潔凈煤技術(shù)第05章潔凈燃燒技術(shù)

1、第五章 潔凈燃燒技術(shù)第一節(jié) 概 述一、潔凈燃燒技術(shù)所涉及的領(lǐng)域我國煤利用的主要形式是直接燃燒，直接燃煤量占用煤總量的80%以上。燃煤設(shè)備的容量差異很大，由小到大依次為民用(含商用)爐灶，工業(yè)(含供暖)鍋爐和工業(yè)窯爐，熱電站及自備電站鍋爐，大型火力發(fā)電鍋爐，小時燃煤量由幾百克到數(shù)百噸。目前的中小燃煤設(shè)備(小時燃煤量5噸以下)燃用著總用煤量的40%以上。它們的燃燒效率及熱效率不高，民用爐灶熱效率約為16%左右，工業(yè)爐窯熱效率僅40%左右，工業(yè)及供暖鍋爐熱效率也僅50%65%。以高效技術(shù)改造后該領(lǐng)域可節(jié)約我國總用煤量的10%左右。大型燃煤設(shè)備指電站鍋爐，我國大型電站幾乎全部使用低于臨界參數(shù)的蒸汽循環(huán)

2、機組，平均供電效率僅為32%左右，如用高效技術(shù)使之達40%45%，則電站可節(jié)約我國總用煤量的7%10%。直接燃煤也是我國大氣污染物的主要來源。目前除對塵排放有一定治理外，SOx、NOx、CO和CO2、CnHm等污染均有待治理。實現(xiàn)高效潔凈燃煤有兩條路，一個是在現(xiàn)有設(shè)備上改進，包括燃用型煤，煙氣凈化等；另一條路就是采用新燃燒技術(shù)，其中包括循環(huán)流化床燃燒(CFBC)、煤氣、蒸汽聯(lián)產(chǎn)(CFBG-C)、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC)、整體氣化聯(lián)合循環(huán)(1GCC)和部分氣化聯(lián)合循環(huán)(PGCC)，本章將介紹新燃燒技術(shù)。二、實現(xiàn)高效潔凈燃燒新燃燒技術(shù)與舊有層燃和室燃技術(shù)不同，其特點是煤被部分和完全氣化，即使

3、是直接燃燒固體燃料也是在流化床內(nèi)進行。氣化和流化床燃燒均是高效潔凈燃燒。除改變?nèi)紵绞酵庑氯紵绞竭€可構(gòu)成燃氣、蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，以提高循環(huán)效率。新燃燒技術(shù)將引起一系列變化；首先可使居民和小型設(shè)備燃料煤氣化，特別令人感興趣的是它利用我國富產(chǎn)的高揮發(fā)分非強粘結(jié)性粉末煤，新氣化工藝的投資和成本較現(xiàn)有技術(shù)均有顯著降低；所列技術(shù)將更適于發(fā)展熱電聯(lián)供，使工業(yè)及城市用熱(冷)效率更高；將既可使用優(yōu)質(zhì)燃料又可使用劣質(zhì)燃料，使地產(chǎn)的或加工副產(chǎn)的可燃物物盡其用；所列技術(shù)將以低的投資和運行費大幅度降低SOx、NOx的污染，是難得的，可減少CO2的有效途徑，灰渣特別是固硫后的灰渣有良好的可用性；所包括的聯(lián)合循環(huán)

4、發(fā)電技術(shù)與超臨界技術(shù)一起是發(fā)電領(lǐng)域近期可大幅度提高供電效率的現(xiàn)實途徑。三、由相關(guān)技術(shù)構(gòu)成的大系統(tǒng)盡管所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域很寬，但各項技術(shù)處于一個層次分明、關(guān)聯(lián)性強的系統(tǒng)中。除整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)外，其余技術(shù)均以流化床燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)。循環(huán)流化床燃燒是技術(shù)系統(tǒng)中最簡單也是最基礎(chǔ)的形式；在此基礎(chǔ)上增加固體載熱部分氣化功能后構(gòu)成煤氣、蒸汽聯(lián)產(chǎn)；增壓流化床聯(lián)合循環(huán)是在壓力下的流化床燃燒，然后構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；部分氣化與聯(lián)合循環(huán)結(jié)合可構(gòu)成一個難度較低、效果不錯的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)；將煤氣、蒸汽聯(lián)產(chǎn)結(jié)構(gòu)增壓可形成效率更高的第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；高溫凈化則是IGCC和PFBC都需解決的問題。調(diào)查表明：所涉及

5、的技術(shù)還可以用于在我國若干大煤田建設(shè)煤化工和天然氣生產(chǎn)基地。以儲有高揮發(fā)分非強粘結(jié)性煤達數(shù)百億噸的山西朔州地區(qū)為例，將現(xiàn)有煤產(chǎn)量的1/4以短回收期、低成本技術(shù)轉(zhuǎn)化后即可生產(chǎn)數(shù)百萬噸/年尿素和數(shù)億m3/年天然氣?？梢钥闯霾煌瑢哟蔚募夹g(shù)將用于不同容量和不同目的，它們之間有很強的相關(guān)性，統(tǒng)一規(guī)劃將有利于系統(tǒng)的發(fā)展。第二節(jié) 潔凈燃燒技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀一、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的前身是鼓泡流化床燃燒技術(shù)。鼓泡流化床燃燒技術(shù)已顯示燃料適應(yīng)性強，能在燃燒中脫硫和降NOx的優(yōu)點。60和70年代鼓泡床技術(shù)在中國得到很大發(fā)展，但該技術(shù)也表現(xiàn)出嚴重缺點，如細顆粒(800P)燃燼度差；床內(nèi)浸埋受

6、熱面磨損嚴重；脫硫時鈣利用率僅為20%以下，床溫超過900后，脫硫效率顯著降低等，德國Lurgi公司首先推出循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，它采用高操作氣速(810m/s)和高攜帶率(812kg顆粒/kg煙氣)，同時設(shè)置爐外換熱床，1987年首臺270t/h爐投產(chǎn)。芬蘭Ahlstrom公司舍去爐外換熱床，依靠爐內(nèi)水冷壁換熱，最初的鍋爐出現(xiàn)水冷壁因高速高濃度而嚴重磨損，此后普遍采用中等氣速(56m/s)和中等攜帶率(35kg/kg)。Luigi公司的270t/h爐出現(xiàn)旋風(fēng)分離器超溫，經(jīng)診斷確定其中燃燒份額過大，采取將燃料由全部900增至6mm獲得解決。目前Ahlstrom技術(shù)主要用于130410t/h容量，

7、再增大容量遇到爐內(nèi)受熱面不足的困擾，擬用鰭式水冷壁解決，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜；而Lurgi型技術(shù)(包括法國Stean和美國ABB-CE)更適于410t/h容量，特別是帶再過熱的鍋爐。瑞典Stucvick研究所首先采用槽形慣性分離器，后發(fā)現(xiàn)分離效率不夠高，增加了中溫區(qū)的二級分離，該爐型結(jié)構(gòu)簡單，但不適于大容量，DuichBabcoke針對高溫旋風(fēng)分離器的缺點研制了中溫分離循環(huán)床鍋爐，可惜忽視了流化床中CO易偏高的弱點。由于CO排放偏高，在發(fā)達國家無市場，于是，轉(zhuǎn)向不嚴格限制CO排放的我國，北京Bahcok鍋爐廠就引進了此項技術(shù)。美國Foster Wheeler公司針對大型非冷卻分離器的缺點研制了蒸汽冷卻

8、高溫分離器，許多廠家紛紛效仿，但多在研制一臺發(fā)現(xiàn)成本過高，難以運輸?shù)娜秉c后放棄此方案。Ahlstrom公司采用水冷壁構(gòu)成方形分離器有明顯優(yōu)勢，技術(shù)出現(xiàn)后不久，該公司的循環(huán)床部分被FW公司兼并。清華大學(xué)首先采用爐內(nèi)冷卻床技術(shù)，簡化了換熱床結(jié)構(gòu)。后為FW、Lurgi、Stean和ABB-CE效法。清華大學(xué)和中科院工程熱物理所是國內(nèi)較先研究循環(huán)床技術(shù)的單位，清華大學(xué)在小容量鍋爐采用低攜帶率平面流分離，目前廣泛用于635t/h容量，結(jié)構(gòu)簡單，但埋管易磨損。所研制的中等容量無埋管平面流分離循環(huán)床爐(3575t/h)，因循環(huán)量偏低而不易達到出力。在總結(jié)已有經(jīng)驗基礎(chǔ)上采用差速循環(huán)床，平面流兩級分離或用水冷壁

9、構(gòu)筑的異形分離器等新技術(shù)形成新一代中小容量循環(huán)床鍋爐。75t/h帶異形分離器循環(huán)床爐運轉(zhuǎn)正常，結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)于非冷卻旋風(fēng)分離鍋爐，分離效果甚佳，飛灰含碳遠低于引進的爐型。2035t/h差速床鍋爐在研制中。中科院工程熱物理所的第一代產(chǎn)品與Ahlstrom產(chǎn)品類似，其第二代產(chǎn)品采用了百葉窗兩級分離。一些單位引進了Ahlstrom型鍋爐。在燃用較高灰分和破碎粗糙的煤時，達到出力方面也出現(xiàn)困難。脫硫技術(shù)在流化床燃燒技術(shù)中占重要地位，循環(huán)床技術(shù)可以使細顆粒石灰石發(fā)揮更大作用，因此在80%的脫硫效率時Ca/S可降到2。清華大學(xué)對脫硫的微觀結(jié)構(gòu)進行深入研究，認為石灰石的孔反應(yīng)特性既影響鈣利用率又影響最佳脫硫溫度

10、，首創(chuàng)將石灰石粉粘制成高活性高溫粒狀脫硫劑，不僅Ca/S降到1.7以下，而且最佳脫硫溫度由850提高到950，有利于傳熱、燃燒，更使困擾流化床燃燒技術(shù)的N20排放過高問題得以解決。柳州市已按清華技術(shù)廣泛用于流化床鍋爐脫硫。二、煤氣一蒸汽聯(lián)產(chǎn)技術(shù)煤的氣化包括完全氣化和部分氣化兩類。人們早已期盼將煤中不同組份加以合理利用，即使較易氣化的揮發(fā)物變?yōu)槊簹舛鴮⒉灰讱饣墓潭ㄌ?它的完全氣化往往要求制氧、高溫)用于燃燒70年代末期，美、英聯(lián)合推出COGas工藝，完成了中試。其流程為：煤先在650左右裂解以求多產(chǎn)油品，所余半焦被循環(huán)的熱焦加熱，其中的揮發(fā)分和碳與水蒸氣發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成以CO和H2為主的煤氣

11、。加熱段是一個能燃燼半焦的液態(tài)排渣旋風(fēng)爐，殘焦沒有利用。由于提升加熱段效率不夠高，殘焦損失大，總效率不高，但已開創(chuàng)了一個較好的先例。大連理工大學(xué)在80年代中后期，以鼓泡流化床煙氣為熱源加熱半焦，實現(xiàn)在650載熱裂解工藝。因氣化溫度低，煤氣產(chǎn)率不高，半焦又沒能很好利用，經(jīng)濟上不能自持。進入80年代后，循環(huán)床燃燒技術(shù)日益發(fā)展，已完全有能力燃燼焦粉，清華大學(xué)張緒棉在1985年初中國科協(xié)出版的2000年的中國研究資料中明確建議開發(fā)載熱部分氣化和蒸汽聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。1990年后多個單位開始此項研究，研究的初級階段是灰載熱低溫氣化，即以循環(huán)床灰為載熱介質(zhì)，在650750的床溫下氣化。這些方案都在尋找用戶。為提高

12、煤氣產(chǎn)率，盡量降低焦油產(chǎn)率和焦炭熱量，以減少凈化困難，降低單位煤氣量的投資額，清華大學(xué)煤燃燒工程研究中心提出了快速床提升焦載熱氣化方案。目前在清華大學(xué)電廠建立了一個小時處理2噸煤的工業(yè)試驗裝置，已于1997年5月建成產(chǎn)氣。高煤氣產(chǎn)率和較高烴含量為在某些地區(qū)將煤轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品及天然氣創(chuàng)造條件。三、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(1GCC)早在1972年，世界上第一個工業(yè)規(guī)模的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在德國Lunen市克爾曼電廠內(nèi)建成，容量為170MW，采用Lurgi固定床氣化爐，完成預(yù)定試驗后于70年代末停運。1984年，在美國加州Coolwater電廠建成100MW機組，該機組采用Texaco氣流床

13、氣化工藝。19841989年間曾對四種煤進行一系列試驗研究，累計運行27100小時。試驗證明，該機性能良好，運行可靠，污染排放很小。電站效率僅為31.2%(HHV)，在完成示范運行后停運。美國的另一座IGCC示范電站位于路易斯安那州的LGTI 電廠，于1987年投產(chǎn)，運行至今。該機組采用Destec氣流床氣化工藝，電站總折算功率為160MW，凈效率為34.2%(HHV)。荷蘭Buggenum電站于1994年3月投產(chǎn)的IGCC機組采用Shell氣流床氣化工藝，凈功率達253MW，凈功率為43.2%。進入1994年后，國際上IGCC電站建設(shè)速度明顯加快。機組容量均在250500MW，凈效率提高到4

14、0%45%，燃氣輪機進口初溫提高到1250左右，初投資降到2000美元/kW左右。國內(nèi)于1979年曾立項在蘇州電廠建設(shè)一座10MW級的IGCC電站，所用氣化工藝，燃機、汽機均不先進，后工程中止。但國內(nèi)許多單位如電力部西安熱工研究院、清華大學(xué)、中科院工程熱物理所、上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所等都繼續(xù)進行相關(guān)研究。第三節(jié) 潔凈燃燒技術(shù)原理及特點一、流化床與智環(huán)流化床燃燒固體顆粒在自下而上的氣流作用下具有流體性質(zhì)的過程稱為流化。顆粒尺度較大而操作氣速較小時在床下部形成鼓泡流化床，即其連續(xù)相是氣固乳化團，其分散相是以氣為主的氣泡。在氣泡上浮力作用下床內(nèi)顆粒團之間有較強的質(zhì)交換。顆粒尺度較小、操作氣速甚高

15、，加以使用分離器使逸出物料不斷返回時，形成另一流化形態(tài)，稱快速流化床，其分散相為氣固乳化團，連續(xù)相為含少量顆粒的氣體。早期的循環(huán)床是快速流化床，當時，燃料顆粒90，操作氣速為810m/s，爐膛出口氣固攜帶率為1020kg/kg。過細的燃料顆粒造成旋風(fēng)分離器內(nèi)燃燒份額過大，易超溫結(jié)渣，燃料粒度增為6mm后有所改善。過高的氣速和濃度造成水冷壁磨損，為此氣速降為56m/s。如此變化之后，流動形態(tài)變化很大，在爐膛下部形成鼓泡床，爐膛上部的快速流化床特征也不再明顯，只有在爐膛出口氣流折轉(zhuǎn)區(qū)，因顆粒失去上舉力而濃縮，在爐膛出口下部和部分邊壁附近出現(xiàn)乳化團。目前的循環(huán)床是有灰循環(huán)過程的流化床爐的總稱。在循環(huán)

16、床諸過程中，組織好沿循環(huán)路線的各區(qū)域內(nèi)發(fā)熱與放熱間的正常平衡是首要任務(wù)，即組織好燃燒、對受熱面?zhèn)鳠岷臀锪陷d熱。氣速和濃度的降低對爐內(nèi)燃燒及傳熱工況產(chǎn)生影響。就發(fā)熱而言，燃料變粗和氣速降低使燃燒份額下移，即爐膛下部密相區(qū)產(chǎn)熱量增加，一旦吸熱不足，床溫將升高，許多鍋爐達不到出力的主因即在于此。因此，當氣速降低后，降低燃料粒度(或提高揮發(fā)分)是保持密相區(qū)較低燃燒份額的重要手段。從吸熱角度看，循環(huán)量對傳熱和載熱過程有重要影響。對于以灰為主循環(huán)物料的鍋爐，循環(huán)量c與燃料燃燒所形成的灰顆粒粒度分布即成灰特性有關(guān)。設(shè)某一粒度的成粒量為e，依灰平衡ea+b，a為由分離器逸出的某一粒度顆粒量，b為排渣帶出的某一

17、粒度顆粒量，一般稱為分離效率a，相類比為排渣的選則效率b，而，這一表達式說明a與b對循環(huán)量同樣重要，實際上對細粒度b接近于1，循環(huán)量主要取決于a；對粗粒度a接近于1，則循環(huán)量主要取決于b。不同粒度顆粒間也相互影響，例如燃料還生成一些不能參與循環(huán)的大顆粒，當它們被排出時將攜帶部分可參與循環(huán)顆粒，對于能參與循環(huán)但粒徑偏粗的顆粒，a(c)與不參與循環(huán)的大顆粒量接近反比，大的不參與循環(huán)顆粒量，將抑制循環(huán)量，這就部分說明了為什么國外爐型在使用高灰和粗破碎燃料時出力不足。減少不參與循環(huán)的顆粒量，可顯著提高循環(huán)量。強化破碎固然可達此目的，但電耗和細微難燃顆粒量將增加。氣速將影響可參與循環(huán)的粒度，高氣速時可參

18、與循環(huán)的粒度增大。另一方面，氣速的提高將增加a：b，速度越高在渣中帶出的份額越少，循環(huán)量越大。高氣速可造成循環(huán)物料的寬篩分和高濃度，這兩點都更有利于爐膛上部產(chǎn)生乳化顆粒團，而乳化團將增強傳熱，延長顆粒停留時間，改善分離特性。實測表明在0.53kg/k8范圍內(nèi)，對流換熱系數(shù)幾乎與攜帶率呈線性關(guān)系。圖5-1 循環(huán)床物料平衡模型150的顆粒有著高的分離效率，顆粒在爐內(nèi)停留時間長，氣固相對運動速度大，燃燒速率較高，燃燼程度高；lOO的顆粒因粒度小，周圍溫度低，氣固相對運動速度小，處于表面動力反應(yīng)區(qū)，其反應(yīng)速度甚低，加之分離效率低，所以燃燼程度差，是造成不完全燃燒損失的主要原因。提高床溫和延長停留時間可

19、減少未燃燼損失，但作用有限，結(jié)合脫硫?qū)w灰成粒再燃是解決飛灰未燃燼損失的根本途徑。除小顆粒難以燃燼外，另一個值得注意的是氣相未燃燒損失，由于給煤點集中，揮發(fā)份釋放集中，如不能與氧充分混合將難燃燼，另一方面，乳化團內(nèi)往往氧不足而氣泡或非乳化團區(qū)的氧過剩，因此流化床常出現(xiàn)CO和O2濃度同時很高的現(xiàn)象。高溫分離過程中氣體間能強烈混合燃燼度提高，中溫分離達不到燃燼氣相可燃物的目的。差速循環(huán)床是認真研究各種過程后出現(xiàn)的依照規(guī)律組織過程的典型。它將床下部某區(qū)域的氣速恢復(fù)到812m/s，但在上升約3m以后截面擴大，氣速迅速降為6m/s，由于高速而帶起的粗顆粒將回落，與高速區(qū)并列的是一個床速僅為lm/s左右的

20、低速區(qū)，顆粒將自然地落入該區(qū)，在上升與回落過程中顆粒間相互作用明顯，又提供了團聚的條件。低速床內(nèi)埋設(shè)足夠的受熱面，因顆粒細、流速低有高的換熱系數(shù)，又保證受熱面不磨損。自然，高速區(qū)內(nèi)的燃燒份額將明顯降低。與僅依靠分離器分離的鍋爐不同，主循環(huán)顆粒不再僅為300左右的一個狹窄粒度帶，?？上虼至窖由斓?.5mm左右，是一個很寬的帶，而且由于分離器入口的較粗顆粒增加，分離效率提高，因此，循環(huán)量甚大。大循環(huán)量、強傳熱和高速燃燒區(qū)低的燃燒份額，使鍋爐的出力和燃料適應(yīng)特性改善。在沒有采用差速循環(huán)床的條件下，用水冷壁構(gòu)筑的異形分離器是循環(huán)床鍋爐結(jié)構(gòu)的重大進展。現(xiàn)有高溫旋風(fēng)分離器有不冷卻與汽冷兩種。不冷卻分離器

21、內(nèi)耐火襯里很笨重，只能采用下支撐結(jié)構(gòu)，它與燃燒室的上懸吊結(jié)構(gòu)有矛盾，總重也太重，啟動時也容易損壞，人們一直想改變它。FW公司首先采用過熱器構(gòu)筑汽冷分離器，將分離器制成圓形，后發(fā)現(xiàn)難以運輸和安裝。以水冷壁構(gòu)筑的分離器外形是方形，制造運輸方便，內(nèi)部四角抹圓，分離效果相當好，與不冷卻筒一樣能達到高燃燼度和較大循環(huán)量，其優(yōu)勢是特別適于大型化。由于差速床已完全解決了爐內(nèi)燃料與傳熱問題，分離器的任務(wù)將有所改變，即它首先應(yīng)保證氣相可燃物燃燼，至于細顆粒的燃燼可以用設(shè)于低溫區(qū)的第二級分離和飛灰制粒再燃解決，對高溫分離效率的要求可以降低，預(yù)計，這一變化將形成新一代大型循環(huán)流化床鍋爐。加入到流化床燃燒室中的石灰石

22、受熱分解，在適宜的溫度下 氧化鈣與SO2和O2反應(yīng)生成硫酸鈣，即：CaCO3CO2+CaOCaO+SO2+1/2O2CaSO4由于硫酸鈣與碳酸鈣和氧化鈣的分子體積比大約為3：2：1，而CO2逸出時生成的孔隙體積過于纖細，在顆粒表面的孔隙端口處一旦生成CaSO4就很容易將小孔堵塞，外界的S02和02將不再能繼續(xù)向孔內(nèi)擴散，與顆粒內(nèi)部的CaO反應(yīng)。有關(guān)研究者曾對美國各種典型石灰石進行測定，當粒徑為lmm左右時，其鈣利用率很少超過20%，含MgCO2較多的白云石雖可籍MgO生成時的孔而使CaO利用率提高，但總的重量份額利用率也不高。有鑒于此，清華大學(xué)用粘結(jié)細石灰石粉的方法重組了顆?？追植迹@得了40

23、%以上的鈣利用率。所用粘結(jié)劑是脫硫時的飛灰，它有較好的膠凝性。用飛灰作粘結(jié)劑還可使飛灰中的碳得以燃燼，許多情況下，飛灰含碳高達10%20%。清華大學(xué)研究還發(fā)現(xiàn)溫度對脫硫效果的影響實際也是孔堵塞作用的結(jié)果。當溫度增高時，化學(xué)反應(yīng)速度的增大快于擴散速率增加，即孔口更易堵塞。對于重新組織孔結(jié)構(gòu)的顆粒，孔長縮短，溫度增高的影響不再顯著。這一結(jié)論使最佳脫硫溫度由通常認定的850提高到950。溫度提高有利于燃燒、傳熱。流化床燃燒過程中CO含量偏高，溫度偏低，其NOx生成量僅為常規(guī)燃燒方式的25%左右，但人們還發(fā)現(xiàn)過低的燃燒溫度使NOx排放增加，一度因此懷疑到流化床燃燒是否適于發(fā)展。當燃燒溫度由850提高到

24、950時N20排放顯著降低，NOx增加不顯著。二、煤氣、燕汽聯(lián)產(chǎn)煤中揮發(fā)分受熱分解產(chǎn)生煤氣、焦油和焦或半焦。煤種、加熱溫度、加熱方式和氣氛等條件不同，煤氣產(chǎn)率不同；焦油和焦在高溫下還可與水蒸汽反應(yīng)再次生成煤氣，它們是吸熱反應(yīng)。用固體載熱是一種加熱方式，其特點是可將燃燒加熱過程與氣化過程分別在兩個容器中完成，兩側(cè)氣體分開而固體物料在其中循環(huán)。焦或半焦燃燒生成熱既加熱物料，又產(chǎn)生蒸汽。利用循環(huán)床鍋爐循環(huán)灰為熱源稱為灰載熱，以燃料生成的焦載熱稱為焦載熱。前者成粒量較少，顆粒偏細，床速偏低，因而循環(huán)量較小。與此同時灰與氣體的分離點在爐膛出口，灰溫偏低。低溫和低循環(huán)量造成低氣化室溫度，氣化室采用流化床時

25、，氣體焓增較大，氣化室溫度更低。低氣化室溫度使焦油量增加，半焦中揮發(fā)分含量大，加之床層含碳低，水煤氣反應(yīng)不旺盛、氣化率不高。低氣化率、高半焦熱份額使單位煤氣量的蒸汽產(chǎn)率增加，增加了單位煤氣量的總投資。該工藝的細灰往往集中于煤氣中，增加了凈化的難度。焦載熱工藝成粒量較多，顆粒偏粗，燃燒提升床無受熱面，床速可很高，因而循環(huán)量很大，物料溫度高達1000左右，氣化室溫度可達950左右，焦油含量減到很少，焦中不含揮發(fā)分，加之床層含碳量高，水煤氣反應(yīng)旺盛，煤氣產(chǎn)率很高。用不同流化介質(zhì)可調(diào)整水煤氣反應(yīng)量，從而可調(diào)整煤氣成分和熱值。高熱值時，可適于城市煤氣，較低熱值時，可適于煤化工及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。煤氣比例較大

26、時，煤氣中H2及CO含量可達70%一80%，CH4 (含CnHm)含量約為10%12%，可以通過分離手段將二者分離，前者是合成化工原料，而且其氫碳比接近2：1，適于合成甲醇，后者是優(yōu)質(zhì)城市煤氣，所余焦燃燼產(chǎn)生蒸汽，可用于化工過程或發(fā)電。該工藝的成灰主要在鍋爐中完成，所成細灰不再進入氣化室，凈化相對簡單。在不太需要熱電的情況下，殘焦是優(yōu)質(zhì)無煙燃料，所制型煤具有高的反應(yīng)活性，上火快、火力旺盛。高煤氣產(chǎn)率甚至多產(chǎn)焦而少產(chǎn)電，都將大幅度降低單位煤氣量的總投資。三、部分氣化聯(lián)臺循環(huán)發(fā)電載熱部分氣化的煤氣具有12.5MJ/m3的熱值，經(jīng)濕凈化加壓后送入燃氣輪機燃燒室燃燒，空氣經(jīng)壓縮機加壓后在循環(huán)床鍋爐低速

27、床內(nèi)加熱到600以上，燃氣在燃氣輪機內(nèi)作功后進入鍋 爐，用其中的氧燃燒焦粉產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動蒸汽輪機，這樣就構(gòu)成了一個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。提高煤氣產(chǎn)率和空氣預(yù)熱溫度都可提高燃氣輪機進口溫度從而提高循環(huán)效率。燃燒焦粉的循環(huán)床鍋爐應(yīng)采用差速循環(huán)床：一方面是由于焦粉已失卻揮發(fā)分，其燃燒分額易下移，采用差速床可相對降低高速燃燒區(qū)燃燒份額；另一方面低速傳熱床的換熱系數(shù)很高，是布置空氣加熱管及再熱器的理想場所。從近期看本工藝是改造現(xiàn)有電站的理想方案，從遠期看本工藝能吸納高燃氣輪機進口溫度和超臨界技術(shù)，實現(xiàn)高循環(huán)效率。用它來改造125MW機組可使供電效率由32%提高到38%以上。四、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)圖52給

28、出了一個典型的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。圖5-2 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)簡圖其聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)與一般的以天然氣為燃料的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)相同，只是煤需要一個氣化及煤氣換熱和凈化系統(tǒng)。氣化爐的型式有若干種，目前都使用氧和水蒸汽作為氣化介質(zhì)，因此需要空氣分離設(shè)備，目前的凈化工藝都是濕式凈化。就聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)而言，該技術(shù)有很高的成熟度，目前的難點及潛力主要集中在煤氣化系統(tǒng)。第四節(jié) 潔凈燃燒技術(shù)的工藝及設(shè)備一、循環(huán)流化床燃燒(CFBC)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的主要設(shè)備是循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)床鍋爐有著與常規(guī)鍋爐類似的水汽系統(tǒng)，差異主要表現(xiàn)在燃燒系統(tǒng)，在輔屬系統(tǒng)中煤制備系統(tǒng)、鼓風(fēng)及引風(fēng)除塵系統(tǒng)、脫硫劑系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、

29、儀表控制系統(tǒng)均不盡相同。循環(huán)流化床鍋爐包括燃燒室和尾部受熱面，其汽水系統(tǒng)與常規(guī)燃燒方式鍋爐類似，由于壓力及溫度參數(shù)而區(qū)分為單汽包爐(3.82MPa)和雙汽包爐(2.45MPa)。對于雙汽包爐，多采用低矮爐膛，爐膛又多采用重型或半重型爐墻，鍋爐全部采取支撐結(jié)構(gòu)；對于單汽包爐，爐膛可以采用膜式壁結(jié)構(gòu)和懸吊結(jié)構(gòu)。循環(huán)床爐膛的底部設(shè)有布風(fēng)板和風(fēng)室，布風(fēng)板上布有許多風(fēng)帽，風(fēng)帽分為多孔及單孔兩大類。大型鍋爐多用膜式壁延長構(gòu)成布風(fēng)板及風(fēng)室，這樣 就可以實現(xiàn)床下油點火、點火成功率很高。非水冷壁結(jié)構(gòu)鍋爐多用鋼板制作布風(fēng)板，只能采取床上點火，點火技巧決定其成功率。爐膛底部是密相燃燒床，上部是稀相爐膛，幾種特殊爐型

30、設(shè)有爐外換熱床或并聯(lián)換熱床。密相燃燒床內(nèi)埋設(shè)的受熱面是低攜帶率鍋爐的主要蒸發(fā)受熱面；無換熱床鍋爐的主要蒸發(fā)受熱面是膜式水冷壁；換熱床內(nèi)既可以布置蒸發(fā)受熱面，也可以布置過熱器、再熱器、空氣加熱器。在爐膛上部布置的高溫過熱器使鍋爐具有良好的負荷調(diào)節(jié)性。循環(huán)床鍋爐與常規(guī)燃燒方式和鼓泡床鍋爐的最大差異是它有著物料循環(huán)系統(tǒng)。物料分離循環(huán)系統(tǒng)分為三大類：常用高溫分離器完成分離，中低溫分離和爐內(nèi)重力分離則作為高溫分離器分離的補充。單純的中溫分離雖可縮小分離器體積，但CO排放偏高。差速循環(huán)床強化了爐內(nèi)重力分離。高溫分離器有許多類型，非冷卻旋風(fēng)筒是目前最常用的形式，它的分離效率高，但結(jié)構(gòu)特性差，它要求支撐結(jié)構(gòu)，

31、因此需解決與懸吊式爐膛間的膨脹密封問題，它的耐火耐磨層很厚，總重很大，抗熱震性差。在大容量范圍內(nèi)，以膜式壁構(gòu)成的水冷旋風(fēng)分離器大有取代非冷卻旋風(fēng)筒的可能，其耐火耐磨層減薄，總重減輕，可以懸吊，膨脹問題易解決。平面流動慣性分離在結(jié)構(gòu)上有著占地少、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，由它們構(gòu)成的鍋爐很類似傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，也可以使爐身矮化，由于分離效率不高，有時需與中低溫分離復(fù)合或與重力分離復(fù)合以保證循環(huán)量和燃燼程度。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)后其優(yōu)勢更加明顯。預(yù)計在重力分離可以解決循環(huán)量問題后，適于大型化的平面流動慣性分離可能取代各類旋風(fēng)筒。被分離的物料往往通過一個閥返回燃燒區(qū)，最常用的閥是非機械的J形閥，它的驅(qū)動需要較高風(fēng)

32、壓。對中小容量，低攜帶率循環(huán)床爐，采用翼形閥也很成功。談及循環(huán)床鍋爐的燃料適應(yīng)性，必須分別兩個概念，一個是泛指在常規(guī)燃燒方式鍋爐上難以燃用的多種劣質(zhì)燃料，如高水分、高灰分、低揮發(fā)分和低灰熔點燃料，可以利用循環(huán)床鍋爐燃用，但這并不等于任何一個循環(huán)床鍋爐在燃用性質(zhì)差異很大的燃料時都能維持設(shè)計參數(shù)，這首先因為對于不同燃料而言，它們的理論空氣量和理論煙氣量差異可能很大，當燃料熱值低的時候，差異更顯著；其次，循環(huán)床鍋爐中沿氣流路程的不同區(qū)域，特別是密相燃燒區(qū)的正常熱平衡是正常運行的關(guān)鍵，而燃料的變化可能影響各處的平衡狀態(tài)。燃料的發(fā)熱量、揮發(fā)分和粒度分布都影響密相區(qū)燃燒份額，所以不同爐型，不同燃料其燃料制

33、備系統(tǒng)應(yīng)不同。為保證供煤可靠性，中大型鍋爐用燃料應(yīng)先行干燥，使外在水分低于7%，燃料的干燥可以與破碎篩分系統(tǒng)結(jié)合。電力部西安熱工研究院和清華大學(xué)煤燃燒工程研究中心在“八五”攻關(guān)中分別設(shè)計了兩種燃料干燥與破碎系統(tǒng)，前者以熱風(fēng)為熱源，在提升段干燥和篩分顆粒，配以錘式破碎機；后者以蒸汽為熱源，以流化床干燥和篩分顆粒，配以環(huán)錘和輥式破碎機，兩者都注意到對粒度的控制。爐型和燃料不同，對燃料粒度要求差異可能很大，大致上，在密相區(qū)設(shè)置埋管 受熱面的低攜帶率鍋爐和差速床鍋爐可以使用較粗燃料；靠水冷 壁換熱的鍋爐應(yīng)遵循下述經(jīng)驗式：Vr+Bd1mm0.85即燃料的可燃基揮發(fā)物與粒徑1毫米的份額之和應(yīng)大于0.85。

34、排渣系統(tǒng)在使用高灰份、粗破碎燃料時相當重要。目前國內(nèi)的排渣方式甚不理想，多采用間歇排渣，在排出粗渣時帶出大量細渣，所以首先應(yīng)實現(xiàn)連續(xù)排渣。排渣應(yīng)冷卻，目前國際上常用水冷螺旋出渣機，為在排放粗渣時將所帶細渣返送爐內(nèi)，采用于有選擇性排渣功能的冷渣器，對于多灰燃料選渣效果將變差。差速循環(huán)床的高速燃燒區(qū)有很強的選擇性排放功能，而在低速傳熱床內(nèi)則易于冷卻灰渣。為改變?nèi)剂铣闪Ｌ匦?，某些系統(tǒng)將排渣加以破碎，加工后的渣再送回燃燒區(qū)，其設(shè)備及消耗都較碎煤簡單而效果甚佳，對一些高灰燃料，還可保證大顆粒燃燼。同樣，將飛灰制粒也可改變成粒特性，既改善燃燼度和鈣利用率又可增加主循環(huán)顆粒量，增大循環(huán)量。用于脫硫的石灰石在

35、爐內(nèi)易爆裂和磨耗，約50%以上會進入飛灰，由于停留時間太短，它們的鈣利用率不高。如果最初入爐的 脫硫劑為粒徑2mm的石灰石，其一次鈣利用率不高，可在燃燒后將飛灰制成2mm的顆粒再送入爐內(nèi)，如此，可使鈣利用率40%，燃燒效率提高3%5%。二、煤氣、蒸汽聯(lián)產(chǎn)(CFBG-C)該技術(shù)包括煤氣、蒸汽兩個系統(tǒng)。焦載熱工藝的系統(tǒng)中氣化與燃燒間分工明晰，它包括一個載熱氣化系統(tǒng)和一個循環(huán)流化床鍋爐。焦載熱氣化系統(tǒng)的加熱段是一個快速床提升段，焦在其中燃燒并被提升，提升段上部是一個重力分離室。被分離的物料通過連通閥進入氣化室，氣化室溫度>850，煤也被送入氣化室，煤受熱會裂解產(chǎn)生煤氣。氣化室物料含碳量達30%

36、以上，流化介質(zhì)是蒸汽時，會發(fā)生水煤氣反應(yīng)。在高溫和水蒸汽氣氛下，加上灰分的催化作用，焦油的分解會較完全。通過調(diào)整流化介質(zhì)成份(煤氣和水蒸汽比例)可以獲得不同熱值的煤氣用于不同用途。多余的焦粉被送入循環(huán)床鍋爐燃燼。提升段煙氣進入鍋爐燃燼其中的可燃物并吸收其熱量。由氣化室引出的煤氣首先在熱旋風(fēng)筒內(nèi)分離固體顆粒，所分離的物料被送入循環(huán)床鍋爐。含塵較少的煤氣進入濕式凈化系統(tǒng)，脫除硫、塵、焦油等，廢水可送入循環(huán)床鍋爐燃燒室燃燼污染物以保護環(huán)境。與一般循環(huán)床鍋爐相比，該工藝對煤有更高要求，除應(yīng)保證盡量穩(wěn)定的煤源外，干燥程度要高，一般希望水份低于4%，煤粒度以2mm為好。由于煤制備嚴格易于氣力輸送，可以正壓

37、進煤，其渣冷卻也較易安排。目前還有一種灰載熱氣化方案，鍋爐與氣化過程關(guān)系密切。鍋爐應(yīng)保證分離灰處于較高的溫度水平，鍋爐的熱量分配較復(fù)雜，細循環(huán)灰大量進入煤氣，煤氣凈化任務(wù)重。目前的灰載熱系統(tǒng)均采用<800的氣化室溫度，再加上氣化室內(nèi)物料含碳小于5%，水煤氣反應(yīng)微弱，焦油產(chǎn)率較高，煤氣產(chǎn)率較低。三、部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電該系統(tǒng)主要包括焦載熱部分氣化裝置，煤氣換熱、凈化及壓縮系統(tǒng)，燃氣輪機發(fā)電裝置，帶有空氣加熱器的循環(huán)床鍋爐以及蒸汽輪機發(fā)電裝置。煤在焦載熱部份氣化裝置中被氣化，所得煤氣經(jīng)換熱、凈化后被壓縮，它與經(jīng)鍋爐中空氣加熱器加熱的壓縮空氣一起在燃燒室中燃燒，燃氣在燃氣輪機內(nèi)作功，帶動壓氣機

38、和發(fā)電機。所排煙氣中仍有較高濃度的氧，被送入循環(huán)床鍋爐燃燼未氣化的焦粉，所產(chǎn)熱量用于產(chǎn)生蒸汽和加熱壓縮空氣，蒸汽推動蒸汽輪機作功。該系統(tǒng)的特點是固體燃料的氣化和燃燒都是在常壓下進行，煤氣熱值高。即使高溫煤氣經(jīng)濕凈化的熱損失也不大；在低速傳熱床中加熱壓縮空氣可以提高燃氣輪機進口溫度，減少凈化氣量及損失，達到高循環(huán)效率。該工藝的燃機/汽機功率比為0.50.8，屬大蒸汽輪機功率小燃氣輪機功率工藝，可以現(xiàn)已成熟的超臨界及未來的超超臨界技術(shù)為基礎(chǔ)，二者的嫁接可能是技術(shù)難度最小而循環(huán)效率仍較高的工藝。也可以把本工藝視為第二代增壓聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的前期，氣化系統(tǒng)易于加壓，只要與第一代PFBC解決了的高溫凈化和增

39、壓燃燒相結(jié)合，就構(gòu)成第二代PFBC-CC。實現(xiàn)本工藝的前提條件是首先在小容量范圍內(nèi)應(yīng)用部分氣化與蒸汽聯(lián)產(chǎn)工藝，在城市煤氣中蒸汽鍋爐容量為2035t/h，用于煤化工則為3575t/h；另一條件是發(fā)展大型差速循環(huán)床鍋爐，即>410t/h爐，在條件成熟后可以先行改造現(xiàn)有125MW機組，即增加氣化爐及改建410t/h鍋爐，增加6080MW的燃氣輪機。計算表明：供電效率可由目前的32%增加到38%40%。四、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)IGCC的燃機/汽機功率比均大于1。氣化與凈化是整個工藝的關(guān)鍵部分，目前多種氣化方案均采用制氧高溫氣流床氣化，凈化采用濕式凈化，其技術(shù)上均可行，燃氣經(jīng)過濕凈化之后

40、其燃燒室、燃氣輪機和余熱鍋爐都屬常規(guī)技術(shù)。在凈化過程中脫硫和氨均可以高效率完成，還可以生產(chǎn)單體硫，僅在燃燒過程中有高溫NOx生成，塵排放也在凈化中解決。第五節(jié) 社會經(jīng)濟及環(huán)境效益市場分析一、循環(huán)床鍋爐循環(huán)床鍋爐可以達到高的燃燒效率，在中小容量，燃燒效率可達95%左右，與層燃爐相比，效率提高15%20%，節(jié)煤20%左右；分離效率較高的大型爐和采取飛灰復(fù)燃措施時，燃燒效率可達98%99%，在燃燒質(zhì)量較好的煙煤時，與煤粉爐相當，較燃用低揮發(fā)分的煤粉爐，效率提高3%5%。許多層燃爐或煤粉爐不能燃用的燃料(如高水、高灰、低揮發(fā)分、低灰熔點)都可以燃用，這一特點對利用地區(qū)性燃料和可燃廢棄物有重要作用。循環(huán)

41、床鍋爐可以在25%100%負荷范圍內(nèi)順利調(diào)節(jié)，適于調(diào)峰，這一特點對實現(xiàn)“以熱定電”方針很有作用。循環(huán)床鍋爐在環(huán)境保護方面遠優(yōu)于層燃爐和煤粉爐：它可以用廉價易得的石蘋石在燃燒中脫硫，脫硫效率可達90%；固硫渣有良好可用性，可用于制成高效能混凝土，而混凝土的高強、低收縮、強流動性和低水化熱是今后的主導(dǎo)方向；循環(huán)床鍋爐排放的NOx僅為層燃及煤粉爐的1/4以下；循環(huán)床鍋爐壓火時無烴類排放，這一點遠優(yōu)于層燃爐。平面流分離循環(huán)床鍋爐的金屬耗量較同容量層燃爐低15%左右，中小容量的鍋爐體積與層燃爐相當或略小，成本降低10%左右。大型差速循環(huán)床鍋爐的爐體較同容量煤粉爐小15%左右，特別是爐膛高度可以降低。目前

42、的大型循環(huán)床鍋爐的分離系統(tǒng)較復(fù)雜，因此爐體的制造成本較煤粉爐高10%或相當，當采用差速循環(huán)床和兩級簡單分離后，循環(huán)床爐的成本會低于煤粉爐。循環(huán)床鍋爐的制煤系統(tǒng)較煤粉爐簡單，所以總投資相當或較低。循環(huán)床鍋爐脫硫的投資及運行費較煙氣脫硫等工藝遠低。年脫除1噸SO2(約對應(yīng)發(fā)電4萬度)的投資約為300元，僅為電站建設(shè)費的1%左右，脫除1噸SO2的運行費用為250元左右。脫除1噸SO2的固硫渣制建材后的凈收益超過400元。綜上所述，循環(huán)床鍋爐今后在l035t/h范圍內(nèi)將基本取代層燃爐，在50220t/h范圍內(nèi)將基本取代煤粉爐；在循環(huán)床鍋爐大型化完成后，它將在使用高水、高灰、高硫、低揮發(fā)份、低灰熔點 (

43、T11350)煤和有高負荷調(diào)節(jié)要求的領(lǐng)域內(nèi)首先取代煤粉爐，這一領(lǐng)域占現(xiàn)有電站的50%以上。二、煤氣、蒸汽聯(lián)產(chǎn)載熱介質(zhì)不同其經(jīng)濟指標不同。以焦為載熱介質(zhì)，使用可燃基揮發(fā)份為32%，低位發(fā)熱量為21MJ/kg的煤，煤氣熱量占煤熱量的30%40%，折合為16.72MJ/Nm3的煤氣，每噸煤約產(chǎn)生375500Nm3煤氣。與直接燃煤相比，在城市煤氣領(lǐng)域，總煤氣量的1/2作民用，可節(jié)約本工藝用煤量的15%20%；其余作工商業(yè)用，可節(jié)約本工藝用煤量的7%l0%；扣除氣化耗能5%，氣化部份節(jié)約本工藝用煤量的17%25%；焦用于產(chǎn)生蒸汽，與現(xiàn)有層燃爐相比節(jié)約本工藝用煤量的12%14%，總計節(jié)約原用煤量的24%2

44、7%。以灰為載熱介質(zhì)的煤氣產(chǎn)率僅為200300Nm3/T，不用流化床氣化者節(jié)煤效果低于焦載熱工藝約5%，使用流化床氣化者，節(jié)煤效果低10%。單位煤氣量的蒸汽產(chǎn)率比焦載熱工藝高1.53倍。日產(chǎn)10萬m3煤氣的煤氣、蒸汽廠硬件投資焦載熱工藝約為3000萬元，灰載熱工藝為5000萬元；配發(fā)電系統(tǒng)后焦載熱工藝為7000萬元，灰載熱工藝為1.1億元。煤價為200元/噸時，焦載熱工藝煤氣成本約為0.30元/Nm3。高揮發(fā)份非強粘結(jié)性煤產(chǎn)量約占我國煤產(chǎn)量的50%，山西平朔、陜西神府、內(nèi)蒙準葛爾、河南義馬、云南以及內(nèi)蒙東部、吉林、遼寧等地都出產(chǎn)這類煤。低投資、低成本的城市煤氣，市場相當廣闊。三、部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電估算表明：用本工藝改造現(xiàn)有125MW機組可使供電效率由目前的32%提高到38%40%即節(jié)煤16%20%。所增加的6080MW燃氣輪機容量的單位發(fā)電量投資低于現(xiàn)有大型燃煤電站，煤氣系統(tǒng)和