循環流化床技術的研發

  循環流化床的基本結構很簡單，由提升管或稱爐膛+氣固分離器+返料器構成。基本原理也似乎很簡單，當顆粒所受的向上的氣體流動所產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”起來時就會呈現類似流體的特性。

  經過三十來年的研究，我們對循環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，莫名其妙亂發脾氣，百般呵護仍然不得要領；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；它的結構尺度是100米級，顆粒尺度是10-3米級，都可以依靠人的日常經驗而直接感知，用不著天文望遠鏡和電子顯微鏡。可是，每當我們覺得一切規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，我們從冷態流動試驗起步開始研究循環流化床。受限于條件，試驗臺就建在辦公室內，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，沒有在密相區氣泡和壓力波動信號方面花費時間；配合冷態試驗的主要分析方法是，分析流動過程的基本物理原理，對關鍵流動參數做量級分析，先忽略小因素量，關注主要因素。這些研究方法的優點是物理概念清晰，大方向正確，但比較遺憾的是忽略了詳細的數量關系，也沒有留下多少公開的文獻。現在回頭看，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！

  之所以研究所循環流化床方向現在還要繼續做冷態流動研究，除了氣固流態化的復雜性，主要原因有兩方面：容量放大效應和負載新的反應。

  循環流化床鍋爐的技術進步主要體現在容量的逐級放大。現在大家都清楚，容量放大的系數近似為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”，這個容量倍增規律為循環流化床鍋爐技術指明了發展方向和技術路徑，該規律是由電力工業的發展規律決定的，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象，在容量放大技術方面，化工學的技術水平在熱工學之上！這可能與化工學有大量的容量放大機會有關。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課。容量放大的主要方面之一是結構尺寸的放大，結構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，循環流化床中氣-固強烈摻混，這是循環流化床的優勢之一；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+循環流化床焚燒的新技術，實現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，即揮發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布后，這個技術落后了。我們曾經設想將二次風的分級程度加大，但是試驗結果表明效果并不明顯。后來，我們將氣固反應從循環流化床內延伸到循環流化床的下游，即在循環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：將循環流化床技術應用于煤氣化，以此主要技術為契機徹底改造了這個傳統的工藝，使傳統的常壓煤氣化工藝在環保、高效、現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整反應，利用燃燒反應快速的優勢彌補了煤氣化反應慢速的劣勢，實現了整體工藝的優化組合。

  通過以上敘述可以看出，循環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，循環流化床鍋爐不過是很小的應用而已，沿著這條技術創新之路前行，創新成果將難以限量。