超临界及超超临界循环流化床锅炉技术研究与应用

宋畅1, 吕俊复2, 杨海瑞2, 王树民1, 凌文1, 岳光溪2

1．神华集团,北京市 西城区 100031

2．清华大学,北京市 海淀区 100084

SONG Chang

1. Shenhua Group, Xicheng District, Beijing 100031, China;

2. Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China

宋畅(1965),男,教授级高级工程师、硕士,从事洁净煤发电技术研究和管理工作,17000159@shenhua.cc。

基金项目： 国家重点研发计划项目(2016YFB0600201); The National Key R&D Program of China(2016YFB0600201);

文章编号: 0258-8013(2018)02-0338-10 中图分类号: TK224

摘要

开发超临界循环流化床（CFB）锅炉是国际CFB界的目标,它兼备了清洁利用劣质燃料和高效发电两个优势,对于煤炭的清洁开发利用具有至关重要的地位。中国的科技人员在国家863计划和国家科技支撑计划的支持下,开展系统的研究开发,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,回答了工程上提出的科学和技术问题,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。进而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。

关键词 : 600MW; 超临界及超超临界; 循环流化床(CFB)锅炉; 热偏差; 低能耗; 超低排放;

0 引言

循环流化床(CFB)是劣质煤清洁煤燃烧最好技术之一[1],但在供电效率方面未见优势。提高蒸汽参数能够显著提升火电发电效率,因此发展超(超)CFB锅炉技术、通过提高蒸汽参数提高效率,是CFB锅炉的发展方向。这是国际CFB界的梦想。CFB炉膛温度和热流密度整体较低,热流密度在炉膛底部最大,沿高度逐渐减小,恰好与工质温度沿炉膛的变化趋势相反,这些特点有利于超临界下水冷壁安全性[2]。此外,由于快速流态化的基本特点,CFB炉内温度非常均匀[3],热负荷分布要比煤粉炉均匀很多。因此,CFB燃烧技术更适合与超临界甚至超超临界蒸汽循环相结合。

中国在20世纪末开始研究超临界CFB锅炉的技术可行性。2002年,在国家“863”计划的支持下,开展了超临界CFB锅炉技术可行性探索研究[4]。进而在国家科技支撑计划的支持下,开展600MW超临界CFB锅炉的工程示范并取得成功,进而将有关的技术拓展应用开发了350MW超临界CFB锅炉,也实现了产业化。在此基础上,为了进一步提高效率,现正在研制660MW超超临界CFB锅炉。结合发电煤耗和污染排放的要求,同时开展了流态优化和超低排放的研究。

1 循环流化床燃烧技术及流程优化

CFB燃烧的技术基础是流态化。传统CFB锅炉沿用了化工流化床反应器的设计理念[5],导致CFB锅炉机组厂用电率高[6]。大颗粒物料流化引发燃烧室受热面的磨损[7]。因此有必要对CFB锅炉的流态进行分析和优化[8]。另外,超临界CFB的炉膛尺寸超过了已有的实践范围,因此掌握超大炉膛的气固两相流动性质至关重要。

1.1 循环流化床燃烧的流态分析

CFB炉膛中,下部是粗颗粒形成的鼓泡床或湍动床,上部是细颗粒在自由空域形成的快速床[9]。炉膛中的颗粒可分成两类：能够参与循环并直接影响上部受热面换热的有效床料,以及始终停留在炉膛底部无法被夹带的无效床料[10]。无效物料对于保证粗颗粒着火和停留时间是必要的。而上部快速流态化中,颗粒浓度沿轴向的分布与表观气速、床料量、循环流率等有关[11-13]。研究发现,影响大颗粒的燃尽和着火的粗颗粒存量过多[11]。当快速流态化出现后,床存量增加仅仅改变过渡区的颗粒浓度,而稀相区和底部密相区的颗粒浓度保持不变[10]。影响到传热和燃烧的只是上部的快速床[14]。Liu et al.通过模型预测床压降对传热的影响,在相同粒径分布和负荷时,床压降减少1kPa,传热系数仅降低2%[15]。因此可以降低无效床料的存量、保持有效床料的存量实现减小风机功耗、缓解磨损[16],见图1。

图1 传统型和节能型CFB锅炉床存量对比

Fig. 1 Bed inventory in classical and novel CFB

床存量的增加,循环量提高,上部稀相区的颗粒聚团的概率增大。由于颗粒团的终端沉降速度要大于单一颗粒,因此在气流的作用下会产生强烈的周期性聚并和破裂[17]。这种返混现象会延长颗粒在炉膛的停留时间,提高可燃物的燃尽率[18]。另一方面,过渡区颗粒浓度增大会提高气固流场的动量和刚度,二次风背压增大、穿透深度减小[19]。进入核心区域的氧气减少,大量氧气停留在边壁区域,造成局部贫氧区[20-21],抑制煤颗粒的燃烧。由于两个方面的对于燃烧效率影响,理论上存在一个最佳床存量。

1.2 循环流化床燃烧的流态设计

CFB锅炉是“一进二出”的物料平衡体系[22],这里的“一进”指的是由给煤、石灰石和惰性床料形成的灰分;“二出”指的是炉膛底部的排渣和分离器出口的飞灰逃逸[9]。该系统的平衡是由各个粒径的颗粒均达到平衡的积分结果。宽筛分的灰颗粒进入CFB后,由于系统对不同粒度颗粒的保存能力不同,粗颗粒难以被扬析夹带容易被底部排渣排出系统,而过细颗粒难以被分离器分离会被烟气带离系统。达到平衡后,CFB内的物料粒度分布会在系统保存效率最高点附近形成峰值。研究表明,分离器效率和排渣效率的提高,会极大的提升有效物料在总存量中的比例[23],甚至回料阀的性能也会直接影响平衡结果[24]。

根据理论研究和实践经验,Yue et al.提出了CFB流态图谱,使用流化风速和循环流率两个物理量,来描述密相区以上的快速床状态[9]。根据该图,保证稀相区颗粒浓度不变,达到最优床压降,从而实现减小密相区床层厚度,减小风机功耗,降低CFB机组的厂用电率的目的。为了实现CFB锅炉在减小床存量的同时,稀相区的颗粒浓度保持不变,则必须改善床质量,提高有效物料在床存量中的比例。在实际设计中,通过流态图谱优化有效物料的存量和质量,实现流态重构。

基于流态重构理论,已经开发15~300MW的系列CFB锅炉[10],超过百台运行[16,25]。

1.3 超大炉膛内气固流动

超临界CFB锅炉因为水动力的要求,炉膛的高度达到50m以上,超过了已有的实践范围。由于CFB锅炉内的气固流动规律,直接决定了颗粒悬浮浓度,对于局部换热系数以及燃烧份额分布非常重要[26]。因此掌握超大炉膛内的气固流动规律,对于超临界甚至超超临界CFB锅炉的设计与运行有重要意义。为此搭建了高度为54m的实验系统,研究了超高炉膛中气固两相流动的基本性质[27],见图2,确认了超高炉膛的关键参数,回答了工程提出的问题。

600MW超临界CFB的床截面积超过了已有的所有实践。物料浓度分布也是必须掌握的问题,为此进行了系统的研究并进行了模型化,建立了超大床面水平分布计算模型。考虑高度方向的分布特点,建立了CFB锅炉近壁区物料浓度分布模型,见图3。

图2 轴向物料浓度分布随颗粒存量和提升管高度的变化关系

Fig. 2 Variations of axial voidage profile with solid inventory and riser height

图3 浓度分布模型计算误差

Fig. 3 Comparison of solid suspension density distribution between measurement and model prediction

为了强化气固混合改善燃烧效率,采用双布风板结构。这就产生了两侧炉膛的翻床问题[28]。单个布风板内还存在同床波动问题。这些现象在亚临界时一定条件下可以忍受,但是超临界下影响到水冷壁的安全性,必须严格避免。研究揭示了炉膛内物料流动不对称导致了上部的物料横向流动是发生翻床的根本原因[29-30];同床波动产生的风源激励机制[31],提出了相应的预防措施。

随着锅炉容量增加,必然采用多循环回路并联的布置,这带来多分离器并联回路之间气固流动的静态不均匀性问题[32-33]和动态不稳定问题。基于相似准则,研究发现了发生这些问题的几何条件和操作条件[34]。

对超大床面涉及到的返料[35-36]和给煤扩散[37-38]、二次风的穿透[39-40]、炉膛中气固流动结构[41-42]以及整体布置[43]对物料平衡、热平衡的影响[44-45]进行了系统的研究,获得了系列的原创新成果,为工程设计提供了依据。