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燒鍋爐也是技術(shù)活?


作者:那永潔(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)

本文來(lái)自科普博覽大家族科學(xué)大院(ID:kexuedayuan

隨著(zhù)第25屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì )的召開(kāi),“節能減排”又上了熱搜榜。雖然我國的煤炭消耗量已不再增長(cháng)了,不過(guò)作為一個(gè)多煤少油缺氣的國家,煤炭依然是我國能源的主角,那么如何清潔高效地燒煤?

循環(huán)流化床鍋爐是近三十幾年來(lái)迅速發(fā)展的一項高效低污染清潔燃燒技術(shù)(關(guān)于它的歷史請戳:循環(huán)流化床鍋爐的前世今生)。我國在上世紀八十年代中期開(kāi)始開(kāi)發(fā)這種鍋爐,經(jīng)過(guò)三十多年的奮斗,如今已經(jīng)成了該領(lǐng)域的技術(shù)和裝備制造的強國。今天筆者就來(lái)講講研發(fā)中的一些小故事。

啥是循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵就是“流態(tài)化”和“循環(huán)” 。這種鍋爐把固體顆粒(就是燃燒的物料)用空氣等流體介質(zhì)懸浮起來(lái),然后經(jīng)過(guò)上升-集聚-變重-下降-吹散-變輕-上升的不斷循環(huán),形成溫度均勻的“床”;新加進(jìn)來(lái)的物料能被高溫物質(zhì)包圍,迅速加熱到燃燒溫度,沒(méi)有燒完的物料會(huì )通過(guò)分離器和返料器,再回到“床”上重新燃燒,直至燃盡。

在循環(huán)流化床鍋爐里,從超低揮發(fā)分的無(wú)煙煤到超高揮發(fā)分的褐煤乃至灰分含量高達70%的劣質(zhì)高灰煤均可充分燃燒,而且脫硫效果好、氮氧化物排放量低。

循環(huán)流化床鍋爐的奧秘很多,今天筆者要說(shuō)的是其中的一個(gè)關(guān)鍵設備:高溫氣固分離器。

循環(huán)流化床鍋爐以及旋風(fēng)分離器(右側藍色是爐膛的外覆板,中間銀色的就是高溫旋風(fēng)分離器,左側藍色是尾部煙道的外覆板。與800毫米高的欄桿對比就可以看出高溫旋風(fēng)分離器的基本尺寸了)

為什么風(fēng)和顆粒幾秒鐘就要分手?

顆粒在爐膛中被風(fēng)吹得上下翻騰,熱鬧無(wú)比,迅速高效地進(jìn)行風(fēng)與顆粒、顆粒與顆粒之間的各種摻混,同時(shí)進(jìn)行風(fēng)與顆粒之間的各種反應,比如加熱、干燥、熱解、裂解、分解、化合、氣化、燃燒等??墒?,天下沒(méi)有不散的宴席,一旦離開(kāi)爐膛,風(fēng)和顆粒就要分手嘍。為什么?

風(fēng)從爐膛的底部加入爐膛,從爐膛的上部離開(kāi)爐膛,風(fēng)離開(kāi)爐膛后被導向其它設備,也就是說(shuō)風(fēng)從爐膛一次流過(guò)。風(fēng)在爐膛中停留的短短幾秒鐘內,就可以完成與顆粒之間的所謂氣-固反應。比如,以燃燒為例,加入爐膛的風(fēng)是空氣,主要目的是為爐膛中燃料的燃燒提供氧氣,在離開(kāi)爐膛時(shí),空氣完成了對燃料的助燃作用,變成了煙氣。與此同時(shí),當風(fēng)離開(kāi)爐膛時(shí)還攜帶了大量的顆粒,一般每立方米的風(fēng)會(huì )攜帶幾公斤的顆粒,這些顆粒比較小,與風(fēng)難舍難離。

如果不將風(fēng)與顆粒分開(kāi),會(huì )出現三個(gè)問(wèn)題:

1. 爐膛內的顆粒很快會(huì )被吹空,或者只剩下吹不動(dòng)的粗顆粒,爐膛成了空床,只有舞臺而沒(méi)有演員,戲就沒(méi)法演了;

2. 攜帶大量顆粒的風(fēng)對后續設備來(lái)講是災難,就像大量的難民涌入,哪個(gè)國家都承受不了??;

3. 這些被攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒還有好些沒(méi)有完成反應呢,比如,以煤燃燒為例,被風(fēng)攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒中還有好些炭沒(méi)有燃燒完呢,這樣離開(kāi),豈不是降低燃燒效率?這顯然無(wú)法接受。

為了解決這三個(gè)問(wèn)題,就要做氣固分離,將被風(fēng)攜帶離開(kāi)爐膛的顆粒與風(fēng)分離,再送回爐膛,繼續反應,而與顆粒分離后的風(fēng)則一身輕松奔向后續設備。

曾經(jīng)難以解決的大難題:高溫氣固分離

氣固怎么分離可是一個(gè)大問(wèn)題??吹竭@里,化工專(zhuān)家可能要忍不住發(fā)笑了。什么?氣固分離是個(gè)大問(wèn)題?是的!雖然有些尷尬,但是作為誠實(shí)的歷史唯物主義者,筆者在此必須勇敢承認,這不僅是個(gè)大問(wèn)題,曾經(jīng)還是個(gè)看似難以解決的大難題。

分離是化工工藝中最基本的單元反應,包括氣氣分離、液液分離、固固分離、氣液分離、氣固分離、液固分離、氣液固分離等等。其中最簡(jiǎn)單的就是氣固分離了。因為氣體與固體的密度差別巨大,一般可以達到三個(gè)數量級的密度差。氣固分離的最簡(jiǎn)單方法是自然沉降,這個(gè)過(guò)程我們每人每天都會(huì )遇到,這迫使有潔癖的人經(jīng)常擦桌面,尤其在北方。

工業(yè)中最常用的氣固分離設備是旋風(fēng)分離器,兩百多年前就被德國人注冊了發(fā)明專(zhuān)利。直到現在,還有不少人在做旋風(fēng)分離器的研究。幾年前,日本大學(xué)八十多歲退休教授小川名經(jīng)常給余申教授主編的《熱科學(xué)》雜志投稿,樂(lè )此不疲地用偏微分方程解析顆粒與氣體之間在旋風(fēng)分離器中的各種博弈。我國已故院士時(shí)銘顯也為旋風(fēng)分離器研究了一輩子。

(圖片來(lái)源:作者提供)

旋風(fēng)分離器的基本結構和基本原理示意圖(紅色曲線(xiàn)示意旋風(fēng)分離器內部的外側旋流,藍色曲線(xiàn)示意旋風(fēng)分離器內部的內側旋流)

因此,德國人制造世界第一臺循環(huán)流化床工業(yè)爐(水泥煅燒爐)時(shí),就是用旋風(fēng)分離器使風(fēng)與顆粒分離,看來(lái)也順理成章了。但是在循環(huán)流化床鍋爐上應用旋風(fēng)分離器,傳統鍋爐行業(yè)沒(méi)有任何經(jīng)驗,在結構、材料等方面都存在困難。

到了中國,這些問(wèn)題就更嚴重了。上世紀八十年代,我國工業(yè)基礎還比較薄弱。舉個(gè)小例子:在八十年代末開(kāi)發(fā)的國內首臺35噸/時(shí)循環(huán)流化床鍋爐上,旋風(fēng)分離器與爐膛之間沒(méi)有合理的連接結構,是硬碰硬直接焊接的。在做鍋爐性能測試時(shí),因受熱膨脹不一致而拉裂,產(chǎn)生漏風(fēng),嚴重影響鍋爐性能測試,當時(shí)在場(chǎng)的張亞夫老師(50多歲的女同志)情急之中脫下棉衣堵住裂口,直至性能測試結束。在那個(gè)年代,科研人員硬是靠拼搏精神頑強地推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步!在此,筆者要再次向他們表達深深的敬意。

三十年來(lái)孜孜不倦地追求分離效率,居然有點(diǎn)做過(guò)頭了

由旋風(fēng)分離器造成的技術(shù)掣肘,逼著(zhù)業(yè)內的大腕們思考出路。在國內外,陸續出現了一批替代旋風(fēng)分離器的氣固分離技術(shù),這類(lèi)被稱(chēng)為慣性分離的技術(shù)在業(yè)內迅速成為研究熱點(diǎn),比較知名的有:U型槽式、百葉窗式、S型平面流式、臥式旋流式、V型鰭片管式等等;同時(shí),由于采用慣性分離器的循環(huán)流化床鍋爐的整體結構簡(jiǎn)單合理、成本低廉,深受用戶(hù)歡迎,有力地促進(jìn)了循環(huán)流化床鍋爐的普及。

百葉窗式高溫分離器(圖片來(lái)源:循環(huán)流化床實(shí)驗室)

幾年之后,潮水逐漸退去。采用慣性分離的循環(huán)流化床鍋爐暴露出可靠性低、性能不高的問(wèn)題,而可靠性低對于鍋爐是致命的。沒(méi)有辦法,業(yè)內不約而同地將目光回轉,重新審視那個(gè)外形龐大笨拙的旋風(fēng)分離器。

事物的發(fā)展常常是螺旋上升的,此時(shí)的基礎工業(yè)技術(shù)水平已不可同日而語(yǔ)了。一大批先進(jìn)材料和先進(jìn)制造技術(shù)相繼出現,比如:超大尺寸的耐高溫三維膨脹節、復雜曲面的膜式壁殼體、耐高溫抗磨損的耐火材料以及施工工藝等。同時(shí),針對循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的性能計算理論日臻成熟。雖然被尊稱(chēng)為中國循環(huán)流化床鍋爐之父的王達三研究員推崇美國權威Zenz的旋風(fēng)分離器理論,可是德國教授Trefz和Muschelknautz提出的飽和夾帶理論,更適合計算循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的外旋渦的性能。而循環(huán)流化床的大型旋風(fēng)分離器的內旋渦的性能模型實(shí)際上是由日本鳥(niǎo)取大學(xué)的教授突破的。

正在車(chē)間制造的大型膜式壁旋風(fēng)分離器(圖片來(lái)源:作者提供)


中國循環(huán)流化床鍋爐之父-王達三研究員(圖片來(lái)源:工程熱物理研究所檔案室提供)

材料、工藝、計算模型都已具備了,又恰逢中國電力大發(fā)展。新一代高性能的循環(huán)流化床鍋爐研制成功后迅速在我國大面積推廣,創(chuàng )造了一個(gè)科研促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的耀眼數據:全國采用工程熱物理研究所技術(shù)許可生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐超過(guò)了2000臺,最高峰時(shí)占全國市場(chǎng)份額三分之二;也創(chuàng )造了整體技術(shù)包出口(印度)的先例。身處其間,筆者可以很自豪的宣稱(chēng),為國奉獻綿薄之力,此生無(wú)憾了!

借著(zhù)這個(gè)勁頭,再說(shuō)一個(gè)有些不那么謙虛的事。我們一不小心,將旋風(fēng)分離器的分離效率做得好過(guò)頭了,以至于還要想辦法刻意將分離效率調低一些,以求在燃燒效率和運行成本之間達到最優(yōu)平衡。

不過(guò),如果你認為循環(huán)流化床鍋爐的氣固分離技術(shù)發(fā)展已經(jīng)到此結束了,那說(shuō)明你對科研的魅力還沒(méi)有深刻的體驗。實(shí)際上,關(guān)于循環(huán)流化床的氣固分離,還有很多奧秘等待揭曉。這不,中國科學(xué)院工程熱物理研究所近年開(kāi)發(fā)的一種新工藝,要求循環(huán)流化床的旋風(fēng)分離器只分離特定粒度的顆粒,而將另外的顆粒放行;還有一種新的工藝要求將循環(huán)流化床的旋風(fēng)分離器的尺寸盡可能壓縮,還要求不斷減少旋風(fēng)分離器的阻力。這些都是未知結果的挑戰啊。

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