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潔凈高效的流化床發(fā)電技術(shù)鄭春營(yíng)，孫�！街閯⒈颍ê邶埥‰娏茖W(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150090）流化床發(fā)電技術(shù)便是其中重要的技術(shù)之一。流化床鍋爐按其發(fā)展過程分類，有沸騰爐、循環(huán)流化床鍋爐和增壓流化床鍋爐。常壓循環(huán)汽化床鍋爐正在世界上推廣應(yīng)用，僅日本就有石播、三菱、川重三種方式。為了進(jìn)一步提高燃燒效率和發(fā)電效率，美國(guó)、瑞典、西班牙、德國(guó)、日本等國(guó)家都在開發(fā)、建設(shè)增壓流化床鍋爐聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，其中日本建成了目前世界上最大出力的360MWA機(jī)組。實(shí)踐證明，流化床發(fā)電技術(shù)，特別是增壓流化床鍋爐聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，具有效率高、環(huán)保特性好，小型化等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)火電的發(fā)展方向，從根本上解決火電廠對(duì)大氣的嚴(yán)重污染，實(shí)現(xiàn)電力可持續(xù)發(fā)展。 0前言煤炭在我國(guó)一次能源的生產(chǎn)與消費(fèi)中的比例高達(dá)75%這一比例在未來(lái)相當(dāng)?shù)臅r(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化。目前，我國(guó)煤炭的轉(zhuǎn)化利用率較低，燃燒排放物己成為大氣環(huán)境的主要污染源。發(fā)展高效、低污染燃煤發(fā)電技術(shù)是我國(guó)貫徹環(huán)境保護(hù)基本國(guó)策、實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。 國(guó)家電力公司領(lǐng)導(dǎo)在1999年4月召開的循環(huán)流化床鍋爐現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)上指出：通過幾年來(lái)我國(guó)循環(huán)流化床技術(shù)的引進(jìn)消化，循環(huán)流化床技術(shù)能夠達(dá)到電力可持續(xù)發(fā)展和電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的要計(jì)算機(jī)專業(yè)，工程師。 求，可從根本上解決我國(guó)火電廠對(duì)大氣的嚴(yán)重污染。循環(huán)流化床鍋爐的投資較常規(guī)鍋爐加煙氣脫硫設(shè)備的投資少，而且我國(guó)目前具備了一定的技術(shù)和人才儲(chǔ)備。實(shí)現(xiàn)大型化和國(guó)產(chǎn)化后，循環(huán)流化床降低投資的余度還很大。大型循環(huán)流化床將成為我國(guó)火電發(fā)展方向，國(guó)家電力公司將包括循環(huán)流化床（CFBC）技術(shù)、壓流化床鍋爐聯(lián)合循環(huán)（FBC―CC）發(fā)電技術(shù)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)在內(nèi)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)納入到科技發(fā)展“十五”計(jì)劃和2015年規(guī)劃中。 1流化床燃燒技術(shù)提高機(jī)組發(fā)電效率，降低對(duì)環(huán)境的污染，是燃煤機(jī)組追求的方向。所謂潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是指能獲得最大的方便，且環(huán)境負(fù)荷最小的、成本最低的煤炭發(fā)電技術(shù)。也就是說，在潔凈煤發(fā)電技術(shù)開發(fā)中必須同時(shí)追求高的技術(shù)和可能廉價(jià)建設(shè)與運(yùn)行的技術(shù)。循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)便是其中之一。 流化床燃燒，現(xiàn)正成為與煤粉燃燒相并行的燃煤鍋爐的主要燃燒方式。尤其是其低NOx燃燒、爐內(nèi)脫硫等低污染性能，更為人重視，因此，廣為采用。 流化床鍋爐按其發(fā)展過程分類，有以下三種。 1.1沸騰爐在低速流動(dòng)的流化床內(nèi)燃燒燃料，通過流化床內(nèi)出現(xiàn)的氣泡使流動(dòng)顆粒激烈運(yùn)動(dòng)，保持床內(nèi)的沸騰狀態(tài)。與煤粉燃燒相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：a.流動(dòng)顆粒熱容量大，混合強(qiáng)烈，燃料適應(yīng)性好，可燃用包括煤矸石在內(nèi)的劣質(zhì)燃料；。床內(nèi)傳熱管與流動(dòng)顆粒間傳熱率高，故可縮小傳熱面積，實(shí)現(xiàn)鍋爐的小型化；c.投入石灰石等脫硫劑可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫不需要另設(shè)脫硫裝置；。低溫燃燒，可抑制NOx的產(chǎn)生；。煤粗粉碎即可，不需制粉系統(tǒng)設(shè)備。 1.循環(huán)流化床鍋爐與沸騰爐相比，流動(dòng)顆粒與氣體的混合更為強(qiáng)烈，顆粒隨同氣體飛散，經(jīng)旋風(fēng)分離器捕集再返回燃燒室，流動(dòng)顆粒吹到燃煤室上方，在爐膛內(nèi)形成流化床。其特點(diǎn)是：a.通過顆粒循環(huán)保持較長(zhǎng)的爐內(nèi)滯留時(shí)間，脫硫反應(yīng)中Ca/S摩爾比小，脫硫劑使用量少；b顆粒循環(huán)量相當(dāng)于40 ~100倍的給煤量；。通過對(duì)顆粒循環(huán)量的控制，可適應(yīng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行。 1.3增壓流化床鍋爐59~1.96MPa其優(yōu)點(diǎn)為：a.可利用燃燒氣體殘壓、殘熱驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，進(jìn)一步提高發(fā)電效率；b.可良好地進(jìn)行灰的再循環(huán)，提高燃燒效率；。爐內(nèi)脫硫率更高，NOx產(chǎn)生率更低；d.總體構(gòu)造非常緊湊，減少建設(shè)成本縮短安裝工期。 2常壓循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用常壓循環(huán)流化床鍋爐在世界上推廣應(yīng)用。法國(guó)于1990年投運(yùn)了125MW機(jī)組，1992年投運(yùn)了250MW機(jī)組，脫硫效率99. 7%排煙中的S2在以下、NOx以下，粉塵在10mg/m3以下，鍋爐效率達(dá)95.71%.并且，擬進(jìn)行600MW、26.47MPa超臨界壓力機(jī)組的開發(fā)。美國(guó)建設(shè)了2臺(tái)220MW機(jī)組。韓國(guó)現(xiàn)有13臺(tái)100~200t/h常壓循環(huán)流化床鍋爐，韓國(guó)電力公司于1998年、1999年投運(yùn)了3臺(tái)自行開發(fā)的燃用國(guó)產(chǎn)無(wú)煙煤的200MW機(jī)組，NOx排出濃度在205mg/m3以下，泰國(guó)正在建設(shè)2臺(tái)150MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，通過爐內(nèi)脫硫使排煙S2濃度降低，以下。 內(nèi)江發(fā)電總廠高壩電廠是我國(guó)最大的循環(huán)流化床鍋爐示范基地，裝機(jī)100MW，引進(jìn)一臺(tái)芬蘭奧斯龍公司410t/h常壓循環(huán)流化床鍋爐，自1996年投運(yùn)以來(lái)，一直穩(wěn)定運(yùn)行。燃用當(dāng)?shù)鼗曳趾秃蛄枯^高的無(wú)煙煤，脫硫效率90%以上，排日本，按制造公司分類有三種方式：石播方式以煤為燃料的循環(huán)流化床鍋爐整套系統(tǒng)，如所示。循環(huán)流化床由煤中的灰、石灰石及床料形成。煤經(jīng)粉碎機(jī)粉碎成小于10mm的煤塊投入爐中，一次風(fēng)通過噴嘴供給，二次風(fēng)從爐上部設(shè)置的二段燃燒用空氣通道分段供給。由旋風(fēng)分離器分離的循環(huán)介質(zhì)，通過環(huán)形密封再循環(huán)到爐內(nèi)。煙氣從空氣預(yù)熱器出來(lái)后由布袋式除塵器等除塵。實(shí)踐表明，燃料比越高，NOx的排出量越少，當(dāng)燃用燃料比為6的含硫率為0.4%的半無(wú)煙煤時(shí)，NOx排出量約為51mg/m3，石灰石中的Ca和煤中的S摩爾比為2.0硫率約為80%Ca/S為2. 5時(shí)，S2排出量三菱方式循環(huán)流化床鍋爐的燃料是燃煤與造紙淤渣混合物，系統(tǒng)如所示。爐膛四周由水冷壁構(gòu)成，燃燒部分，后部煙道內(nèi)的對(duì)流傳熱部分及流化床式熱交換器（FBHE）形成一體化構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了小型化。燃煤室、FBHE密封箱封部上設(shè)置有多個(gè)流化用空氣噴嘴，F(xiàn)BHE內(nèi)通常設(shè)置水冷壁和過熱器受熱，對(duì)流傳熱部分設(shè)置有一級(jí)過熱器、二級(jí)過熱器、蒸發(fā)器、省煤器、空氣預(yù)熱器。 燃燒室內(nèi)無(wú)過熱器等傳熱管，由于FBHE內(nèi)流速低、顆粒細(xì)，床內(nèi)管磨損較小。 川重方式為兼具沸騰式和循環(huán)式特點(diǎn)的混合型循環(huán)流化床鍋爐，系統(tǒng)如所示。粒徑在10mm以下的煤粉在密封箱中與循環(huán)顆粒合流，送到流化床中燃燒，床內(nèi)燃燒熱經(jīng)旋風(fēng)分離器再循環(huán)，加熱400 ~500C較低溫度的顆粒群，使流化床經(jīng)常保持適于脫硫和燃燒的350C.再循環(huán)顆粒和小徑的煤粉顆粒在懸浮段與二次風(fēng)混合，燃燒剩余的約四成的煤。懸浮段循環(huán)蒸發(fā)管、過熱器和風(fēng)冷壁管冷卻的顆粒，循環(huán)顆粒將懸浮段冷卻到800~900在此溫度下保持充分的滯留時(shí)間，適宜地送入二次風(fēng)，即可保持低水平的NOx、S2、CO發(fā)生量。 3增壓流化床鍋爐聯(lián)合循環(huán)（PFBC一CC）發(fā)電技術(shù)―CC發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)PBFC―CC機(jī)組是將流化床鍋爐裝在壓力容器內(nèi)，在增壓下燃燒以進(jìn)一步提高燃燒效率。同時(shí)將通常的汽輪機(jī)發(fā)電與利用流化床鍋爐高溫高壓燃燒氣體驅(qū)動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。其特點(diǎn)如下：效率高。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)提高了發(fā)電效率，使用燃?xì)廨啓C(jī)空氣壓縮機(jī)，省略了送風(fēng)機(jī)；爐內(nèi)脫硫，省略了脫硫裝置，節(jié)省了廠用電，送電端效率與普通煤粉爐火力發(fā)電相比，提高了環(huán)保特性好，可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫，氧化物與石灰石反應(yīng)生成石膏，與煤灰一起經(jīng)除塵裝置除去。因流化床鍋爐利用高壓空氣，流化床通風(fēng)阻力較高，形成高的燃燒床，使燃燒物質(zhì)在床內(nèi)的滯留時(shí)間較長(zhǎng)（約4s）從而可獲得更高的脫硫效率。 由于燃燒床內(nèi)燃燒溫度約為860 ~870V低于煤粉爐，可抑制空氣中的氮氧化物生成NOx，加之燃料在床內(nèi)的滯留時(shí)間長(zhǎng)，燃料在燃燒過程中與還原物質(zhì)接觸機(jī)會(huì)多，從而形成低NOx燃燒。發(fā)電效率的提高，又使C2生成量少于普通的煤粉爐。 為防止燃?xì)廨啓C(jī)磨耗，鍋爐出口處裝有旋風(fēng)分離器和陶瓷過濾器等除塵裝置，使粉塵濃度低于燃?xì)廨啓C(jī)允許濃度。煙囪入口的低溫部分設(shè)有電除塵器，大大地提高了除塵效果。 c小型化。由于是在正壓下燃燒，鍋爐可小型化，加大不需要排煙脫硫裝置，減少了設(shè)置空間，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)整座發(fā)電廠的小型化。 PFBC-CC發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用增壓流化床聯(lián)合發(fā)電方式（PFBC由歐洲作為高效率下對(duì)環(huán)境影響小的新一代燃煤火力發(fā)電方式而開發(fā)的技術(shù)，包括建設(shè)中的機(jī)組在內(nèi)，世界上己有7臺(tái)70~80MW級(jí)機(jī)組的開發(fā)業(yè)績(jī)。 1969年，美國(guó)安裝了首臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了燃燒特性、環(huán)境特性、燃?xì)廨啓C(jī)葉片腐蝕特性等試驗(yàn)。70年代，美、俄共同出資在英國(guó)建設(shè)了60MW試驗(yàn)機(jī)組，1980年投運(yùn)，獲取了各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)材料試驗(yàn)等。作為美國(guó)能源部促進(jìn)潔凈煤技術(shù)計(jì)劃之一，美國(guó)電力公司建設(shè)了73MW機(jī)組，1990年投運(yùn)，1995年完成應(yīng)用試驗(yàn)。 瑞典斯德哥爾摩能源公司1987年建設(shè)了由2臺(tái)增壓流化床鍋爐、2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和1臺(tái)汽輪機(jī)組成的熱電聯(lián)產(chǎn)型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，出力135MW/ 224MWth，1989年投運(yùn)并進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。 西班牙國(guó)營(yíng)電力公司將增壓流化床鍋爐作為低污染的可有效利用國(guó)產(chǎn)劣質(zhì)褐煤技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)，1990年投運(yùn)了79MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。 德國(guó)為強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)，作為替代原熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的設(shè)備，1998年投運(yùn)了71MW熱電聯(lián)產(chǎn)增壓流化床聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。 日本電源開發(fā)公司建設(shè)了日本首臺(tái)71MWPFBC―CC機(jī)組，1997年12月完成應(yīng)用試驗(yàn)；北海道電力公司1998年3月投運(yùn)了苫東厚真發(fā)電廠3號(hào)85MW機(jī)組；九州電力公司1999年7月投運(yùn)了目前世界上最大出力的360MW刈田電廠新1號(hào)機(jī)組；中國(guó)電力公司擬建大崎電廠1號(hào)系列2臺(tái)250MW機(jī)組。 3.3刈田發(fā)電廠新1號(hào)PFBC-CC機(jī)組刈田發(fā)電廠新1號(hào)PFBC―CC機(jī)組系統(tǒng)，如所示。 增壓循環(huán)流化床鍋爐采用了ABB公司的混合型方式，兼具沸騰式和循環(huán)式流化床的功能，是以全新概念設(shè)計(jì)出的一種流化經(jīng)床方式。蒸發(fā)量260t/h，主蒸汽壓力25.0MPa蒸汽溫度570/ 595C，燃燒壓力1.4MPa燃燒溫度870 C，采用煤十石灰石+水的水煤惺礁悍絞健鍋爐一級(jí)和二級(jí)旋風(fēng)分離器、床材貯藏容器、灰冷卻器等耐壓設(shè)備均裝在鋼板制垂直圓筒形壓力容器中，用壓力容器的側(cè)板支持，實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)部的簡(jiǎn)化。為使壓力容器小型化，爐膛斷面為六角形，床內(nèi)管按平等四邊形配置。內(nèi)徑15.4m，高44.6m，涇體厚89.4mm，襯板厚空氣溫度350C空氣壓力1.68MPa燃?xì)廨啓C(jī)采用ABB公司的增壓循環(huán)流化床鍋爐配套的開放循環(huán)雙軸型燃?xì)廨啓C(jī)，是適用于燃燒2級(jí)旋風(fēng)分離器除塵后的高粉塵濃度煙氣的設(shè)備。出力75MW，入口氣體壓力約1.3MPa入口氣體溫度約850出口約390°C，轉(zhuǎn)速在高壓力下為3600r/min，低壓下為1 250~3150r/min.雙軸型燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的空氣流量控制特性，從而可保證機(jī)組具有良好的負(fù)荷跟蹤特性。高壓軸直接與發(fā)電機(jī)聯(lián)接，在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，低壓軸可相應(yīng)于出力利用低壓燃?xì)廨啓C(jī)入口導(dǎo)向葉片調(diào)整空氣流量，提高低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的效率。 汽輪機(jī)為串級(jí)再熱再生凝汽型，出力290MW.主蒸汽壓力24.1MPa蒸汽大型化的要求，采用了500MW以上大型汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)，主蒸汽壓力24.1MPa蒸汽溫度566/593C為了提高汽輪機(jī)效率，低壓未級(jí)采用40英寸鈦葉片。 新1號(hào)機(jī)組采用了由汽輪發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)構(gòu)成的多軸聯(lián)合系統(tǒng)。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)采用臥式圓筒旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型發(fā)電機(jī)和無(wú)刷勵(lì)磁方式，定子、轉(zhuǎn)子均采用空冷方式。啟動(dòng)采用可控硅頻率變換裝置（SFC），將發(fā)電機(jī)作為同步機(jī)使用。汽輪發(fā)電機(jī)也采用臥式圓筒旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型發(fā)電機(jī)，以及響應(yīng)特性優(yōu)良的可控硅靜止勵(lì)磁方式。為了提高發(fā)電效率，轉(zhuǎn)子中采用了高效風(fēng)機(jī)，通過鐵心端部通風(fēng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，提高了冷卻效率。 通過爐內(nèi)脫硫，排煙中的SOx濃度降低到217mg/m3以下；通過流化床的低溫燃燒和干式脫硝硝裝置的處理，NOx降低到123mg/m3以下；經(jīng)兩級(jí)旋風(fēng)分離器一次除塵和電除塵器的二次除塵，粉塵濃度降低到30mg/m3以下。 4結(jié)語(yǔ)流化床燃燒技術(shù)，特別是增壓循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，是重要的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，而增壓流化床鍋爐聯(lián)合循發(fā)電技術(shù)是既能實(shí)現(xiàn)潔凈煤發(fā)電又能提高發(fā)電效率的重要發(fā)電技術(shù)，是我國(guó)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。
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