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一、摘要
双碳目标让煤电机组的低碳化受到广泛关注。低碳燃料替代是循环流化床燃烧发电技术的重要方向之一。零碳、低碳燃料特性与煤显著不同，这对CFB 燃烧技术的燃料适应性提出了新的挑战。该文从燃料的着火与燃尽、低成本污染物控制和受热面安全3个角度，剖析CFB 燃烧技术燃料适应性广的理论基础，提出丰富的床料蓄热和高效物料循环是支撑其适应低碳灵活燃料燃烧的两大基础条件。可以通过构建合理流态和炉内气氛，进一步提升CFB 燃烧技术在多元低碳燃料上的适应性。对于生物质燃料，利用循环物料冲刷减少高温受热面沾污、减轻腐蚀，能够提高生物质发电的蒸汽参数，进而提高生物质发电的经济性；对于氨燃料，利用炉内高温床料蓄热解决稳燃问题，利用炉内气氛调控解决低成本脱硝问题，有望攻克氨燃料的高效低成本燃烧技术；对于化工冶金过程中广泛存在的超低热值废气，可利用CFB 燃烧技术无害化处理同时回收废气中热能，显著提升废气处理的经济性，减少系统能耗和碳排放。面向双碳目标，CFB 燃烧技术将进一步发挥 和拓展其燃料适应性广的优势，具有较好前景。
二、引言
“碳达峰、碳中和”目标促进了我国电力系统的深度变革和加速演进。在电力系统变革过程中，光伏、风电等新能源比例将快速增长。然而，光伏、 风电等具有间隙性和不可预测性，我国基础能源以煤电为主，电力系统需要基础煤电深度挖掘灵活性潜力以接纳高比例的可再生能源，来保障电力供应质量和系统安全。国家能源局于2023 年 6 月组织 发布的《新型电力系统发展蓝皮书》指出：“煤电作为电力安全保障的‘压舱石’，向基础保障性和系统调节性电源并重转型。”
循环流化床燃烧发电技术，作为一种劣质煤适应性强、污染控制成本低的燃烧技术，在我国得到了充分发展，形成了大容量高参数、节能型和超低排放型三代标志性的技术装备，装机超过1亿千瓦，占煤电总装机容量的 10%、总装机数量的20%。CFB 燃烧技术的特点在我国劣质燃料的清洁高效利用上得到了充分展现。
研究表明，CFB 锅炉的调峰深度和调峰速率潜力远高于传统认知，且调峰改造成本低，可以为电力系统提供更大比例调节性电源。煤电低碳化改造的另一个技术方向是掺用或全用低碳燃料。2024年6月，国家发改委、国家能源局印发了《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027)》，决定转化应用一批煤电低碳发电技术，到2027年，电碳排放较2023年同类煤电机组平均碳排放水平降低50%左右。这 对于CFB 燃烧技术而言是重要发展契机，能否深化其燃料适应性广的特点，将其污染物控制成本低和负荷调节范围宽的优势进一步拓展到生物质、氢、 氨等碳中性/零碳燃料，开发低碳灵活燃料CFB燃烧技术，是当前学术界和工业界面临的技术挑战，也将是CFB燃烧技术发展历程中又一个重要里程碑。
为此，本文综述了CFB燃烧技术发展简史及其燃料适应性广的理论根据，并立足CFB 燃用低碳燃料的典型研究进展和工程经验，探讨了双碳目标下多元低碳燃料CFB 燃烧技术的挑战和前景。
三、CFB 燃烧原理及其燃料适应性
3.1 CFB 锅炉技术发展简史
流化床是一种化工反应装备。在“床”内存有大量固体颗粒，这些颗粒被流体向上流动所产生的曳力所完全支撑，固体颗粒和气流形成的整体便具有了流体的外观和许多特性。学术上将这种固体颗粒形成的流动模式称为“流态化”。
20世纪50年代初，莫斯科动力学院首次尝试用鼓泡流化床燃烧褐煤，从而将流态化引入燃烧领域。在大量高温流化床料作用下，燃料颗粒迅速着火燃烧，稳燃能力强，传热性能优异，相当数量的小型鼓泡床锅炉在20世纪60年代建成投产。然而此后，越来越多的实践经验暴露出鼓泡床锅炉的劣势：
1）埋管受热面磨损问题突出；
2）由于细煤颗粒容易被烟气夹带出燃烧区，总燃烧效率偏低；
3） 炉内石灰石脱硫效率较低；
4）炉膛截面热负荷较低，限制了大型化发展，锅炉参数和容量难以进一步提高；
5）控制手段有限，负荷调节困难，灵活性不足。
由于上述发展瓶颈，流态化燃烧技术的研发中心逐渐转移到循环流化床锅炉上。从20世纪80年代开始，众多制造商提出了各具特色的 CFB 锅炉设计方案。中国也于同期开始了CFB燃烧技术的研究。尤其是20世纪90年代之后，我国学术界逐渐认识到气固流态的重要作用，跳出了鼓泡床设计思维局限，提出了CFB 锅炉定态设计理论和二维设计 图谱。其核心是适当提高炉内烟速达到快速床形成速度；同时，某个粒径范围的颗粒在分离器中的分离效率达到100%(或非常接近)，即分级分离效率曲线存在一个 100%分离粒径，这个粒径范围内的颗粒构成循环灰的主体。循环床料粒径的分级分离效率接近 100%，使该粒径的床料存量足以支撑形成快速床。而燃烧室上部为快速床是保证炉内纵向温度均匀的条件。不同技术流派的循环流化床仅仅是在快速床状态选择上的不同子状态。
在此指导下，先后开发出第一代高性能CFB 燃烧技术和第二代节能型 CFB 燃烧技术， 提高了锅炉可靠性和经济性，从根本上解决了燃烧效率、负荷适应性、受热面磨损等问题。
此后进一步挖掘了床料粒度即床质量，对炉内气氛及化学反应调控的重要意义，将流态设计范围从二维扩展到三维(如图1所示)，开发出第三代超低排放型CFB 燃烧技术，实现了二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的污染物原始超低排放。
3.2 CFB 燃烧技术燃料适应性广的理论基础
面对“双碳”目标，燃煤机组燃用多元低碳燃料势在必行。然而，从高碳的煤到无碳的氢、氨、生物质(碳中性)等，成分、性质相差巨大，燃烧特性显著不同。因此，燃料种类改变会影响炉内燃料着火和燃尽、污染物生成、以及受热面热负荷分布等。燃料适应性广是CFB 锅炉最显著的优势之一，丰富床料蓄热和高效物料循环构成了这项优势的 两大基础条件，且均与气固流态密切相关。本节将从燃料的着火与燃尽、污染物生成与控制、受热面安全三方面，进一步剖析拓宽CFB 燃烧技术燃料适应性的理论基础。
3.2.1 CFB 锅炉内的燃料着火与燃尽
与CFB 化工反应器不同，CFB 锅炉床料颗粒粒径分布广，即宽筛分特性。在一定流化风速下，终端沉降速度大于流化风速的粗颗粒在扬析等作用下，至多上抛达到输送离度(TDH)，回落沉积在炉底构成密 相区主要部分。若燃烧室高度大于 TDH，这部分粗颗粒不参与循环，密相区流态表现为鼓泡流态化。粗颗粒不能构成燃烧室上部的快速床，从这个意义上被称为无效床料。但密相区的鼓泡床形态也促进了颗粒混合，从而保证燃烧室横截面的燃料扩散 以及温度均匀分布。
终端沉降速度低于流化风速的细颗粒能够被上升气流所夹带，并参与CFB 锅炉外循环。若循环系统的分级保存效率足够高，以至于在燃烧室内超过了该气速下该粒度颗粒的饱和夹带率，则在燃烧室上部能形成快速床状态。这部分细颗粒主导了CFB 锅炉炉膛向受热面的传热中颗粒对流作用分量，所以这部分细颗粒存量被称为有效床料。因此，CFB 锅炉内的宽筛分颗粒流事实上形成了“鼓 泡床+快速床”的复合流态，是CFB 锅炉内气固流态的最重要特征，如图 2 所示。
这种复合流态为难燃燃料的着火和燃尽提供了有利的条件。一方面，炉膛底部的无效床料虽然对受热面的换热过程影响不大，但粗颗粒和细颗粒一起形成了一个巨大的流动蓄热体，该蓄热体的热容量约为入炉燃料热容量的102 ~103倍。燃料颗粒进入这个蓄热体之后与热物料充分混合，升温速率可达104K·s ?1 ，迅速被加热到着火点温度之上，保证了燃料稳定着火。另一方面，燃料颗粒与有效床料在气泡破碎的过程中被抛出床层，随着气流上行并发生团聚现象，形成颗粒团。颗粒团在向下的重力和向上的气流曳力的共同作用下反复破碎聚并，形成强烈的轴向返混。该过程提升了燃料在炉内的停留时间，保证了难燃颗粒的燃尽。燃料颗粒与空气充分接触反应放出的热量被大量床 料吸收，进一步通过辐射和颗粒对流作用传递给受热面。
由于CFB 锅炉拥有上述特殊的气固流态特征，可根据燃料着火和燃尽特性选择一个合适的流化状态，针对性地设计锅炉结构与操作参数，使之适应复杂多样的燃料。基于此，CFB 燃烧技术在煤泥、煤矸石等难燃燃料的利用中取得了显著进展。
3.2.2 CFB 锅炉的污染物排放控制
受限于我国的环境容量，2015 年以来，要求火电机组实现超低排放。面向该要求，CFB 锅炉可通过进一步优化气固流态，结合炉内低氮燃烧和石灰石脱硫等手段，实现SO2 和 NOx原始超低排放，体现出其低成本污染物控制方面的优势，这对于提升CFB 锅炉的燃料适应性同样具有重要的意义。
针对如何脱除燃煤过程产生的SO2 而言，CFB 锅炉与煤粉锅炉在脱硫原理上显著不同。煤粉燃烧锅炉是采用微米级的石灰石粉溶解在酸性水中构成石灰石乳液喷雾清洗烟气中的SO2，即所谓湿法脱硫。湿法脱硫钙硫比接近反应摩尔比，石灰石利用率高；但装置复杂，设备投资大，运行控制复杂。 而CFB 锅炉则是利用运行温度接近理想的钙基脱硫反应温度，将接近循环物料粒度的石灰石直接送入燃烧室，经煅烧后活性较佳的石灰颗粒直接与SO2 发生气固反应。炉内脱硫过程简单，无需额外 的脱硫装置；但是生成的CaSO4 分子体积大于 CaO 分子体积，往往覆盖在未反应 CaO 内核表面，阻止了 SO2 气体深入颗粒内部反应，因此钙利用率相对较低。
解决CFB 锅炉相同钙硫比条件下脱硫效率低的关键仍可从流态优化入手。研究发现，降低石灰石粒度可显著增加反应表面积；但同步必须保证小粒度的石灰石颗粒在燃烧室有足够的停留时间。即存在一个与分离器效率相匹配的脱硫石灰石最佳粒度分布，如图3所示。工程实践证明，强化分离器分离效率，采用对应的石灰石粒度分布，在 钙硫比为2左右时，脱硫效率可达99%以上，即仅依靠炉内脱硫能够直接满足SO2 排放浓度低于35 mg·m?3 。
对煤燃烧NOx 排放而言，在CFB锅炉内，热力型NOx和燃料型 NOx都可以得到有效地抑制。如上文所述，由于流态化下燃料燃烧放出的热量能够 迅速被周围床料传导出去，CFB 锅炉内温度分布均 匀(800~900℃)，几乎不存在高温热点，热力型 NOx 生成可以忽略。在这种中温条件下，燃料型NOx 原始生成本身也较少。更重要的是，CFB 锅炉内特殊的气固流动状态构建了有助于抑制燃料型NOx 生成的还原性条件。
炉膛底部密相区内颗粒主要处于乳化相中，乳化相内的气固状态接近最小流化状态，其余空气主要存在于气泡中。在乳化相内，过量空气系数远小于1，燃料处在强还原条件下；炉膛上部形成了颗粒团聚的快速床状态，颗粒团内依然保持一定的 还原性气氛。这种还原性气氛的构建有助于抑制 煤中N元素向NOx的转化。特别的，颗粒相中存有大量“即燃碳”，能够直接还原已生成的NOx ； 研究也发现，CFB 锅炉循环灰中的活性物质对 NOx 还原也具有一定的催化作用。
上述发现证明了气固两相宏观流态、介观传质与微观化学反应之间存在紧密联系。因此，面向超低排放要求，可以通过进一步调整流态，增强炉内还原性气氛来进一步降低原始排放。具体来说，将分离器最高分级分离效率点向更小粒径迁移、降低给煤粒度，使平均床料粒度降低，即“床质量”提高、循环量增大，导致CFB 局部气固流动状态发生变化，如密相区气泡相体积分数增加、稀相区颗粒 悬浮浓度升高、颗粒团聚与边壁流效应增强等。继而通过改变活性颗粒空间分布、传质和传热等作用间接影响气氛和温度分布，自发营造出更加具有还原性的局部气氛条件，显著提高还原性即燃碳存量，从而减少NOx初始生成或促进对NOx还原。工程实践表明，CFB 机组仅依赖低氮燃烧优化，也能直接实现 NOx原始排放低于 50 mg·m?3 。
通过流态调控反应的基本思想，也同样适用于掺烧乃至纯烧生物质、污泥、工业废气、氨氢等低碳或低热值燃料的CFB 锅炉，尽管这些非常规燃料的燃烧与污染物生成特性与煤相比有很大区别。工程案例证实低碳灵活燃料CFB仍能实现硫氮污染物原始超低排放。
3.2.3 受热面安全
受热面安全也是入炉燃料变化时需要考虑的重要问题。一方面，由于燃料的燃烧速率、释热速率和火焰辐射特性有所不同，这使得燃料变化时炉膛内的热负荷分布不同，具有受热面过热的风险； 另一方面，不同燃料的燃烧产物存在差异，这也造成了受热面的结焦、沾污、腐蚀规律随燃料的变化而不同。
对于煤粉锅炉和燃气锅炉而言，其炉膛内的传热以火焰自身的辐射传热为主，不同位置受热面接受的辐射热流差异较大，分布不均匀。燃料特性直接决定了火焰形态，辐射热流密度分布受到燃料变化的显著影响。
而对于CFB 锅炉而言，燃料燃烧产生的热量被床料吸收，炉膛内的传热以细颗粒循环床料的辐射和对流传热作用为主。在 CFB 炉膛底部，密相区燃烧反应剧烈，放热率高，但该区域一般无受热面布置；炉膛上部则布置有大量受热面(包括蒸发受热面、高温过热器和再热器等)，但稀相区剧烈的颗粒返混带来的热质交换，不仅使炉内热流分布更加均匀，还可以有效减弱燃料变化对热负荷分布的影响。这样，在确定了定态设计中的“态”后，炉内热负荷主要与温度和受热面面积相关。
以某135MWe 超高压CFB机组(BD-135)和某350MWe 超临界 CFB机组(HP-350)为例(如图4所示)，两台锅炉实际运行时炉膛上下温差较小。虽然两台锅炉的燃烧释热主要集中在炉膛中下部，热量吸收主要处在受热面布置较多的上部区域，但强烈的气固流动使得温度分布趋于均匀。
燃料中硫元素含量影响到受热面安全，需引起关注。燃料中的有机硫在燃烧后会随着炉内温度、气氛变化在SO2、H2S 和COS 3种形态之间转化； 燃料中的无机硫在燃烧后的灰渣中主要以硫酸盐的形式存在。煤粉锅炉一般采用炉外烟气脱硫的手段。随着环保要求的日益严格，煤粉锅炉低氮燃烧技术已经得到广泛应用。采用低氮燃烧技术的煤粉锅炉需要在煤粉燃烧器附近构建还原性环境以抑制NOx的生成，这种高温还原性环境使得燃料中的有机硫主要转化为H2S，极易造成受热面腐蚀。
当入炉煤中硫含量超过1%时，H2S 腐蚀就需要引起重视。虽然可采用贴壁风等手段缓解H2S腐蚀， 但无法从根本上解决该问题。同时，煤粉锅炉炉膛内燃烧温度高(局部燃烧温度高于1500 ℃)，这导致飞灰中的低熔点硫酸盐(Na2SO4 等)熔融蒸发，在受热面凝结，形成沾污层，在灰中的钒等金属元素的共同所用下，产生高温硫酸盐腐蚀。 对 CFB 锅炉而言，炉膛内受热面主要布置在上部稀相区；而燃烧集中在炉膛中下部，燃料中大部分硫元素也随之在该区域析出并转化。稀相区整体上氧含量适中(仅颗粒团呈现局部还原性)，避免了 H2S在高温受热面表面的富集，从而在机理上避免了H2S 腐蚀问题。CFB 锅炉内燃烧温度控制在800~900 ℃，一般情况下低于煤灰的熔融温度，受热面本身不易发生沾污问题，且炉膛内受热面受到近壁面颗粒下降流的冲刷“清洗”，避免了硫酸盐型高温腐蚀的问题。因此，CFB 锅炉对燃料中硫元素含量要求较为宽泛，可以燃用含硫量高于3%的 高硫煤。
然而，如果燃料中碱金属、碱土金属和卤族元素含量较高，受热面表面沾污结渣引起的腐蚀问题需要特别关注。将易受腐蚀影响的高温受热面布置在CFB 锅炉的物料主循环回路中，利用循环灰冲刷清洁受热面、减轻腐蚀的技术手段已经得到工程证实。因此，CFB 锅炉在燃用生物质、固体废弃物等成分复杂燃料时也有显著的优势。
四、 低碳燃料的 CFB 燃烧技术研究展望
CFB机组的低碳化是重要的发展方向。《煤电低碳化改造建设行动方案(2024-2027)》中将生物质掺烧和绿氨掺烧作为煤电低碳化改造和建设的重要手段。此外，工业生产过程中会产生大量的低热值废气，充分利用这些低热值废气燃烧供能，既是经济的废气无害化处理手段，也是系统节能降碳的重要方式。据此，下文将探讨燃用生物质、氨和典型低热值废气的CFB 燃烧技术。
4.1 生物质的 CFB 燃烧技术
作为唯一具有与传统化石能源相同可调度性的新能源，生物质直燃发电对于加快构建新型电力系统、加速双碳目标实现具有重要意义。
生物质富含钾、氯等低沸点盐，引发锅炉受热面粘污和腐蚀，限制了蒸汽参数及锅炉效率的提高。此前国内外所有生物质锅炉蒸汽参数均不超过高温高压，更没有再热，导致生物质直燃发电的经济性不佳。而CFB 锅炉借助自身独特的气固两相流动特点，有望突破上述技术瓶颈。详细讨论参见文献，其中技术关键点介绍如下：
首先，生物质富含的低沸点盐蒸发进入烟气，在受热面表面冷却凝结并被颗粒吸附，逐渐生长为沾污层，而表面沾污是进一步引发炉内高温受热面腐蚀的最重要诱因。因此可考虑将所有过热器、再热器等高温受热面布置在炉内，利用CFB 大量循 环物料持续冲刷受热面表面，以“磨”抗“污”，保持受热面表面清洁的同时自然缓解了腐蚀问题， 具备了提高主蒸汽与再热蒸汽参数的客观条件。
其次，携带黏性颗粒烟气横掠尾部对流受热面过程中，容易冷却沉积在金属表面形成一定厚度的沾污层，既堵塞了烟气通道、降低表面换热，又加剧了低温酸腐蚀风险。可考虑在含盐烟气离开分离器但进入对流受热面之前，先借助与四周受热面的辐射换热，加速盐蒸汽凝固成没有黏性的颗粒，从而避免其在下游受热面上的凝结与粘附。此外，烟气速度、来流方向、颗粒浓度与粒度等各参数均在不同程度上影响了沾污层生长速率。在高温受限空间内，合理设计对流受热面结构特别是采用大曲率管径、大截距、平行流设计，顺列布置管束，控制烟气流速在7.5~9.5 m·s ?1 ，可进一步缓解对流受热面表面沾污。同时，流态优化不仅能够有效解决受热面沾污腐蚀问题，还可以保证生物质燃料的燃尽率。正如3.2.1 节所述，流态优化不仅显著延长了燃料在炉内的停留时间，还增强了传热传质和燃料颗粒在空间分布的均匀性，促进了燃料与空气的混合，这使得同种生物质燃料在循环流化床内的燃烧效率一般高于其在炉排炉中的燃烧效率。
另外，由生物质低熔点灰分引起的床料颗粒烧结团聚问题，针对不同种类生物质灰熔融温度窗口，合理设计炉膛温度，可有效避免床料结渣团聚。还可充分利用生物质夹带黏土中富含的含铁含铝类物质对碱金属的强吸附作用，显著提高灰熔点。
延承CFB 流态优化技术思想，通过改善分离器效率、调控生物质夹带外在灰分等措施，着力提升物料循环系统性能，以降低床料平均粒度(<100 μm)、提高循环量(>7 kg·m?2 ·s ?1)，可通盘解决生物质直燃锅炉燃烧效率(延长细焦炭颗粒停留时间并增强传热传质)、全回路防结渣聚团(避免高温热点，提高流化质量)、高温受热面沾污腐蚀(物料冲刷反制)、NOx原始排放等问题。
根据上述思想，形成生物质直燃CFB 锅炉技术路线，如图5所示。据此研发的6~125 MW 系列生物质CFB 锅炉(包括亚洲参数最高的泰国Greenenergy 公司125MW 超高压一次再热生物质锅炉)，在纯燃秸秆等高碱高氯农林废弃物条件下，连续运行时间可至10个月、锅炉效率超过91%、 CO排放浓度仅为 100~400 mg·m-3 、硫氮污染物直接实现原始超低排放、宽负荷稳定运行能力达 30%~100%。
上述工作从原理上和实践上都证明了CFB 锅炉高比例燃用生物质具有可行性，未来可在燃煤机组低碳化的进程中发挥重要作用。
4.2 氨燃料的 CFB 燃烧技术
燃煤机组掺氨燃烧相关研究起步较晚，但近5年发展较快。在煤粉锅炉掺氨燃烧方面，日本的JERA 公司、IHI 公司，我国的国家能源集团和皖能集团都完成了初步的工程试验，对实际燃煤锅炉高比例掺氨燃烧进行了有意义的探索。
与甲烷、氢气等常见的气体燃料相比，氨的着火温度高(~657℃)、火焰传播速度极低(化学当量下与在空气燃烧时0.07~0.08 m·s ?1 )，并且燃料氮元素比例高(质量分数~82.4%)，可以预期氨燃料面临两方面挑战：1）着火难和燃烧稳定性差；2）燃烧过程中存在大量燃料型 NOx生成。为改善氨的着火和稳燃特性，学者们提出了多种解决途径，包括氨与活性更强的燃料(如甲烷、氢、合成气等)掺烧、预热(预裂解)燃烧、提升氧气浓度燃烧、特殊燃烧器燃烧(等离子助燃、多孔介质燃烧)等。在控制氨燃料 NOx 排放方面，也逐渐形成共识：无论是纯氨燃烧还是掺氨燃烧，需要将氨的主燃烧区(即大部分氨燃烧的区域)控制为还原性气氛，进行分级燃烧。分级燃烧条件下氨分子脱H后生成的 NHi 自由基可将 NO 还原为N2，抑制NO生成，而不是被O、OH、O2 等氧化性组分氧化为NO。
综上，燃煤CFB 锅炉掺氨燃烧还处在初步探索和数据积累阶段。但无论是纯烧氨还是掺烧氨，CFB燃烧技术在解决氨稳燃和NOx控制方面，具有独特的优势：
1）从原理上能够解决氨不易着火、燃烧不稳定的难题。
CFB炉膛中存在大量循环流动的热颗粒，热惯性大且气固混合强烈，使得燃烧处于传热传质强烈的高温环境，燃烧劣质燃料是其独特的 优点。
2）CFB 内较为强烈的还原性气氛为控制氨燃烧的NOx生成提供了有利的条件，结合分级燃烧有望经济可靠的达到较低的 NOx原始排放。
3）强烈的气固混合保障了炉内分级燃烧的NOx 控制效果。
已有研究表明二次空气与上游燃烧产物的混合不均匀时分级燃烧降低氨燃烧NOx 排放的效果大幅下降，这给氨在大尺寸炉膛的实施带来巨大挑战，而 CFB床内独有的强烈气固混合当可很好地克服这一负面效应。
基于上述优势，可以推断CFB燃烧技术是纯氨燃烧或掺氨燃烧的可选技术路径，值得进一步的探索和实践。
4.3 超低热值工业废气的 CFB 燃烧技术
超低热值工业废气的燃烧利用是废气无害化处理和节能减碳的有效手段。超低热值工业废气来源多种多样，成分复杂，燃烧性质特殊，这给燃烧技术提出了挑战。近些年，CFB 燃烧技术处理超低热值工业废气取得了一定进展。下文将以典型钢铁生产过程中产生的烧结烟气为例，讨论其 CFB 燃烧技术的特点和优势。
烧结烟气是钢铁企业的烧结工艺产生的废气，具有如下的特点：
1）量大且不稳定，生产每吨烧结矿可产生1500~3 000m 3 烧结烟气；
2）热值较低，其中燃料成分主要为CO，约占0.4%~1%，此外还含有12%~18%的O2 和近80%的惰性成分(N2、CO2 和 H2O)；
3）有害成分复杂且含量高，含有0.03%~ 0.2 %的 SO2、0.015%~ 0.05%的 NOx、5~30 g·m?3 的粉尘，并且带有一定浓度的二噁英。国家《关于 推进实施钢铁行业超低排放的意见》中提出了颗粒物、SO2、NOx 排放浓度小时均值分别不高于10、35、50 mg·m?3的要求。GB 28664-2012 国标中要求烧结烟气中二噁英排放浓度低于 0.5ngTEQ·m?3 ，部分地方标准出台了更为严格的0.1ng TEQ·m?3 的排放限值。烧结烟气的净化过程大多采用“电除尘+湿法脱硫+SCR脱销+布袋除尘”的方式，给钢铁企业带来一定的经济负担，并且烧结烟气中的CO 等可燃成分没有得到有效的利用。
CFB燃烧技术为烧结烟气的净化和能量回收提供了一种新的思路。烧结烟气本身含有12%~18% 的氧气，原理上可以替代空气作为氧化剂，但需要考虑低氧浓度(低于21%)下的燃烧稳定性问题，而CFB 中循环流动的高温床料提供了稳燃的先决条件。烧结烟气中的CO 可以通过参与燃烧回收其能量；SO2 可以通过炉内添加石灰石的方式脱除；NOx可以通过构建炉内的还原性气氛进行初步的还原，并进一步通过SNCR方式进一步脱除；粉尘可以通过燃烧过程回收其有机部分的能量，并进一步通过CFB 装备尾端的除尘器脱除；控制炉内温度约为 850℃，可以使得烧结烟气中的二噁英充分的分解，分解后的小分子产物被大量循环物料吸附，阻断其再次化合为二噁英。 基于上述原理，可以形成如图 6 所示的烧结烟气的 CFB 燃烧处理技术。工业实践表明，采用上述CFB 技术原理设计的烧结烟气净化装置，当进入装置的烧结烟气氧量在10%左右时，装置仍可正常稳定燃烧，运行时装置尾部排放烟气的O2 体积分数在 1%~2%，CO 浓度在100 mg·m?3 左右，颗粒物、 SO2、NOx排放浓度均满足 10、35、50 mg·m?3 的超低排放要求，二噁英的脱除率超过了99.5%。更重要的是，上述装置不仅成功对烧结烟气进行了无害化处理，更回收利用了其中的热量，可以获得发电或供热的收益，减轻了企业的经济负担，具有良好的推广前景。
五、结论与展望
面向双碳目标，进一步拓展CFB 锅炉燃料适应性广的优势，发展低碳多元燃料CFB燃烧技术是 煤电机组低碳化的重要途径。CFB内特殊的气固流动状态所形成的大量蓄热颗粒和高效物料循环从原理上为 CFB 燃烧技术适应生物质、氨燃料和工业副产废气等低碳燃料提供了条件。
针对难燃燃料，CFB 炉膛内由床料颗粒形成的蓄热体和气固流动带来的高效传热传质可产生达104 K·s ?1的加热速率，保证了燃料的着火；强烈的颗粒轴向返混又为燃料颗粒提供了足够的炉内停留时间，保证燃尽。
针对高硫燃料，CFB 燃烧技术可采用炉内添加石灰石的方式高效低成本实现在线脱硫，炉膛内构建的特殊温度和气氛又可避免 H2S 高温腐蚀。针对燃料型NOx生成量较大的燃料(如氨燃料)，可以通过优化炉内气固流态，增强局部还原性气氛，促进 NOx深度还原。针对生物质等碱金属含量高的燃料，可以利用循环物料以“磨” 抗“污”、减轻腐蚀，保障受热面安全，提高蒸汽参数。
面向超低热值工业废气，可以利用CFB 燃烧 技术对其进行无害化处理的同时回收其热量，实现“变废为宝”，提升系统能效和经济性。
实践表明，生物质CFB 燃烧技术已经向着高参数、大型化迈进，高可靠的超高压一次再热生物质直燃 CFB 锅炉技术已经成熟，具有广阔应用前景。
钢铁生产过程中产生的烧结烟气已被实践证明可用CFB 燃烧技术净化处理，能够显著提升了系统经济性。
对于氨燃料，CFB 燃烧技术在解决其燃烧稳定性和燃料型氮氧化物控制方面具有潜在优势，值得进一步开展验证性研究。
提高多元燃料CFB 燃烧发电技术的负荷灵活性，也是未来的重要发展方向之一，即开发“安全、 高效、灵活、智能、清洁、低碳”六位一体的CFB 燃烧发电技术。这需要克服燃料多元对负荷灵活性带来的新挑战，需要掌握多元燃料制备与输运系统在低负荷下的稳定性和变负荷响应特性规律、高比例低热值燃料在低负荷下的燃烧稳定性等。
综上，经过了几十年的努力，我国CFB 燃烧技术度过追赶阶段、并跑阶段、领跑阶段，目前我国已是国际上技术最先进、生产能力最强、CFB 锅炉装机容量最大的国家，CFB 燃烧技术已经为我国经济发展提供了大量廉价的电力，有力地支撑了过去几十年我国经济的快速发展。
面向国家能源安全的重大需求和能源消费、供给、技术和体制的深远革命，CFB 燃烧技术拥有良好的前景，需要进一步挖掘通过流态调整提升燃料适应性的能力，形成能够适应多元低碳燃料，污染物控制成本低廉，负荷变化范围宽的新一代CFB 燃烧技术，为加快建设新型电力系统提供支撑。
来源：公众号“热电运营顾问”
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