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結構原理

潔凈高效的流化床發(fā)電技術

頁面更新時間：2016-02-20 09:35

　　潔凈高效的流化床發(fā)電技術鄭春營，孫福〗珠劉彬（黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150090）流化床發(fā)電技術便是其中重要的技術之一。流化床鍋爐按其發(fā)展過程分類，有沸騰爐、循環(huán)流化床鍋爐和增壓流化床鍋爐。常壓循環(huán)汽化床鍋爐正在世界上推廣應用，僅日本就有石播、三菱、川重三種方式。為了進一步提高燃燒效率和發(fā)電效率，美國、瑞典、西班牙、德國、日本等國家都在開發(fā)、建設增壓流化床鍋爐聯合循環(huán)發(fā)電機組，其中日本建成了目前世界上最大出力的360MWA機組。實踐證明，流化床發(fā)電技術，特別是增壓流化床鍋爐聯合循環(huán)發(fā)電技術，具有效率高、環(huán)保特性好，小型化等優(yōu)點，是我國火電的發(fā)展方向，從根本上解決火電廠對大氣的嚴重污染，實現電力可持續(xù)發(fā)展。

　　0前言煤炭在我國一次能源的生產與消費中的比例高達75%這一比例在未來相當的時期內不會發(fā)生大的變化。目前，我國煤炭的轉化利用率較低，燃燒排放物己成為大氣環(huán)境的主要污染源。發(fā)展高效、低污染燃煤發(fā)電技術是我國貫徹環(huán)境保護基本國策、實現電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。

　　國家電力公司領導在1999年4月召開的循環(huán)流化床鍋爐現場交流會上指出：通過幾年來我國循環(huán)流化床技術的引進消化，循環(huán)流化床技術能夠達到電力可持續(xù)發(fā)展和電力結構調整的要計算機專業(yè)，工程師。

　　求，可從根本上解決我國火電廠對大氣的嚴重污染。循環(huán)流化床鍋爐的投資較常規(guī)鍋爐加煙氣脫硫設備的投資少，而且我國目前具備了一定的技術和人才儲備。實現大型化和國產化后，循環(huán)流化床降低投資的余度還很大。大型循環(huán)流化床將成為我國火電發(fā)展方向，國家電力公司將包括循環(huán)流化床（CFBC）技術、壓流化床鍋爐聯合循環(huán)（FBC―CC）發(fā)電技術和整體煤氣化聯合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術在內的潔凈煤發(fā)電技術納入到科技發(fā)展“十五”計劃和2015年規(guī)劃中。

　　1流化床燃燒技術提高機組發(fā)電效率，降低對環(huán)境的污染，是燃煤機組追求的方向。所謂潔凈煤發(fā)電技術，是指能獲得最大的方便，且環(huán)境負荷最小的、成本最低的煤炭發(fā)電技術。也就是說，在潔凈煤發(fā)電技術開發(fā)中必須同時追求高的技術和可能廉價建設與運行的技術。循環(huán)流化床發(fā)電技術便是其中之一。

　　流化床燃燒，現正成為與煤粉燃燒相并行的燃煤鍋爐的主要燃燒方式。尤其是其低NOx燃燒、爐內脫硫等低污染性能，更為人重視，因此，廣為采用。

　　流化床鍋爐按其發(fā)展過程分類，有以下三種。

　　1.1沸騰爐在低速流動的流化床內燃燒燃料，通過流化床內出現的氣泡使流動顆粒激烈運動，保持床內的沸騰狀態(tài)。與煤粉燃燒相比，具有下列優(yōu)點：a.流動顆粒熱容量大，混合強烈，燃料適應性好，可燃用包括煤矸石在內的劣質燃料；。床內傳熱管與流動顆粒間傳熱率高，故可縮小傳熱面積，實現鍋爐的小型化；c.投入石灰石等脫硫劑可實現爐內脫硫不需要另設脫硫裝置；。低溫燃燒，可抑制NOx的產生；。煤粗粉碎即可，不需制粉系統(tǒng)設備。

　　1.循環(huán)流化床鍋爐與沸騰爐相比，流動顆粒與氣體的混合更為強烈，顆粒隨同氣體飛散，經旋風分離器捕集再返回燃燒室，流動顆粒吹到燃煤室上方，在爐膛內形成流化床。其特點是：a.通過顆粒循環(huán)保持較長的爐內滯留時間，脫硫反應中Ca/S摩爾比小，脫硫劑使用量少；b顆粒循環(huán)量相當于40 ~100倍的給煤量；。通過對顆粒循環(huán)量的控制，可適應鍋爐低負荷運行。

　　1.3增壓流化床鍋爐59~1.96MPa其優(yōu)點為：a.可利用燃燒氣體殘壓、殘熱驅動燃氣輪機，構成聯合循環(huán)，進一步提高發(fā)電效率；b.可良好地進行灰的再循環(huán)，提高燃燒效率；。爐內脫硫率更高，NOx產生率更低；d.總體構造非常緊湊，減少建設成本縮短安裝工期。

　　2常壓循環(huán)流化床鍋爐的應用常壓循環(huán)流化床鍋爐在世界上推廣應用。法國于1990年投運了125MW機組，1992年投運了250MW機組，脫硫效率99. 7%排煙中的S2在以下、NOx以下，粉塵在10mg/m3以下，鍋爐效率達95.71%.并且，擬進行600MW、26.47MPa超臨界壓力機組的開發(fā)。美國建設了2臺220MW機組。韓國現有13臺100~200t/h常壓循環(huán)流化床鍋爐，韓國電力公司于1998年、1999年投運了3臺自行開發(fā)的燃用國產無煙煤的200MW機組，NOx排出濃度在205mg/m3以下，泰國正在建設2臺150MW熱電聯產機組，通過爐內脫硫使排煙S2濃度降低，以下。

　　內江發(fā)電總廠高壩電廠是我國最大的循環(huán)流化床鍋爐示范基地，裝機100MW，引進一臺芬蘭奧斯龍公司410t/h常壓循環(huán)流化床鍋爐，自1996年投運以來，一直穩(wěn)定運行。燃用當地灰分和含硫量較高的無煙煤，脫硫效率90%以上，排日本，按制造公司分類有三種方式：石播方式以煤為燃料的循環(huán)流化床鍋爐整套系統(tǒng)，如所示。循環(huán)流化床由煤中的灰、石灰石及床料形成。煤經粉碎機粉碎成小于10mm的煤塊投入爐中，一次風通過噴嘴供給，二次風從爐上部設置的二段燃燒用空氣通道分段供給。由旋風分離器分離的循環(huán)介質，通過環(huán)形密封再循環(huán)到爐內。煙氣從空氣預熱器出來后由布袋式除塵器等除塵。實踐表明，燃料比越高，NOx的排出量越少，當燃用燃料比為6的含硫率為0.4%的半無煙煤時，NOx排出量約為51mg/m3，石灰石中的Ca和煤中的S摩爾比為2.0硫率約為80%Ca/S為2. 5時，S2排出量三菱方式循環(huán)流化床鍋爐的燃料是燃煤與造紙淤渣混合物，系統(tǒng)如所示。爐膛四周由水冷壁構成，燃燒部分，后部煙道內的對流傳熱部分及流化床式熱交換器（FBHE）形成一體化構造，實現了小型化。燃煤室、FBHE密封箱封部上設置有多個流化用空氣噴嘴，FBHE內通常設置水冷壁和過熱器受熱，對流傳熱部分設置有一級過熱器、二級過熱器、蒸發(fā)器、省煤器、空氣預熱器。

　　燃燒室內無過熱器等傳熱管，由于FBHE內流速低、顆粒細，床內管磨損較小。

　　川重方式為兼具沸騰式和循環(huán)式特點的混合型循環(huán)流化床鍋爐，系統(tǒng)如所示。粒徑在10mm以下的煤粉在密封箱中與循環(huán)顆粒合流，送到流化床中燃燒，床內燃燒熱經旋風分離器再循環(huán)，加熱400 ~500C較低溫度的顆粒群，使流化床經常保持適于脫硫和燃燒的350C.再循環(huán)顆粒和小徑的煤粉顆粒在懸浮段與二次風混合，燃燒剩余的約四成的煤。懸浮段循環(huán)蒸發(fā)管、過熱器和風冷壁管冷卻的顆粒，循環(huán)顆粒將懸浮段冷卻到800~900在此溫度下保持充分的滯留時間，適宜地送入二次風，即可保持低水平的NOx、S2、CO發(fā)生量。

　　3增壓流化床鍋爐聯合循環(huán)（PFBC一CC）發(fā)電技術―CC發(fā)電技術特點PBFC―CC機組是將流化床鍋爐裝在壓力容器內，在增壓下燃燒以進一步提高燃燒效率。同時將通常的汽輪機發(fā)電與利用流化床鍋爐高溫高壓燃燒氣體驅動的燃氣輪機發(fā)電組成聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。其特點如下：效率高。聯合循環(huán)系統(tǒng)提高了發(fā)電效率，使用燃氣輪機空氣壓縮機，省略了送風機；爐內脫硫，省略了脫硫裝置，節(jié)省了廠用電，送電端效率與普通煤粉爐火力發(fā)電相比，提高了環(huán)保特性好，可實現爐內脫硫，氧化物與石灰石反應生成石膏，與煤灰一起經除塵裝置除去。因流化床鍋爐利用高壓空氣，流化床通風阻力較高，形成高的燃燒床，使燃燒物質在床內的滯留時間較長（約4s）從而可獲得更高的脫硫效率。

　　由于燃燒床內燃燒溫度約為860 ~870V低于煤粉爐，可抑制空氣中的氮氧化物生成NOx，加之燃料在床內的滯留時間長，燃料在燃燒過程中與還原物質接觸機會多，從而形成低NOx燃燒。發(fā)電效率的提高，又使C2生成量少于普通的煤粉爐。

　　為防止燃氣輪機磨耗，鍋爐出口處裝有旋風分離器和陶瓷過濾器等除塵裝置，使粉塵濃度低于燃氣輪機允許濃度。煙囪入口的低溫部分設有電除塵器，大大地提高了除塵效果。

　　c小型化。由于是在正壓下燃燒，鍋爐可小型化，加大不需要排煙脫硫裝置，減少了設置空間，進而可實現整座發(fā)電廠的小型化。

　　PFBC-CC發(fā)電技術的應用增壓流化床聯合發(fā)電方式（PFBC由歐洲作為高效率下對環(huán)境影響小的新一代燃煤火力發(fā)電方式而開發(fā)的技術，包括建設中的機組在內，世界上己有7臺70~80MW級機組的開發(fā)業(yè)績。

　　1969年，美國安裝了首臺試驗設備，進行了燃燒特性、環(huán)境特性、燃氣輪機葉片腐蝕特性等試驗。70年代，美、俄共同出資在英國建設了60MW試驗機組，1980年投運，獲取了各種設計數據，并進行了燃氣輪機材料試驗等。作為美國能源部促進潔凈煤技術計劃之一，美國電力公司建設了73MW機組，1990年投運，1995年完成應用試驗。

　　瑞典斯德哥爾摩能源公司1987年建設了由2臺增壓流化床鍋爐、2臺燃氣輪機和1臺汽輪機組成的熱電聯產型聯合循環(huán)機組，出力135MW/ 224MWth，1989年投運并進入商業(yè)運營。

　　西班牙國營電力公司將增壓流化床鍋爐作為低污染的可有效利用國產劣質褐煤技術進行了開發(fā)，1990年投運了79MW聯合循環(huán)機組。

　　德國為強化環(huán)境保護，作為替代原熱電聯產發(fā)電的設備，1998年投運了71MW熱電聯產增壓流化床聯合循環(huán)機組。

　　日本電源開發(fā)公司建設了日本首臺71MWPFBC―CC機組，1997年12月完成應用試驗；北海道電力公司1998年3月投運了苫東厚真發(fā)電廠3號85MW機組；九州電力公司1999年7月投運了目前世界上最大出力的360MW刈田電廠新1號機組；中國電力公司擬建大崎電廠1號系列2臺250MW機組。

　　3.3刈田發(fā)電廠新1號PFBC-CC機組刈田發(fā)電廠新1號PFBC―CC機組系統(tǒng)，如所示。

　　增壓循環(huán)流化床鍋爐采用了ABB公司的混合型方式，兼具沸騰式和循環(huán)式流化床的功能，是以全新概念設計出的一種流化經床方式。蒸發(fā)量260t/h，主蒸汽壓力25.0MPa蒸汽溫度570/ 595C，燃燒壓力1.4MPa燃燒溫度870 C，采用煤十石灰石+水的水煤惺礁悍絞健鍋爐一級和二級旋風分離器、床材貯藏容器、灰冷卻器等耐壓設備均裝在鋼板制垂直圓筒形壓力容器中，用壓力容器的側板支持，實現容器內部的簡化。為使壓力容器小型化，爐膛斷面為六角形，床內管按平等四邊形配置。內徑15.4m，高44.6m，涇體厚89.4mm，襯板厚空氣溫度350C空氣壓力1.68MPa燃氣輪機采用ABB公司的增壓循環(huán)流化床鍋爐配套的開放循環(huán)雙軸型燃氣輪機，是適用于燃燒2級旋風分離器除塵后的高粉塵濃度煙氣的設備。出力75MW，入口氣體壓力約1.3MPa入口氣體溫度約850出口約390°C，轉速在高壓力下為3600r/min，低壓下為1 250~3150r/min.雙軸型燃氣輪機具有良好的空氣流量控制特性，從而可保證機組具有良好的負荷跟蹤特性。高壓軸直接與發(fā)電機聯接，在額定轉速下運轉，低壓軸可相應于出力利用低壓燃氣輪機入口導向葉片調整空氣流量，提高低負荷運行時的效率。

　　汽輪機為串級再熱再生凝汽型，出力290MW.主蒸汽壓力24.1MPa蒸汽大型化的要求，采用了500MW以上大型汽輪機的蒸汽參數，主蒸汽壓力24.1MPa蒸汽溫度566/593C為了提高汽輪機效率，低壓未級采用40英寸鈦葉片。

　　新1號機組采用了由汽輪發(fā)電機和燃氣輪發(fā)電機構成的多軸聯合系統(tǒng)。燃氣輪發(fā)電機采用臥式圓筒旋轉磁場型發(fā)電機和無刷勵磁方式，定子、轉子均采用空冷方式。啟動采用可控硅頻率變換裝置（SFC），將發(fā)電機作為同步機使用。汽輪發(fā)電機也采用臥式圓筒旋轉磁場型發(fā)電機，以及響應特性優(yōu)良的可控硅靜止勵磁方式。為了提高發(fā)電效率，轉子中采用了高效風機，通過鐵心端部通風設計的最優(yōu)化，提高了冷卻效率。

　　通過爐內脫硫，排煙中的SOx濃度降低到217mg/m3以下；通過流化床的低溫燃燒和干式脫硝硝裝置的處理，NOx降低到123mg/m3以下；經兩級旋風分離器一次除塵和電除塵器的二次除塵，粉塵濃度降低到30mg/m3以下。

　　4結語流化床燃燒技術，特別是增壓循環(huán)流化床燃燒技術，是重要的潔凈煤發(fā)電技術，而增壓流化床鍋爐聯合循發(fā)電技術是既能實現潔凈煤發(fā)電又能提高發(fā)電效率的重要發(fā)電技術，是我國潔凈煤發(fā)電技術的發(fā)展方向。