電力百科第 28 期：流化床

　　1 循環(huán)流化床鍋爐簡介

循環(huán)流化床中自由循環(huán)發(fā)電機(jī)， 燃燒室、分離器及返料器組成主循環(huán)回路。燃料燃燒產(chǎn)生的灰分及脫硫石灰石在系統(tǒng)中累積自由循環(huán)發(fā)電機(jī)，在燃燒室下部形成鼓泡床或湍流床自由循環(huán)發(fā)電機(jī)， 上部形成快速床。

下部的大量熱物料為燃料著火提供足夠的熱源， 因此對燃料要求比較寬松。流化過程氣固混合強(qiáng)烈， 降低了燃燒或脫硫化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)阻力， 加速了反應(yīng)速度。

在800~900 ℃條件下， 燃燒比較穩(wěn)定， 加入石灰石顆粒， 石灰石中的碳酸鈣可以分解成高孔隙率的氧化鈣， 進(jìn)而吸收燃燒產(chǎn)生的二氧化硫； 此溫度下氮氧化物的生成量顯著下降， 另外， 低溫燃燒形成的多孔灰顆粒對重金屬有很強(qiáng)的吸附能力， 煙氣中重金屬排放低。

　　2 增壓循環(huán)流化床鍋爐

　　2.1 增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)的原理

增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)是以一個增壓的(1.0 ～ 1.6 MPa)流化床燃燒室為主體, 以蒸汽、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)為特征的熱力發(fā)電技術(shù)。

增壓流化床聯(lián)合循環(huán)燃燒系統(tǒng)一般是將煤和脫硫劑制成水煤漿, 用泵將其注入流化床燃燒室內(nèi)(或用壓縮空氣將煤粉吹入燃燒室內(nèi)), 空氣經(jīng)壓力風(fēng)室, 從布風(fēng)板吹入爐膛, 使燃料流化、燃燒, 并在流化床燃燒室中部流入二次風(fēng)使燃料燃盡。

流化床內(nèi)燃燒溫度一般在850 ～ 920℃。爐膛出口的高溫高壓煙氣除塵后驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī), 使燃?xì)廨啓C(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí), 鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī), 帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。其基本系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)的特點(diǎn)及問題

(1)增壓循環(huán)流化床鍋爐取消了受熱面埋管, 增加了自由空間的受熱面;取消了床料儲罐和料層控制裝置, 增加了分離器和回料器。所以可以認(rèn)為, 增壓循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)和鼓泡型增壓流化床聯(lián)合循環(huán)相比價(jià)格基本相同或更少。

(2)出口煙溫較鼓泡增壓流化床高, 由于爐膛內(nèi)溫度分布均勻, 且在爐膛的下部沒有布置受熱面, 因此, 在滿負(fù)荷至低負(fù)荷(40%)的范圍內(nèi)均可以維持爐膛出口煙溫的設(shè)計(jì)值。

(3)增壓循環(huán)流化床鍋爐爐膛容積熱強(qiáng)度和截面熱強(qiáng)度也高于增壓鼓泡流化床, 表1給出了幾種燃燒方式的爐膛截面熱強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。

從表1可知, 增壓流化床截面熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤粉爐和常壓流化床鍋爐。增壓循環(huán)流化床鍋爐截面熱強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于增壓鼓泡流化床鍋爐。壓力容器截面積更小, 占地面積更少。

(4)在增壓鼓泡流化床鍋爐運(yùn)行時(shí), 燃燒所需的全部空氣都經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入爐膛, 過量空氣系數(shù)為1.2 ～ 1.3。而在增壓循環(huán)流化床中, 可以采用分級配風(fēng)方式, 床層的過量空氣系數(shù)在0.6 ～0.7, 能使NOx進(jìn)一步降低。

(5)負(fù)荷調(diào)節(jié)性好。在增壓循環(huán)流化床鍋爐中, 可以通過調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)配比改變爐膛傳熱,從而進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié), 不需要改變爐膛內(nèi)固體物料量。同時(shí), 增壓循環(huán)流化床鍋爐保溫物料量和耐火防磨材料用量較少。因此, 其負(fù)荷調(diào)節(jié)速度較快, 啟、停時(shí)間較短。

　　2.3 增壓循環(huán)流化床鍋爐的基本結(jié)構(gòu)

增壓循環(huán)流化床鍋爐主體結(jié)構(gòu)由壓力殼及位于壓力殼內(nèi)的流化床燃燒室、旋風(fēng)分離器、回料器等組成。

蒸發(fā)受熱面由爐膛內(nèi)的水冷壁組成,過熱器和再熱器布置在爐膛內(nèi), 過熱蒸汽采用兩級噴水減溫。由于不具備對再熱蒸汽的其自由循環(huán)發(fā)電機(jī)他調(diào)節(jié)手段, 所以對再熱蒸汽也采用噴水減溫。此外,還有再熱蒸汽啟動旁路系統(tǒng)。

增壓循環(huán)流化床鍋爐布風(fēng)板風(fēng)速為5 m/s, 與常壓循環(huán)流化床鍋爐大致相當(dāng)。

　　3 第二代增壓循環(huán)流化床聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

增壓流化床聯(lián)合循環(huán)的研究開發(fā)已經(jīng)取得了很大的成績, 但在技術(shù)上仍存在其局限性。為了克服增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)動力裝置中燃?xì)廨啓C(jī)入口溫度較低(850 ～ 920℃)的問題, 提出了第二代增壓循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

在這個系統(tǒng)中, 主要增壓了一個增壓氣化裝置, 將原煤分解為煤氣和焦炭, 焦炭送入增壓流化床燃燒鍋爐作為原料, 經(jīng)過凈化的煤氣被送入燃?xì)廨啓C(jī)的前置式燃燒室, 與來自增壓流化床燃燒鍋爐的熱煙氣混合并提高溫度后送入燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電。圖3為增壓循環(huán)流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)裝置燃燒部分示意圖。

與第一代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)相比, 第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)的效率相對提高15% ～ 20%(從第一代的39% ～ 41%提高到44% ～ 47%)。增壓流化床聯(lián)合循環(huán)前置燃燒室的高溫燃燒對降低CO, N2O和碳?xì)浠衔锏呐欧啪哂兄匾饬x。

因此, 第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)具有更優(yōu)良的環(huán)保性能。

　　4 增壓流化床鍋爐整體化發(fā)電技術(shù)

基于富氧燃燒技術(shù)提出的燃煤增壓流化床鍋爐整體化發(fā)電的概念, 仍然采用富氧燃燒與煙氣再循環(huán)方式。

當(dāng)整體系統(tǒng)壓力提高到6.0 ～8.0 MPa, 鍋爐排煙中的水分凝結(jié)溫度會提高到167 ～ 222 ℃。因此, 可以采用鍋爐排煙冷凝器,將原本無法利用的水分低溫凝結(jié)熱量變成了有利用價(jià)值的較高溫度的凝結(jié)熱量。

如果在火力發(fā)電的蒸汽動力循環(huán)系統(tǒng)中利用這部分煙氣水分凝結(jié)熱量加熱鍋爐給水, 部分代替加熱鍋爐給水的汽輪機(jī)抽汽, 可使汽輪機(jī)的輸出增加約8%。

另一個突出的優(yōu)點(diǎn)是CO2 的液化工藝大大簡化, 因?yàn)? 對應(yīng)的6.0 MPa的煙氣壓力, 其對應(yīng)的CO2 凝結(jié)溫度只有20 ～ 25℃ (見圖4)。

在環(huán)境溫度下(20℃)回收液態(tài)CO2 , 比常壓富氧技術(shù)采用的工藝節(jié)約了大量的電能。由于煙氣中的水分已經(jīng)凝結(jié), 鍋爐的排煙損失較常壓富氧燃燒進(jìn)一步降低, 鍋爐效率可以提高到94% ～ 96%。

同時(shí)再循環(huán)回到爐膛的煙氣也被脫去了水分, 煙氣中的大部分灰分也會隨水分被除去, SO2 與SO3也被同時(shí)除去, 不必設(shè)置煙氣脫濕凈化設(shè)備, 大大簡化了富氧燃燒設(shè)備與系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)全過程整體增壓, 提高了鍋爐熱效率, 增加了汽輪機(jī)的輸出功率及機(jī)組熱效率, 減少了CO2 冷卻壓縮液化的電能消耗, 因此可以部分抵消系統(tǒng)增壓所增加的功率消耗, 降低捕獲CO2 的成本。

　　參考文獻(xiàn)：王彥彥, 盛金貴, 霍志紅,等. 增壓流化床燃煤聯(lián)合循環(huán)技術(shù)特點(diǎn)及環(huán)保特性[J]. 電力科學(xué)與工程, 2010, 26(6):38-43.

　　岳光溪, 呂俊復(fù), 徐鵬,等. 循環(huán)流化床燃燒發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J]. 中國電力, 2016, 49(1):1-13.

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