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1第六章增压流化床燃烧(PFBC)技术第一节概述流化床技术是二十世纪20年代德国人发明的，当时是作为化工领域的一项新技术。由于在流化床中，物料能剧烈地混合并充分接触从而可加快化学反应的速度，因而逐步得到了广泛的应用。到60年代，流化床开始被应用于燃烧过程。增压流化床的概念是由RaymondHoy在1969年提出的，当时在英国Leatherhead，英国煤炭利用研究协会(BritishCoalUtilizationResearchAssociation)的实验室建立了第一台增压流化床燃烧(PFBC)试验装置。发展增压流化床燃烧(PFBC)的主要推动力是此项技术具有组成燃煤联合循环的潜力，从而在提高发电效率的同时还能使硫和氮的氧化物的排放满足环保标准。目前，应用此技术已能节省燃料10%～15%。今后15年内，还可以进一步节省燃料15%～25%，降低污染物排放也具有不断改进的潜力，不但能满足现在的环保排放标准，也能满足今后对发电系统提出的越来越严格的排放要求。鉴于PFBC在节能和环保两方面的巨大发展潜力，世界各国竟相开展对此技术的研究。继Leatherhead的实验室装置之后，英国又建了两台试验装置。其后，美国、德国、瑞典、芬兰、波兰、南非、日本等国也建立了多台实验室规模的装置。自70年代中期开始，英国、美国、德国、瑞典在实验室研究基础上，先后进行了PFBC的中间试验(工业化试验)的研究，相继建立了几套中试装置。我国也于1981年开始实验室规模的研究，从1991年开始，在江苏徐州贾汪电厂建设一座发电功率为15MW的增压流化床燃烧联合循环(PFBC-CC)发电中试电站，即将建成投运。从90年代开始，瑞典ABBCarbon公司开始推出历经15年，花费2亿美元开发的鼓泡床型PFBC商业示范装置，包括P200和P800两种容量。五套P200型PFBC装置先后在瑞典的Vartan电站(两套)，美国的Tidd电站，西班牙的Escatron电站以及日本的Wakamatsu电站投运。这四座PFBC-CC商业示范电站。经过几年成功地调试运行，普遍认为ABB的P200型PFBC已开始进入商业应用阶段。1996年，ABBCarbon又在德国得到一台P200型PFBC订货，用于对Cottbus电站的改造项目。ABB的P800型PFBC正在为日本的Karita电站制造，计划在1999年内投入商业运行。此外在日本，三菱重工(MHI，MitsubishiHeavyIndustries)制造的一台80MWePFBC和日立(Hitachi)公司制造的两台250MWePFBC装置，将分别在Tomato—atsuma电站和Osaka电站投运。目前得到商业应用的第一代PFBC采用的是增压鼓泡流化床(PBFB)技术。为开发效率更高，环保性能更好的PFBC联合循环发电系统，借鉴于常压流化床应用中获得的循环床型优于鼓泡床型的经2验，80年代中期以来，芬兰、瑞典和德国又先后建立了增压循环流化床(PCFB)中试装置。PCFB目前尚处在中试阶段。标志着用煤的部分气化加前置燃烧来提高燃气轮机的入口温度，从而提高整个循环效率的第二代PFBC技术的研究开发，也正进入中试阶段，美国能源部(DOE)也在美国阿拉巴马州Wilsonville建立了第二代PFBC装置。今天，PFBC已成为洁净煤技术(CCT)中最有发展前途和最具商业竞争能力的先进技术之一。第二节增压流化床燃烧联合循环(PFBC—CC)发电技术的原理和类型流化床燃烧可以在常压状态下工作，也可以在加压(6～16个大气压)状态下工作，后者称为增压流化床燃烧(PFBC)，根据流化床的工作流速不同，又可分为增压鼓泡流化床和增压循环流化床两种类型。一、增压鼓泡流化床(PBFB)在PBFB中，经过破碎的煤(尺寸最大为6mm)以及脱硫剂(石灰石或白云石，尺寸最大为3mm)加入流化床内，加压空气通过布风板进入燃烧室，从而使床层内的不同粒度的颗粒状床料处于悬浮和旋转状态，上下进行着激烈的翻滚，空气和加入的煤进行激烈的燃烧反应，床层反应温度控制在850℃～900℃范围以内。燃烧产生的烟气中含的SO2和加入流化床内的石灰石(或白云石)反应生成CaSO4，该反应过程能除去烟气中90%～95%的S02。在流化床中，由于煤的浓度很低(床料中，煤量仅为1%～2%，主要由颗粒状的煤灰渣，脱硫剂等非可燃物质组成)，每一个颗粒燃料都能被赤热的惰性物料所包围，并且和助燃剂(空气)接触条件很好，因此燃烧过程并不显著地受煤质的影响，在常规锅炉中不易稳定燃烧的劣质煤，在流化床中也能够稳定燃烧，因此流化床锅炉可以使用范围宽广的各种燃料。尤其是增压流化床，它的床层工作深度可达3.5m～4.0m，颗粒燃料和脱硫剂在床内的停留时间更长，反应气体在流化床内的停留时间也比常压流化床长5～6倍，因此能取得很高的燃烧和脱硫效率。燃烧产生的部分热量，通过安置在流化床内的埋管和水冷壁，使流经受热面的水得到加热，产生蒸汽，通过蒸汽透平膨胀作功发电。离开燃烧室的加压燃气，经过高温除尘以后，进入燃气轮机膨胀作功，驱动空气增压需要的空气透平压缩机，多余的功发电向外输出电力。因此该电站是由燃气和蒸汽两部分系统组成的发电过程，称之为增压流化床燃气—蒸汽联合循环(PFBC-CC)发电。燃气轮机出力占总输出的20%～25%，其余为蒸汽轮机出力。PFBC-CC发电的效率比相同参数的常规粉煤电站的发电效率可高出3—5个百分点。同时由于煤在流化床内的燃烧温度仅为900℃左右，只有燃料中的氮转化成NOx，空气中的氮很少转化成NOx，因此增压流化床燃烧过程中NOx和SO2的排放能得到很好的控制。3二、增压循环流化床(PCFB)PCFB的工作过程和上述PBFB大体上是一样的，但是燃烧室类型不同，增压鼓泡流化床燃烧室中，流化床的工作流速为1～1.2m/s，而增压循环流化床燃烧室中，流化床的工作流速为2.5～3.5m/s，从燃烧室底部进入的流化空气为60%，40%作为二次空气在流化床浓相区以上的不同位置处喷入，以达到分级燃烧的目的。循环流化床燃烧室的浓相区没有埋管。燃烧室经燃烧和固硫反应后的煤灰、残渣以及未完全反应的脱硫剂经过高温旋风除尘器分离后，大部分的固体颗粒被分离出来，通过循环返料室回到燃烧室。在循环返料室，压缩空气使颗粒流化，使之返回燃烧室。经过旋风分离器之后的高温燃气再经过高温陶瓷过滤器，使燃气中的颗粒浓度降低到最低限度。洁净的燃气进入燃气透平膨胀作功。燃烧室的水冷壁产生蒸汽，在上部自由空间安排过热器，用以使蒸汽过热。PCFB的优点是可以使燃烧室更加紧凑，在流化床的浓相区不设置受热面，避免了埋管磨损问题，和增压鼓泡流化床相比，加料点比较少，机械复杂性有所降低。由于飞灰的循环，使燃烧效率和脱硫效率可以更高，负荷调节能力也得以提高。但也带来装置高度更高，以及受热面布置困难等新问题。目前得到商业应用的第一代PFBC-CC电站采用的是增压鼓泡流化床技术。如图6-1所示。典型的增压循环流化床燃烧联合循环(PCFBC-CC)电站系统如图6-2所示。图6-1ABBP200型PFBC-CC电站系统①-燃烧室；②-压力壳体；③-燃气轮机；④-给煤；⑤-灰排放；⑥-旋风分离养；⑦-发电机；⑧-省煤器；⑨-蒸汽轮机；⑩-冷凝器图6-2PCFBC-CC电站系统4①-PCFB锅炉；②-高温过滤式除尘熬；③-燃气轮机；④-热回收装置；⑤-烟囱；⑥-蒸汽轮机；⑦-冷凝器；⑧-水处理；⑨-冷却塔三、第二代PFBC-CC第二代PFBC-CC系统是在第一代PFBC-CC基础上发展起来的，因为第一代PFBC—CC发电系统的最大弱点是它的流化床内燃烧温度在900℃左右，过高的温度使煤的燃烧过程易于引起结渣，也可能使流化床内脱硫过程的效率下降。这就根本上限制了燃气透平的进口温度，使燃气透平的进口温度不能大于870℃，也就阻碍了燃气布雷登循环效率的进一步提高，以致整个的PFBC—CC发电效率难以超过42%。第二代PFBC-CC的概念最早是由英国CRE(CoalResearchEastahlishment)提出的，称之为ToppingCycle。在该过程中(参见图6—3)，原煤首先在炭化炉中进行干馏，即释放出煤中的挥发分，煤本身成为焦炭；或者除释放挥发分以外，达到部分气化(气化率可达50%～70%)，使原煤成为半焦。炭化炉中产生的低热值煤气经过高温过滤式除尘器除尘后的净化气体，进入燃气透平前的前置燃烧室进行燃烧，产生高温燃气。半焦或焦炭则进入增压流化床燃烧室或常压循环流化床燃烧室进一步燃烧，并且使炭化炉中因加入石灰石(或白云石)脱硫剂反应后生成的CaS，在流化床燃烧室的氧化气氛中反应成为CaSO4。半焦或焦炭在PFB燃烧室中燃烧所产生的燃气，经过过滤式除尘器除尘以后，和前置燃烧室产生的高温燃气(1300～1400℃)二者混合成为1150℃左右的燃气进入燃气透乎，这就可以较大幅度提高联合循环中燃气的布雷登循环部分的循环效率，从而使燃气—蒸汽联合循环的净效率有可能达到45%～47%。图6-3PFBC顶置循环(ToppingCycle)之一另一种典型的形式是炭化炉产生的焦炭和半焦，并不加入PFB燃烧室燃烧，把它作为常压循环流化床(CFBC)锅炉的燃料，由CFBC锅炉产生蒸汽供蒸汽透平发电，参见图6-4。5图6-4PFBC顶置循环(ToppingCycle)2之二第三节PFBC—CC的关键技术PFBC-CC电站作为一种新的发电技术，有它本身独特的关键技术，主要有如下一些方面：一、环境排放指标控制，即SO2和NOx的控制二、煤在增压流化床中的燃烧技术三、压力条件下加入煤和添加剂四、热灰、渣的压力排放、冷却、输送五、PFBC锅炉床内受热面的抗磨损、抗腐蚀及受热面的合理设计六、高水平的高温除尘七、高温除尘后燃气中含尘量的在线检测八、燃气轮机叶片的抗腐蚀、抗磨损九、热燃气管道和透平上的沉积物的防治十、PFBC锅炉和燃气轮机的负荷调节和过程控制十一、煤在增压状态下的干馏和局部气化技术十二、高温低热值煤气的燃烧技术十三、PFBC-CC系统的经济合理性的设计和配置第四节PFBC技术发展的各个阶段一、实验室规模研究阶段(一)英国Leatherhead试验装置该试验装置系统如图6-5所示。图6-6为增压流化床燃烧室本体。6图6-5中，增压流化床出口燃气分成两股气流，流程分别通过各自的气体净化设备和燃气轮机叶栅试验段。流程1称为“AEP/Stal—Laval”流程，包括有三级常规的旋风分离器，以研究高灰量工况下叶栅的工作特性。在运行650小时后，认为两级旋风分离器已能达到除尘要求，第三级旋风分离器被拆除。流程2称为“GE”流程，包括有三级旋风分离器，第一级旋风分离器是非常规的，带有耐火衬里、气体切向入口，设计使气体和颗粒有一定的停留时间，用以评定颗粒荷电的效应，为此设计了一种电晕充电器安装在旋风器上游；第二级旋风分离器是混合型蜗壳进风旋风分离器，它与第一级旋风分离器布置在同一轴线上。增压流化床本体由压力外壳和带有耐火衬里的流化床燃烧室组成。燃烧用压缩空气从压力壳的顶部进入，沿着燃烧室的炉壳外部下行，而后转向上行穿过流化床层的分布板。分布板上置有不同材料制成的风帽。两个供煤喷嘴垂直向上穿过分布板，按一定粒度和湿度制备好的煤，在带有锁气器贮存系统中计量后通过旋转阀进入空气输送系统加入流化床内；白云石通过相似的、但较小的另一套系统并由另一个喷嘴加入床内。图6-5Leatherhead试验装置l-灰尘取样(CURL)；2-Ikor探针；3-PMS激光器和冲击韶；4-X谱激光器；5-灰尘取样(NYSERDA)和电离碱金属监测仪；6-气体分析(02，C02，CO，S02，NOx)；7-SO2分析；8-光谱碱金属监测仪；9-充电；l0-充电取样器；11-丙烷喷入(再热)；12-燃烧室；13-旋风分离器；14-叶栅；15-叶栅旁路流化床底部截面为0.6lm×0.68m，床顶部截面为1.22m×0.68m，使得靠近分布板的气速是床表面处的2倍。床体有锥度，床深约2.7m，管束布置在流化床分布