循环流化床锅炉的发展展望

循环流化床锅炉的发展展望循环流化床锅炉的发展展望清华大学热能工程系吕俊复杨海瑞张缦岳光溪•煤炭是我国的主要能源，其高效清洁利用的途径之一是洗选加工、分级按质利用。0背景循环流化床锅炉技术具有重要意义•我国对低热值燃料的循环流化床(CFB)燃烧技术有重大需求•CFB燃烧技术的发展方向：更高效率+更低污染循环流化床循环流化床发电发电适合劣质燃料低成本污染控制开采矸石8亿吨/年煤泥等煤矸石非洗选选洗煤机组类型300MW亚临界600MW超临界超临界循环流化床精煤高效煤粉炉发电工业用途机组类型300MW亚临界600MW超临界净效率39.0%43.5%标煤耗329g/(kWh)301g/(kWh)一、循环流化床燃烧原理下部鼓泡床或湍流床、上部快速床叠加烟气800~900℃1.循环流化床锅炉的流动基础下部鼓泡床或湍流床、上部快速床叠加的燃烧技术核心是形成快速床快速床形成的条件：•速度•最小浓度——最低循环量800~900℃4~6m/s空气燃料石灰石空气床料来源100-300mm；4~6m/s；外加床料，多采用沙子或外加灰；少量的细粉燃料；新添入的和已经失效的脱硫剂；煤里自身的灰份。乳化相颗粒近似初始流化状态：颗粒越细，其通过的气体越少，气泡越多气泡运动气体LmLmf气体气体LB气体气体气体气体气体气体气体气体气体(a)(b)(c)(d)(e)(f)气固接触形式(a)固定床；(b)起始流态化；(c)鼓泡床；(d)湍流床；(e)快速床；(f)气流床影响气泡数量、尺寸的因素：颗粒粒径、数量气泡运动影响气泡数量、尺寸的因素：颗粒粒径、数量循环流化床内外循环烟气800~900℃气泡形成的条件气过量颗粒足够细800~900℃4~6m/s空气燃料石灰石空气颗粒足够细细颗粒足够多固体颗粒包敷形成气相的边界颗粒足够细—床质量细颗粒足够多—床数量循环流化床锅炉上部流动颗粒杨析-夹带饱和夹带：一定速度下，携带量最大值烟气800~900℃饱和夹带：一定速度下，携带量最大值在扬析和夹带之间，过渡区夹带浓度是否满足快速床需要：•颗粒团聚快速床颗粒团聚的另一个条件：•颗粒细度浓度800~900℃4~6m/s空气燃料浓度细度颗粒团聚石灰石空气循环流化床的内外循环团聚是自然界普遍现象云、雨、沙尘暴、液滴、人群能量最低循环流化床锅炉的炉膛流动鼓泡流化床或湍流床和气力输送叠加的燃烧技1:设计工况2:工况2气力输送叠加的燃烧技术处于鼓泡床和气力输送燃烧之间炉膛高度m12悬浮密度kg/m3CFB的流态基础-物料浓度分布流态化经典结论典型床料分布CFB物料平衡快速床流型多粒度系统物料平衡成灰及磨耗决定的粒度演变气固两相流传热燃烧份额分配相间传质阻力稀相气体混合距离布风板高度m固体物料悬浮浓度kg/Nm3循环流化床传热与分区热平衡烟气800~900℃一进二出一进：燃料、石灰石、外加床料二出：飞灰、底渣三出800~900℃4~6m/s空气燃料二出：飞灰、底渣两效率：分离器效率、排渣效率顺利回送80100/%/mm0.40.642310.5不顺利石灰石空气020406002004006008001000颗粒直径d/mm床料粒径频率分布Pi/%/1-床料2-排渣效率3-分离器效率4-系统保存效率0.00.20.4效率i/%0.10.3循环流化床气固两相流性质物料浓度分布－－贴壁流－－贴壁流形成浓度分布是有条件的－－分离器－－回送装置－－物料来源浓度分布是有意义的2.循环流化床锅炉的传热•燃烧室受热面传热•物料浓度-固体颗粒•燃烧室的温度•近壁区贴壁下降流•粒径ds边壁流炉膛•粒径•受热面的结构尺寸1•辐射与对流双机制循环流化床锅炉的传热()QKATT20012•辐射与对流双机制•辐射包括•颗粒辐射30%•烟气辐射25%•对流包括•烟气对流20%pbKCTbf()QKATT1psεp1exp()nCCgf1exp()kPsgg0.7ccfCu1-Tb=900oC;Tf=250oC2-Tb=880oC;Tf=250oC3-T=860oC;T=250oC50100150传热系数KW/moCWangYJestinBlumelKeithAnderssonJin3•烟气对流20%•颗粒对流30%•对传热的核心影响因素是物料浓度pbbcKaCTccfCu0ppp0.5ccfcCu3-Tb=860oC;Tf=250oC0048121620悬浮浓度Dkg/m3Jin3.循环流化床锅炉的燃烧循环流化床锅炉的燃烧过程分析dddcoalTimeFragmentation无灰固体颗粒的燃尽时间锋面COO2CO2O2CI’T700oCIT=800oC~1200oCrCO2浓度CCCO2CCOCO2IIT=1200oC~1300oCII’T1200oC~1300oCCO气流CO2气流碳粒附近气体浓度的分布O2气流CO气流CO2气流距离碳颗粒表面的距离位置rro2odddkgd8DCkCO气流CO2气流有灰固体颗粒的燃尽时间燃后灰层C’O2浓度CO2Tor未燃核fox,oro燃后灰层OroCsCoooad112rrCkD•燃烧份额沿高度一维分配概念；燃料性质和粒度对燃烧份额分配的影响。找到了燃料粒度基配设计的理配风响。找到了燃料粒度基配设计的理论根据。•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，成为设计锅炉一二次风配比的理论根据。燃料粒度与性质对燃烧份额的影响19配比的理论根据。•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，找到二次风动量设计依据。燃烧室中心欠氧现象的发现二次风二次风贫氧区4循环流化床锅炉燃烧的NOx排放热力型燃料型快速型温度-CFB小很少主要，理论值的2.5~7.7%气体或液体燃料催化快速型气体或液体燃料煤粒N挥发分N挥发分NN2NO煤粒N燃料N焦炭焦炭NN2N挥发分N的转化NH3,HCNHNCONNONHO2,OH,O燃料N挥发分NHCNHNCONNHNH2O2,ONO,NN2NONONHNO2NH2,NH,N燃料N挥发分NOH,H,OOH,H,ONH2燃料NNH3NH3N2CFB锅炉NOX排放特点较低的燃烧温度•热力型NOx较少•主要为燃料型NOx•主要为燃料型NOx较低的O2浓度-低过量空气系数较高的含碳量、较高的CO浓度，促进了NOx的还原上部还原性气氛-二次风位置及其份额8001000/mg.Nm3CFBboilerPCboilerNewstandard200mg/Nm3020040060001020304050干燥无灰基挥发分Vdaf/%NOx/mg.NmNewstandard200mg/Nm3循环流化床锅炉NOX排放的影响因素20.531NOdaf0.25fab21expEcVcT，，，，5SO2排放钙流比100钙流比活化主循环回路温度配风200mg/Nm32550751=65%,2=45%,=1.23vf=4.84ms-1,T=867℃脱硫效率s/%001234钙硫比R更高的供电效率二、循环流化床锅炉技术的发展方向高效——参数更高：超、超超、先进超超更高的供电效率更低的污染排放深度挖掘CFB燃烧的低排放潜力降耗——降低厂用电：简约、简化更低的污染排放深度挖掘CFB燃烧的低排放潜力不能抄了了解机制原始创新1.CFB的流态分析快速床结论流态重构CFB物料平衡快速床流型多粒度系统物料平衡m3多粒度系统物料平衡煤成灰及磨耗决定的粒度演变气固两相流传热燃烧份额分配相间传质阻力稀相气体混合距离布风板高度m固体物料悬浮浓度kg/Nm循环流化床锅炉的流态重构有效床料和无效床料有效床料：•构成快速床•形成外部循环3040m•形成外部循环•影响传热•有效床料量的优化无效床料•无法参与循环•粗颗粒燃料燃尽•副作用•风机能耗010200100200300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•风机能耗•受热面磨损研究证明可以降低有效床存量仍保持快速床态二次风进口传统流态物料浓度kg/m3炉膛高度m迁移流态P2：二次风背压P2P220010能参加循环的细物料不参加循环的粗物料传统循环流化床锅炉流态重构后存量Iv循环流化床流态重构的条件技术路线是提高床质量，降低床存量，达到减少能耗和磨损的目的。对循环流化床物料平衡系统的分析证明，实现流态重构的条件：•分离器的分离效率•物料回送装置的流动特性•燃料的成灰和磨耗特性分析100150200KW/moC123•燃料的成灰和磨耗特性分析•更新传热系数和燃烧份额分配设计导则。1-Tb=900oC;Tf=250oC2-Tb=880oC;Tf=250oC3-Tb=860oC;Tf=250oC050100048121620悬浮浓度Dkg/m3传热系数KWangYJestinBlumelKeithAnderssonJin床料量的优化手段用循环流化床流态图谱优化有效床存量一级旋风筒C技术D技术E技术G技术H技术I技术B技术A技术F技术取料携带率GSkg/(m2s)30152025磨损极限(两级旋风筒)•在快速床下降低有效床存量，可以保持在图谱规定的可选区域，维持选定的传热系数及循环量用多粒度物料平衡和颗粒平均停留时间优化无效床流化速度ufm/s0123456789软煤(褐煤)E技术推荐取料携带率10510硬煤(无烟煤)流动下限颗粒粒径平均停留时间优化无效床料存量•计算发现大颗粒燃料燃尽所需的床存量远小于目前广泛认同的数量a.优化的进口加速段设计■两侧出烟,进口加速段长,烟气流均匀■进口采用扁高形状且保证一定速度,利硬件条件(1)：高效旋风分离器■进口采用扁高形状且保证一定速度,利于物料贴壁浓缩■进口下倾避免短路b.中心筒偏置■减轻中心筒的磨损■减轻中心筒的磨损■提高分离效率c.优化分离器圆筒、锥筒和中心筒结构根据最小流动条件确定返料风量硬件条件(2)：高流率、自平衡回料阀根据最高回送压力条件确定返料风压根据返料风不倒窜条件确定循环物料流速料流速返料阀结构优化：隔墙高度优化、水平通道截面和长度优化硬件条件(3)：良好的灰特性/入炉煤粒度分布5075100筛上余量%dcoaldTimeFragmentation0255002004006008001000筛孔mm筛上余量4.0x10-55.0x10-5yunnanGardanneKaifengweihainanjingshjiazhengZibo1006000mMassfraction,%80100120累计份额，%给煤成灰底渣飞灰细颗粒是构成循环正常的关键条件之一粗颗粒影响到排渣含碳量03000600090000.01.0x10-52.0x10-53.0x10-5ZiboTurkyashShenhuaLu'anLongyanFuguKaf/m-1particlesizemm050100611252003005002000600050020006000Ashsize,mmCoalsize,mmMassfraction,%02040600.1110100100010000粒径，微米累计份额，%循环灰硬件条件(4)：合理的受热面设置200121-T=900oC;T=250oC50100150传热系数KW/moCWangYJestinBlumel3传热系数变化1-Tb=900oC;Tf=250oC2-Tb=880oC;Tf=250oC3-Tb=860oC;Tf=250oC050048121620悬浮浓度Dkg/m3BlumelKeithAnderssonJin硬件条件(5)：大动量高位二次风节能型循环流化床的实践山西离石大土河电厂在三台75t/h燃用洗中煤和泥煤的循环流化床锅炉实验结果证明可以将床压降运行在3.2kPa而不影响满负荷。运行一年没有发生燃烧室水冷壁磨损。可用率超过95%。Overvi