浅谈循环流化床锅炉在电力领域中的应用

浅谈循环流化床锅炉在电力领域中的应用

1循环流化床燃烧技术特点在中国的一次能源消费中，煤炭含量超过73.5%（见图1）。虽然包括核能在内的其他能源比例逐渐增加,但煤炭占主导地位的局面在今后相当长的一段时间内不会发生根本变化。据专家预测,至少持续到2050年。在环境问题日益严峻的今天,能源的清洁利用和转换是经济得以持续发展的重要保障。循环流化床燃烧技术具有如下特点:分级燃烧有效降低NOx排放、低成本脱硫、煤种适应性强、灰渣易于综合利用、负荷调节范围大、燃烧稳定等特点。具体来说:(1)由于循环流化床属于低温燃烧,氮氧化物排放远低于煤粉炉,仅为150ppm左右;(2)燃烧中添加石灰石,脱硫效率高且技术设备简单经济,初期投资及运行费用远低于煤粉炉加FGD,是目前我国唯一在经济上可承受的燃煤污染控制技术;(3)燃料适应性广且燃烧效率高,特别适合于低热值劣质煤;(4)排出的灰渣活性好,易于实现综合利用,无二次灰渣污染;(5)负荷调节范围大,可降到满负荷的30%左右。由于以上优势,循环流化床燃烧技术成为商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一。特别对于燃用高灰、低挥发分煤之类其他燃烧设备难以适应的劣质燃料的情况,或低负荷要求较高,负荷变化频繁的调峰电厂及负荷波动较大的自备电站,循环流化床是最佳选择。循环流化床燃烧技术已被运行实践证明是可靠的洁净煤燃烧技术,受到人们的高度重视,近年来得到迅速发展。容量大型化和蒸汽参数进一步提高是当前循环流化床锅炉的主要发展方向。法国Provence于1995年建成投运了250MWe循环流化床锅炉;佛罗里达JEA新建的世界上最大的300MWe循环流化床锅炉也已投入试运行;波兰的Turow建成了3台225MWe和3台266MWe循环流化床锅炉,成为世界上总装机容量最大的循环流化床电厂。据悉460MWe超临界蒸汽参数的循环流化床锅炉已经开始制造。2煤粉锅炉的利用佛罗里达州Jacksonville电厂的2台300MWe循环流化床锅炉是一项老厂改造工程。美国的JEA电力公司在佛罗里达州的Jacksonville电厂有两台原来燃烧油/天然气的300MWe机组,为了能够利用电厂附近炼油厂的廉价石油焦作为燃料,JEA决定将老厂进行改造,用两台300MWe循环流化床锅炉来取代原有的燃油/天然气的锅炉,图2为其立体示意图。该工程项目作为美国洁净煤计划的一部分,得到美国能源部的资助,并作为示范工程。美国能源部要求这两台300MWe循环流化床锅炉不但要能100%地燃烧石油焦,而且还要能100%地燃烧煤。设计燃料见表1。为了在电厂改造后能使当地的SO2排放水平降低10%,要求这两台循环流化床锅炉的脱硫效率能达到98%。锅炉的主要参数见表2。该炉结构和运行的一些基本特性包括:采用3个直径为7.315m的气冷旋风筒,旋风分离器作为首先进入的过热器;Intrex为流化风速0.6m/s左右的鼓泡床,布置有两组中间级过热器和一组末级过热器;尾部采用双烟道调节;给煤为前后墙各通过6点给入;通过调整一二次风比改变循环量控制炉膛温度;采用stripper/cooler控制床存量,冷渣器中的渣显热回收进入回热系统。2002年7月开始的试运行结果表明,该项目的污染物排放完全满足要求,见表3。目前,除了在烧100%石油焦时旋风筒和Intrex(换热床)发生结焦之外,运行非常稳定。见图3。3中国大型循环污泥锅炉的示范3.12密封结构设计经过20年的发展,我国循环流化床锅炉技术积累了大量的经验,目前国产技术的200MWe循环流化床锅炉的示范工程正在进行中。图4为国产200MWe循环流化床锅炉总图,其设计燃料及校核燃料见表4。该锅炉按国产超高压汽轮机参数设计,锅炉最大连续蒸发量与汽轮机调节阀门全开工况时的蒸汽流量相匹配,主要参数见表5。基本尺寸为:两侧水冷壁距离17480mm;前后水冷壁中心线距离7760mm;尾部包墙宽度13600mm;尾部包墙深度7200mm;空气预热器烟道宽度14800mm;空气预热器烟道深度7200mm;锅筒中心线标高56850mm;两侧外支柱中心线距离34000mm;锅炉深度(柱中心线)36700mm。锅炉设置膨胀中心点。通过水平和垂直方向的导向与约束,防止炉顶、炉墙开裂和受热变形。密封设计充分考虑受热面的膨胀。水冷壁与旋风分离器、水冷壁与回料装置及水冷壁与风室接合处有良好的密封结构,保证水冷壁能自由膨胀和密封。膜式壁刚性梁具有足够的刚度,避免运行中发生晃动和炉墙振动。刚性梁能够随受热面自由膨胀。正常运行过程中炉墙不能有明显振动。当燃烧室突然灭火或一、二次风机全部跳闸,引风机出现瞬间最大抽力时,炉墙及支撑件不产生永久变形。燃烧室水冷壁管内的水流分配和受热合理,沿燃烧室宽度均匀产汽,沿汽包全长的水位均衡。炉膛截面采用较大宽深比,有利于二次风对物料有良好的穿透能力。各种运行工况下床温均匀。炉膛内下部四周水冷壁、炉膛出口烟道内表面及相邻的侧水冷壁部分表面、水冷壁与浇注材料交界处以及水冷屏、二级过热器屏、二级再热器屏的下部表面及穿墙位置等易磨损处,采取可靠的防磨措施。布风板及风室采用膜式水冷壁弯制围成,有足够的强度,燃烧室整体热膨胀,并密封可靠。风帽的布置保证床内布风均匀,流化稳定,防止局部结焦、大渣沉积或灰渣落入风室。风帽材质允许的运行温度为1100℃。炉膛后部布置两个旋风分离器,使进入的烟气进行离心分离,将气固两相流中的大部分固体粒子分离下来,通过料腿进入返料装置,继而送回燃烧室,分离后的较清洁的烟气经中心筒,流入连接烟道,最后进入尾部对流受热面。旋风分离器内径为Φ9100mm,旋风筒、锥体、料腿均由δ=12mm碳钢钢板卷制而成,内敷保温、耐火防磨材料,钢板外表面设计温度为45℃。旋风分离器的重量通过焊在旋风筒外壳上的4个支座支撑在钢梁上,并垫有膨胀板可沿径向自由膨胀。采用非机械式回料密封阀,回料通道保证回料通畅、耐高温、耐磨损和防粘结。结构设计中通过控制回料风给入方式、位置和风量,避免因局部温度过高而结焦。该阀的自平衡特点可以防止压力脉动时炉烟反窜,保证传送物料稳定。尾部竖井中受热面的设计合理选取烟速,并在布置上采取防磨板等措施以减轻磨损。处于吹灰器有效范围内的对流受热面迎风面和容易磨损的部位设有耐高温的防磨护板,以防吹损管子。尾部承压受热面采用全悬吊结构。对流过热器、再热器管束通过吊挂管进行固定。屏式过热器、再热器采用下端与水冷壁固接、上端吊挂的方式进行固定。空气预热器采用支撑结构。再热器采用一级喷水调温。过热器设有两级喷水减温调节,以有效地保护受热面,并调温灵敏。减温水水量考虑足够的裕度。在额定蒸发量时过热器减温水总量控制在设计值的50%~150%以内,并考虑机组部分甩负荷和受热面汽温高限等极端情况的安全。过热器减温喷水位置分别布置在一、二和二、三级过热器连接管道上,再热器事故喷水布置在低温再热器入口,正常运行的喷水布置在两级再热器的连接管道上。省煤器设计中考虑灰粒磨损保护措施,省煤器管束与四周墙壁间装设防止烟气偏流的流板,管束上还设置可靠的防磨装置。空气预热器采用卧管式空气预热器。为防止管箱共振,设有防震隔板。空气预热器低温段采用耐腐蚀钢材,并满足在各工况下设计煤种的含硫烟气露点对壁温要求,不结露,不积灰。3.23引进设备为推进我国循环流化床锅炉的迅速发展,正在筹划300MWe循环流化床锅炉的引进工作和示范工程。在可预见的几年内,300MWe循环流化床锅炉将在中国运行。4超临界循环流化床锅炉目前循环流化床锅炉的参数最大为亚临界。循环流化床锅炉在清洁煤燃烧方面已经充分显示了其优越性,但在高效方面,仍然存在不足,为此循环流化床锅炉的发展必然是超临界。电力行业需要循环流化床锅炉来低成本实现污染控制,同时需要高蒸汽参数锅炉提高循环效率。全球气候变化需要提高热电转换效率降低二氧化碳排放。超临界CFB作为下一代CFB技术,由于可以得到较高的供电效率(比目前我国发电厂平均效率28%高出12个百分点),见表6,脱硫成本比FGD低50%以上,而投资最多与PC+FGD持平,很可能是一种适于在中国大量推广的清洁燃煤发电技术。许多公司研究的共同结论是,超临界循环流化床锅炉在国外燃料价格、材料成本、制造水平上,具有巨大的商业潜力,是一个异军突起的新方案。超临界循环床技术实现难度低于超临界煤粉炉,由于燃烧室内热负荷低且比较均匀,见图5,有可能以相对简单的本生炉垂直管方案构成燃烧室受热面,而且,较低的质量流率带来的低阻力降可能使其在低负荷亚临界区具有自然循环性质。超临界循环流化床燃烧是循环流化床技术发展的必然趋势。超临界压力下工质的热物理特性显著地影响着水动力的稳定性和下部受热区水冷璧出口工质的温(下转第29页)(上接第3页)度,进一步影响到自动调节性能。超临界参数锅炉的技术关键是水冷壁。经过长期的发展,适于循环流化床锅炉布置的垂直管屏便于制造和运行。在高负荷运行工况下,水冷壁在超临界压力下工作,管内工质温度随着吸热量的增加而提高。工质比容的急剧变化必然导致膨胀量增大,从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。在大比热区外,工质比热很小,因而温度随吸热变化很大。而循环流化床燃烧的重要特点之一是其热负荷的均匀性,相对于煤粉炉而言热强度较小。根据超临界压力下工质的热物理特性,控制各段水冷壁的吸热量,是超临界锅炉机组设计和运行的