技术
1 前言 循环物料平衡、热量平衡和高的燃烧效率是循环流化床（CFB）锅炉正常运行的基础［1］。实际运行发现，对一定的燃料，添加循环物料是保证CFB锅炉正常运行的必要手段［2］。循环物料的平衡与CFB锅炉的运行状态有关。在正常的运行状态下，CFB锅炉以CFB方式运行，锅炉的满负荷设计也是按在CFB运行条件下进行的。因此，CFB锅炉的循环物料平衡要满足CFB运行的需要。
CFB运行方式指炉内有足够的循环物料，这些循环物料在炉膛内部参与物料的内循环，在外循环回路能够保证分离器立管有料封能力。这样在炉膛压力分布和物料浓度分布上，炉膛下部和中上部之间存在明显的过渡区域，炉膛整体温度沿床高均匀分布，炉内受热面有足够高的换热系数。在物料粒径分布上，炉膛中上部的物料颗粒主要在1mm以下，外循环物料粒径主要集中在0～0.3mm之间。
如何实现CFB锅炉的循环物料平衡并获得所需的循环物料粒径分布是CFB锅炉运行的关键。循环物料的平衡同燃料的成灰特性有关，而目前在理论上对燃料成灰特性的研究还远远不够。如何从工程应用的角度研究循环物料的平衡并简化燃料的成灰特性是研究的重点。
2 炉内循环物料平衡实现的过程和方法 2.1 循环物料平衡实现的过程 CFB锅炉在启动之前通常需要添加一定的床料，其主要目的是保证CFB锅炉点火时炉内热量较为均匀的分布，实现顺利点火。待物料达到稳定着火温度后开始投煤，随着燃煤量和风量的增加，锅炉负荷也逐渐增加，同时炉内开始积累循环物料。当循环物料积累到一定程度，CFB锅炉从鼓泡床运行状态过渡到CFB运行状态，表现出CFB的典型运行特征。具体的运行参数：炉膛上部的空隙率0.995左右，即物料浓度在10kg/m3左右，分离器入口的物料烟气携带率约为4kg/Nm3。
在物料平衡的实现过程中，循环物料的积累是CFB锅炉运行的关键。大量的实践运行证明，当循环物料积累到一定的程度，炉膛的整体温度很快变得均匀，锅炉出力迅速增加。 2.2 循环物料平衡实现的方法 在CFB锅炉的物料回路中，按物料的分布位置和作用可以分为三个区域：炉膛下部区域、炉膛中上部区域、外循环区域。在这三个区域存在着不同的物料平衡分布特征［3］。炉膛下部区域为物料高浓度区域，物料主要为粒径较大的物料颗粒和入炉燃料。炉膛中上部区域为可扬稀夹带的循环物料，物料在炉内的流动方式为核-环方式。外循环区域内的物料是由气离开炉膛携带出的，由于分离器的分离作用，大量的物料能够分离下来，并在分离器立管内形成料封，防止炉膛烟气通过回料阀进入分离器。由于循环物料在参与内循环的同时有一部分由于烟气的作用进入物料外循环，要保证物料平衡的实现，分离器的分离效率是一个重要的参数。如果分离器的分离效率低于一定的值，入炉补充的循环物料无法弥补物料的损失，物料平衡难以实现，循环物料粒径将变粗，CFB锅炉表现出鼓泡床运行状态，锅炉出力不足，即使运行空床速度为满负荷设计值甚至更高。
一般条件下，对灰份在20～40%之间的燃料，通过分离器的分离作用可以积累实现物料平衡所需要的物料量。在不额外添加循环物料的条件下，循环物料来源于燃料自身的灰，因此循环物料与燃料的成灰特性有密切关系。就目前的研究水平看，要准确的预测入炉燃料在炉内的灰粒径分布是不可能的。但是将物料在炉内的分布分为两个区域后，从循环物料的平衡实现出发，可以通过底渣份额大致判断出燃料的成灰特征。例如有些燃料尽管灰份很大，但破碎程度很差，需要很长的时间形成循环物料。而实际运行中，当炉膛（或风室）压力到一定值后就需要排渣，这样大部分灰份在形成循环物料以前就以底渣形式离开炉膛。因此，燃料的灰含量并不是评判循环物料平衡是否能够实现的惟一参数。
对一些高挥发份低灰份燃料，往往需要定期添加一定的循环物料以维持CFB运行方式所需要的物料平衡。对高灰份燃料，如果物料破碎性能较差，底渣份额很高，循环物料往往需要较长时间的积累，当积累的速率小于分离器的逸出率，则炉内的物料浓度将维持到较低的水平，CFB锅炉往往以鼓泡床方式运行。如果高灰份燃料的破碎性能很好，则炉内的整体物料粒径减小，炉膛下部粗颗粒份额降低；对小型试验台，由于燃烧室的截面积很小，当底渣平均粒径减小到一定程度，燃烧室下部较难形成稳定的密相区，这时往往采用排放循环灰来控制燃烧室内的物料量。
从以上分析可看出，CFB锅炉炉膛内的物料平衡实际是炉膛下部和炉膛中上部的物料平衡，对宽筛分燃料尤其如此。炉膛下部的物料平衡通过控制炉膛下部的压力平衡就容易实现。对炉膛中上部物料的物料平衡，在一定的运行条件下，CFB锅炉所需要的循环物料量（即炉内贮存的循环物料量）是一定的，CFB锅炉物料平衡的调节就是调节锅炉中上部的循环物料量。炉膛下部的底渣排放是控制循环物料量的有效手段之一，循环物料的添加也是非常有效的方法，控制入炉燃料粒径对循环物料量的调整也有一定的作用。
3 成灰特性的简化分析方法 正如上面分析所述，工程上所关心的是实际入炉燃料灰在可能通过底渣被排放出炉膛前有多少灰可以形成循环物料，没有必要严格地研究分析入炉燃料成灰特性的细节。当形成的循环物料量不够则额外地添加循环物料或减小入炉燃料粒度；当循环物料量远大于所需要的物料量后，则额外增加循环物料的排放量，实际锅炉中可以通过底渣或循环灰排放掉，这种情况下炉膛下部的物料平均粒径减小，炉内的整体物料粒径趋于一致。因此，燃料的成灰特性在实际工程应用中就是判断燃料中的灰在炉内的循环物料生成量是否满足物料平衡的需要，是否添加循环物料，在底渣份额较大而循环物料量不够条件下如何调整燃料粒度。从以上分析还可看出，如果简化分析燃料的成灰特性，则底渣份额或飞灰份额有重要的物理意义。
在理论上，对特定的燃料和运行工况，底渣份额αdz和飞灰份额αfh有一个循环物料平衡所需要的理论值。假定分离器的物料分离效率为η，燃料的灰份为Aar，燃料消耗量为B，则进入分离器的物料量Mout为： 
在一定的运行工况下，进入分离器的物料烟气携带率φ为一个较为稳定的值（该值与炉膛中上部的循环物料量应该存在一定的关系，具体的关系还需要进一步的理论研究和实践测量），循环物料量的变化也是围绕着φ值进行变化。这样，假定炉膛出口的烟气量为Vy，（计算）燃料消耗量为Bj，机械不完全燃烧损失为q4，则φ值为： 
由上式可看出，αfh与Aar有关外，还与运行参数φ、Vy 、q4和η有关。对应一定的运行工况，在锅炉结构和燃料参数确定后，αfh是一个较为确定的值。锅炉底渣排放的控制就是调整底渣份额αdz满足循环物料平衡对αfh的要求。
4 平衡灰份A0的计算 已有的工程应用发现，对低灰份燃料要实现CFB运行方式所需要的物料平衡，添加一定的循环物料是十分必要的。如何确定燃料燃烧是否需要添加循环物料呢？
正如上面分析，CFB运行方式存在对αfh的要求。因此在理论上对具体的燃料而言，要满足循环物料的平衡，要求燃料灰份中有一部分灰份能够形成循环物料。定义循环物料平衡所需要的该部分灰份为平衡灰份A0。为处理简单，假定燃料的成灰特性为燃料灰全部生成循环物料量，即αfh=1。在满负荷运行条件下，φ取4.0kg/Nm3，η=0.993，q4=0.02，则A0满足： 
因此，理论上不添加循环物料又满足循环物料平衡的最基本条件为Aar>A0。显然，存在一个最小飞灰份额αfh,min满足： 
当αfh,min>1，需要添加循环物料。 字串8
表1为一些典型的煤质分析数据和分析结果，图1为Aar与A0的关系。从表1中可看出，随着燃料灰份的增加，单位热值所需要的燃料量增加，实现物料平衡所需要的A0降低。因此对高灰份燃料，底渣份额增加，单位热值所需要的燃料量也在增加，因而底渣量与燃料灰量并不成线性关系。从图1还可看出，当Aar<22%后CFB运行方式所需要的物料平衡难以实现，需要添加循环物料。
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工程应用中往往以燃料热值评估循环物料的添加。从图2可看出，Qar,dw与A0存在较好的线形关系，A0=0.84Qar,dw。因此由燃料热值也可大致确定是否添加循环物料，从图2可大致得出，当Qar,dw>23.5MW/kg，需要考虑添加循环物料。
η一方面反映了分离器对物料的捕捉性能，同时也反映了燃料生成细颗粒的能力。对褐煤，灰分破碎性能较好，细灰极易破碎，由于物料粒径变细，即使分离器的分离性能不变，η也会相应降低，A0增大。因此，燃料的成灰特性还通过分离器的分离效率表现出来。从工程应用上，燃料成灰特性的研究目的就是确定燃料能否满足实现循环物料平衡的需要。从定性方面研究可知，当燃料灰份在一定的时间内无法形成循环物料，则以底渣方式离开炉膛；当燃料极易破碎成细颗粒，则细颗粒很快通过分离器离开炉膛，分离器的分离效率由于燃料特性的影响而降低。对煤4、13和16，A0与η的关系见图3。可看出，对一般燃料只有分离器满足分离效率在99%以上才基本满足CFB运行方式所需要的物料平衡要求。
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5 循环物料添加量的评估 实际运行中，由于燃料的灰份不足需要添加循环物料满足CFB锅炉运行所需要的物料量。结合CFB锅炉炉内脱硫的要求，运行时需要添加一定的石灰石量。同时不同的燃料具有不同的自脱硫性能［4］，因而灰量会有一定的变化。实际的折算灰份AZS大于燃料的收到基灰份，不考虑灰渣中未燃烧的碳影响： 
对高硫较低灰份的燃料，通过石灰石的添加就可满足CFB运行的物料平衡，如表1中燃料4、6和7。石灰石的加入同时可以明显地改变炉内的物料粒径分布状态，底渣份额也会发生很大变化。
对低灰份褐煤，除了添加石灰石脱硫外，添加额外的循环物料是必要的。假定添加的循环物料量Mtj完全以飞灰方式离开炉膛，由上面分析可知，需要添加的物料量为： 
从上式可看出，如果添加燃料灰生成的循环物料，则分离器对添加物料的分离效率ηtj≈η，有可能需要定期添加大量的循环物料。因而实际运行中，往往添加一定的细河沙。这是因为细河沙不易磨损，颗粒密度较大，ηad→1，相应地需要补充的细河沙量也减小。
6 结论 对实际的燃料，并不是所有物料可以生成循环物料，一部分物料在一定的时间内难以破碎成循环物料，最终以底渣形式排出炉膛，添加的循环物料通过底渣的排放也有一部分被排出炉膛。考虑此因素，实际的A0应更小。不同的分离器结构存在不同的分离性能，不同的炉膛结构和设计参数所要求的炉内循环物料量不相同，对应的φ值有所变化。因此，公式4计算的A0可作一定的参考，具体的数据还要根据具体的状况进行调整。
