1、第 37 卷 第 6 期2022 年 12 月Vol.37 No.6Dec.2022电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2022）06-0479-06 中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2022.057开放科学（资源服务）标识码（OSID）：谈李佑楚快速流态化理论对 CFB锅炉技术发展的助力杨海瑞，邓博宇，张翼，姚宣，汪佩宁，岳光溪（清华大学 能源与动力工程系 CFB课题组，北京 100084）摘要：已故中国科学院过程工程研究所（原中国科学院化工冶金研究所）李佑楚教授在气
2、固流态化理论方面取得了众多成果和应用，明确了 A 类颗粒快速流态形成条件，即当风速超过转变速度utr时，必须维持一个临界值以上的颗粒流率，才能维持提升管稳定的颗粒浓度分布，且在不同的颗粒流率下，提升管内的浓度分布是不同的。明确了快速流态化提升管内浓度呈现“S”分布，随床存量增加，只改变密相区和稀相区拐点高度，而提升管出口颗粒流率不变。以上研究理论对国内循环流化床锅炉煤燃烧技术发展起到了理论指导和启示的作用。关键词：快速流态化；CFB锅炉；学术贡献The Contribution of LI You-chu s Fast Fluidization Theory on the Developmen
3、t of CFB Boiler TechnologyYANG Hai-rui，DENG Bo-yu，ZHANG Yi，YAO Xuan，WANG Pei-ning，YUE Guang-xi（CFB Research Group，Department of Energy and Power Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）Abstract：Prof.LI You-chu，retired from Institute of Process Engineering，Chinese Academy of Sciences（for
4、mer Institute of Chemical and Metallurgy，Chinese Academy of Sciences），has made great contribution to gas solid fluidization theory，such as the prediction conditions for fast fluidization with least gas velocity lager than transition velocity utr and the critical solid circulating rate，Gs，at certain
5、gas velocity.“S”shape profile of the solid suspension density is found and only the inflection point between dense bed and dilute bed increases with bed inventory increasing while Gs remains stable at certain gas velocity.This paper retrospect the directions and enlightens of his fast fluidization t
6、heory on the development of CFB boiler technology in China and to show the respect and yearn on his academic contribution.Key words：fast fluidization；CFB boiler；contribution0 引言 温克勒煤气化炉被认为是流态化最早的工业应用案例，之后被广泛应用到石油化工领域，出现了经典 特约专稿 收稿日期：2022-11-13作者简介：杨海瑞（1972），男，博士，教授，主要研究方向为能源与动力工程，；邓博宇（1995），男，博士生，主要
7、研究方向为循环流化床锅炉变负荷特性，；张翼（1993），男，博士生，主要研究方向为气固两相流流态转变，；姚宣（1987），男，博士，主要研究方向为气固两相流及颗粒分层特性，；汪佩宁（1991），男，博士，主要研究方向为循环流化床二次风射流及颗粒扩散行为，；岳光溪（1945），男，中国工程院院士，主要研究方向为循环流化床燃烧技术，ygx-。引文格式：杨海瑞，邓博宇，张翼，等.谈李佑楚快速流态化理论对 CFB 锅炉技术发展的助力 J.电力学报，2022，37（06）：479-484.DOI：10.13357/j.dlxb.2022.057.第 37 卷电力学报的石油催化裂化（FCC）、催化重整等工
8、业应用，同时激发了对气固流态化基础理论的探索。流态化化工反应器常用的催化剂具有相对较窄的粒度分布，特别是 FCC 属于典型的 A 类颗粒，因此高气速下可以进入快速流化状态，李佑楚、郭慕孙给出了经典的 Li-Kwauk流态相图，见图 1，表征典型的 A 类颗粒随着流化风速增加，所经历的流态转变过程。当风速超过转变速度 utr时，必须维持一个临界值以上的颗粒流率，才能维持提升管（化工反应器常用表示）稳定的颗粒浓度分布，且在不同的颗粒流率下，提升管内的浓度分布是不同的1-2。这就是快速流态化不同于鼓泡床、湍动床的明显区别，必须满足两个条件才能确定提升管内的流化状态。床料进入快速流态化后，在特定风速和
9、颗粒粒度的前提下，足够高的提升管内出现底部密相区、上部稀相区，中间的过渡点随着总床料量的增加而增高，提升管出口的循环流率维持不变，即“S”分布，见图 2（a）。同时，由于气体对颗粒的携带率达到饱和，在稀相区不同高度处形成若干颗粒聚集的颗粒团；由于气流无法提供足够的曳力，因此出现颗粒团的下沉运行，下降一定高度后颗粒团破碎随气流上升，再聚团，周而复始，形成剧烈的内循环，见图 2（b），内循环的作用有利于强化提升管轴向的温度分布1-2。清华大学循环流化床（CFB）课题组与已故的中国科学院过程工程研究所（原中国科学院化工冶金研究所）李佑楚教授在气固流态化理论与技术应用领域具有多年的合作交流基础，本文通
10、过几个示例，回顾了李佑楚学术理论，特别是快速流态化形成满足条件及“S”分布，对 CFB 锅炉煤燃烧技术发展的指导和启示作用，谨以此文表达对李老师的学术敬意和深切怀念。1 循环流化床锅炉定态设计理论 相对于化工反应器催化剂的窄筛分粒度，燃煤 CFB 锅炉的给煤具有较宽的粒度分布，一般在 0 mm8 mm，因此燃烧后形成的床料也是宽筛分粒度，在特定的流化风速下，CFB 锅炉炉膛（锅炉的常用表示）内的流化状态是一个复合流态，即粗颗粒在底部密相区处于鼓泡、湍动流化状态，而较细的颗粒在炉膛上部形成快速床或气力输送3。CFB炉膛上部的流态是快速床还是气力输送，目前在国际学术界还存在较大的争论。清华大学岳光
11、溪教授认为，随着分离器效率的提高，给煤粒度控制的优化变细，导致 CFB 系统内的较细的可以参与循环的颗粒份额大大增加，尽管大部分属于 B类颗粒，但依然进入到了快速流态化3。因为大量试验室工作证明，B 类颗粒也存在“S”型分布，同时煤的燃烧释放热量在炉膛高度上是不均匀的4，而炉膛的图 1A类颗粒流态相图2Fig.1Flow regime of Class A particle图 2快速流态化流动特征2Fig.2Typical characteristic of fast fluidization480第 6 期杨海瑞，等：谈李佑楚快速流态化理论对 CFB锅炉技术发展的助力上部（即使没有受热面插屏
12、）温度变化也不大，只有颗粒团的出现，才能产生足够的内循环来拉均炉膛上部的温度。由于锅炉设计过程中需要根据炉膛内轴向颗粒浓度分布来设计受热面的布置，因此这个设计的流态是固定的，是由流化风速和选定的循环流率来决定的3，5。根据国际上多家锅炉设计制造商的“态”的选取不同，清华大学岳光溪教授受 Li-Kwauk相图的启发，在 2005年第 18届 FBC 会议上提出了著名的循环流化床锅炉定态设计理论，见图 3，并根据中国的煤种特性优化出适应中国煤种的定态设计点，从而显著避免了制约锅炉长周期运行的炉膛磨损3。这是清华大学第一代流态优化的 CFB锅炉燃烧技术。2 基于流态重构的节能型 CFB锅炉技术 清华
13、大学的循环流化床锅炉定态设计理论，除了解决了锅炉设计阶段“定态”的选取，对 CFB 锅炉优化运行也同样具有指导意义。由于煤种的变化、分离器效率变化（比如中心筒变形、脱落等），往往导致炉膛内的气固流态偏离了最初的设计定态，那如何调整呢？根据快速流态化的特点，通过调整给煤粒度和床压降（系统总的物料量），改变床内物料的粗、细颗粒的比例，可以将炉膛上部的颗粒浓度分布拉回到原来的状态6-7，这也恰恰是李佑楚“S”型分布快速流态化带来的启示。应用此概念，清华大学成功解决了石化系统进口 CFB锅炉换烧煤种面临的外方天价改造费的问题。在此基础上，为了解决 CFB 锅炉特有的一次风机压头高导致厂用电高的劣势，结
14、合清华大学的循环流化床锅炉定态设计理论和李佑楚的快速流态理论，清华大学岳光溪团队在 2007 年提出了基于流态重构的节能型循环流化床锅炉技术。针对 CFB 锅炉宽筛分粒度分布，在特定风速下，炉膛内的气固流动属于复合流化状态，即由无法参与循环的粗大颗粒在炉膛底部形成的鼓泡床流动、参与外循环的细颗粒构成的快速床流动8-9，见图 4。据此，循环流化床锅炉的床料可以定性分为两类，即有效床料和无效床料10-11。有效床料可以形成外部循环，影响炉膛内和循环回路中的燃烧和受热面布置，这是 CFB 锅炉的必要条件。无效床料是指那些终端速度大于流化风速的颗粒，无法参与循环，只能在底部形成密相的鼓泡流动。对于可以
15、参与外循环的细颗粒而言，其在炉膛内的流化状态为快速床，在一定的范围内改变床料量，不会改变炉膛上部浓度分布和循环流率，只会改变底部密相区细颗粒的高度。通过降低粗颗粒的存量和细颗粒的存量，可将上部炉膛的浓度控制在更加合理的范围内，这就是流态重构10-11。通过流态重构，炉膛上部依然维持快速流化状态，气固浓度和外循环流率可以维持不变，保证传热性能要求，但二次风区域物料浓度会明显降低，二次风穿透扰动效果增强，炉膛上部气固混合效果得以改进，提高了锅炉燃烧效率，降低了锅炉机组的供电煤耗6-7。流态重构技术可以同时在厂用电、水冷壁磨损和燃烧效率三方面取得显著效果，部分煤种实现原始超低排放7，10-12。该技
16、术在“十二五”“十三五”电力发展的支持下，开发系列节能超低排放 CFB 锅炉产品，在 300 MW350 MW CFB 机组上完成工业应用7，12。这是清华大学第二代基于流态优化的 CFB锅炉燃烧技术。图 3CFB锅炉定态设计理论图谱3Fig.3Regime of static state design theory of CFB boiler图 4CFB锅炉炉膛内复合流态11Fig.4Composition flow regime in CFB boiler furnace481第 37 卷电力学报3“一进二出”的全回路压力与物料平衡体系 相对于流态化工反应器闭口体系，CFB锅炉是“一进二出”的开口体系，在稳定运行时，通过“一进”的给煤和脱硫剂进入系统的物料流率，等于从“二出”分离器出口的飞灰流率和底部排渣流率3，13。早期研究炉膛内床存量对气固流动和循环流率时发现，改变回料阀内流化风量，炉内的气固浓度和循环流率也发生变化14，似乎料腿内的存料量也影响炉膛内的气固流动，特别是具有外置换热床结构的炉型，调整外置床内流化风可以显著改变炉膛内的床温分布，因此，针对影响提升管内“S”型分布的