基于流態重構的循環流化床鍋爐節能燃燒技術的應用實踐

蘇建民

(福建省龍巖發電有限責任公司,龍巖 364001)

近30年來,循環流化床(CFB)燃燒技術在中國得到迅猛發展,經歷了國外引進、引進消化及自主開發等幾個發展階段.目前,中國三大鍋爐廠擁有自主知識產權的300MW機組CFB鍋爐已陸續投產,國產第一臺超臨界600 MW機組CFB鍋爐示范工程也已在四川白馬電廠開工建設,我國已經成為世界上采用CFB鍋爐發電規模最大的國家[1].

1 目前CFB鍋爐普遍存在的問題

盡管制約鍋爐機組安全經濟運行的核心技術難題大多在CFB燃燒技術的發展進程中得到了有效解決,在設計、制造和運行方面也積累了豐富的經驗,但是CFB燃燒技術還存在著一些有待進一步改善的問題,主要表現在三個方面:

(1)與同容量煤粉鍋爐相比,廠用電率偏高.例如,以300 MW機組為例,帶煙氣脫硫和脫硝的亞臨界壓力煤粉鍋爐的廠用電率一般在6.5%～7%,而帶爐內脫硫的CFB鍋爐(具有自脫硝能力)的廠用電率國內外均在7.5%～10%,我國普遍在8%左右.由于廠用電率偏高,使得機組的凈效率下降,經濟效益受到影響,輸出單位電能的污染物排放量增加,與煤粉鍋爐相比競爭能力不強,CFB潔凈煤發電技術的優勢沒有得到充分體現.

(2)CFB鍋爐的可靠性不夠高,主要是爐膛水冷壁管、換熱床受熱面的磨損沒有得到根本解決.電力工業聯合會的統計表明,平均可用小時數大約為相同容量煤粉鍋爐的92%左右,其中的主要原因是爐膛水冷壁管的磨損.機組停爐檢修時間偏長,影響了機組的經濟性.

(3)CFB鍋爐的燃燒效率和鍋爐效率比同容量同煤種煤粉鍋爐低大約0.5%.

因此,如何根據我國燃料的具體情況,從根本上降低廠用電率以進一步提高CFB鍋爐的發電效率、燃燒效率以及設備的可靠性是學者們非常關注的問題[2].

造成CFB鍋爐廠用電率偏高的主要原因有:

(1)煙、風道阻力計算與實際運行工況存在較大偏差,導致鍋爐輔機選型不配套,“大馬拉小車”的現象普遍存在.

(2)為了保證CFB鍋爐燃燒效率,往往追求過高的運行床壓,風室風壓大都運行在13～15 kPa,導致風機運行壓頭增大.

(3)風機普遍采用擋板調節或液力偶合器傳動方式,調節性能較差,且節能效果不明顯.

實現大型CFB鍋爐機組在降低廠用電率上的突破,提高設備可靠性,是當前CFB燃燒技術的發展方向.清華大學近年來提出了基于流態重構的循環流化床鍋爐節能燃燒技術理論,為CFB鍋爐實現節能提供了理論依據[3].應用基于流態重構的循環流化床鍋爐燃燒技術,于2007年起在福建龍巖坑口電廠135MW及300 MW機組CFB鍋爐上進行實踐,本文介紹了該技術在降低鍋爐廠用電率、減輕受熱面磨損以及提高鍋爐燃燒效率方面取得的成果.

2 流態重構的CFB鍋爐節能技術的理論基礎

自CFB的專利問世以來,國內外鍋爐設計單位一直沿用傳統的設計理念,即為了滿足受熱面傳熱需求,追求較高的循環物料量,而對于CFB鍋爐內部流態的探索始終未能形成共識.

CFB鍋爐具有寬篩分的煤粒度,一般在0～10 mm,因此爐膛內床料也具有較寬的粒度分布.鍋爐滿負荷運行條件下,爐膛內流化風速一般選擇在4.5～5.5m/s.在此風速下,爐膛內的氣固流動屬于復合流化狀態,即由無法參與循環的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床流動、參與外循環的細顆粒構成的快速床流動組成[4],總懸浮質量濃度=粗顆粒質量濃度+細顆粒質量濃度,見圖1.

圖1 CFB鍋爐爐膛內的復合流態Fig.1 Composite flow pattern in the furnace of a CFB boiler

據此,CFB鍋爐的床料可以定性地分為兩類,即有效床料和無效床料.有效床料可以形成外部循環,影響爐膛內和循環回路中的燃燒和受熱面布置,這是CFB鍋爐的必要條件.無效床料是指那些終端速度大于流化風速的顆粒,無法參與循環,只能在底部形成密相的鼓泡流動.由于循環流化床鍋爐底部水冷壁澆注了防磨材料,因此無效床料對傳熱的貢獻很小,其對鍋爐運行的正面意義在于提供了粗大煤粒燃盡需要的停留時間;同時,這些大顆粒在爐膛下部的夾帶揚析會大量出現在過渡段,從而在布風板上方13 m的空間加劇此區域范圍內受熱面的磨損.正是由于該區域煤粒的質量濃度較高,二次風口通常布置于此(見圖1),導致二次風背壓較高,因此二次風射流阻力較大,其穿透能力下降,氧氣混合擴散效果欠佳[3].而較多的大顆粒產生的床壓降要一次風克服,需要較高的一次風機壓頭.因此,在保證大顆粒煤能夠燃盡的條件下,適當減少粗顆粒的床料存量,對于降低風機壓頭和改善磨損是有益的.

粗顆粒存量的降低不能簡單地通過排渣實現,因為通過排渣減少粗顆粒存量的過程,不可避免地同時降低細顆粒的存量,而細顆粒存量的減小將會影響上部快速床的性質.對于可以參與外循環的細顆粒而言,其在爐膛內的流化狀態為快速床.形成快速床流化狀態必須滿足2個前提條件:流化風速必須大于形成快速床的輸送點風速;循環流率要大于特定流化風速下的飽和攜帶速率.當爐膛內構成外部循環的細顆粒處于快速床時,在一定范圍內改變床料量,不會改變爐膛上部濃度分布和循環流率,只會改變底部密相區細顆粒的高度[5].

CFB最原始的流程來自化工流化床反應器,化工領域人們并不注意裝置能耗問題,更關注反應的完全性.它規定了CFB燃燒室上部快速床流態的細顆粒物料的空間懸浮質量濃度在15 kg/m3以上[3].為達到這一空間物料質量濃度,快速床下部必須有一個較高的濃相物料區,即需要較大的床料存量.通過冷熱態試驗證實,在大型燃燒室內快速床狀態的范圍遠大于以前化工領域研究者的認知范圍,發現可以將CFB內的快速床流態定態點遷移到15 kg/m3以下,這時所需的濃相區高度和床料存量可以大幅度降低,但是上部仍然保持在快速床流態范圍內,對稀相段物料濃度及傳熱系數的影響在可預測范圍內.通過降低粗顆粒的存量和細顆粒的存量,從而將上部爐膛的懸浮物料質量濃度控制在更加合理的范圍內,這就是流態重構.

與對鍋爐磨損及風機能耗直接影響不同,流態重構對燃燒效率的影響是非線性的,具有雙重性.一方面,在某恒定的流化風速下,當床料量增加時,上部懸浮物料質量濃度也會增加,上部氣固流場出現顆粒團的幾率將增加,由于顆粒團的終端速度大于單個細小顆粒,因此會在爐膛軸向產生返混,并在氣流作用下解體,再團聚再解體,如此反復.這種軸向的混合會延長細小顆粒在爐膛上部的停留時間,有利于細小可燃物的燃盡.另一方面,隨著爐膛上部懸浮物料質量濃度的增加,氣固兩相主流的動量和剛度都相應增加,二次風以一定速度射入氣固主流區所受到的阻力變大,導致二次風能夠穿透的深度降低[6],能夠進入到爐膛核心區的氧氣量降低,造成核心貧氧區的存在[7],導致可燃物顆粒在通過此區間的燃燒受到抑制.考慮到床料存量對燃燒效率的雙重性影響,理論上存在最優床料存量,既可以維持快速流化狀態,保證傳熱性能要求,又可以降低過渡區物料質量濃度、減輕受熱面磨損及風機電耗并獲得最高燃燒效率[8].

考慮到有效床料的快速床流化特性,通過流態重構,爐膛上部依然維持快速流化狀態,氣固濃度和外循環流率可以維持不變,保證傳熱性能要求,但二次風區域物料質量濃度會明顯降低,二次風穿透擾動效果增強,爐膛上部氣固混合效果得以改進,提高了鍋爐燃燒效率,降低了鍋爐機組的供電煤耗.床料存量降低后,一方面,物料流化需要的動力減小,鍋爐一、二次風機的壓頭降低,風機電耗下降,從而降低鍋爐機組的廠用電率;另一方面,爐膛下部物料質量濃度大幅度減小,從而可以減輕爐膛下部濃相區特別是防磨層與膜式壁交界處的磨損,提高鍋爐機組的可用率.

但流態重構的前提條件必須使得物料平衡系統穩定于新的狀態上[7].這就要求分離器、回送裝置、燃料成灰特性之間相匹配,并通過控制給煤粒度實現物料平衡.

綜上所述,基于流態重構降低床料存量節能運行的技術路線是通過提高流化床質量實現流態重構,達到減少能耗和減輕磨損的目的.床料存量的優化可以依據CFB鍋爐流態圖譜進行[4],用多粒度物料平衡和顆粒平均停留時間優化無效床料存量,避免多余存料量引起的不必要的風機能耗和受熱面磨損,維持爐膛上部快速床流化狀態.

3 流態重構CFB鍋爐燃燒技術的應用

流態重構的CFB鍋爐燃燒技術是對傳統CFB技術的改進,流態遷移是解決CFB鍋爐的能耗和磨損問題的根本途徑,為此,將該技術應用在135 MW和300 MW機組上進行了實踐探索,取得了令人滿意的效果.

3.1 煤的特性

福建劣質無煙煤具有細顆粒含量多、揮發分含量極低(w(V)＜4%)、燃盡時間長和易爆裂等特點,因而導致極難著火和極難燃盡等問題,是目前世界最難燃燒的煤種.表1、表2分別給出了入爐煤的粒徑分布及元素分析和工業分析數據.

表1 入爐煤的粒徑分布Tab.1 Particle size distribution of the incoming coal

表2 入爐煤的元素分析和工業分析Tab.2 Ultimate and proximate analysis of the incoming coal

3.2 135MW機組上的應用

福建龍巖坑口電廠一期4臺135 MW機組CFB鍋爐為440 t/h一次再熱超高壓機組,于2005—2006年陸續投產,燃燒福建劣質無煙煤.投產初期運行中存在三個突出問題:(1)運行廠用電率偏高,約為8.5%;(2)鍋爐燃燒效率不理想,飛灰殘碳含量居高不下;(3)密相區防磨層與膜式水冷壁交界區域磨損嚴重,磨損速率約0.5～1μm/h.

針對以上存在的問題,2007年初開始詳細分析流態重構的CFB鍋爐節能技術的理論基礎,并分析了龍巖坑口電廠 CFB機組應用基于流態重構的CFB鍋爐節能燃燒技術的可行性.針對福建無煙煤細顆粒含量較多,入爐煤平均粒徑為3 mm左右,其中1 mm以下顆粒約占50%的特性[9],對燃料的成灰特性、物料平衡系統的性能進行了仔細的分析核算.在此基礎上完善了一些部件的性能,進行了運行探索.

經過近一年的摸索,風室風壓從原來的14 kPa逐步降到9 kPa,鍋爐帶負荷能力及負荷調節性能未受任何影響,而采用流態重構運行方式后,機組運行經濟性和可靠性均明顯好轉.

3.2.1 對廠用電率的影響

無謂地增加無效物料的床存量,使一次風機必須維持在較高的壓頭下運行,同時無效物料床存量也提高了二次風口的背壓,二次風機也必須維持在較高的壓頭,最終導致鍋爐風機電耗居高不下.

龍巖坑口電廠135 MW機組CFB鍋爐投產初期,二次風和引風機采用液力偶合器調節方式,一次風機采用擋板調節方式.2007年進行低床壓燃燒試驗時,由于風機調節性能較差,風室壓力低于12 kPa時床壓劇烈波動,導致燃燒試驗無法進行.之后對鍋爐的一、二次風機進行變頻改造,消除了風機調節盲區,風機調節性能大大改善,實現了風室壓力維持9 kPa左右的低床壓穩定運行方式.由于床料存量減少,風室壓力降低了5 kPa,相應地一、二次風機壓頭分別降低了5 kPa和3 kPa,廠用電率明顯下降.表3列出了135 MW機組CFB鍋爐采用流態重構節能運行技術前后廠用電率的對比.

表3數據顯示,通過必要的設備改造,基于流態重構的CFB鍋爐節能燃燒技術是完全可行的,在福建龍巖坑口電廠135MW機組CFB鍋爐中,廠用電率從8.22%降低到6.87%,節能效果非常明顯.

表3 龍巖坑口電廠135MW機組鍋爐流態重構前后廠用電率的對比Tab.3 Comparison of auxiliary power ratios before and after flow pattern reconstruction in the 135 MW boiler in Longyan Mine Mouth Power Plant

3.2.2 對飛灰可燃物含量的影響

采用流態重構運行方式后,由于減少了無效床料,床料存量明顯減少,爐內燃燒狀態明顯優化,表4給出了流態重構前后鍋爐主要運行參數的變化情況.

表4 135 MW機組鍋爐流態重構前后主要運行參數的對比Tab.4 Comparison of main operational parameters before and after flow pattern reconstruction in the 135 MW boiler

對于極難燃盡的福建無煙煤,由于要求的燃盡溫度較高[10],因此隨著流態重構后燃燒溫度的提高,爐內燃燒明顯優化.與此同時,二次風處背壓下降,改善了二次風的混合效果,使得飛灰可燃物含量w(Cfh)明顯下降.圖2為流態重構前后滿負荷工況下不同粒徑飛灰可燃物含量的變化情況.由圖2可見,不同粒徑飛灰的可燃物含量均不同程度地下降,綜合灰樣的含碳量w(Cfh)約下降 5%,而底渣含碳量w(Clz)僅增加0.5%,機組運行經濟性明顯提高.

圖2 流態重構前后飛灰可燃物含量的變化Fig.2 Variation of carbon contents in fly ash before and after flow pattern reconstruction

3.2.3 對受熱面磨損的影響

高料層對CFB鍋爐受熱面的磨損主要集中在密相區防磨層與膜式壁交界區域,其原因除了該區域存在渦流之外,還由于該區域大顆粒的存在.磨損速率一般與顆粒直徑的3次方成正比,并與顆粒數量成正比.流態重構前,由于床料存量較大,粗顆粒存量也較大,導致過渡段煤粒數量(特別是大顆粒數量)較多,磨損相當嚴重[11].圖3為流態重構前鍋爐運行3 000 h后,距離布風板8.5 m處水冷壁管的磨損情況,磨損速率約0.8μm/h.同一層高的其他管子也出現不同程度磨損.

流態重構后,風室壓力降低了5 kPa,床料存量減少,尤其是粗顆粒存量較少,使得過渡段的空間顆粒數量減少,特別是大顆粒數量明顯減少,從而有效降低了磨損速率.運行3年來,135MW機組鍋爐該區域水冷壁未發生磨損,機組運行可靠性大為提高.

圖3 流態重構前密相區防磨層上部區域的磨損Fig.3 Abrasion of the zone above dense phase region lined with wearproof layer before flow pattern reconstruction

3.3 300MW機組上的應用

2009年,龍巖坑口電廠二期2臺300 MW亞臨界壓力CFB鍋爐投產發電.鍋爐為自然循環、一次中間再熱、平衡通風型式,其主蒸汽流量為1 025 t/h、主蒸汽溫度為540℃、再熱蒸汽溫度為540℃、主蒸汽壓力為17.4 M Pa.鍋爐采用單爐膛單布風板結構,設有分離器和尾部煙道(順列布置受熱面),爐內布置屏式過熱器、再熱器及水冷蒸發屏,煙氣調節擋板控制再熱汽溫,整體布置和熱力系統簡單,易于操作控制、降低了廠用電率[12].

由于采用無換熱床的簡約型布置,鍋爐本身的廠用電率已經下降,與非簡約型(帶外置床)布置的鍋爐相比廠用電率從約8.2%下降到6.1%.設計中還采用基于流態重構的節能型CFB鍋爐技術,對關鍵部件系統進行了優化設計.機組投運后,進行了流態重構和非流態重構2種運行模式的對比.結果表明:采用流態重構運行后,機組廠用電率從6.1%下降到4.3%,見表5.

表5 300MW機組鍋爐采用流態重構前后機組廠用電率的對比Tab.5 Comparison of auxiliary power ratios before and after flow pattern reconstruction in the300 MW boiler

與國內外300 MW機組亞臨界壓力CFB鍋爐相比[13],龍巖坑口電廠300 MW機組鍋爐采用流態重構后廠用電率最低,僅為4.3%,遠優于國內外同類機組廠用電率(一般在6.5%～9.2%,見表6),可與同容量的帶煙氣脫硫和脫硝的煤粉鍋爐相媲美.

表6 國內外CFB鍋爐發電機組廠用電率的比較Tab.6 Comparison of auxiliary power consumption of domestic and oversea power units with CFB boilers %

3.4 CFB鍋爐采用流態重構技術的節能潛力

按廠用電率節約2%計算,以300 MW機組年運行5 500 h為例,年節約廠用電3.3×107kW?h,折合標煤(1～1.5)×104t.目前國內CFB鍋爐機組裝機容量已達73 GW,因此,一旦該技術得到推廣應用,對我國CFB鍋爐機組的運行水平、環保效益以及今后大型CFB鍋爐機組的發展必將產生深遠的影響.

值得說明的是,流態重構不僅僅是簡單地降低床料存量,而要結合鍋爐本體、輔機系統和運行的整體優化來實現.例如CFB鍋爐物料平衡系統的分析證明:為達到提高流化床質量、降低床料存量的目的,必須改進分離器的分離效率、改進物料回送裝置的流動特性、注意控制燃料粒度、更新傳熱系數和燃燒份額分配設計導則.

4 結 論

(1)基于流態重構的CFB鍋爐節能燃燒技術,通過改變床料存量,減少無效床料,實現燃燒福建劣質無煙煤的135MW及300 MW機組CFB鍋爐在9 kPa左右的低床壓運行,底渣含碳量沒有明顯增加,而飛灰可燃物含量卻下降了5%左右,廠用電率下降2%以上.

(2)流態重構不僅僅是簡單地減少床料存量,而要結合鍋爐本體、輔機系統和運行的整體優化來實現.

(3)流態重構對提高燃燒福建劣質無煙煤CFB鍋爐的綜合性能極為有益,但是對其他煤種的影響還有待于實踐的進一步檢驗.

[1] LIJ,M IJ,HAO J,eta l.Operational status of 300 MW e CFB boiler in China[C]//Proc of the 20th Inter Conf on FBC.Beijing:Springer Press,2009:243-246.

[2] YUEG,YANG H,LU J,et al.Latest development of CFB boilers in China[C]//Proc of the 20th Inter Conf on FBC.Beijing:Springer Press,2009:3-12.

[3] SU J,ZHAO X,ZHANG J,eta l.Design and operation of CFB boilers with low bed inventory[C]//Proc of the 20th Inter Confon FBC.Beijing:Springer Press,2009:212-218.

[4] YUEG,LU J,ZHANG H,eta l.Design theory o f circulating fluidized bed boilers[C]//Proc of the 18th Inter Conf on FBC.Toronto:ASME,2005:135-146.

[5] YANG H,YUE G,XIAO X,eta l.1D modeling on the material balance in a CFB boiler[J].Chemical Engineering Science,2005,60(20):5603-5611.

[6] 楊建華,楊海瑞,岳光溪.循環流化床二次風射流穿透規律的試驗研究[J].動力工程,2008,28(4):509-513.YANG Jianhua,YANG Hairui,YUE Guangxi.Experimental study on secondary air jet penetration in a circulating fluidized bed[J].Journal of Power Engineering,2008,28(4):509-513.

[7] XIAO X,YANG H,ZHANG H,etal.Research on carbon content in fly ash from circulating fluidized bed boilers[J].Energy&Fuels,2005,19(4):1520-1525.

[8] 楊石,楊海瑞,呂俊復,等.新一代節能型循環流化床鍋爐燃燒技術[J].動力工程,2009,29(8):728-732.YANG Shi,YANG Hairui,LüJunfu,et al.The new generation combustion technology for energy saving circulating fluidized bed boilers[J].Journal of Power Engineering,2009,29(8):728-732.

[9] 卓鄭煒,蘇建民.循環流化床燃燒技術在福建的發展歷程及燃燒福建劣質無煙煤的應用成果[J].能源與環境,2010(2):35-37.ZHUO Zhengwei,SU Jianmin.The development process of circulating fluidized bed boiler in Fujian and the application achievement of Fujian low rank anthracite coal in it[J].Energy and Environment,2010(2):35-37.

[10] 何宏舟,駱仲泱,岑可法.影響福建無煙煤在CFB鍋爐中燃盡的若干因素[J].動力工程,2006,26(3):359-363.HE Hongzhou,LUO Zhongyang,CEN Kefa.Factors influencing the burn-out rate of Fujian anthracite coal in CFB boilers[J].Journa l of Power Engineering,2006,26(3):359-363.

[11] 侯祥松,張建勝,王進偉,等.循環流化床鍋爐中水冷壁的磨損原理及其預防[J].鍋爐技術,2007,38(4):19-24.HOU Xiangsong,ZHANG Jiansheng,WANG Jinw ei,eta l.The mechanism of the water wall erosion in a circulating fluidized bed boiler and its improvement[J].Boiler Technology,2007,38(4):19-24

[12] GUO Q,ZHENG X,ZHOU Q,eta l.Operation experience and performance of the first 300 MW e CFB boiler developed by DBC in China[C]//Proc of the 20th Inter Con f on FBC.Beijing:Springer Press,2009:237-242.

[13] 蘇建民.燃燒劣質無煙煤300 MW循環流化床鍋爐節能減排特性研究[J].動力工程學報,2010,30(9):663-667.SU Jianm in.Study on energy saving and em ission reduc tion features of an 300 MW Fujian inferior anthracite fired circulating fluidized bed boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2010,30(9):663-667.