核聚变反应的容器——循环流化床锅炉的前世今生

作者: 那永洁

来源: 科学大院

发布日期: 2017-02-24

本文详细介绍了循环流化床锅炉的发展历程,从原始社会的无容器烧火到现代的循环流化床锅炉,讲述了各个时期的技术进步和创新,以及这些技术如何推动社会和工业的发展。

原始社会,我们的祖先烧火并没有容器的概念,他们在地上聚一堆柴、点一把火,暴露在空气中(形成自然对流),风吹火生,大风一吹火就灭了。燃煤技术催生了铁器时代,冷兵器时代,当铁质兵器与青铜兵器开战时,胜败是不言而喻的(当然是铁器啦)。炼铁需要将煤块装入炉膛同时配上人工鼓风直接吹入炉膛,产生高达1300摄氏度的温度,才能得到铁水,打造铁具。可见,正是燃煤技术的发展推动铁器时代取代了青铜时代。

第一次工业革命再往后呢,就出现了炉篦,这家伙是炉膛底部托住煤块的铁条组成的平板,它既可以让空气流向炉膛,也可以让煤渣排出炉膛,使煤炭燃烧过程连续不断。这个不起眼的小家伙,通过在燃煤技术上发挥的作用,逐渐演绎出了大家耳熟能详的瓦特、日不落大英帝国和第一次工业革命的故事。

电气时代时间的指针到了十九世纪,朗肯(英国科学家,1820-1872年)为蒸汽机画出了美丽的前景,这时候依靠劳苦功高的炉篦的燃煤技术吃老本已经不给力了。如日中天的欧洲人一怒之下将煤块全部磨成粉,用喷嘴喷入炉膛,创造出了煤粉锅炉。这下可好了,煤炭这一变身甩开了所有的束缚,煤粉争先恐后地投入空气的怀抱,那一瞬间真是电光火石,燃烧得那叫痛快。

这股热情也感染着一壁之隔的水蒸汽从低温低压不断跨过中温中压、高温高压、亚临界、超临界,直至超超临界,舞动的水蒸汽驱动着汽轮机和发电机,将电气时代的光辉洒满了整个地球。回归中国煤粉锅炉功能强大,却是一个极为挑食的娇气宝宝,只能吃细磨的精粮(煤粉)。

二十世纪六十年代,我国赵宗燠院士(中科院院士,1904-1989)创造性地发明了一种命名为沸腾炉的锅炉,可以燃烧用于炼油的油母页岩(一种含油的岩石)的下脚料,这种创新为解决煤炭粗粮的出路问题提供了方向。沸腾炉里的燃烧就像煮稀饭一样咕嘟咕嘟,加入炉膛的煤粒比花生米小,在速度约每秒/米的风的吹动下边翻腾边燃烧。沸腾炉的胃口好了,日子自然也过得红红火火,一时间神州大地投产了两千多台沸腾炉。

不过,沸腾炉还是太小气,加入炉膛的燃料都拘泥在小小的炉膛底部的沸腾床中,这个心胸和气量相比起煤粉锅炉差太远了,终究上不了大台面。一大批科研人员前赴后继地投入解决沸腾炉的这一局限之中,郭慕逊院士(中科院院士,1920-2012)在理论上已接近突破了,但是最终捅破窗户纸的却是远在北极圈的芬兰人。

其实方法很简单,只是将风吹的速度从每秒1米提高到每秒5米以上,将所有的煤粒都吹起来,不再只待在炉膛底部的沸腾床上,而是到更大的空间去,到炉膛的每个角落去。有人要问了,跑出了炉膛可怎么办,不用怕,门外有把门的,这个门卫就是高温气固分离器,它将吹出炉膛的煤炭颗粒收下来,再通过输送管道送回炉膛继续燃烧。沸腾炉这一变身,就是我们的循环流化床锅炉诞生啦(1979年)!

循环流化床带着初生牛犊不怕虎的气质,五谷杂粮来者不拒,大气挺拔立意高远前途无量。煤被赋予了欢腾的生命在循环流化床锅炉中,煤粒被赋予了生命,煤粒按照个头大小被分派了不同的任务:玉米粒般的大颗粒燃烧所需要的时间比较长,也比较懒惰,就在炉膛的底部慢慢烧,守住炉膛底部的温度;绿豆个头大小的颗粒比较灵巧,但是太高的炉膛也懒得去,那就在炉膛底部和中部之间传递热量。

最积极的是不到小米大小的颗粒,也是占最大多数的基层群众,服从分配任劳任怨,怀揣着热量钻到炉膛的每个角落去,将燃烧的热量在炉膛内分布得匀匀的,将一壁之隔的水蒸汽伺候得舒舒服服,这下子再也没有煤粉锅炉中温度高低分布严重不匀的问题了。这些不到小米大的煤粉吹出炉膛后,身上仍有没烧完的碳,还不到退休的时候,因此高温气固分离器门卫便劝告它们留下来返回炉膛继续循环工作。

最细的如面粉一般的煤,跑过炉膛时所有的碳都燃烧完全了,高温气固分离器便也就不挽留了,它们走了也不闲着,带着热量到尾部烟道去,给那里等着的水、蒸汽和空气一点余热。烧完的煤粉彻底离开锅炉后,不能通过烟囱乱跑去污染环境,而是被整装运去水泥厂里好好安置。

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