大型循环流化床锅炉技术的发展

大型循环流化床锅炉技术的发展

1979年，瑞典开始向世界第一个循环流放炉（cpb）致敬。从那时起，cfb锅炉在其良好的环保特性、燃料适应性和良好的负荷调整性能方面迅速发展。目前，关于cfb锅炉技术的应用主要包括两个方面：提高使用功能和提高可靠性。第一个体现在联邦公职的气候变动管理系统（igc）、通用压裂流量联合循环（pcfbc）、循环流联合激励系统等。后者在接下来的十年里发展迅速。作者主要讨论了fb锅炉的大型运营过程。高效率、低污染是电厂和锅炉生产厂商追求的主要目标之一.在商业化过程中,CFB锅炉燃烧技术的污染控制成本是较低的.但是,由于其目前采用的蒸汽参数相对不高,在达到较高发电效率方面不具有优势.目前超临界技术在常规大型煤粉炉上已得到应用,大型超超临界机组也已批量投运.CFB锅炉的炉内热流特性使其比煤粉炉更适合与超临界循环进行技术结合,因此CFB锅炉的大型化和超临界化成为发展趋势.1大型cpb锅炉的发展1.1cfb锅炉技术近十几年来,国际上CFB锅炉发展迅速.德国Lurqi和EVT、美国FosterWheeler(FW)和ABB-CE、法国Alstom-Stein以及芬兰Ahlstrom等公司均开发了各自的CFB锅炉技术.20世纪末,国际主要CFB锅炉厂商之间的商业兼并导致不同流派的CFB燃烧技术相互结合与渗透.目前,逐渐形成了美国FW公司和法国Alstom公司2大CFB锅炉技术集团.1.1.1fw公司的锅炉美国FW公司在其CFB技术发展历程中兼并了芬兰Ahlstrom公司.Ahlstrom的炉型为Pyroflow型,采用不带外置式换热器(EHE)的设计方案.其再热蒸汽温度通过蒸汽旁通技术来调节,即一部分再热蒸汽直接进入低温再热器,而另一部分再热蒸汽在2级再热器之间送入,从而避免了机组效率因喷水调温而降低.其业绩包括1993年投运的加拿大PointAconi电站165MW、12.78MPa/541℃/541℃机组和1999年投运的波兰Turow电厂3台235MW、13.17MPa/540℃/540℃机组.后者可称为Pyroflow炉型的代表作,在不采用外置式换热器的情况下,CFB机组容量可以达到200MW以上.为解决圆筒绝热旋风分离器给锅炉整体布置带来的困难,Ahlstrom提出了紧凑式布置的概念,即将圆筒型改为方形,使其形状与方形的炉膛以及尾部烟道相匹配,从而简化锅炉的布置,节省钢耗量.FW公司本身是美国3大电站锅炉制造商之一,它提出了汽冷式分离器和一体式返料换热器(INTREXTM)技术,形成了FW第一代循环流化床技术.美国JEA电厂的2台300MWCFB锅炉分别于2002年5月和7月建成投产,是目前FW公司投入运行的容量最大的第一代CFB锅炉.该锅炉的炉膛高35m,宽26m,深6.7m,采用3个直径为7.3m的蒸汽冷却旋风筒分离器(见图1).JEA电厂的设计燃料是100%煤和石油焦,或可按任何比例混烧煤和石油焦.煤和石油焦的含硫量分别为2.8%和6.7%,属于高硫燃料.因此,除了采用炉内石灰石脱硫外,在锅炉尾部还采用了第2级烟气洗涤脱硫,即在尾部安装喷水活化石灰的反应塔,使飞灰中含有的大量未反应石灰(CaO)和水反应生成Ca(OH)2,能够迅速将烟气中剩余的低浓度SO2吸收,从而进一步降低SO2的排放.2005年的测试结果表明,锅炉本体脱硫效率达到98.85%,尾部烟气洗涤塔出口脱硫效率达到99.15%.图2为FW公司带外置式换热器的300MWCFB锅炉示意图.FW公司兼并了Ahlstrom公司后,两大公司的技术互相融合,将汽冷分离器加INTREXTM技术与紧凑式布置等技术结合,形成了FW第二代循环流化床技术——紧凑型循环流化床锅炉技术.波兰Turow电厂在已投运的3×235MW机组基础上,增加了3台采用该技术的262MWCFB锅炉.FW公司还为波兰南部的Lagisza电厂提供了1台460MW本生直管炉膛超临界CFB直流锅炉.Turow电厂将成为世界上容量最大(1485MW)的CFB锅炉电厂;Lagisza将是世界上第一台超临界(27.5MPa/560℃/580℃)CFB锅炉,也是单台容量最大的CFB锅炉.按照计划,Lagisza电厂机组将于2009年投产,是目前已售出的最大的紧凑型布置的CFB锅炉,图3是其三维立体效果图.FW公司的紧凑式设计使锅炉可以进行模块化设计,便于实现放大.Lagisza电厂的460MW机组就是对Turow电厂235MW机组的放大.FW公司致力于发展600MW以上的超临界CFB锅炉.在美国能源部的资助下,FW公司进行了参数分别为①400MW,31.1MPa/593℃/593℃;②600MW,31.1MPa/593℃/593℃;③600MW,37.5MPa/700℃/700℃3项超超临界CFB锅炉的研发.2004年,西班牙EndesaGeneración电力公司委托FW公司进行800MW超超临界直流锅炉的概念设计(31MPa/605℃/620℃).FW公司研究了800MW,参数分别为31MPa/605℃和36.5MPa/700℃的2个超超临界CFB锅炉方案,包括锅炉、Intrex换热器、蒸汽循环优化、排放性能优化和经济可行性分析等.1.1.2alstom公司的fbhe风压锅炉Lurgi型CFB锅炉的一大特点是采用了外置式换热器(EHE)设计.Lurgi公司将其CFB锅炉技术转让给原法国ALSTOM-Stein公司和美国ABB-CE公司,而后随着两公司的合并,Lurgi公司的CFB技术在现在的法国Alstom公司得到了进一步的发展和应用.外置式换热器是Alstom公司CFB技术的一大特点,它解决了CFB锅炉大型化过程中的受热面布置问题;另一大特点是“裤衩型”分体炉膛,它解决了大型CFB锅炉二次风穿透性差的问题,使锅炉的燃烧和排放控制得到改善.Alstom公司的代表业绩是1995年11月投运的法国Provence电站250MWCFB机组,它是Emile电厂125MW机组的放大.该锅炉的设计煤种为当地的高硫煤和其他煤,也可掺烧油渣,蒸汽参数为16.9MPa/567℃/566℃.采用4个高温旋风分离器,2侧墙相对布置,分离器内衬耐火材料,底部支撑,直径为7.4m.床料循环回路上布置有4个外置式流化床换热器.锅炉运行时,炉膛温度由2个布置中温埋管过热器的外置式换热器来调节和控制,再热蒸汽温度由2个布置高温埋管再热器的外置式换热器来控制,过热蒸汽温度由喷水减温器控制.Provence电站的成功投运标志着大型CFB锅炉技术的成熟.目前,我国引进Alstom技术开发制造了一批300MW循环流化床锅炉,如四川白马电厂的300MWCFB锅炉(图4).Alstom公司致力于CFB锅炉大型化的同时,还进行外置式流化床热交换器(FluidBedHeatExchangers,FBHE)的研究工作,主要解决FBHE占地面积大、布置困难、锅炉结构复杂导致成本增加等问题.另外,Alstom也在发展FBHE的模块化设计,以适应大型超临界CFB锅炉的发展.整合了2大公司技术的Alstom公司正在开发下—代超临界CFB机组,目前已完成了600MW超临界直流CFB锅炉的概念设计(图5).它采用“裤衩”型单炉膛、垂直管型水冷壁、6个汽冷旋风分离器及6个外置式换热器(EHE),对每组3个旋风分离器配置1个蒸汽冷却旋风分离器出口导管.过热器和再热器受热面布置在炉膛中后部通道的EHE中,利用EHE调节炉温以达到最佳脱硫效率、适应各种燃料和不喷水调节再热蒸汽温度的能力.1.2亚临界400mw煤粉锅炉的预测和研究我国是目前世界上CFB锅炉装机容量最大的国家.自1995年首台50MWCFB锅炉投运以来,已从高压、超高压发展到亚临界300MW循环流化床锅炉.据不完全统计,迄今我国已经设计制造了100～200MW级的CFB锅炉180余台,300MW的CFB锅炉近30台,600MW超临界CFB锅炉也正在研究之中.“十一五”国家科技支撑计划“超临界循环流化床”重点项目于2006年底启动,预计自主知识产权的600MW超临界循环流化床示范工程将在“十一五”后期投运.1.2.1燃用褐煤的ewcb锅炉2003年,我国的三大锅炉厂(东锅、哈锅和上锅)共同引进法国Alstom公司200～350MW等级循环流化床锅炉技术,推进了我国大型CFB锅炉的发展.采用该技术,东锅设计制造了秦皇岛三期工程2台燃用贫煤的300MWCFB锅炉,于2006年11月投入运行;哈锅设计制造了云南开远电厂2台燃用褐煤的300MWCFB锅炉,于2006年6月投入运行;上锅设计制造云南小龙潭电厂三期2台燃用褐煤的300MWCFB锅炉,于2007年1月投产.这一批300MW级的亚临界CFB锅炉采用的是同一种技术,设计蒸发量均为1025t/h,蒸汽参数也大致相同:主蒸汽压力17.4MPa,主蒸汽温度540℃,再热蒸汽压力3.72MPa,再热蒸汽温度540℃.以四川白马电厂的300MW炉子为例(图4),锅炉采用“裤衩型”分体炉膛,炉膛内无悬吊受热面,4个内砌耐火砖的高温旋风分离器和4个外部流化床热交换器布置在燃烧室两侧,旋风分离器的直径为8.77m.其中2个外部流化床热交换器布置过热器控制床温,另外2个布置再热器控制再热蒸汽温度.1.2.2基于独立开发的大型cpb技术(1)流式回灰锅炉在引进300MW等级循环流化床锅炉技术的同时,国内各研究单位和锅炉厂相继研发具有自主知识产权的CFB锅炉.各大锅炉厂均开发了具有自主知识产权的300MWCFB锅炉技术,具备制造和供货能力.西安热工研究院有限公司研究设计的300MW循环床锅炉为亚临界参数,整体采用M型布置,单炉膛,截面为8.3m×28.93m,布风板上部空截面速度大于5m/s,设计燃料为无烟煤和贫煤,设计床温为900℃,采用3个内径为8.5m的高温分离器和3台分流式回灰换热器(CHE)(图6).在江西分宜发电厂210MWCFB锅炉运行基础上,西安热工研究院和哈锅合作设计开发了330MWCFB锅炉.该锅炉蒸发量为1025t/h,蒸汽参数为18.6MPa/543℃/543℃.采用H型布置,4个内径为7.5m的高温旋风分离器和4台分流式回灰换热器(CHE)在炉膛两侧对称布置,CHE内布置有高温再热器和低温过热器.该锅炉预计于2008年10月投入运行.东方锅炉在引进国外技术的同时,开发了具有自主知识产权的300MWCFB锅炉,其主要蒸汽参数为17.45MPa/540℃/540℃.采用单炉膛结构M型布置(见图7),3只汽冷式旋风分离器和1个尾部竖井,炉膛内布置有屏式受热面,无外置式换热器或INTREX结构.炉膛上部通过2片水冷屏分成3个区域,以减少3只汽冷高效旋风分离器的入口烟气温度偏差.尾部采用双烟道结构,利用挡板来控制蒸汽温度.哈尔滨锅炉厂有限责任公司在引进技术基础上也开发了具有自主知识产权的300MWCFB锅炉(图8),其主要蒸汽参数为17.4MPa/540℃/540℃,采用分体炉膛、双水冷布风板、大直径钟罩式风帽、无外置式换热器;炉膛内部布置悬吊式过热器、屏式再热器.炉膛两侧采用H型对称布置4只汽冷旋风分离器,尾部烟道采用哈锅煤粉锅炉成熟的典型双烟道设计.通过一、二次风的合理匹配控制床温,通过调节烟气挡板和喷水减温方式来控制过、再热蒸汽温度.上海锅炉厂有限公司和中国科学院工程热物理研究所合作开发了具有自主知识产权的200MW和300MW循环流化床锅炉.(2)u3000锅炉结构及布置由于超临界参数锅炉具有发电效率高的优点,国内各科研单位相继开展600MW等级超临界循环流化床锅炉的方案和概念设计.浙江大学提出一套设计参数为28MPa/580℃/580℃的600MW超临界直流CFB锅炉设计方案,并对部分负荷工况进行了计算.炉膛下部采用“裤衩管”结构形式,以保证良好的流化状态和二次风的穿透性.炉膛为矩形截面,净高62m,上部稀相区截面为21m×18m,由膜式壁构成.锅炉2侧布置6只汽冷旋风分离器,每只旋风分离器下方连接1台外置式换热器(EHE),其中2台EHE内布置再热器,另外4台布置过热器.分离下来的固体颗粒大部分经EHE冷却后送回炉膛,另外一小部分则通过返料装置直接返回炉膛.燃料通过给煤口送入炉膛底部2个裤衩管支腿.炉膛上部2侧墙开有6个出口烟窗.从分离器出来的烟气进入尾部烟道.锅炉布置了三级过热器,两级再热器.高温过热器和低温再热器布置在尾部烟道内.低温、中温过热器以及高温再热器布置在EHE内.该锅炉设计方案见图9.清华大学进行了600MW和800MW循环流化床锅炉的概念设计.在600MW循环流化床锅炉方案中,水冷壁采用无中间混合联箱的垂直内螺纹管,燃烧室宽度为18.22m,深度为18.22m,布风板至炉顶的高度为58m.炉底分叉,由2个独立供风的流化床布风板构成.炉膛与4个旋风分离器相连,每个分离器下方连接1个外置式换热器,其中2个外置式换热器内布置二级过热器以控制床温,另外2个布置中间级再热器以控制再热汽温.过热汽温由两级喷水减温进行调节.800MW循环流化床锅炉方案采用单炉膛、“双裤衩腿”结构(图10).炉膛布置14个给煤点,炉膛2侧布置6只绝热旋风分离器,每个分离器下面设置1个换热床,其中2个布置高温再热器,2个布置二级过热器,另外2个布置三级过热器.料腿下布置1个机械冷却式分配阀,用来调整直接送回炉膛和进入换热床的循环灰比例.净化后的烟气进入尾部对流烟道.尾部竖井的上部采用双烟道,分别布置低温再热器和一级过热器.通过低温段再热器烟气量和换热床一起控制再热蒸汽汽温.过热蒸汽温度由布置在过热器之间的两级喷水减温器调节.尾部竖井的下部合并成单烟道,布置省煤器和空气预热器.中国科学院工程热物理研究所与上海锅炉厂有限公司联合提出600MW超临界循环流化床锅炉技术方案(图11).该方案设计煤种为褐煤,设计参数为25.4MPa/571℃/569℃.采用单炉膛、单布风板、全膜式壁结构,炉膛宽14.64m,深30.656m,高56.2m,工质一次通过炉膛四周水冷壁.炉膛上部布置32片扩展蒸发受热面,炉膛水冷壁与扩展受热面采用“串联”方式,中质量流速(～1400kg/m2·s)部分采用内螺纹垂直管技术、内嵌逆流柱型风帽,布置6个蜗壳型高温绝热旋风分离器和6台外置式换热器.采用返料管给煤和直接给煤方式相结合,二次风采用大直径、高速度、距布风板较高位置布置技术.采用6台滚筒式冷渣器冷渣.此外,东锅、哈锅和西安热工所等单位均正在研究开发600MW循环流化床锅炉方案.1.2.3大型周期性流轴技术的比较表1给出了不同方案的大型循环流化床锅炉技术的比较.2cfb锅炉放大过程中的大型化问题随着CFB锅炉的大型化和超临界化,炉膛尺寸不断增大(表2),其密相区布风均匀性,炉膛二次风穿透性,氧浓度、颗粒浓度、热流和燃烧产物的分布特性,直流水冷壁管,大型旋风分离器,外置式换热器,给煤均匀性,受热面保护和大渣量冷渣器等均需要进行研究确定与优化.在CFB锅炉放大过程中,一个关键的问题是在中小型CFB锅炉中得到的参数特性能在多大程度上预测大型CFB锅炉的炉内过程.研究大型CFB锅炉必须考虑大截面炉膛流化特性、大型旋风分离器分离效率和受热面布置等因素.研究大型化问题通常有2种方法:一是应用放大理论和模化方法得到大型CFB锅炉的结构尺寸和设计参数,但这种方法不易找到具备理论研究特性的颗粒材料.二是直接通过不同型号CFB锅炉的参数测量,研究放大效应和大型化对炉内固体颗粒浓度、速度分布等流体动力特性的影响.2.1颗粒场特性及传热模型大型CFB锅炉炉膛的炉内过程与小型炉膛有差异,目前研究方法主要有实验测量和模型计算2种,主要研究炉内气固流动特性,颗粒浓度、速度分布,炉内温度、压力分布和炉膛传热等问题.Johnsson等采用多种测量技术对波兰Turow电厂3号机组235MWCFB锅炉的炉膛温度、颗粒速度和浓度进行了测量,研究了炉膛内温度场分布以及固体颗粒的速度、浓度分布和颗粒反混现象,得出大型CFB锅炉的温度分布在近水冷壁区域存在一个厚度为0.1～0.2m的热力学边界层.边界层内存在较大的温度梯度,使炉膛中心区温度迅速下降到水冷壁温度.大型CFB锅炉炉内的颗粒场特性符合环核模型,即沿床层截面可以分成核心区和环形边壁区.核心区以低浓度的颗粒上行为主,而环形区以高浓度的颗粒下行为主,2个区域之间存在颗粒交换.环形边壁区的厚度在0.1～0.3m之间,且高度越高厚度越小.Johansson等人对环形边壁区的研究表明:流化床的颗粒反混过程大部分发生在环形边壁区内.Hartge等人对该锅炉炉膛中的各种气体成分(O2,CO2,CO,NO和SO2)的浓度分布进行了在线测量和分析,结果表明炉内各种气体的浓度分布也存在边界层的特征,厚度在0.5～1m之间.在大型CFB锅炉的传热方面,程乐鸣等分析了典型的炉膛传热测量数据,讨论了炉膛、分离器、外置换热器和尾部受热面的传热规律,给出大型CFB锅炉炉膛四周水冷壁传热系数、炉膛中部过热器I传热系数和炉膛上部过热器传热系数的经验公式,炉膛四周水冷壁传热系数hw=K(ρb)α(Tb)β,其中ρb、Tb分别表示床内稀相区固体颗粒的平均浓度和炉膛平均温度,K、α、β为回归系数.数值模拟可以为CFB锅炉大型化及其炉内过程研究带来方便.大型CFB锅炉的模型包括三部分:流体动力特性、化学反应和热量平衡,三者关系见图12.Scalari等建立了用于预测在非设计工况下,意大利EnelSulcis电厂热功率为790MW的CFB锅炉性能的模型,结果与实际运行数据吻合良好.Klett等建立了基于颗粒平衡思想的研究CFB颗粒粒径随时间分布的模型,该模型综合考虑了破碎、磨损、分离器分离效率等因素的影响.Pallarès和Johnsson将大型CFB锅炉分成6个区域进行模拟,再将其结合得到整体模型.2.2汽冷进行旋转轴技术研究大型循环流化床锅炉要求大体积、大容量的旋风分离器,然而超大体积的旋风分离器结构笨重、离心力小、流动阻力大、分离效率低.目前一般考虑采用多个分离器组合的方案,最大筒体直径控制在7～9m.旋风分离器的结构及其布置方式已成为超临界CFB锅炉的一个重要研究对象.目前分离器主要包括2个技术流派:①Alstom公司的环绕炉膛布置的汽冷圆筒旋风分离器;②FW公司的紧凑式布置方形旋风分离器.前者的技术关键是通过分离器的布置和管道的设计,确保进入每个分离器的烟气量和固体颗粒浓度基本一致,以获得较高的飞灰收集效率.该方案采用对称布置(图13),入口管道具有颗粒预分配功能.我国引进的300MWCFB锅炉采用这种技术.后者使用方形旋风分离器(图14),可采用加工相对容易的水冷或汽冷膜式壁组装而成,以降低制造成本,提高系统起停灵活性,消除分离器与炉膛的热胀差,减少膨胀节的使用.该方案为FW公司专利,在其所设计的超临界循环流化床锅炉上采用该技术.此外,Huang等提出在2个炉膛之间布置1个共用的方形分离器和1个外置换热器的方式,这种模块式的布置便于机组放大,其可行性有待进一步研究.2.3u2004标准面.u2004.随着循环流化床锅炉容量的增大,炉膛的放热容积较炉内的蒸发受热面增加得更快,导致放热大于吸热的热量不平衡问题.大容量锅炉需在主循环回路中布置额外的受热面来吸收一部分热量,以保证最佳的炉膛温度和过量空气系数.为解决炉膛热量不平衡的问题,FW公司在整个炉膛高度布置了双面膜式水冷壁作为分隔墙和翼墙受热面,外加独特的整体式返料换热器(IntegratedRecycleHeatExchanger,INTREXTM,见图15).通过控制流化风速来控制传热,以达到控制过、再热蒸汽温度的目的.Lagisza电站460W锅炉采用了8个整体式返料换热器,其中4个用作末级过热器,另外4个用作末级再热器.其外壳采用膜式水冷壁,较少使用耐火衬里,与炉膛连为一体,不仅免除了设置高温膨胀节,而且缩短了高温物料输送距离.它对灰流量采用气动控制,没有任何机械式控制阀.Alstom公司也很注重外置流化床热交换器(FluidBedHeatExchangers,FBHE)技术的研究.Alstom公司认为:在外置床中流化速度低,粒子尺寸小,埋管受热面的磨损和腐蚀小,但埋管和床料之间的传热系数较高,因而在外置热交换器中布置