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大型化、高参数化、高负荷调节比——流化床发电技术开启新一轮革新

北极星电力网新闻中心  来源:中国电力报  作者:邹春蕾 冯义军  2021/2/1 13:51:30  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 循环流化床技术 调峰 煤电

北极星火力发电网讯:“要科学发挥煤电对高峰用电的支撑作用,切实保障能源安全。”近期“霸王级”寒潮来袭,全国多地最低气温破历史极值,1月8日召开的国务院常务会议再次强调了煤电对于特殊时期能源安全稳定供应的“压舱石”作用。

“中国非化石能源发电装机的高比例,是在总发电容量富裕、有传统燃煤电站强力调峰支撑下得以维持稳定的,燃煤电站在保电力供应安全上的角色不可或缺。”不久前,在由中国电力科技网主办的“循环流化床锅炉技术2020年会”上,中国工程院院士岳光溪表示,循环流化床技术作为20世纪70年代出现的新型燃煤技术,具有劣质煤燃料适应性强、低成本污染控制、高负荷调节比大等优势,特别适合我国的国情,应得到大力支持和发展。

“从成功研制首台35吨循环流化床发电锅炉,到首台66万千瓦超临界锅炉投运,我国书写了世界循环流化床技术发展新史册。”中国电力科技网主任魏毓璞认为,循环流化床技术取得举世瞩目的成就,使得我国煤炭清洁高效利用水平显著提升。面对“十四五”带来的新形势,面对行业存在的诸多待解难题,循环流化床锅炉技术开启了一轮自我革新,正朝着大型化和高参数化、高负荷调节比、深度调峰及智能智慧之路迈进。

(来源:中国电力报 作者:邹春蕾 冯义军)

为高硫、低质煤高效清洁利用提供示范

“创新铸就丰碑,科技引领未来。”2020年循环流化床技术年会上,中国电力科技网副主任耿迪如是说。当“30·60”目标更加明确,当能源革命向纵深发展,当新一轮科技革命和产业革命加速演进,能源领域的深度转型全面进入倒计时阶段,煤电不可避免地走向了“主动求变”的发展之路。

近日,中国科学院公布2020年度科技成果转移转化的6项亮点工作,其中,首台无烟煤原料循环流化床气化装置投运入选,被评价为具有里程碑意义。

贵州安顺煤属低质无烟煤,灰分高、活性低,气化难度大。该装置采用中国科学院工程热物理研究所循环流化床气化技术,实现了安顺无烟煤的高效清洁气化,充分验证了循环流化床气化技术极强的煤种适应性和经济性,为我国西南片区高硫无烟煤高效清洁利用寻求现实途径。

无独有偶,2020年9月16日在中煤山西平朔电厂投运的世界首台660兆瓦超临界循环流化床锅炉,也以燃用山西地区典型的低热值煤而引发行业广泛关注。

另外,660兆瓦超超临界流化床锅炉机组国家示范项目分别在贵州威赫和陕西长彬落地;上海电气700兆瓦超超临界流化床锅炉获国家能源局批准列入第一批能源领域首台(套)重大技术装备项目名单……2020年,流化床发电喜讯接踵而至。

“实现超低排放循环流化床锅炉大型化和高参数化,降低污染控制成本,甚至可能取代一部分燃用高硫低挥发煤种的超(超)临界煤粉炉。”岳光溪在谈到今后循环流化床燃烧技术的发展方向时说道。

从2000年启动超临界直流循环流化床锅炉的研究,到2007年在山西大土河热电厂首次实现基于流态重构的节能型循环流化床锅炉设想,到2013年4月白马电厂60万千瓦超临界循环流化床锅炉示范工程成功投运,再到2017年开发新一代超低排放循环流化床技术,经过十年发展,我国在循环流化床燃烧理论、设计理论、工程建设和锅炉配套辅机制造方面均走到了世界领先水平,循环流化床总装机容量稳居世界第一,蒸汽参数和单机容量也达到了世界领先。目前,我国主导循环流化床锅炉技术向超临界、大型化方向转变。这一点,在“135兆瓦等级和300兆瓦等级的大容量CFB锅炉机型占总装机容量的73.2%、总装机台数的73.8%”这组数据中可以得到印证。

西南地区是循环流化床锅炉技术应用的“沃土”。昆明理工大学冶金与能源工程学院副院长李法社认为,“我国煤炭资源呈现硫分从西北向西南逐渐升高的特点,西南地区煤炭储量较大,高硫煤多,劣质煤种多。流化床锅炉技术具有燃料适应性广、燃料利用率高、污染物排放低等优势,对于西南地区高硫、高灰、低挥发份、低灰熔点的燃煤尤为适合。”

解决燃煤机组深度调峰诸多挑战

2020年12月12日,中国在2020年气候雄心峰会向全世界宣布,“到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%。”可以预见,可再生能源对化石能源的替代步伐将进一步加速。

伴随着可再生能源发电持续快速发展,火电机组进行灵活性改造、参与深度调峰日益紧迫。“根据国内新能源消纳对火电机组灵活性运行的需求,火电机组运行灵活性改造主要围绕以下三个方面进行:深度调峰运行、快速负荷响应、快速启停机。”山西国际能源河坡发电有限责任公司CFB锅炉首席工程师王鹏程认为,今后循环流化床燃烧技术的发展方向集中于发挥循环流化床高负荷调节比、深度调峰稳定性好的特点,支撑电网消纳更高比例的非化石能源。

为此,他提出的采用切缸/低背压运行改造技术方案,通过合理控制低压缸的最小冷却流量,能够在保证机组安全运行的前提下既达到深度调峰的目的,又提高机组供热能力。

“深度调峰时,床温降低、分离器温度降低。温度偏离有效反应区间,给机组的二氧化硫、氮氧化物等污染物控制带来了诸多难题。”国家能源集团循环流化床技术研发中心研发高级师邬万竹则提到了另一个现实性问题。他调研全国范围10余家CFB电厂环保参数情况后发现,机组环保参数小时均值超标的情况仍时有发生,在深度调峰工况下则更为突出。

他建议,采用炉内低氮改造、SNCR系统布置优化、AGC控制逻辑优化、污染物耦合控制等方法,深入挖掘循环流化床锅炉自身的污染控制潜力,实现循环流化床污染物控制能力的突破。

东南大学能源与环境学院博士后段元强,将目光聚焦在二氧化碳减排领域。他表示,为了达到2050年全球温度升高限制在2摄氏度的目标,CCS技术将每年封存利用60亿吨二氧化碳。“富氧燃烧是最具工业运用前景的燃煤电站CCS技术之一,富氧CFB技术将循环流化床与富氧燃烧的优势相结合,可实现低成本捕捉燃煤电站二氧化碳。”

东南大学于2000年前后进行循环流化床富氧燃烧技术研究,创造性地提出了流化床富氧温循环概念,通过整体氧浓度和局部氧浓度的协调控制来实现煤高效燃烧和SO₂/NOx低排放的耦合。历经近20年技术研发,目前已完成了“实验室—小试—中试—工业化”的全套研发流程。

破解固废资源化利用世界性难题

煤电机组也可以吃“粗粮”——循环流化床锅炉对燃料的广适应性,使得污泥等固体废弃物的资源化利用这一世界性难题找到了破解之法。

随着经济的高速发展、城市化进程的不断加快,污泥等固体废弃物产量不断增加,环境污染问题日益严峻。十九大报告着重强调,“加强固体废弃物和垃圾处置”。加速燃煤耦合污泥等固体废弃物处理技术创新和产业化推广,由此上升为国家战略。

2019年5月,一场由中国电机工程学会组织的技术成果鉴定会备受行业关注,鉴定委员会专家一致认为,“技术达到国际领先水平,成果具有显著的创新性,社会效益和经济效益显著,为固废、生物质与大型燃煤发电技术耦合提供了成功的范例。”

这场鉴定会的主角,是“30万千瓦循环流化床锅炉固废及生物质直燃耦合发电关键技术研发与工程应用”。该技术由华能清能院与福建华电永安发电有限公司共同打造,深度参与该项目的福建华电邵武能源有限公司副总经理许燕飞介绍,该项目利用现有燃煤发电锅炉处理固废,利用现役电厂的环保设施及前端预处理系统就可满足环保排放的要求,远低于常规垃圾焚烧发电厂的排放标准。“该项目可替代垃圾焚烧电厂,它的成功应用,为工业固废、城市垃圾等废弃物的处置提供了新思路,为全国循环流化床的环保转型发展提供了新方向。”

循环流化床锅炉对污泥的资源化利用同样具有广阔的价值空间。西北电力设计院热机室副主任工程师周朝辉分析认为,污泥中含有大量的有机物质,因而具有较高的热值。污泥焚烧发电不仅可以实现污泥安全处置,还可以实现污泥资源化利用,既节约能源,又保护环境,有利于促进我国向可持续的循环型社会的转变。

“不过,我国对污泥焚烧的研究起步较晚,对于如何控制这些污染物,暂时还没有全面、系统的研究,也没有对应的污染物排放标准或规范。需要进一步加大研究,弄清楚污染物产生的机理,消除电厂焚烧污泥是否达标排放的顾虑。”周朝辉预测,后续随着“十四五”规划的出台,国家或许会提出更严格的污泥处置率目标,并建立监控手段、监测方法标准和考核办法,同时加大政策倾斜和资金扶持力度,污泥处置市场将前景广阔。

原标题:流化床发电技术开启新一轮革新,朝向大型化、高参数化、高负荷调节比发展

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