蘇建民

(福建省龍巖發(fā)電有限責(zé)任公司,龍巖 364001)

近30年來,循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)在中國得到迅猛發(fā)展,經(jīng)歷了國外引進、引進消化及自主開發(fā)等幾個發(fā)展階段.目前,中國三大鍋爐廠擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的300MW機組CFB鍋爐已陸續(xù)投產(chǎn),國產(chǎn)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(shè),我國已經(jīng)成為世界上采用CFB鍋爐發(fā)電規(guī)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(jīng)濟運行的核心技術(shù)難題大多在CFB燃燒技術(shù)的發(fā)展進程中得到了有效解決,在設(shè)計、制造和運行方面也積累了豐富的經(jīng)驗,但是CFB燃燒技術(shù)還存在著一些有待進一步改善的問題,主要表現(xiàn)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(nèi)脫硫的CFB鍋爐(具有自脫硝能力)的廠用電率國內(nèi)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(jīng)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(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢沒有得到充分體現(xiàn).

(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(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計表明,平均可用小時數(shù)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(jīng)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(jù)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(fā)電效率、燃燒效率以及設(shè)備的可靠性是學(xué)者們非常關(guān)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(fēng)道阻力計算與實際運行工況存在較大偏差,導(dǎo)致鍋爐輔機選型不配套,“大馬拉小車”的現(xiàn)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(fēng)室風(fēng)壓大都運行在13～15 kPa,導(dǎo)致風(fēng)機運行壓頭增大.

(3)風(fēng)機普遍采用擋板調(diào)節(jié)或液力偶合器傳動方式,調(diào)節(jié)性能較差,且節(jié)能效果不明顯.

實現(xiàn)大型CFB鍋爐機組在降低廠用電率上的突破,提高設(shè)備可靠性,是當(dāng)前CFB燃燒技術(shù)的發(fā)展方向.清華大學(xué)近年來提出了基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能燃燒技術(shù)理論,為CFB鍋爐實現(xiàn)節(jié)能提供了理論依據(jù)[3].應(yīng)用基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù),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(shù)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(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐節(jié)能技術(shù)的理論基礎(chǔ)

自CFB的專利問世以來,國內(nèi)外鍋爐設(shè)計單位一直沿用傳統(tǒng)的設(shè)計理念,即為了滿足受熱面?zhèn)鳠嵝枨?追求較高的循環(huán)物料量,而對于CFB鍋爐內(nèi)部流態(tài)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(nèi)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(nèi)流化風(fēng)速一般選擇在4.5～5.5m/s.在此風(fēng)速下,爐膛內(nèi)的氣固流動屬于復(fù)合流化狀態(tài),即由無法參與循環(huán)的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床流動、參與外循環(huán)的細顆粒構(gòu)成的快速床流動組成[4],總懸浮質(zhì)量濃度=粗顆粒質(zhì)量濃度+細顆粒質(zhì)量濃度,見圖1.

圖1 CFB鍋爐爐膛內(nèi)的復(fù)合流態(tài)Fig.1 Composite flow pattern in the furnace of a CFB boiler

據(jù)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(huán),影響爐膛內(nèi)和循環(huán)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(fēng)速的顆粒,無法參與循環(huán),只能在底部形成密相的鼓泡流動.由于循環(huán)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(xiàn)在過渡段,從而在布風(fēng)板上方13 m的空間加劇此區(qū)域范圍內(nèi)受熱面的磨損.正是由于該區(qū)域煤粒的質(zhì)量濃度較高,二次風(fēng)口通常布置于此(見圖1),導(dǎo)致二次風(fēng)背壓較高,因此二次風(fēng)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(chǎn)生的床壓降要一次風(fēng)克服,需要較高的一次風(fēng)機壓頭.因此,在保證大顆粒煤能夠燃盡的條件下,適當(dāng)減少粗顆粒的床料存量,對于降低風(fēng)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(xiàn),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(zhì).對于可以參與外循環(huán)的細顆粒而言,其在爐膛內(nèi)的流化狀態(tài)為快速床.形成快速床流化狀態(tài)必須滿足2個前提條件:流化風(fēng)速必須大于形成快速床的輸送點風(fēng)速;循環(huán)流率要大于特定流化風(fēng)速下的飽和攜帶速率.當(dāng)爐膛內(nèi)構(gòu)成外部循環(huán)的細顆粒處于快速床時,在一定范圍內(nèi)改變床料量,不會改變爐膛上部濃度分布和循環(huán)流率,只會改變底部密相區(qū)細顆粒的高度[5].

CFB最原始的流程來自化工流化床反應(yīng)器,化工領(lǐng)域人們并不注意裝置能耗問題,更關(guān)注反應(yīng)的完全性.它規(guī)定了CFB燃燒室上部快速床流態(tài)的細顆粒物料的空間懸浮質(zhì)量濃度在15 kg/m3以上[3].為達到這一空間物料質(zhì)量濃度,快速床下部必須有一個較高的濃相物料區(qū),即需要較大的床料存量.通過冷熱態(tài)試驗證實,在大型燃燒室內(nèi)快速床狀態(tài)的范圍遠大于以前化工領(lǐng)域研究者的認知范圍,發(fā)現(xiàn)可以將CFB內(nèi)的快速床流態(tài)定態(tài)點遷移到15 kg/m3以下,這時所需的濃相區(qū)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(tài)范圍內(nèi),對稀相段物料濃度及傳熱系數(shù)的影響在可預(yù)測范圍內(nèi).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(zhì)量濃度控制在更加合理的范圍內(nèi),這就是流態(tài)重構(gòu).

與對鍋爐磨損及風(fēng)機能耗直接影響不同,流態(tài)重構(gòu)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(fēng)速下,當(dāng)床料量增加時,上部懸浮物料質(zhì)量濃度也會增加,上部氣固流場出現(xiàn)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(chǎn)生返混,并在氣流作用下解體,再團聚再解體,如此反復(fù).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(zhì)量濃度的增加,氣固兩相主流的動量和剛度都相應(yīng)增加,二次風(fēng)以一定速度射入氣固主流區(qū)所受到的阻力變大,導(dǎo)致二次風(fēng)能夠穿透的深度降低[6],能夠進入到爐膛核心區(qū)的氧氣量降低,造成核心貧氧區(qū)的存在[7],導(dǎo)致可燃物顆粒在通過此區(qū)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(yōu)床料存量,既可以維持快速流化狀態(tài),保證傳熱性能要求,又可以降低過渡區(qū)物料質(zhì)量濃度、減輕受熱面磨損及風(fēng)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(tài)重構(gòu),爐膛上部依然維持快速流化狀態(tài),氣固濃度和外循環(huán)流率可以維持不變,保證傳熱性能要求,但二次風(fēng)區(qū)域物料質(zhì)量濃度會明顯降低,二次風(fēng)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(fēng)機的壓頭降低,風(fēng)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(zhì)量濃度大幅度減小,從而可以減輕爐膛下部濃相區(qū)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(tài)重構(gòu)的前提條件必須使得物料平衡系統(tǒng)穩(wěn)定于新的狀態(tài)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(xiàn)物料平衡.

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

3 流態(tài)重構(gòu)CFB鍋爐燃燒技術(shù)的應(yīng)用

流態(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐燃燒技術(shù)是對傳統(tǒng)CFB技術(shù)的改進,流態(tài)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(shù)應(yīng)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(zhì)無煙煤具有細顆粒含量多、揮發(fā)分含量極低(w(V)＜4%)、燃盡時間長和易爆裂等特點,因而導(dǎo)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(yè)分析數(shù)據(jù).

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(yè)分析Tab.2 Ultimate and proximate analysis of the incoming coal

3.2 135MW機組上的應(yīng)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(xù)投產(chǎn),燃燒福建劣質(zhì)無煙煤.投產(chǎn)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?zhí)己烤痈卟幌?(3)密相區(qū)防磨層與膜式水冷壁交界區(qū)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(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐節(jié)能技術(shù)的理論基礎(chǔ),并分析了龍巖坑口電廠 CFB機組應(yīng)用基于流態(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐節(jié)能燃燒技術(shù)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(tǒng)的性能進行了仔細的分析核算.在此基礎(chǔ)上完善了一些部件的性能,進行了運行探索.

經(jīng)過近一年的摸索,風(fēng)室風(fēng)壓從原來的14 kPa逐步降到9 kPa,鍋爐帶負荷能力及負荷調(diào)節(jié)性能未受任何影響,而采用流態(tài)重構(gòu)運行方式后,機組運行經(jīng)濟性和可靠性均明顯好轉(zhuǎn).

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(fēng)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(fēng)口的背壓,二次風(fēng)機也必須維持在較高的壓頭,最終導(dǎo)致鍋爐風(fēng)機電耗居高不下.

龍巖坑口電廠135 MW機組CFB鍋爐投產(chǎn)初期,二次風(fēng)和引風(fēng)機采用液力偶合器調(diào)節(jié)方式,一次風(fēng)機采用擋板調(diào)節(jié)方式.2007年進行低床壓燃燒試驗時,由于風(fēng)機調(diào)節(jié)性能較差,風(fēng)室壓力低于12 kPa時床壓劇烈波動,導(dǎo)致燃燒試驗無法進行.之后對鍋爐的一、二次風(fēng)機進行變頻改造,消除了風(fēng)機調(diào)節(jié)盲區(qū),風(fēng)機調(diào)節(jié)性能大大改善,實現(xiàn)了風(fēng)室壓力維持9 kPa左右的低床壓穩(wěn)定運行方式.由于床料存量減少,風(fēng)室壓力降低了5 kPa,相應(yīng)地一、二次風(fēng)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(tài)重構(gòu)節(jié)能運行技術(shù)前后廠用電率的對比.

表3數(shù)據(jù)顯示,通過必要的設(shè)備改造,基于流態(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐節(jié)能燃燒技術(shù)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(jié)能效果非常明顯.

表3 龍巖坑口電廠135MW機組鍋爐流態(tài)重構(gòu)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(tài)重構(gòu)運行方式后,由于減少了無效床料,床料存量明顯減少,爐內(nèi)燃燒狀態(tài)明顯優(yōu)化,表4給出了流態(tài)重構(gòu)前后鍋爐主要運行參數(shù)的變化情況.

表4 135 MW機組鍋爐流態(tài)重構(gòu)前后主要運行參數(shù)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(tài)重構(gòu)后燃燒溫度的提高,爐內(nèi)燃燒明顯優(yōu)化.與此同時,二次風(fēng)處背壓下降,改善了二次風(fēng)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(tài)重構(gòu)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(jīng)濟性明顯提高.

圖2 流態(tài)重構(gòu)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(qū)防磨層與膜式壁交界區(qū)域,其原因除了該區(qū)域存在渦流之外,還由于該區(qū)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(shù)量成正比.流態(tài)重構(gòu)前,由于床料存量較大,粗顆粒存量也較大,導(dǎo)致過渡段煤粒數(shù)量(特別是大顆粒數(shù)量)較多,磨損相當(dāng)嚴重[11].圖3為流態(tài)重構(gòu)前鍋爐運行3 000 h后,距離布風(fēng)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(xiàn)不同程度磨損.

流態(tài)重構(gòu)后,風(fēng)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(shù)量減少,特別是大顆粒數(shù)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(qū)域水冷壁未發(fā)生磨損,機組運行可靠性大為提高.

圖3 流態(tài)重構(gòu)前密相區(qū)防磨層上部區(qū)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(yīng)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(chǎn)發(fā)電.鍋爐為自然循環(huán)、一次中間再熱、平衡通風(fēng)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(fēng)板結(jié)構(gòu),設(shè)有分離器和尾部煙道(順列布置受熱面),爐內(nèi)布置屏式過熱器、再熱器及水冷蒸發(fā)屏,煙氣調(diào)節(jié)擋板控制再熱汽溫,整體布置和熱力系統(tǒng)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(jīng)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(shè)計中還采用基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型CFB鍋爐技術(shù),對關(guān)鍵部件系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計.機組投運后,進行了流態(tài)重構(gòu)和非流態(tài)重構(gòu)2種運行模式的對比.結(jié)果表明:采用流態(tài)重構(gòu)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(tài)重構(gòu)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(nèi)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(tài)重構(gòu)后廠用電率最低,僅為4.3%,遠優(yōu)于國內(nèi)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(nèi)外CFB鍋爐發(fā)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(tài)重構(gòu)技術(shù)的節(jié)能潛力

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

值得說明的是,流態(tài)重構(gòu)不僅僅是簡單地降低床料存量,而要結(jié)合鍋爐本體、輔機系統(tǒng)和運行的整體優(yōu)化來實現(xiàn).例如CFB鍋爐物料平衡系統(tǒng)的分析證明:為達到提高流化床質(zhì)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(shù)和燃燒份額分配設(shè)計導(dǎo)則.

4 結(jié) 論

(1)基于流態(tài)重構(gòu)的CFB鍋爐節(jié)能燃燒技術(shù),通過改變床料存量,減少無效床料,實現(xiàn)燃燒福建劣質(zhì)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(tài)重構(gòu)不僅僅是簡單地減少床料存量,而要結(jié)合鍋爐本體、輔機系統(tǒng)和運行的整體優(yōu)化來實現(xiàn).

(3)流態(tài)重構(gòu)對提高燃燒福建劣質(zhì)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.

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