超临界及超超临界循环流化床锅炉技术研究与应用

2 超临界循环流化床锅炉的开发

超(超)临界循环流化床锅炉的技术核心是水冷壁的设计问题。这涉及到水冷壁的热负荷及其分布、管内超临界水的流动与传热。在亚临界条件下,自然循环的受热自适应能力使得设计中不用考虑热负荷问题,但是超临界下必须掌握热负荷的分布。

2.1 循环流化床燃烧室受热面的热流密度分布

CFB炉膛内受热面热流密度分布的本质是床向受热面的局部换热系数问题。针对气固两相流内受热面的换热特性进行了详细的研究[46],CFB炉膛中的换热机理可以简化为颗粒对流和空间辐射两项[47]。针对这两项机理,中国研究者开发了传热系数的测量手段,对不同容量的锅炉进行了详尽的工业测试,并提出CFB燃烧室床向受热面中的换热系数半经验关联式[14],考虑了床温、局部颗粒浓度、膜式壁几何尺寸以及管内工质温度的影响,能很好的符合工业测试以及国外学者报道的实验数据,见图4。

图4 换热系数与物料浓度和温度的关系

Fig. 4 Heat transfer coefficients vs suspension particle density and temperature

根据前述的物料浓度模型和床向受热面换热模型即可获得局部换热系数以及热流密度分布。为了检验其结果,在135MW和300MW CFB锅炉上利用有限元分析[48]进行热态现场测试[49-51],典型结果见图5。这一结果纠正了此前关于CFB水冷壁热流炉膛中间高、角部低的错误认识[52-53],为水冷壁的设计提供了坚实的基础。

135MW和300MW CFB锅炉上的现场测试结果与模型计算结果相比,见图6,该模型具有较好的准确性,与85%的数据误差都在10%以内。

图5 CFB锅炉沿水平方向热流密度分布

Fig. 5 Heat flux distribution along horizontal direction in a CFB furnace

图6 热流密度分布模型预测准确性

Fig. 6 Heat flux model accuracy (predicted vs. measured)

2.2 垂直管水冷壁管内超(超)临界水流动换热

超临界锅炉的关键是水冷壁。煤粉炉通过螺旋盘管实现高质量流速,但CFB中水冷壁考虑防磨必须用垂直管,工质流速远低于煤粉炉,超临界CFB无法借用煤粉炉的超临界知识和经验,低质量流速、低热流密度,此前没有该条件下的超临界水动力数据,因此开展了该条件下管内超临界水流动与换热的详细研究[54-55],填补了研究空白,见图7,并建立了换热和流动模型。发现了超临界CFB中管内工质质量流速的安全下限为36kg/(m2•s),远低于经典判据计算的200kg/(m2•s)[56]。进而开发了低质量流速一次上升垂直水冷壁、非连续双面受热水冷

图7 水动力学数据的研究

Fig. 7 Hydrodynimic investigation

壁等,用于炉膛设计。利用模型预测了水动力安全性[57-58],水冷壁出口汽温偏差模型预测小于20℃,该结果与锅炉实际运行数据非常吻合,见图8,汽温偏差实际运行不足17℃[59]。水动力学的工作涵盖了超临界CFB的参数范围,但是对于超超临界CFB锅炉,还要进行更宽范围的研究。超超临界CFB的技术核心是热偏差问题,但是热偏差的重点从水冷壁转移到末级过热器和末级再热器上。

图8 600MW CFB锅炉水冷壁出口蒸汽温度模型与实际运行数据对比

Fig. 8 Comparison of water wall outlet steam temperature between operation and prediction along horizontal direction in 600MW CFB boiler

2.3 超临界循环流化床锅炉工程实践

根据整体布置需要,发明了纵流式流化床换热器和相应的受热面固定结构,解决了埋管振动磨损的世界难题;开发了超临界CFB锅炉设计技术,首创了超临界CFB全逆流热力流程,解决了低温燃烧低负荷汽温偏低的问题;设计开发了600MW超临界CFB锅炉,结构上创造了诸多世界之最;开发了创新结构的制造工艺。

针对超临界CFB发电机组的控制问题,提出了即燃碳的概念和软测量方法,解决了CFB热惯性大的世界控制难题,负荷与AGC命令跟随性极好,给水流量、蒸汽温度的波动得到彻底改善,实现了汽温的精准控制和负荷自动调节[60-61]。

研制了基于机理模型的600MW超临界CFB发电机组仿真机,用于培训运行人员,并为控制逻辑检验和启动调试提供指导。

开发了系列辅机、系统集成技术,和安装、调试、启动技术,建设了世界上第一台600MW超临界CFB锅炉工程示范,于2013年通过测试运行。锅炉燃用灰分43.82%、硫分3.3%的劣质贫煤。4年多的运行实践表明,白马600MW超临界CFB锅炉性能全面达到预期。尽管煤质较差,但是相同SO2排放浓度下脱硫石灰石当量消耗仅为国外的80%,NOx原始排放更是低于国外的40%。锅炉受热面 设计计算精准,运行各处烟温、汽温与设计值完全一致。

采用600MW超临界CFB锅炉压法的技术,拓展研发了350MW超临界CFB锅炉,2015年9月,第一台350MW超临界CFB锅炉于山西国金通过测试,投入商业运行。350MW超临界CFB锅炉采用单炉膛,一次中间再热。炉膛内布置有屏式过热器和屏式再热器。炉后布置3个汽冷旋风分离器,无外置换热器。尾部双烟道结构,前烟道布置有低温再热器,后烟道布置有中温过热器和低温过热器,省煤器和空预器布置在前后烟道合并后的竖井区域。截止目前共有12台350MW超临界CFB锅炉投运,另有70余台在建。

白马600MW超临界CFB锅炉示范电站的顺利运行,为更高参数锅炉的开发积累了经验,开展了超超临界CFB锅炉的探索[62]。在国家十三五重点研发计划支持下,目前正在开展相关的研究工作,主要集中于超超临界、超低排放和超低能耗3个方面,预计工程示范将于2020年建成,满足最新煤耗要求和超低排放要求[63]。

3 超低排放循环流化床燃烧

超低排放是660MW超超临界CFB锅炉的重要内容。CFB采用低温燃烧,炉内存有大量还原性物料,NOx排放具有天然优势,通常原始排放可满足200mg/m3以下。添加石灰石炉内脱硫能实现90%以上的脱硫效率[64-65],可直接满足多数国家的排放要求。我国的标准更严,NOx和SO2均低于100mg/m3,传统CFB锅炉面临巨大的挑战[66]。清洁能源行动计划进一步要求超低排放：c(NOx)<50mg/m3、c(SO2)<35mg/m3,传统CFB无法满足。为此,许多CFB锅炉不得不安装烟气净化设备,CFB锅炉低成本污染脱除优势不再[67]。

中国研究者从流化床燃烧机理出发,提出了基于炉内脱硫和低氮燃烧的超低排放技术路线,从而减少炉外脱硫脱硝设备压力。对于部分燃用煤种,可以实现炉内NOx和SO2双重超低排放。

3.1 基于炉内高效脱硫的SO控制

CFB燃烧中,燃料的硫分转化为SO2;石灰石给入后发生煅烧反应生成多孔的CaO[65]。如图9所示,SO2扩散到CaO表面和内孔,在有氧气情况下,CaO和SO2反应生成CaSO4。由于CaSO4的摩尔体积远大于CaO,因此生成的CaSO4逐渐堵塞孔 隙[68]。当所有表面及孔隙被覆盖后反应停止。因此对于小颗粒而言,反应表面积更大、孔隙更接近于表面,反应导致孔隙堵塞的可能性低,脱硫转化率较高。大量的测试表明,CaSO4产物层厚度在数十微米量级[69]。也就是说,粒径大于200μm的石灰石必然有部分未反应。

图9 石灰石脱硫过程示意图

Fig. 9 Schematic diagram of absorption of sulfur dioxide by sorbents

必要的停留时间是实现高效脱硫的基本条件。石灰石的粒径范围应该与分离器的分离器效率相互匹配。若分离效率很高,脱硫石灰石粒度可以细一些。传统的CFB锅炉由于分离器效率不够高,不得不选择较粗的石灰石脱硫,石灰石通常为0~1000μm,中位径在300μm左右,甚至更粗,因此钙硫摩尔比较高。若能显著提高分离器效率,可以使用细粒径石灰石,例如粒度范围为0~200μm,中位径在20~50μm,见图10。较细颗粒粒径提高了石灰石利用率,实现高效炉内脱硫,也减小对于NOx的促进作用[70]。

图10 高效炉内脱硫的石灰石粒度推荐范围

Fig. 10 Recommended particle size distribution of limestone for higher efficiency SO2 capture

还有许多因素会影响石灰石脱硫效率,如床温、气氛等[71]。当低于800℃时,煅烧反应速率明显下降,限制了脱硫反应的速率;而当温度高于 850℃后,CaO孔隙烧结导致脱硫表面积减少,并且CaSO4分解速率显著加快。此外,由于脱硫反应需要在氧化性条件下进行,因此控制炉内气氛对于脱硫反应也有一定影响。

因此,基于炉内高效脱硫的SO2超低排放要求,反应温度控制在850°C附近,兼顾脱硫和燃烧效率;配风要高于脱硫需要的最低氧量,保证脱硫反应在氧化性气氛下进行;提高分离器效率,降低石灰石粒度,提高石灰石比表面积和停留时间,提高石灰石利用率。

3.2 基于低氮燃烧的NO控制

针对流化床燃烧条件下NOx排放,国内外学者进行了众多的研究[72-73]。CFB锅炉采用800~900℃低温燃烧方式,几乎没有热力型NOx生成,几乎全部都是燃料型NOx[74]。CFB锅炉下部密相区鼓泡床包含近似处于最小流化状态的乳化相和固含率极低的气泡相[75]。乳化相中气速接近于颗粒最小流化风速umf。随床料粒径减小,乳化相内部气速变小,燃料颗粒位于乳化相中,直接获得的O2将显著变少。颗粒变细后,O2从气泡相向乳化相传质阻力增大[76],这将导致颗粒处于严重缺氧的还原性气氛中[9],大大抑制了乳化相中燃料颗粒NOx的生成[77],见图11(a)。

图11 CFB锅炉内流态示意图

Fig. 11 Schematic diagram of the fluidization regime in CFB boilers

在CFB炉膛上部区域的快速床中,燃料颗粒大量存在于颗粒团中。颗粒团中的燃料热解条件与乳化相中类似,相比于底部鼓泡床发生了物相倒置,分离的气泡相变成连续相,而连续的乳化相则变成由颗粒团组成的分散相。其传质与传热规律仍可用鼓泡床进行比拟[78]。由于细颗粒的团聚倾向强于粗颗粒,因此床料变细后使得包裹于颗粒团内的燃料颗粒面临更大的传质阻力。对于处于稀相区颗粒团中的小颗粒燃料,也是处于贫氧的还原性气氛中,同样抑制了NOx的生成[79],见图11(b)。

如上所述,还原性气氛同时存在于底部密相区乳化相和顶部稀相区颗粒团中,会导致大量还原性的气体如CO的生成,这些还原性气体会进一步还原已生成的NOx[80]。

综上所述,基于低氮燃烧的NOx超低排放,要求温度控制在850℃附近,从而兼顾脱硫和燃烧效率,核心是提高系统对细物料的综合保存效率,减小床料粒径,改善床料质量;改变二次风高度,延迟二次风进入时间,扩大还原性气氛区域[81]。

这些分析已经得到实践验证[81],仅仅通过炉内石灰石和低氮燃烧,可以原始排放可以达到NOx和SO2双重超低[67]。这为660MW超超临界CFB的超低排放提供了技术支持。

4 结论

CFB锅炉燃烧技术在中国燃煤污染控制和劣质煤利用领域重要地位。在国家863计划和国家科技支撑计划的支持下,系统地研究了600MW超临界CFB锅炉涉及到的所有技术问题,全面突破了300MW亚临界自然循环跨越到600MW超临界强制循环带来的巨大的理论和工程挑战,在神华白马电厂成功建设了世界上第一台600MW超临界CFB锅炉及相应的辅助系统,实现了国际CFB界的梦想。将这些研究成果成功拓展用于350MW超临界CFB锅炉上,已经批量投产。这些研究积累为开发提供了基础。目前正在开展660MW超超临界CFB锅炉的技术关键如热偏差、超低排放、低能耗等研究,并已经取得了阶段性进展。