
中图分类号TQ文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)011-0187-01
1循环流化床燃烧技术发展现状
流化床燃烧技术起源于上世纪六十年代，它将化学工业的流态化技术应用于燃烧领域，成为具有竞争力的新一代高效清洁燃烧技术。
循环流化床的工作过程是:被加工成一定粒度的宽筛分煤和脱硫剂被送入炉膛，燃料在大量床料中呈流态化燃烧，飞出炉膛的细颗粒被气固分离器分离后回送入炉膛再次燃烧，烟气与尾部受热面换热，经除尘后排入大气。由于循环流化床内有大量的固体颗粒反复循环，床内气固混合强烈，具有较高的燃烧效率和脱硫效果，与其它燃烧方式相比，循环流化床具有以下优点:燃料适应性好、燃烧效率高、炉膛截面热负荷高、NOx排放低、脱硫效果好、负荷调节灵活。
循环流化床锅炉技术主要应用于联合发电或独立发电，正在向大型化、高参数方向发展。在目前能源储量减少、燃料价格上涨、环境污染严重的现实情况下，循环流化床更显出其独特的优势和巨大的发展潜力。因此进一步研究推广循环流化床锅炉技术，对解决我国当前能源短缺、环境污染严重等问题，将具有重要的现实意义。
有效降低CFB锅炉飞灰含碳量不仅可以提高锅炉燃烧效率，减少能源损失，而且锅炉飞灰可用作建筑材料，部分代替水泥或用于制造水泥。飞灰含碳量过高将限制其在水泥和建筑行业的应用。因此，研究飞灰中残碳的燃烧特性，探索强化燃烧条件对飞灰残碳燃烧特性的影响，对CFB锅炉高含碳飞灰处理和利用有十分重要的意义。
2不同粒径的飞灰残碳的燃烧特性
飞灰残碳燃烧是气体和固体之间发生的异相反应或非均相反应。但它最基本的过程是碳与氧化剂之间的氧化反应。氧化剂到达粒子表面主要是靠扩散来实现。碳分子和碳表面上吸附的氧发生反应，其反应产物可能是CO或CO2，或二者兼有之。
飞灰残碳燃烧速率主要受到碳与氧气之间的化学动力学和气体的扩散两方面的影响。气体扩散包括主流中氧气向碳颗粒外表面扩散，而残碳是多孔介质，具有大量内生孔隙，内部微孔产生的表面积要大大超过固体外表面。
飞灰残碳燃烧速率主要受到碳与氧气之间的化学动力学和气体的扩散两方面的影响。不同粒径的入炉煤组分是不一样的，其反应性是不相同的。再者，入炉煤被送入循环流化床锅炉后，迅速被加热、热解和挥发份燃烧以及焦炭的燃烧，其间还伴有焦炭的破碎、磨损等现象，不同粒径的飞灰在炉内经历的燃烧情况也是不一样的，必然导致不同粒径飞灰中的残碳的燃烧特性也是不同的。
0～63μm各粒径段的飞灰残碳着火温度无较大差别，都在500℃左右，>63μm各粒径段的飞灰残碳着火温度大致都在525℃左右，说明飞灰残碳粒径小于63μm的颗粒着火特性相差不大，大于63μm的颗粒着火特性也大致相同，大于63μm的颗粒较小于63μm颗粒难着火。可以得出，残碳着火温度与粒径的关系总的趋势是粒径越大，着火温度越高。
随着粒径越少，飞灰残碳的最大燃烧速率和平均燃烧速率越大，飞灰残碳的燃烧是发生在碳表面的气固两相反应。粒径越小，比表面积越大，活性越高，燃烧速率越大。
综上所述，粒径越大的飞灰残碳越难着火稳燃，飞灰残碳中的细颗粒燃烧特性比粗颗粒要好。
3飞灰残碳燃烧特性改善的研究
3.1富氧助燃
氧浓度高于20.9％的气体参与燃烧的技术，称为富氧助燃技术。富氧助燃是近代燃烧的最有效的强化燃烧技术之一，在燃烧特性方面具有以下优点：1）降低燃料的着火温度。2）加快燃烧速度，促进燃烧完全。3）减少燃烧后的排气量，提高了燃烧效率。
富氧助燃，会消耗大量的氧气，氧气的制备需要一定的费用和可用的设备，所以富氧助燃的经济性以及氧气的来源都是需要认真考虑。对于这种大规模的使用氧气，氧气的来源也是一个重要内容，目前，工业制造氧气的方法大致分为变压吸附法（PSA），深冷法，膜法富氧等。
3.2富氧对燃烧的影响
1）降低着火热。假设一次风所提供的氧量为一定值，则氧气浓度提高，必然降低一次风量的体积总量，从而降低着火热。2）加快反应速度、提高火焰温度针对一定的化学反应在温度一定时是一定的，化学反应速度仅与反应物的浓度相关。增加氧气浓度势必会加快反应速度。同时，反应速度提高后，反应放热速度增加，火焰温度也必然提高，对于稳燃非常有利。3）减少排烟量。这一点对整体富氧尤显突出，采用富氧空气，比起21%的空气，当所需的氧气量一定的时候，排烟量将有很大的降低。对于电站锅炉，q2为主要热损失，如用富氧燃烧，锅炉效率的提高是显而易见。4）降低过量空气系数。由于空气中含79%氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出。采用富氧燃烧后，氮气的浓度降低，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数。
3.3氧浓度对飞灰残碳燃烧特性的影响
随着氧浓度的增加，飞灰残碳燃烧着火温度呈先快后慢的下降趋势，但不同飞灰残碳敏感程度不一样，富氧可使残碳的着火提前。但过高氧浓度对飞灰残碳的着火温度下降趋势不明显。
由此可见，采取富氧燃烧降低了残碳的着火温度，加快燃烧反应速度，提高了残碳的燃烧反应性。但是随着氧浓度的继续增加，氧浓度对残碳的燃烧特性的影响越来越小，对残碳燃烧特性改善最佳的氧浓度为40％左右，结合膜法富氧在氧浓度40％范围具有良好的经济性，此法已经在很多锅炉上应用取得效果。
3.4加热速率对飞灰残碳燃烧特性的影响
飞灰的着火温度随着升温速率的增加而变大的趋势比较明显。原因是增加升温速率，环境温度增加速度较快，但由于飞灰残碳仍有外灰层，灰层内碳的温度虽然有所提高，但其提高的幅度远远跟不上环境气氛，因而增加加热速率会增加其着火温度。在升温速率升高的情况下，着火温度虽然升高，但是达到着火温度的时间却大大缩短的，这同样对着火是有利的。可以预测，当升温速率升高到足够大，如在锅炉实际炉膛中，飞灰残碳一旦被投入炉膛，会被迅速加热到较高的着火温度，然后迅速着火至燃烧完全。
可见，适当的提高对残碳的加热速率，可以改善残碳的燃烧特性，强化残碳的燃烧。
4结论
我国绝大多数循环流化床锅炉燃用低反应活性的贫煤、无烟煤以及矸石等劣质燃料，这些锅炉的飞灰含碳量比期望值要高出许多。因此，研究循环流化床不同粒径的飞灰残碳的燃烧特性将对节能降耗和提升CFB锅炉的市场竞争力有很重要的意义。
本文对该行业内的研究具有一定的指导意义，但由于国内外对飞灰残碳还没有进行系统研究，作者没有很多经验可以借鉴，加之作者水平有限，时间仓促，本文的工作还有不少有待完善之处。希望广大同行能对这方面进行更加深入的研究，为我国的能源事业做出更大的贡献。
参考文献
[1]吕俊复,张守玉等.循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题[J].动力工程,2004,24(2):170-175.
[2]姜秀民,李巨斌,邱健荣.超细化煤粉燃烧特性的研究[J].中国电机工程学报,2000,20(6):71-78.