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【摘 要】 我国的能源结构决定了我国能源消费将长期以煤为主，在能源供需矛盾日益严峻的今天，工业锅炉节能工作势在必行。本文针对煤粉锅炉和流化床锅炉各自的优点，提出煤粉-流化床复合燃烧的方式，从工业锅炉燃烧的角度，实现工业锅炉节能减排。
【关键词】 工业锅炉 煤粉-流化床 复合燃烧
1、绪论
我国的能源资源特点是“富煤、缺油、少气”。为此，在我国能源消费结构中，煤炭的消费占有很大的比例，在20世纪50、60年代，煤炭能源产量曾一度占到80%~95%的比例，即使到了80年代，煤炭能源所占比例也依然高达70%。今年来，随着新能源、可再生能源的开发与利用，以及煤炭消费过程中带来的诸多环境问题，煤炭消费总量略有下降。2012年我国煤炭消费量占能源消费总量的61.2%。
锅炉是主要的能源转换设备，也是重要的煤炭消耗和污染物排放装置。截至2012年底，我国锅炉在用量63.5万台，其中工业锅炉62.4万台。我国锅炉以燃煤为主，由于工业锅炉烟气净化装置技术水平及配备率较低，且多为低空排放，是形成雾霾天气的重要原因之一。
近年来，我国燃煤电站锅炉向大容量、高参数方向快速发展，无论是生产制造还是运营管理均接近国外先进水平。但是，燃煤工业锅炉平均运行效率不到70%，比国际先进水平低10～15个百分点，节能潜力及烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的减排潜力巨大。党的“十八大”提出“五位一体”的总体布局，把生态文明建设放在突出地位，对我国锅炉的节能环保工作提出了新的更高的要求。为此，提高燃煤工业锅炉的运行效率，降低污染物排放对加强生态文明建设，推动节能减排工作具有重要意义。
2 煤粉锅炉、流化床锅炉的特点
2.1煤粉锅炉
煤粉锅炉是指以煤粉为燃料的悬燃锅炉，利用燃烧器将磨碎的煤粉和空气混合后，喷入炉膛。主要应用于大型电站锅炉，目前较大容量的工业锅炉也采用这种燃烧形式，由于煤粉在炉膛内燃烧的比表面积较大，燃烧状况相对较好，其燃烧效率较高。但由于影响燃烧稳定性的因素较多，也存在相当多的缺点（见表1）。
2.2流化床锅炉
流化床是介于固定床和悬浮床之间的气固两相床层，其气固两相流动的特点决定了这种床层的优缺点[1]（见表2）。
3 复合燃烧技术在国内外研究现状
所谓复合燃烧，该概念来源于链条炉的改造，就是在链条炉的炉侧或炉前，另加装一套煤粉燃烧器，向炉内喷煤粉燃烧。因此，在链条炉的内部就同时存在两种燃烧方式，其中一部分的煤在炉排上层状燃烧，另一部分煤以煤粉形式在炉膛内悬浮燃烧，这样既充分利用了炉膛空间，又减轻了炉排热负荷，提高了炉膛温度。煤粉-链条炉复合燃烧不仅提高了锅炉热效率，又大幅增加了锅炉出力。类似的，广义的复合燃烧即只要在同一锅炉内同时存在两种或两种以上燃烧方式（燃烧方式主要有三种：层状燃烧、悬浮燃烧、流化燃烧）时，就称为复合燃烧。
关于复合燃烧，国外已经进行了很多研究，但主要集中于不同燃料混燃的复合燃烧技术上[2][3][4]，与本文对复合燃烧的定义有所不同；国内的研究则主要集中在层燃-悬浮复合燃烧技术上，对其他方式的复合燃烧研究相对较少。陈庆林[5]列举了层燃锅炉改造成层燃-悬浮复合燃烧锅炉、沸腾炉改造成悬浮-流化复合燃烧炉的改造实例，证明了对于20t/h~35t/h的工业小锅炉复合燃烧改造是成功的，能大幅提高锅炉热效率，降低飞灰含碳量，增强锅炉煤种适应性，更加节能环保。李清海[6]对层燃-流化复合燃烧垃圾焚烧炉的污染物排放和燃烧进行了系统的建模和实验研究，分析指出了采用层燃炉预热干燥、循环流化床焚烧这一技术路线的独特优势，通过对橘子皮等典型垃圾的实验研究和理论分析，得出了复合炉的优化结构和燃烧排放的半经验计算模型，证明了层燃-流化复合燃烧炉焚烧垃圾方面的可行性和可靠性。王彦、李元章[7]，[8]等针对链条炉热效率偏低的现状，把复合燃烧技术引入链条炉，通过层状燃烧和悬浮燃烧两种燃烧方式结合的方法，大大改善了链条炉的燃烧状况，提高了锅炉的热效率和煤种适应性，实现了节能和环保的双重目标。许忠春[9]等研究了使用复合燃烧技术改造旧锅炉的效果，在链条炉上加装喷粉装置，研究发现该装置以间歇方式运行效果最好，根据负荷变化喷粉量可以随意调节。针对具体链条炉的改造经济效益显著，各技术指标均有优化。
综合以上文献，通过对链条锅炉采用煤粉-层燃燃烧方式的改造，对提高工业锅炉运行效率，增强煤种的使用性等方面取得了良好的效果。这些研究对改造后系统产生的问题研究较少，主要集中在改造的经济性和可行性研究中，锅炉用复合燃烧技术改造后的燃烧效率、燃烧稳定性等问题没有进行更深入的研究。
煤粉流化床燃烧（PCF-FBC）是一种比较特殊的复合燃烧技术。该燃烧技术的主要特点是，在锅炉内存在层燃和悬浮燃烧两种燃烧方式，但是只有一套给煤系统。煤粉从底饲进入流化床燃烧区，完成着火、挥发分燃烧、部分固定碳燃烧后，飞入上部悬浮燃烧区，并在多层四角切圆二次风作用下进一步完成燃烧和燃尽。陈鸿伟、李永华等[10]，[11]对煤粉流化床燃烧进行了热态试验，并对NO的生成和排放控制特征进行了研究。结果表明，煤粉流化床燃烧具有煤粉燃烧的高效率和流化床低污染的特点，同时NO排放浓度远低于煤粉炉。但是他们并没有研究流化床燃用大颗粒煤燃料、上部采用煤粉悬浮燃烧的情况。王辉[12]等研究了水煤浆流化-悬浮燃烧技术，并设计了一台14MW的卧式锅炉。该燃烧技术的特点是使用水煤浆为唯一的燃料，水煤浆以滴状颗粒团送入锅炉下部密相区，在密相区中迅速被加热并着火燃烧，着火后的水煤浆在随烟气上升过程中继续燃烧，未燃尽的颗粒团会被捕集并输回燃尽装置，解决了水煤浆燃烧过程中存在的放炮、易熄火等问题。吴少华[13]首先提出了煤粉-流化床复合燃烧的概念，并在理论上分析了煤粉-流化床锅炉的结构特点、热力特性，指出该种锅炉结合了煤粉炉的燃烧高效率特点和流化床的广泛煤种适应性及污染物排放低的特点，并进行了煤粉炉、燃油锅炉改造为复合燃烧锅炉的可行性研究，指出改造不仅能优化各项运行指标，还能获得良好的经济效益和环保效益，而且由于未改动锅炉本体结构，改造成本低廉。吴少华的研究工作为这一新型复合燃烧技术的发展起到了巨大推动作用。赵广播[14]，[15]，[16]等分析了燃烧树皮和煤粉双燃料的煤粉-流化床复合燃烧锅炉炉膛内的物质平衡和热平衡，得到了炉膛及空气预热器的物质平衡方程、沸腾层及煤粉炉炉膛的热平衡方程及炉膛出口的过量空气系数、锅炉气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失的计算公式；考虑流化床、火焰和受热面之间换热的基础上，推导了流化床-煤粉复合燃烧锅炉炉膛传热计算方程，得到了炉膛传热计算的零维模型半经验法；针对双燃料的煤粉-流化床复合燃烧锅炉的特点，提出了按基本蒸汽负荷设计流化床的思路，并以75t/h树皮流化床-煤粉复合燃烧锅炉为例，分析预测了负荷变化时锅炉的热力特性。周建军[17]等对在流化床锅炉中煤粉不同喷入位置对炉内固相运动特性的影响做了研究。针对流化床复合煤粉悬浮燃烧技术，建立了炉内气固运动特性的三维数学模型并进行了数值计算。复合燃烧的炉内气固两相流场对锅炉的设计有重要指导意义，此外，燃烧产生的气相各组分浓度分布、温度分布等，对锅炉实际运行也有重要参考价值，这方面的研究还有待展开。
4 总结
复合燃烧技术在近几十年的研究和应用中逐渐成熟，尤其是层状燃烧-悬浮燃烧复合燃烧技术，无论在理论研究和工程应用中都得到了较为深入的发展。但是目前复合燃烧技术对悬浮-流化复合燃烧研究仍然较少。煤粉-流化床复合燃烧技术结合了流化床和煤粉炉二者的优点，又弥补了各自的缺点，大有发展的必要。目前由于对煤粉-流化床复合燃烧炉炉膛内气固两相流动特性及反应的研究和认识还很不够，从而较大地阻碍了该技术的进一步发展和应用。因此十分有必要对此展开进一步研究，对于这一技术的应用具有重要意义。
参考文献：
[1]赵炬.鼓泡床锅炉优缺点探讨[J].机械管理开发,2006，10:62.
[2]Karampinis E,Nikolopoulos N,Nikolopoulos A,et al. Numerical investigation Greek lignite/cardoon co-firing in a tangentially fired furnace[J]. Applied Energy, 2012, 97: 514-524.
[3]Folgueras，M.Belén，María Díaz，R.，Xiberta，Jorge.Sulphur retention during co-combustion of coal and sewage sludge.Fuel.2004，83(10):1315-1322.
[4]Suksankraisorn，K，Patumsawad，S，Vallikul，P，Fungtammasan，B，Accary，A. Co-combustion of municipal solid waste and Thai lignite in a fluidized bed Energy Conversion and Management，2004，45(6):947-962.
[5]陈庆林. 采用复合燃烧技术提高锅炉热效率[J]. 化工之友，2001，8：23-24.
[6]李清海.层燃-流化复合垃圾焚烧炉燃烧与排放研究[D].北京：清华大学，2007:26-179.
[7]王彦，曲广义，丁雪桦. 复合燃烧技术在链条炉上的应用[J].热能动力工程，2001，16（96）：29-31.
[8]李元章.复合燃烧技术在链条炉上的应用[J]. 节能，2002（5）：37-39.
[9]许忠春，张静华.采用“复合燃烧技术”装置改造旧锅炉的效果[J].节能，1999（12）：35-36.
[10]陈鸿伟，金宝昇，刘坤磊等.煤粉流化床燃烧（PCF-FBC）的热态试验研究[J].动力工程，1996,16（96）：673-674.
[11]陈鸿伟，李永华，韩璞等.煤粉流化床（PC-FB）燃烧的NO生成与排放控制特征[J].动力工程，2000,20（2）：598-605.
[12]王辉,姜秀民,沈玲玲.水煤浆流化-悬浮燃烧技术及14MW卧式锅炉设计[J].煤炭学报,2008,33（7）:789-793.
[13]吴少华.煤粉流化床复合燃烧[J].节能技术，1992，（1）：15-17.
[14]赵广播，朱群益，秦裕琨等.双燃料煤粉流化床复合燃烧锅炉的物质平衡与热量平衡[J].热能动力工程，1997,12（1）：8-10.
[15]赵广播，秦裕琨.流化床-煤粉复合燃烧锅炉的炉膛传热计算方法[J].动力工程，2000,20（4）：740-744,759.
[16]赵广播，黄怡珉，高志宏等,负荷分配对流化床-煤粉复合燃烧锅炉热力特性的影响[J].电站系统工程，1998,14（3）：7-11.
[17] 周建军，王炯，冉景煜等.在CFB锅炉中煤粉不同喷入位置对炉内固相运动特性的影响[J].动力工程，2007,27（5）：672-676.
【关键词】 工业锅炉 煤粉-流化床 复合燃烧
1、绪论
我国的能源资源特点是“富煤、缺油、少气”。为此，在我国能源消费结构中，煤炭的消费占有很大的比例，在20世纪50、60年代，煤炭能源产量曾一度占到80%~95%的比例，即使到了80年代，煤炭能源所占比例也依然高达70%。今年来，随着新能源、可再生能源的开发与利用，以及煤炭消费过程中带来的诸多环境问题，煤炭消费总量略有下降。2012年我国煤炭消费量占能源消费总量的61.2%。
锅炉是主要的能源转换设备，也是重要的煤炭消耗和污染物排放装置。截至2012年底，我国锅炉在用量63.5万台，其中工业锅炉62.4万台。我国锅炉以燃煤为主，由于工业锅炉烟气净化装置技术水平及配备率较低，且多为低空排放，是形成雾霾天气的重要原因之一。
近年来，我国燃煤电站锅炉向大容量、高参数方向快速发展，无论是生产制造还是运营管理均接近国外先进水平。但是，燃煤工业锅炉平均运行效率不到70%，比国际先进水平低10～15个百分点，节能潜力及烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的减排潜力巨大。党的“十八大”提出“五位一体”的总体布局，把生态文明建设放在突出地位，对我国锅炉的节能环保工作提出了新的更高的要求。为此，提高燃煤工业锅炉的运行效率，降低污染物排放对加强生态文明建设，推动节能减排工作具有重要意义。
2 煤粉锅炉、流化床锅炉的特点
2.1煤粉锅炉
煤粉锅炉是指以煤粉为燃料的悬燃锅炉，利用燃烧器将磨碎的煤粉和空气混合后，喷入炉膛。主要应用于大型电站锅炉，目前较大容量的工业锅炉也采用这种燃烧形式，由于煤粉在炉膛内燃烧的比表面积较大，燃烧状况相对较好，其燃烧效率较高。但由于影响燃烧稳定性的因素较多，也存在相当多的缺点（见表1）。
2.2流化床锅炉
流化床是介于固定床和悬浮床之间的气固两相床层，其气固两相流动的特点决定了这种床层的优缺点[1]（见表2）。
3 复合燃烧技术在国内外研究现状
所谓复合燃烧，该概念来源于链条炉的改造，就是在链条炉的炉侧或炉前，另加装一套煤粉燃烧器，向炉内喷煤粉燃烧。因此，在链条炉的内部就同时存在两种燃烧方式，其中一部分的煤在炉排上层状燃烧，另一部分煤以煤粉形式在炉膛内悬浮燃烧，这样既充分利用了炉膛空间，又减轻了炉排热负荷，提高了炉膛温度。煤粉-链条炉复合燃烧不仅提高了锅炉热效率，又大幅增加了锅炉出力。类似的，广义的复合燃烧即只要在同一锅炉内同时存在两种或两种以上燃烧方式（燃烧方式主要有三种：层状燃烧、悬浮燃烧、流化燃烧）时，就称为复合燃烧。
关于复合燃烧，国外已经进行了很多研究，但主要集中于不同燃料混燃的复合燃烧技术上[2][3][4]，与本文对复合燃烧的定义有所不同；国内的研究则主要集中在层燃-悬浮复合燃烧技术上，对其他方式的复合燃烧研究相对较少。陈庆林[5]列举了层燃锅炉改造成层燃-悬浮复合燃烧锅炉、沸腾炉改造成悬浮-流化复合燃烧炉的改造实例，证明了对于20t/h~35t/h的工业小锅炉复合燃烧改造是成功的，能大幅提高锅炉热效率，降低飞灰含碳量，增强锅炉煤种适应性，更加节能环保。李清海[6]对层燃-流化复合燃烧垃圾焚烧炉的污染物排放和燃烧进行了系统的建模和实验研究，分析指出了采用层燃炉预热干燥、循环流化床焚烧这一技术路线的独特优势，通过对橘子皮等典型垃圾的实验研究和理论分析，得出了复合炉的优化结构和燃烧排放的半经验计算模型，证明了层燃-流化复合燃烧炉焚烧垃圾方面的可行性和可靠性。王彦、李元章[7]，[8]等针对链条炉热效率偏低的现状，把复合燃烧技术引入链条炉，通过层状燃烧和悬浮燃烧两种燃烧方式结合的方法，大大改善了链条炉的燃烧状况，提高了锅炉的热效率和煤种适应性，实现了节能和环保的双重目标。许忠春[9]等研究了使用复合燃烧技术改造旧锅炉的效果，在链条炉上加装喷粉装置，研究发现该装置以间歇方式运行效果最好，根据负荷变化喷粉量可以随意调节。针对具体链条炉的改造经济效益显著，各技术指标均有优化。
综合以上文献，通过对链条锅炉采用煤粉-层燃燃烧方式的改造，对提高工业锅炉运行效率，增强煤种的使用性等方面取得了良好的效果。这些研究对改造后系统产生的问题研究较少，主要集中在改造的经济性和可行性研究中，锅炉用复合燃烧技术改造后的燃烧效率、燃烧稳定性等问题没有进行更深入的研究。
煤粉流化床燃烧（PCF-FBC）是一种比较特殊的复合燃烧技术。该燃烧技术的主要特点是，在锅炉内存在层燃和悬浮燃烧两种燃烧方式，但是只有一套给煤系统。煤粉从底饲进入流化床燃烧区，完成着火、挥发分燃烧、部分固定碳燃烧后，飞入上部悬浮燃烧区，并在多层四角切圆二次风作用下进一步完成燃烧和燃尽。陈鸿伟、李永华等[10]，[11]对煤粉流化床燃烧进行了热态试验，并对NO的生成和排放控制特征进行了研究。结果表明，煤粉流化床燃烧具有煤粉燃烧的高效率和流化床低污染的特点，同时NO排放浓度远低于煤粉炉。但是他们并没有研究流化床燃用大颗粒煤燃料、上部采用煤粉悬浮燃烧的情况。王辉[12]等研究了水煤浆流化-悬浮燃烧技术，并设计了一台14MW的卧式锅炉。该燃烧技术的特点是使用水煤浆为唯一的燃料，水煤浆以滴状颗粒团送入锅炉下部密相区，在密相区中迅速被加热并着火燃烧，着火后的水煤浆在随烟气上升过程中继续燃烧，未燃尽的颗粒团会被捕集并输回燃尽装置，解决了水煤浆燃烧过程中存在的放炮、易熄火等问题。吴少华[13]首先提出了煤粉-流化床复合燃烧的概念，并在理论上分析了煤粉-流化床锅炉的结构特点、热力特性，指出该种锅炉结合了煤粉炉的燃烧高效率特点和流化床的广泛煤种适应性及污染物排放低的特点，并进行了煤粉炉、燃油锅炉改造为复合燃烧锅炉的可行性研究，指出改造不仅能优化各项运行指标，还能获得良好的经济效益和环保效益，而且由于未改动锅炉本体结构，改造成本低廉。吴少华的研究工作为这一新型复合燃烧技术的发展起到了巨大推动作用。赵广播[14]，[15]，[16]等分析了燃烧树皮和煤粉双燃料的煤粉-流化床复合燃烧锅炉炉膛内的物质平衡和热平衡，得到了炉膛及空气预热器的物质平衡方程、沸腾层及煤粉炉炉膛的热平衡方程及炉膛出口的过量空气系数、锅炉气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失的计算公式；考虑流化床、火焰和受热面之间换热的基础上，推导了流化床-煤粉复合燃烧锅炉炉膛传热计算方程，得到了炉膛传热计算的零维模型半经验法；针对双燃料的煤粉-流化床复合燃烧锅炉的特点，提出了按基本蒸汽负荷设计流化床的思路，并以75t/h树皮流化床-煤粉复合燃烧锅炉为例，分析预测了负荷变化时锅炉的热力特性。周建军[17]等对在流化床锅炉中煤粉不同喷入位置对炉内固相运动特性的影响做了研究。针对流化床复合煤粉悬浮燃烧技术，建立了炉内气固运动特性的三维数学模型并进行了数值计算。复合燃烧的炉内气固两相流场对锅炉的设计有重要指导意义，此外，燃烧产生的气相各组分浓度分布、温度分布等，对锅炉实际运行也有重要参考价值，这方面的研究还有待展开。
4 总结
复合燃烧技术在近几十年的研究和应用中逐渐成熟，尤其是层状燃烧-悬浮燃烧复合燃烧技术，无论在理论研究和工程应用中都得到了较为深入的发展。但是目前复合燃烧技术对悬浮-流化复合燃烧研究仍然较少。煤粉-流化床复合燃烧技术结合了流化床和煤粉炉二者的优点，又弥补了各自的缺点，大有发展的必要。目前由于对煤粉-流化床复合燃烧炉炉膛内气固两相流动特性及反应的研究和认识还很不够，从而较大地阻碍了该技术的进一步发展和应用。因此十分有必要对此展开进一步研究，对于这一技术的应用具有重要意义。
参考文献：
[1]赵炬.鼓泡床锅炉优缺点探讨[J].机械管理开发,2006，10:62.
[2]Karampinis E,Nikolopoulos N,Nikolopoulos A,et al. Numerical investigation Greek lignite/cardoon co-firing in a tangentially fired furnace[J]. Applied Energy, 2012, 97: 514-524.
[3]Folgueras，M.Belén，María Díaz，R.，Xiberta，Jorge.Sulphur retention during co-combustion of coal and sewage sludge.Fuel.2004，83(10):1315-1322.
[4]Suksankraisorn，K，Patumsawad，S，Vallikul，P，Fungtammasan，B，Accary，A. Co-combustion of municipal solid waste and Thai lignite in a fluidized bed Energy Conversion and Management，2004，45(6):947-962.
[5]陈庆林. 采用复合燃烧技术提高锅炉热效率[J]. 化工之友，2001，8：23-24.
[6]李清海.层燃-流化复合垃圾焚烧炉燃烧与排放研究[D].北京：清华大学，2007:26-179.
[7]王彦，曲广义，丁雪桦. 复合燃烧技术在链条炉上的应用[J].热能动力工程，2001，16（96）：29-31.
[8]李元章.复合燃烧技术在链条炉上的应用[J]. 节能，2002（5）：37-39.
[9]许忠春，张静华.采用“复合燃烧技术”装置改造旧锅炉的效果[J].节能，1999（12）：35-36.
[10]陈鸿伟，金宝昇，刘坤磊等.煤粉流化床燃烧（PCF-FBC）的热态试验研究[J].动力工程，1996,16（96）：673-674.
[11]陈鸿伟，李永华，韩璞等.煤粉流化床（PC-FB）燃烧的NO生成与排放控制特征[J].动力工程，2000,20（2）：598-605.
[12]王辉,姜秀民,沈玲玲.水煤浆流化-悬浮燃烧技术及14MW卧式锅炉设计[J].煤炭学报,2008,33（7）:789-793.
[13]吴少华.煤粉流化床复合燃烧[J].节能技术，1992，（1）：15-17.
[14]赵广播，朱群益，秦裕琨等.双燃料煤粉流化床复合燃烧锅炉的物质平衡与热量平衡[J].热能动力工程，1997,12（1）：8-10.
[15]赵广播，秦裕琨.流化床-煤粉复合燃烧锅炉的炉膛传热计算方法[J].动力工程，2000,20（4）：740-744,759.
[16]赵广播，黄怡珉，高志宏等,负荷分配对流化床-煤粉复合燃烧锅炉热力特性的影响[J].电站系统工程，1998,14（3）：7-11.
[17] 周建军，王炯，冉景煜等.在CFB锅炉中煤粉不同喷入位置对炉内固相运动特性的影响[J].动力工程，2007,27（5）：672-676.