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循环流化床燃烧发展回顾及前景分析岳光溪清华大学热能工程系教授循环流化床燃烧特点烟气特点烟气到尾部受热面燃烧室特点燃烧室••适合劣质燃料适合劣质燃料••中温燃烧稳定中温燃烧稳定（（850850～～分离器中温燃烧稳定中温燃烧稳定（（850850900900℃℃））••燃料停留时间长燃料停留时间长••燃料停留时间长燃料停留时间长••加入石灰石燃烧中脱加入石灰石燃烧中脱硫硫硫硫••低氮氧化物排放低氮氧化物排放燃料空气循环流化床燃烧技术在中国的地位中•我国能源工业高速发展22%2%10%•煤炭仍然我国电力工业主要能源•我国煤炭资源中高灰，高硫煤炭比重较大。洗煤过程产生大量洗中煤煤泥需要利用22%43%33%2%10%10-20%20-30%30%过程产生大量矸石，洗中煤，煤泥需要利用。•循环流化床燃烧具备燃料适用性强,低成本干法燃烧中脱硫低氮氧化物排放的优点流化床燃燃烧中脱硫，低氮氧化物排放的优点。流化床燃烧仍然是大规模清洁利用此类燃料的最佳基本方式。56.07%32.96%11.97%S1%S=1-2%S2%8.749.0中国燃煤发电容量的发展（单位亿千瓦）Year2009800Year2005500GWe5.0845.06.07.08.0Year2000300GWeYear1987Year1949500GWe0.57121.0292.17223.1932102.03.04.01.8GWe2020年我国发电方式构成预测0.01.019521955195819611964196719701973197619791982198519881991199419972000200320062009我国循环流化床锅炉发电市场我国循环流化床锅炉发电市场循环流化床燃烧总容量近亿800循环流化床燃烧总容量：近一亿千瓦。400600lerLoad,MWe总循环流化床锅炉台数：大于3000台。为世界第一。198019851990199520002005201020150200CFBBoi25819809859909950000050005Year中国循环流化床煤燃烧发电容量1001000250150Units110613U5050100-1502003001Boilerload,MWe中国循环流化床锅炉台数我国循环流化床燃烧研究开发状况我国循环流化床燃烧研究开发状况中国科技人员通过多年的实践－理论研究－实践的反复，针对循环床工程设计的需要搭建了我们独立的循环床针对循环床工程设计的需要，搭建了我们独立的循环床煤燃烧理论体系。该理论体系的主要创新点全面涵盖了气固两相流燃烧该理论体系的主要创新点全面涵盖了气固两相流、燃烧、炉内传热和污染控制等方面。是国际循环流化床燃烧理论的重要进展也为建立我国自己的循环流化床设计体论的重要进展。也为建立我国自己的循环流化床设计体系提供了理论支撑。1）循环床气固两相流理论方面的贡献1）循环床气固两相流理论方面的贡献：•证实了循环床锅炉下部为鼓泡床，上部流型为“快速床”，因此循环床锅炉内的流型具备多态性。•提出了循环床锅炉为开口系多粒度平衡概念,将影响物料平衡的因素归纳为两点：煤的成灰磨耗特性和循环系统的综合分离效率。结论为国内外运行锅炉所证实，6快速床的多态性燃煤循环床的多粒度开口系平衡概念循环床综合分离效率物料平衡模型的预测与法国250MW实测数据的比较）在床烧论方的贡献2）在循环床燃烧理论方面的贡献：•提出了燃烧份额沿高度一维分配概念和提出了燃烧份额沿高度维分配概念和测试方法。明确并测定了燃料性质和粒度对燃烧份额分配的影响。找到了燃料度对燃烧份额分配的影响。找到了燃料粒度基配设计的理论根据。实验发现了燃烧室密相区富氧条件下的•实验发现了燃烧室密相区富氧条件下的欠氧燃烧现象，找到了密相区燃烧份额的确定依据成为设计锅炉二次风配燃料粒度与性质对燃烧份额的影响的确定依据，成为设计锅炉一二次风配比的理论根据。Lean•发现了循环床锅炉由于二次风穿透不足造成燃烧室中心区欠氧现象，找到二次SecondaryairSecondaryairLeanOxygenCore风动量设计依据。燃烧室中心欠氧现象燃烧室密相区欠氧燃烧现象7燃烧室中心欠氧现象3）在循环床传热理论上的贡献：3）在循环床传热理论上的贡献：•将工程用循环床锅炉传热系数控制机制简化为空间辐射及颗粒对流两项并开发了传热系数测试间辐射及颗粒对流两项。并开发了传热系数测试手段，展开了工业测试。•建立了通用循环床燃烧室一维传热工业计算方法。•提出并测试了循环床锅炉二维传热系数分布为•提出并测试了循环床锅炉二维传热系数分布，为发展超临界循环床奠定了水冷壁水动力计算基础。1.081.10/centerDistancefromDistributorh=12mDistancefromDistributorh=18.5m3251.021.041.061.08nsferCoefficient,DistancefromDistributorh=23m225275αW/(m2K)12现场测试示意0.960.981.00NormalizedHeatTran1020304050601251751-模型(2)计算结果800℃2-商业化模型结果800℃换热系数α现场测试示意80.00.10.20.30.40.5DimensionlessDistancefromSideWallCenter,d/Dbed102030405060物料浓度ρkg/m3传热系数水平分布特性传热系数沿高度（物料浓度）变化规律传热计算方法书我国独立知识产权的循环床锅炉设计体系我国独立知识产权的循环床锅炉设计体系建立循环床锅炉流态设计体系1.提出“定态设计”的概念以解决“快速床”流型的多态性的原则。2.世界首次公布了数循环床锅炉流态图谱，给出定态设计参数选择的指导。•该图谱标识了循环床锅炉流态可选择区域和世有在界所有循环床燃烧技术在图谱中的位置。•给出了循环床锅炉流态设计的评价依据。•从而使循环床锅炉流态设计进入自由王国。•依此建立了我国自己的循环流化床设计体系Velocitym/s循环床锅炉流态设计图谱93中国循环流化床锅炉的技术进步与发展发展里程碑之一里程碑之一工业循环流化床锅炉自1980开始，用我国设计体系开发了从35-560吨/时工业锅炉，，，116MW以下容量供暖热水锅炉。中国开发的循环流化床工业锅炉对设计流态进行了修正调整，大大缓解了燃烧室磨损，提高了可用率和煤种适应性。完全占领了中国市场，并出口到国外。里程碑之二循环流化床电站锅炉的发展循环流化床电站锅炉的发展自2000年后国产135MW300MW亚临界循环流化床自2000年后，国产135MW-300MW亚临界循环流化床技术进入发电域。简化流程简化流程流化状态加以调整煤种适应性广煤种适应性广磨损小提高了可用率降低维修难度。降低维修难度。典型国产简易流程300MW亚临界循环流化床床结构流程复杂的引进300MWCFB技术结构流程简单性能优异的国产300MWCFB技术里程碑之三里程碑之从追赶到超越从追赶到超越-600MW超临界循环流化床技术开发中步超直中国从2000年起，与世界同步启动了超临界直流循环流化床锅炉的研究。在国家的支持下，采用产学研方式，集合了国内最有经验的研究单位锅炉厂在十五期间实施世界最大内最有经验的研究单位，锅炉厂在十一五期间实施世界最大容量超临界循环流化床示范工程。超临界循环流化床关键技术研究的突破超临界循环流化床关键技术研究的突破我国是与国外同步，没有任何国外可借鉴的经验完全自主开展的超临界循环流化床锅炉技术研究展的超临界循环流化床锅炉技术研究。但是我国的前期理论与工程实践为超临界循环流化床开发打下了坚实的理论与工业制造基础下了坚实的理论与工业制造基础。开发600MW超临界循环流化床锅炉面临三个关键挑开发600MW超临界循环流化床锅炉面临三个关键挑战：1流化床燃烧室放大带来的气固两相流动传热燃烧混合1流化床燃烧室放大带来的气固两相流动，传热，燃烧，混合系列未知问题的挑战2将直流强制循环与循环流化床燃烧结合引发的水动力学安全2将直流强制循环与循环流化床燃烧结合引发的水动力学安全性，水动力设计方法的挑战。3强制循环水系统和大惯性循环流化床燃烧系统结合带来的动3强制循环水系统和大惯性循环流化床燃烧系统结合带来的动态特性问题及控制问题挑战。关键技术研究的分解在国家两部委支持下，清华牵头组成了国内主要研究机构和在国家两部委支持下，清华牵头组成了国内主要研究机构和大型锅炉厂及潜在用户的产学研团队。将开发超临界循环流化床的关键科学及技术问题分解：床的键科学技术问题分解科学层面超高燃烧室的气固两相流规律-物料浓度分布规律直流锅炉燃烧室二维传热和热流分布规律物料平衡规律超大截面炉膛，多路循环稳定性及分配规律技术层截，律本生低质量流率水动力学和热负荷分配交联规律技术层面大容量超临界循环流化床锅炉基本结构形式外置换热床的选择及物料循环流路热负荷分配质量流率选取与安全性计算水冷壁强度及安全性锅炉动态仿真锅炉动态仿真DCS控制模式11].核心研究突破举例5535404550BedinventoryIvkg4050607080（1）在白马电厂协助下建设了世界最高的60米冷态循环流化床模型世界首次以实验回答了超152025308090HeightHmuf=3.9m/s模型，世界首次以实验回答了超高炉膛物料平衡及物料浓度与流化风速和床存量的关系。5100.940.960.981.00Avoidage（2）在东方锅炉厂的协助下，在一台300MW亚临界循环流化床锅炉28米宽燃烧室水冷壁上（与Voidagedistributioninextremehigh1021.04fercoefficient1.06DistancefromDistributorh=12.0mDistancefromDistributorh=18.5mDistancefromDistributorh=23.0m炉28米宽燃烧室水冷壁上（与600MW超临界CFB锅炉燃烧室同等宽度）进行了二维产热系数及riser0.981.001.02Normalizedheattransfe热流分布实验。为水动力安全和壁温安全计算奠定了基础。也为热力计算提供了可靠数据所得0.00.10.20.30.40.5Dimensionlessdistancefromsidewallcenter0.96热力计算提供了可靠数据。所得结论证明国外所有的模型计算的结果有原则性错误。HeatfluxdistributionalonghorizontaldirectioninCFBfurnace553344rdistributorHm1122Heighttotheair75%B-MCR50%B-MCR（3）水动力与热流分配结合的模型给出了光管和内螺旋管在不同质量流率下300315330345360375390405420435450Metaltemperatureofthetubetw℃0螺旋管在不同质量流率下的壁温预测。（安全判据）结果与实际锅炉完全吻合理论预测的变负荷时燃烧室水冷壁管沿高度的金属温度to+20reat℃to+20理论预测的变负荷时燃烧室水冷壁管沿高度的金属温度变化PredictionOperationto+15SteamtemperaturtheoutletofNo.nto+10Tubelocation(thetubenumberfromthewallcorner)nto+0150501002001膜式壁出口管壁温水平方向变化理论预测与运行实测的比较SupercriticalCFBboilerAndbiCoalfeedingrateAirflowratePowerOutputFreshsteamtemperature（4）建立在“即燃残炭”概念下的四输入，三输出锅炉负荷自动控制模块解决了steamturbineFeedwaterrateSteamvalveopeningFreshsteamtemperature