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中国循环流化床锅炉技术的研究开发与中国循环流化床锅炉技术的研究开发与应用应用吕俊复1,杨海瑞1,李建锋2,丰斌2,岳光溪11.清华大学,北京100084;2.中国电力企业联合会,北京100761目录目录1.中国循环流化床燃烧发电现状2.循环流化床燃烧技术的流态优化2.1循环流化床燃烧的流态分析2.2循环流化床燃烧的流态设计3.超临界循环流化床锅炉开发与实践3.1超大炉膛内气固流动3.2循环流化床燃烧室受热面的热流分布3.3垂直管内超(超)临界水流动换热特性3.4超临界循环流化床锅炉工程实践4.超低排放循环流化床燃烧技术探索4.1基于炉内高效脱硫的SO2控制4.2基于低氮燃烧的NOx控制5.结论1.中国循环流化床燃烧发电现状煤炭是我国的主要能源煤炭是相对比较“脏”的能源,其利用排放较多的污染煤炭洗选分质利用是降低煤利用污染的有效途径煤炭洗选和开采产生了大量的低热值燃料,需要清洁利用73%24%2%1%2004-总容量445GW煤电水电核电油气发电63%23%4%10%2016-总容量1600GW煤电水电核电油气发电循环流化床燃烧的独特优势是可以燃用低热值燃料、低成本污染控制循环流化床燃烧是劣质低热值燃料的最佳利用方式之一循环流化床锅炉对以煤为主的国家至关重要循环流化床锅炉咋中国的电力生产中承担了重要的角色循环流化床发电循环流化床发电精煤尾煤高效煤粉炉发电洗矸、煤泥等动力精煤工业用途矸石非洗选选洗煤洗选1.中国循环流化床燃烧发电现状中国上世纪60年代开始研发鼓泡流化床锅炉,容量范围涵盖4~130t/h,到1980年,中国运行的鼓泡床锅炉达到了3000台,超过了当时世界其他所有国家/地区之和针对鼓泡床锅炉的不足,80年代开始研发CFB锅炉。中国的研究者花了十多年的时间,开展了系统的基础研究和理论分析,通过实践,形成了一套完整的CFB锅炉设计体系,开发了系列的产品。1.中国循环流化床燃烧发电现状Gasvelocityuf(m/s)02468OnestagecycloneSoftcoalCDEBACommendedGHIFAshcirculatingrateGSkg/(m2s)1030510152025HardcoalLowerlimitationforfastbedLimitationforerosionprotection(Twostagecyclone)Bedquality中国CFB的开发历程19801990200020100200400600800UnitcapacityofCFBboilerYear20206-15MW中温中压1980-1989学习125~250MW超高压一次再热15-25MW中温中压25-100MW高温高压SC600MW超临界300~330MW亚临界SC350MW超临界1990-1994理解、探索1995-2000完善2005-present自主开发2000-2005放大1.中国循环流化床燃烧发电现状26MPa-571oC/569oC1970197519801985199019952000200520102015202026MPa-560oC/580oC13.7MPa-540oC/540oC9.8MPa-540oC3.8MPa-450oC16.7MPa-540oC/540oC中国美国欧洲日本6005004003002001000参数年份11010010001000050~50100~150~200~300锅炉容量MW锅炉台数n~350~600运行在建中国CFB锅炉的可用率199520002005201080859095100可用率,%年份2015最长连续运行小时数最长连续运行小时数,天1995200020052010150300450600年份201500.010.11101001990199520002005年份CFB发电机组总容量GW20102015CFB发电机组总容量逐年上升中国2016年CFB锅炉台数1.中国循环流化床燃烧发电现状中国成为CFB发电大国,是世界上最大的CFB锅炉供应商,CFB锅炉性能最佳,包括各种容量、各种参数、各种燃料容量:6-660MW参数:亚临界、超临界、超超临界燃料:各种煤、生物质、石油焦、垃圾衍生燃料(RDF)等锅炉厂包括:哈尔滨锅炉厂有限责任公司东方电气东方锅炉股份有限公司上海锅炉厂有限公司太原锅炉集团有限公司无锡华光锅炉股份有限公司济南锅炉集团有限公司1.中国循环流化床燃烧发电现状大量的技术进步2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用在传统的CFB锅炉中,通常需要8-12kPa的床存量,这需要风机压头克服,导致CFB机组的厂用电率比煤粉炉机组高2-3%。在CFB锅炉中,床料包括粗颗粒和细颗粒:粗颗粒主要为粗燃料颗粒的燃尽提供条件;细颗粒为循环提供条件。2.1循环流化床燃烧的流态分析不同粒径颗粒的浓度纵向分布特征0102030400100200300总悬浮浓度kg/m3炉膛高度m=二次风Pr0100200300粗颗粒浓度kg/m3+050100细颗粒浓度kg/m3床料中的粗颗粒可以引起水冷壁的严重磨损,这会影响到锅炉运行的可靠性:减小。床存量的选择条件:•粗颗粒存量满足粗燃料颗粒燃尽所需要的停留时间的要求•细颗粒存量要大于快速床要求的最小循环量2.1循环流化床燃烧的流态分析水冷壁的磨损问题2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用减少总床存量维持细颗粒的存量不变甚至上升降低床存量中粗颗粒的存量流态重构需要硬件条件以具备良好的循环性能,保证循环和达到快速床状态2.2循环流化床燃烧的流态设计CFB锅炉中床存量的性质Bedinventory,P,kPa015105ClassicalCFBCoarseparticleFineparticleCoarseparticleFineparticleNovelCFB2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用800~900℃4~6m/s烟气800~900℃石灰石Air空气燃料首先在一台75t/hCFB锅炉上进行示范通过分离器分离性能的提高,床质量得到改善将床压降从7.2kPa降到3.2kPa,锅炉稳定运行,而没有大的床温波动风机电耗下降,厂用电率降低了2.5%。锅炉年可用率超过95%。2.2循环流化床燃烧的流态设计Suspensiondensityprofilesalongthefurnace010203048121620010020030040005101520Distancefromdistributor(m)Solidsuspensiondensity(kg/m3)75t/h,3220Pa75t/h,3830Pa75t/h,5680Pa75t/h,7330Pa项目传统新型风室风压(kPa)11.5~12.03.2~3.8一次风量(km3/h)47~4843~44一次风机电流(A)19~2011~12引风机电流(A)21~2216~17燃料热值(MJ/kg)14~1714~17运行参数比较2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用流态重构技术已经推广应用•已经运行数百台•风机电耗普遍降低,降低25%左右•水冷壁磨损显著减少2.2循环流化床燃烧的流态设计75t/h130t/h220t/h440T/h440t/h860t/h2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用CFB锅炉具有良好的燃料适应性,这在劣质燃料的利用中显示出显著优势,但是在发电效率上优势不足火电发展历史表明,提高蒸汽参数到超临界是提高火电效率的有效途径中国超临界CFB开发历程2000—超临界CFB锅炉的技术可行性探索(863计划)2003—超临界的关键技术及工程换问题研究(国家十五科技攻关计划)2006—600MW超临界循环流化床锅炉的研制(国家十一五科技支撑计划)2008—600MW超临界循环流化床锅炉示范工程路条2011—600MW超临界循环流化床锅炉示范工程核准2012—600MW超临界循环流化床锅炉示范工程建设2013.4—168试运行2014.7—性能试验2.循环流化床燃烧技术的流态优化及其应用发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。50100200300600MW炉膛高度40m~55m05101520253035400.900.920.940.960.981.00床料量Iv,kg515152030304050607080空隙率测点高度z,m已有最高炉膛600MW05101520253035404550550.940.960.981.00空隙率测点高度z,m405060708090床料量Iv,kg的炉膛高度炉膛物料浓度纵向分布P153.超临界循环流化床锅炉开发与实践发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。超临界:直流炉无受热适应能力,热流分布至关重要亚临界:自然循环有受热自适应能力:不关心热流分布P163.超临界循环流化床锅炉开发与实践发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。发现了超高CFB炉膛的物料浓度纵向分布规律和水冷壁热流横向分布特征。300MW亚临界CFB的水冷壁热流密度测点分布膜式壁热流密度测点0.901.001.101.200水平无量纲位置均匀系数0.801.30距布风板高度12.5m距布风板高度20.5m距布风板高度32.5m0.10.20.30.40.50.-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5国际以前认为:热流中间高、角部低但本项目发现:热流中间低、角部高P173.超临界循环流化床锅炉开发与实践获得了低质量流速管内超临界水的水动力数据,填补研究空白,建立流动传热模型;发现了质量流速下限,突破已有判据和认知范围获得了低质量流速管内超临界水的水动力数据,填补研究空白,建立流动传热模型;发现了质量流速下限,突破已有判据和认知范围170018001900200021002200230024002500300350400450500550600650T/℃h/kJ/kg内螺纹管光管G=400kg/(m2s)q=300kW/m21x=0tf管径9mm质量流率(kg/m2s)管径18mm管径9~18mm10001000010100001001000热流密度(kW/m2)100超临界CFB区域:空白1.210.361.1Gqdd0.220.0680.77WBBBNu0.023RepPcc0.77BW0.27B0.2158/Re传热模型:阻力模型:临界热流新判据:CFB中质量流速的安全下限:经典计算:200kg/(m2s)左右;本项目发现:36kg/(m2s)P183.超临界循环流化床锅炉开发与实践提出了超临界CFB锅炉的水动力设计导则和低质量流速的水循环解决方案提出了超临界CFB锅炉的水动力设计导则和低质量流速的水循环解决方案提出了物料浓度三维模型和局部换热系数模型,二者耦合获得了热流密度计算模型,作为水动力计算的输入条件。物料浓度三维模型0.51.01.52.0-0.5-0.2500.250.5距离中心线相对位置固体相对悬浮浓度2f02c()()cXuDXaaXu2f02c()()cYuDYaaYuPfS=()()(,,)XYzCDXDYDzuG热流分布计算模型130145160175190205130145160175190205换热系数测量结果abW/(m2oC)模型计算结果abW/(m2oC)arwb2w2()()bTTTT1111wbb=p+g-pg局部换热系数模型090180270360090180270360模型预测结果abW/(m2oC)测量结果abW/(m2oC)t1asbff111hHHaacrtpbaaaHHpcgcca
本文标题:中国循环流化床锅炉技术的研究开发与应用
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