循环流化床锅炉碳减排燃烧关键技术探讨

循环流化床锅炉碳减排燃烧关键技术探讨

卢俊李勇波

（中煤平朔能源化工有限公司山西省朔州市036000）

摘要：循环流化床燃烧技术，因能大规模利用低热值煤、生物质及垃圾等优点，而在国内外发展迅速。本文结合我国循环流化床燃烧技术现状及发展趋势，介绍了以超超临界、节能降耗和混烧生物质为主的循环流化床燃烧技术，并研究分析了其碳减排关键技术，旨在降低循环流化床锅炉单位发电量的煤耗或燃烧生物质替代燃煤，实现CO2减排，为循环流化床燃烧技术发展提供参考。

关键词：循环流化床碳减排超超临界节能降耗

中图分类号：TK22文献标识码：A

1循环流化床锅炉概述

循环流化床锅炉是一种燃煤锅炉，能够适应多个煤种，在锅炉燃烧过程中很容易除去其中的硫和氮，减少对环境的污染，属于清洁型的锅炉设备。循环流化床锅炉的运行效率比较高，通过锅炉内的强烈的多次喘振效应，将燃料和脱硫剂进行充分地循环，实现了低温的多段燃烧和脱硫反应，降低硫对环境的污染，在煤化工生产中得到广泛地应用。

2循环流化床锅炉碳减排燃烧技术概况

经过研究表明，燃煤电站实现CO2逐步减排到零排放的技术途径有3种：（1）提高效率是燃煤电站从源头上减排CO2的可靠途径，能有效提高能源利用效率，降低单位发电量煤耗。（2）煤电与可再生能源耦合发电是电站减排CO2的有效途径，将可再生能源替代一部分燃煤发电，可促进能源的循环利用。（3）碳捕获和封存（CCS）技术是在面对CO2减排压力时但又必须使用以煤炭为主要的能源的可持续发展之路，也是未来实现燃煤发电CO2近零排放的重要技术。各技术途径与CO2减排量的关系如下图所示。但由于CCS技术还处于研发阶段，其推广应用还需要验证。因此，我国燃煤电站CO2减排有效实施的技术途径主要是提高效率和煤与生物质混烧发电。

循环流化床发电技术是近30年来发展起来的清洁煤燃烧技术之一，该技术以其良好的燃料适应性、低成本炉内高效脱硫抑氮等优越性能得到了快速发展。随着我国完全自主研发并设计制造的世界首台600MW超临界循环流化床示范机组成功投入商业运行，在此基础上，超临界循环流化床技术得到了推广应用，一大批超临界循环流化床机组建成投运或在建“超超临界循环流化床锅炉技术研发与示范”项目启动会的顺利召开，标志着循环流化床技术的发展也正在加速向超超临界循环流化床技术迈进，并引领国际循环流化床发展方向。在当前火力发电机组容量过剩与不断提高的火电调峰要求，越来越严格的节能减排与环保压力等环境下，循环流化床技术若能充分挖掘自身独特优势和潜质，实现低成本、清洁、高效、灵活之路，将在我国具有广阔的市场前景。循环流化床技术由于具有巨大的蓄热能力、高循环倍率、物料强烈的湍流混合和较长停留时间、床温保持不变等特点，可以以任何比例与生物质混烧，且不会受循环流化床锅炉容量的限制，这可以从国外循环流化床机组实践证明。因此，从我国循环流化床技术发展和国外相关经验表明，对于循环流化床燃烧技术，提高效率和混烧生物质实现CO2减排是可行的，且在我国具有较大的发展空间和推广前景，其主要有超超临界循环流化床锅炉技术、循环流化床锅炉节能降耗技术和循环流化床锅炉混烧生物质技术。

3超超临界循环流化床锅炉技术

机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素，提高蒸汽参数是提高发电机组效率的有效方法。国内外科研机构和各大锅炉制造厂已相继开展了660MW超超临界循环流化床锅炉的研发，包括东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、清华大学、美国FosterWheeler、法国ALSTOM等科研单位及锅炉制造商等。相比于已投产的600MW和350MW超临界循环流化床锅炉，高效超超临界循环流化床锅炉在容量和参数方面提升较多，由此带来的一些新的技术问题需进一步攻关研发。超超临界循环流化床锅炉关键技术主要有以下几点：

3.1水动力安全性

高效超超临界循环流化床锅炉采用低质量流速水动力技术，其水动力设计关键指标已经被现有技术验证范围覆盖，水动力特性总体趋势与600MW超临界循环流化床锅炉基本吻合，符合正流量响应的特点，出口工质温度偏差、壁温偏差、动态稳定性在安全范围内，水冷壁水动力的安全性能得到可靠保证。

3.2高温受热面壁温偏差

由于炉内复杂的传热传质引起的热偏差，高温再热器出口温度可能接近材料的最高许用温度，因此高温再热器材料的安全性问题需要重点考虑。高效超超临界循环流化床锅炉高温级受热面采用已在煤粉锅炉中成熟应用的材料，在材料不发生变化的条件下，温度的裕量很小，对热偏差提出了严格要求，尤其是外置床受热面的热偏差问题。控制热偏差的需要解决的是气固两相优化调整与受热面布置优化，深入了解气固两相流对热偏差影响的机制，调整气固两相流降低热偏差。

3.3低负荷再热蒸汽温度

循环流化床锅炉炉膛燃烧温度低，低负荷时炉膛温度更低。高效超超临界循环流化床锅炉在低负荷时保证再热蒸汽温度达到623℃，难度大，需要研究优化热力系统设计，提高低负荷机组的热效率。例如，采用外置床，通过外置床回料来调节床温，或将末级再热器布置在外置床内来保证再热汽温。

3.4物料平衡

基于600MW超临界循环流化床锅炉，对超超临界循环流化床锅炉物料平衡系统进行研究，进一步提高炉内物料的均衡性，其关键技术：①合理设计锅炉布风装置，确保布风板的布风均匀。②根据项目设计煤种，通过数值模拟及物理模拟系统，研究设计新型高效的旋风分离器。③根据热力系统布置方案，研究设计新型的外置式换热器。④锅炉型式、合理布置燃料粒径分布及给入、回料、排渣口等，确保物料系统整体平衡.

4循环流化床锅炉节能降耗技术

循环流化床锅炉节能降耗技术的核心是提高效率。相比于煤粉锅炉，循环流化床机组的厂用电率及供电煤耗较高，但近年来从国内大量的实践证明：从设计、运行调整及设备改造等方面挖掘潜力，循环流化床锅炉机组的节能降耗具有较大提升空间。例如，按照“低床压”技术设计的神华国神河曲350MW超临界循环流化床机组（空冷）投运后各项能耗指标较好。因此，通过对新建循环流化床锅炉进行设计优化或者现役循环流化床锅炉进行节能技术改造，可有效降低循环流化床机组厂用电率和供电煤耗。

目前，根据国内循环流化床锅炉节能降耗技术的应用情况，主要节能降耗技术如下：锅炉本体节能技术：清华大学等单位对循环流化床的流态进行深入研究，创新开发出了高效、低能耗、低磨损的炉膛节能型循环流化床锅炉技术，使得锅炉运行在“低床压”状态下，从而降低风机能耗、提高燃烧效率、改善磨损，提高了循环流化床锅炉性能；通过研究开发简化锅炉本体工艺流程、优化锅炉流场、合理配置锅炉系统，减小系统阻力，优化锅炉热风温度等节能技术，进一步降低锅炉本体能耗；另一方面，采用新型风（水）冷渣器，提高冷渣器运行可靠经济性，进一步回收锅炉底渣热量，提高锅炉效率。锅炉主要辅机节能技术：（1）锅炉采用低床压运行方式，可有效降低一次风机运行压头。（2）开发选用宽高效区的高效节能型一、二次风机，降低一次风机电耗，合理降低风机压头及风量的裕量。（3）主要辅机的电动机选择效率高、功率因数高的电动机，防止“大马拉小车”现象。另外，对一、二次风机进行变频调速装置改造，可进一步降低风机能耗。锅炉岛节能技术：（1）优化空预器结构，降低空预器漏风率，提高空预器效率。（2）利用锅炉烟气余热回收装置，降低排烟温度，从而降低排烟损失。（3）通过燃烧调整运行优化，调整锅炉运行状态到最佳方式，提高锅炉效率。（4）采用低能耗的超低排放技术或煤泥掺烧技术。（5）采用气泡雾化较机械雾化的油枪和低阻力的暖风器等。

结束语：

综上所述，大力发展超/超超临界参数和降低循环流化床锅炉能耗是当前及未来循环流化床机组提高效率的最可靠技术，也是实现循环流化床燃烧发电从源头上减排CO2的最佳方法。

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