大型循环流化床锅炉深度节能减排技术的探讨

大型循环流化床锅炉机组深度节能减排技术的思考卢啸风教授重庆大学锅炉燃烧环保研究室背景随着循环流化床锅炉容量不断增大，蒸汽参数不断提高，在节能减排方面，出现了一些新的技术方案或技术趋势。相关内容涉及的范围很广，时间有限，只谈谈以下三个方面的问题，供参考。炉内燃烧均匀性问题炉内低NOx燃烧的极限问题底渣余热回收问题炉内燃烧均匀性问题炉内燃烧均匀的重要性提高燃烧效率，降低机械不完全热损失；使炉内温度场、浓度场均匀，提高炉内脱硫脱硝效率；目前遇到的主要问题锅炉炉膛尺寸越来越大，气固混合速率值远低于中小型锅炉或试验台测量出的数据；锅炉设计中的各种不对称因素对风煤燃烧均匀性的影响作用开始显现：•分离器的布置形式及结构•外循环回路受热面布置（外置床受热面）•炉内屏式受热面布置•入炉煤的均匀性与二次风分布的关系分离器的布置形式及结构（1）结构形式对炉内气固流动的影响炉内气固浓度分布的均匀性分离器的布置形式及结构（2）入口结构的影响出口结构的影响外循环回路受热面的布置问题炉内屏式受热面布置也有类似问题入炉煤均匀性与二次风的关系入炉煤的均匀性问题入炉煤经常会出现不均匀现象•为克服循环灰流量偏差而采用不均匀给煤•为克服流化不均匀、或受热面不均匀引起的床温偏差，而采用不均匀给煤不均匀给煤带来的问题•对应二次风无法及时跟随个别给煤口的煤量变化，导致沿炉膛宽度方向的温度、浓度不均匀；•炉内不均匀的温度、浓度，不利于燃烧与污染物控制；解决方案•二次风口与对应的给煤口给煤量的匹配关系•气固流动、燃烧传热、外循环回路的精确控制方案•数字化炉膛炉内低NOx燃烧的极限问题循环流化床锅炉原始NOx排放是否存在极限几个重要数据•白马引进300MW亚临界CFB锅炉额定负荷时的NOx排放约60mg/Nm3，60%负荷时为120mg/Nm3•白马600MWCFB锅炉额定负荷时的NOx排放约110mg/Nm3•部分国产300MW亚临界CFB锅炉额定负荷时的NOx排放约150-200mg/Nm3左右，极个别有接近300mg/Nm3；控制Nox原始排放的一个重要手段：控制挥发分燃烧氛围•炉内NOx的主要生成方式：煤中挥发分在氧化气氛中燃烧•两种观点：尽量减少NOx生成？或尽量使已生成的NOx在炉内还原掉？•如果让挥发分完全在还原气氛下燃烧，那么NOx排放最低能降到多少？如何验证？循环流化床锅炉NOx生成极限的研究方案假定煤中挥发分在强还原气氛下完全燃烧假定煤在一个欠氧鼓泡床中完成挥发分燃烧，然后烟气和剩余的煤（半焦）再进入循环床中燃烧针对容量35t/h的锅炉进行计算对比PA1PA1PA2原煤SASA原煤DCFB-3DDCFB-2DCFB-2DCFB-3DBFB稀相区稀相区密相区SA稀相区BFB密相区循环灰循环灰14.2m3.4m1.28mBFB:11.5m3CFB:180.6m3CFB与DCFB化学反应器网络1PA131……316SACFB-CRN1CharPA13179316炉膛出口SADCFB-CRN317319336PSR.NO10~PSR.NO300：鼓泡床密相区PSR.NO30~PSR.NO200：鼓泡床稀相区PSR.NO21~PSR.NO510：循环床密相区PSR.NO51~PSR.NO336：循环床稀相区PSR.NO10~PSR.NO310：循环床密相区PSR.NO31~PSR.NO316：循环床稀相区……炉膛出口VolChar2Char1PA2VolChar基本计算过程2D-FBCFD流动模拟2D-FBCFD流动模拟Euler-Granular0.1mm0.25mm0.6mmEuler-Granular0.1mm0.25mm0.6mmDDPM-KTGFRR-PSDAsh1-PSDAsh2-PSDDDPM-KTGFRR-PSDAsh1-PSDAsh2-PSD3D-DCFBCFD流动模拟3D-DCFBCFD流动模拟Euler-Granular0.25mmEuler-Granular0.25mmDDPM-KTGFAsh-1&Ash-1PSDAsh-1&Ash-2PSDDDPM-KTGFAsh-1&Ash-1PSDAsh-1&Ash-2PSD1D-CFB&1D-DCFBCRN燃烧及NOx生成1D-CFB&1D-DCFBCRN燃烧及NOx生成验证组A/B/CCFB模型-反应机理验证验证组A/B/CCFB模型-反应机理验证对照组DCFB模型计算DCFB模型计算对照组DCFB模型计算DCFB模型计算阶段3-得出结论1.流动特性2.排放特性阶段3-得出结论1.流动特性2.排放特性阶段2-1.得到DCFB炉内气固流动速度分布、压力分布、浓度分布、出口质量流率；2.为阶段3提供炉内床料浓度数据；阶段2-1.得到DCFB炉内气固流动速度分布、压力分布、浓度分布、出口质量流率；2.为阶段3提供炉内床料浓度数据；阶段1-1.得到各粒径在不同多相流模型下的速度分布、压力分布、浓度分布、出口质量流率；2.分析颗粒粒径选取及分布对气固两相流模拟结果的影响；3.为阶段2模拟找到合适的模拟路径；阶段1-1.得到各粒径在不同多相流模型下的速度分布、压力分布、浓度分布、出口质量流率；2.分析颗粒粒径选取及分布对气固两相流模拟结果的影响；3.为阶段2模拟找到合适的模拟路径；假定煤中N在挥发分燃烧时全部释放上图：CFB计算结果下图：DCFB计算结果将图中NO、NO2计算值折算到NO2（6%O2、干态）标准，CFB与DCFB排放值分别为224.48mg/Nm3和97.29mg/Nm3，减排幅度达到56.66%。在CFB锅炉上增加入炉煤预燃处理，可降低NOx排放约50%；0.000.020.040.060.080.100.120.140.160500100015002000250030003500400045000.02.04.06.08.010.012.014.016.018.0O2摩尔体积分数NOx计算值炉膛高度mCFB-NOₓCFB-O₂mg/Nm3左侧：CFB-密相区右侧：CFB-稀相区鼓泡床接入循环床点0.000.030.060.090.120.150.180.210.2402468101214161805001000150020002500O2摩尔体积分数炉膛高度mNOx计算值DCFB-NOₓDCFB-BFB-NOₓDCFB-O₂DCFB-BFB-O₂mg/Nm3左侧：循环床-密相区右侧：循环床-稀相区国内CFB锅炉底渣余热回收问题背景这一问题几乎与中国电站CFB锅炉历史一样长；底渣冷却问题，已完全解决；但底渣余热的再利用问题，一直没有很好的解决，已成为进一步提高大型CFB电站锅炉热效率的重要途径（约占锅炉热损失的1.5%以上）；国外冷渣器器的典型结构国内底渣余热回收利用思路上的误区企图改变十分成熟的火电厂热力循环热力循环参数一旦确定，是轻易动不得的，只有两头（蒸汽参数、凝汽参数）是在一定条件下可以动的；底渣冷却过程中，未充分考虑能级损失问题•将900℃底渣冷却到150℃，滚筒冷渣器出口水温通常低于100℃，最好的流化床冷渣器出口风温也低于400℃；底渣余热再利用，影响了复杂的炉内燃烧过程作为补充二次风的流化床冷渣器回风影响了炉内燃烧；回收细颗粒在某些情况下并无必要（比如烧煤泥时）未充分考虑底渣余热的蓄存问题现有方案增加了底渣余热再利用的困难。没有合理的余热回收再利用计算标准150-600MW汽轮机各级蒸汽参数参数数值Ⅰ（150MW机组）Ⅱ（300MW机组）Ⅲ（600MW机组）汽轮机（额定功率/主汽压力/主汽温度/再热蒸汽温度）150MWe/13.24MPa/535℃/535℃300MWe/16.7MPa/537℃/537℃600MWe/24.2MPa/566℃/566℃汽机排汽参数0.0058MPa/2404.82kJ/kg0.0064MPa/2448.98kJ/kg0.0055MPa/2311.8kJ/kg抽汽参数(P/T)HP1（至1#高加）(1#)3.7133MPa/358.5℃3.78MPa/383.1℃6.687MPa/370.9℃HP2（至2#高加）(2#)2.6032MPa/313.4℃3.527MPa/318.1℃4.418MPa/313.3℃HP3（至3#高加）(3#)1.652MPa/438.9℃2.164MPa/471.5℃DTR（至除氧器）(4#)1.0233MPa/416.4℃0.796MPa/336.6℃1.086MPa/370.1℃BFPT（至小汽机）0.796MPa/336.6℃1.086MPa/370.1℃LP1（至1#低加）(5#)0.5552MPa/335℃0.467MPa/272℃0.367MPa/236.9℃LP2（至2#低加）(6#)0.2304MPa/231.6℃0.259MPa/203.2℃0.197MPa/170.1℃LP3（至3#低加）(7#)0.0579MPa/101.9℃0.136MPa/140.2℃0.102MPa/107.4℃LP4（至4#低加）(8#)0.063MPa/87.4℃0.046MPa/79.2℃末级抽汽炩（利用热）2685.3kJ/kg(10.45%)2656kJ/kg(7.8%)2690.9kJ/kg(14.1%)大型CFB锅炉底渣余热回收利用的途径充分考虑不同换热方式的差异固定床或移动床换热，可得到较高的介质温度，适合于高温灰渣区域的换热；流化床换热，具有极高的换热强度（传热系数），适合于中低温区的换热；尽可能提高换热介质的出口温度较高出口温度的换热介质，具有较高的能量品质；提高换热介质的出口温度，可减少换热介质的流量，对热力系统的影响最小；尽可能将底渣热量回收到锅炉，或用于其它用途送入回热系统，冷凝损失很大。新的技术方案设想移动床+分选式喷动床+细颗粒流化床移动床：得到高达800℃的烟气，压降800Pa，排渣温度低于400℃分选式喷动床：将灰渣冷却到150℃以下，并将细颗粒分选出来；细颗粒流化床：用于热量蓄存或产生蒸汽（用移动床排出的800℃烟气直接或间接加热）结论随着节能减排要求的不断提高，大型循环流化床锅炉无论设计还是运行，都要求更加精细化地开展相关研究工作；大型循环流化床锅炉原始NOx排放控制，应综合考虑发电成本、锅炉自身NOx排放特性等因素；大型CFB锅炉底渣余热利用问题，可以从更多方面加以综合考虑。谢谢！