低階煤(如褐煤等)約占全球煤炭儲(chǔ)量的50%，而且約一半的低階煤都屬于經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量。低階煤主要分布在美國和俄羅斯，亞洲也有豐富的儲(chǔ)量。中國已探明的低階煤儲(chǔ)量高達(dá)500 多億噸。印度、巴基斯坦和泰國也有大量的低階煤。這些煤之所以被稱作低階煤是因?yàn)樗鼈兯指?、熱值低。因此，若想利用它們進(jìn)行發(fā)電或用在其他工業(yè)中，往往需要特定的處理工藝。此外，由于低階煤含硫量較高，還需要采用脫硫技術(shù)進(jìn)行脫硫。

　　與其他低價(jià)值的燃料類似，低階煤的熱值較低，長距離運(yùn)輸時(shí)不具有經(jīng)濟(jì)性。因此，褐煤發(fā)電廠往往依礦而建。發(fā)電廠和煤礦共同形成單獨(dú)的經(jīng)濟(jì)實(shí)體，由傳送帶等直接將褐煤運(yùn)輸?shù)礁浇陌l(fā)電廠。

　　近年來，隨著生物質(zhì)和廢棄物混燒越來越普遍，燃煤電廠的角色與以往有了很大不同。如今，電廠更加注重以高效環(huán)保的方式利用低階煤和其他燃，因此面臨著許多技術(shù)性挑戰(zhàn)。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)(CFBC)是實(shí)現(xiàn)低階煤和其他燃料清潔高效利用的重要途徑。亞洲約有130個(gè)電廠應(yīng)用此技術(shù)，還有更多循環(huán)流化床電廠處于建設(shè)階段。

　　循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代末開始出現(xiàn)的潔凈煤燃燒技術(shù)。直到1985年該技術(shù)才開始用于發(fā)電(圖1為循環(huán)流化床原則流程)。循環(huán)流化床的基本概念是，只要?dú)怏w流速足夠高，氣流就可以從鍋爐中帶走固體顆粒。氣流通過固體分離器(通常為高溫旋風(fēng)分離器)，將分離出來的床料和灰送到爐膛的最底端，從而防止未燃燃料離開鍋爐，這就形成了一個(gè)循環(huán)回路。燃料顆粒會(huì)在該回路中循環(huán)10～50 次，直到實(shí)現(xiàn)完全燃燒。此外，延長燃燒時(shí)間會(huì)使溫度(800～900℃)低于燃燒煤粉的溫度(1400～1600℃)，而后者的效率更低。

　　循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的發(fā)展已有數(shù)十年，目前的電廠效率更高，規(guī)模更。國際上首臺(tái)超臨界循環(huán)流化床鍋爐安裝在波蘭的瓦基莎(Lagisza)電廠，裝機(jī)容量為460MW，2009 年開始運(yùn)營。日前，裝機(jī)容量達(dá)到600MW的中國四川白馬超臨界循環(huán)流化床示范電站開始運(yùn)營。此外，韓國三陟(Samcheok)電廠的4×550MW 超臨界機(jī)組不久也將開始運(yùn)營，屆時(shí)將是世界上最大的循環(huán)流化床發(fā)電站。發(fā)電機(jī)組的容量逐漸增大，現(xiàn)在600～800MW 的超臨界循環(huán)流化床機(jī)組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，更大型的機(jī)組目前還在建設(shè)中。

　　低階燃料或其混合物特別適合應(yīng)用于循環(huán)流化床電廠。大量的惰性床料極有可能改變?nèi)剂系男再|(zhì)，或者不需中斷燃燒過程就可以更換燃料?；芈分械墓腆w材料能夠改善熱傳遞，而且有助于燃燒高能量燃料，同時(shí)保持850～ 900℃的燃燒溫度。此燃燒溫度相對(duì)較低，而灰熔點(diǎn)和軟化點(diǎn)一般較高，因此能夠減少受熱面的污垢和結(jié)渣。此外，生成氮氧化物的溫度相對(duì)較低，固體循環(huán)為燃料和石灰石顆粒提供了較長的停留時(shí)間，這不僅會(huì)提高SO2的捕集率，而且能夠降低石灰石消耗，因此在低溫條件下控制排放也相對(duì)容易些。例如，在瓦基莎電廠的超臨界循環(huán)流化床機(jī)組中，當(dāng)Ca:S值為2時(shí)，硫的去除率可達(dá)95%;當(dāng)Ca:S 值為3 時(shí)，硫的去除率高達(dá)99.8%。除此之外，循環(huán)流化床電廠的運(yùn)行彈性較高，即使運(yùn)行負(fù)荷只有總負(fù)荷的30%，也能保持較高的效率。

　　燃料市場日益自由化，煤炭質(zhì)量因產(chǎn)地不同而波動(dòng)較大。某些地區(qū)使用生物質(zhì)和廢棄物混合燃燒的趨勢愈發(fā)明顯，這都使循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)電顯得更具優(yōu)勢。例如，當(dāng)進(jìn)口高階煤的價(jià)格猛漲時(shí)，電廠就可轉(zhuǎn)向利用低階煤和本地采購的煤炭，并且還能保持循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如此一來，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)就可以靈活應(yīng)對(duì)燃料供應(yīng)的變動(dòng)。

　　案例分析：印度蘇拉特高硫褐煤循環(huán)流化床電廠

　　預(yù)計(jì)未來幾十年，印度對(duì)燃煤發(fā)電的需求將大幅上升。為了滿足龐大的電力需求，印度必須利用高硫褐煤等低階煤。因此，印度也很有可能像亞洲其他發(fā)展中國家一樣建立更多的循環(huán)流化床電廠。

　　燃燒低階煤也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但印度國有電力設(shè)備制造商巴拉特重型電力有限公司(BharatHeavy Electricals Limited，BHEL)成功克服了這些挑戰(zhàn)。該公司在蘇拉特電廠運(yùn)行了2×125MWe的循環(huán)流化床機(jī)組，專門利用高硫褐煤來發(fā)電。表1為機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　電廠設(shè)計(jì)

　　在循環(huán)流化床機(jī)組中，由兩個(gè)變速拖鏈條輸送機(jī)從煤倉中提取預(yù)粉碎褐煤，通過旋轉(zhuǎn)閥和滑動(dòng)閘門進(jìn)料，在緊急情況下可以利用它們隔離燃燒器的燃料供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有兩個(gè)平行的進(jìn)料通道，為了保證最佳燃料量，這兩個(gè)通道同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。粗灰或沙子等物質(zhì)會(huì)經(jīng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥，在重力作用下直接送到爐膛中。根據(jù)煙氣中的SO2含量，通過變速旋轉(zhuǎn)閥，把料倉中預(yù)先處理好的石灰石在重力作用下自動(dòng)給料。

　　在這兩個(gè)機(jī)組中，煤灰必須處理好。巴拉特重型電力有限公司的循環(huán)流化床系統(tǒng)設(shè)置了四個(gè)不同的位置來移除煤灰：從燃燒器的底部排出粗灰，從爐膛底部的熱交換器排出粗灰，從對(duì)流通道和空氣加熱器下方的漏斗中除去飛，并利用靜電除塵器收集排出的飛灰。為了在爐膛內(nèi)維持適當(dāng)數(shù)量的存料，需要不斷地從爐膛和燃燒器底部的熱交換器中冷卻排灰來抽取床渣。

　　運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

　　該公司的循環(huán)流化床總體上運(yùn)營良好，但系統(tǒng)中固體材料的處理和沉積方面仍有一些問題。例如，當(dāng)電廠運(yùn)行負(fù)荷低至20MW時(shí)，煤灰會(huì)滯留在旋風(fēng)分離器中，導(dǎo)致過三次停車;當(dāng)電廠運(yùn)行負(fù)荷約為70MW時(shí)，旋風(fēng)分離器的豎管可能會(huì)堵塞，因此發(fā)生過一次停車。調(diào)查顯示，很可能是煅燒石灰石還沒有與SO2 反應(yīng)，就發(fā)生了碳酸化作用，導(dǎo)致了這些事故。

　　因此，石灰石粒度應(yīng)更細(xì)。而且由于設(shè)備故障，SO2測量器不能順利控制石灰石的容積式給料器，導(dǎo)致在低負(fù)載期間吞吐量較高。此外，氣體溫度是避免形成粘性沉積物的關(guān)鍵因素，空氣脈沖的時(shí)間會(huì)因此被大大縮短。

　　為了防止旋風(fēng)分離器的豎管堵塞而再次發(fā)生停車，需采取以下四個(gè)補(bǔ)救措施：

　　(1)必須持續(xù)地抽取石灰石樣本來檢驗(yàn)進(jìn)料粒度。

　　(2)減小石灰石進(jìn)料漏斗的尺寸。

　　(3)修改操作步驟，在開始補(bǔ)充石灰石之前，爐膛內(nèi)保持較高的溫度。

　　(4)在旋風(fēng)分離器和豎管的連接處，接入自動(dòng)空氣脈沖來分散顆粒并避免結(jié)塊。

　　通過采取這些措施，有關(guān)石灰石結(jié)塊的問題被成功解決。

　　另一個(gè)嚴(yán)重的問題是，在鍋爐傳熱管的煙道氣旁邊，迅速堆積大量沉積物。在低溫過熱器管組附近，沉積物堆積情況最嚴(yán)重。在運(yùn)行初始階段，再熱器管組的最后一段同樣會(huì)有煤灰沉積。這些沉積物會(huì)提高氣流側(cè)的壓降，反過來導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致鍋爐跳閘。

　　為解決旋風(fēng)分離器堵塞的問題，通常會(huì)提高石灰石的供給速度以達(dá)到SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)，這樣又會(huì)導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的沉積問題。因此可以預(yù)測，正是最初旋風(fēng)分離器內(nèi)的粘性沉積物加速了管道內(nèi)更大面積的沉積。通過取樣，找出了沉積問題的根本原因。由于沉積物硫酸化速度較慢，游離石灰的再碳酸化(如CaO到CaCO3)是形成污垢的主要原因。通過改進(jìn)吹灰機(jī)制，增加吹灰頻率，積垢問題最終得到解決。

　　為了使疏松的灰燼落到漏斗上，工作人員安裝了流態(tài)化裝置。此外，還安裝了高壓吹灰器。在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，成功實(shí)現(xiàn)了固硫98%(設(shè)計(jì)值為97%)以上。

　　盡管巴拉特重型電力有限公司的超臨界循環(huán)流化床電廠遇到了一些挑戰(zhàn)，但經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)評(píng)估和操作調(diào)整之后，兩個(gè)機(jī)組都能夠?qū)崿F(xiàn)順利運(yùn)營，并且排放較少。印度和其他亞洲國家的循環(huán)流化床電廠會(huì)越來越多，人們可以學(xué)習(xí)最佳操作經(jīng)驗(yàn)，并繼續(xù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)高效低排的途徑。

　　結(jié)論

　　低階煤是亞洲十分重要的能源資源，為了更好地對(duì)其進(jìn)行利用，需要應(yīng)用一些工藝。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)能夠有效地處理各種煤炭以及混合燃料。因此該技術(shù)會(huì)對(duì)亞洲未來化石能源的利用產(chǎn)生重要影響。盡管仍會(huì)面臨一些問題，但經(jīng)驗(yàn)證明，大部分問題是可以解決的。此外，相較循環(huán)流化床燃燒技術(shù)所帶來的優(yōu)勢，這些問題微乎其微。