cfb鍋爐設(shè)計(jì)的優(yōu)化與選擇

cfb鍋爐設(shè)計(jì)的優(yōu)化與選擇

0cfb鍋爐技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展到了1循環(huán)流放鍋爐（cfb）的燃燒技術(shù)具有低氮排放的優(yōu)點(diǎn)。它可以直接在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生熱量，具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒效率高、負(fù)荷適應(yīng)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。這是目前煤炭清潔燃燒的首選。近年來(lái),在國(guó)家經(jīng)貿(mào)委的扶持下,我國(guó)CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展神速,目前,我國(guó)已掌握150MW及以下各種容量級(jí)CFB鍋爐的設(shè)計(jì)和制造技術(shù),并通過(guò)技術(shù)引進(jìn)開(kāi)始了300MW容量級(jí)CFB鍋爐的生產(chǎn)。CFB鍋爐技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展到一定水平。進(jìn)一步預(yù)測(cè)CFB鍋爐技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)并研究若干影響其發(fā)展的因素,對(duì)于推動(dòng)CFB鍋爐技術(shù)自身的進(jìn)步顯然有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1cfb鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)1.1cfb鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)CFB鍋爐未來(lái)將朝著大型化、超臨界方向方展。首先是大型化,因?yàn)槿萘康挠行Х糯蟊貙⒋龠M(jìn)CFB鍋爐在全部容量產(chǎn)品上與煤粉鍋爐展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。另外是超臨界參數(shù)運(yùn)行,因?yàn)槔士涎h(huán)效率,即蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率隨著蒸汽參數(shù)的提高而提高,提高鍋爐主蒸汽的壓力和溫度可以提高鍋爐的熱效率。超臨界壓力蒸汽循環(huán)能夠有效提高電廠效率,減少耗煤量和電廠運(yùn)行費(fèi)用,是鍋爐蒸汽發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。而超臨界CFB鍋爐能夠結(jié)合超臨界鍋爐和CFB鍋爐兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì),具有運(yùn)行效率高、煤耗低、污染物排放少等優(yōu)點(diǎn),因此是CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)。有研究認(rèn)為,采用超臨界蒸汽參數(shù)的循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)電熱效率可以達(dá)到43.2%,這將比我國(guó)現(xiàn)有發(fā)電廠的平均效率提高約12個(gè)百分點(diǎn),和現(xiàn)有傳統(tǒng)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率相比,毫不遜色,卻能大大降低其成本。CFB鍋爐由于自身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn),使得它特別適合于往大型化和超臨界技術(shù)發(fā)展。一方面,CFB鍋爐由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而易于大型化:①采用了一級(jí)飛灰分離循環(huán)燃燒,系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,便于大型化;②不論是國(guó)外開(kāi)發(fā)的方型分離器,或是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的水冷異型分離器和下排氣旋風(fēng)分離器,均能與鍋爐本體形成整體形式,結(jié)構(gòu)緊湊,易于大型化。同時(shí),CFB鍋爐由于自身固有的燃燒特性也使它適合于與超臨界參數(shù)技術(shù)結(jié)合:a.CFB鍋爐爐膛內(nèi)的溫度比常規(guī)的煤粉爐低得多,因此爐膛內(nèi)的熱流要比煤粉鍋爐低。而CFB鍋爐內(nèi)較低的熱流密度可降低對(duì)水冷壁冷卻能力的要求;b.在CFB鍋爐爐膛內(nèi),固體濃度和傳熱系數(shù)在爐膛底部最大,且隨著爐膛高度的增加而逐漸減小,熱流曲線的最大值出現(xiàn)在爐膛底部附近。這樣,爐膛內(nèi)高熱流密度區(qū)域剛好處于工質(zhì)溫度最低的爐膛下部區(qū)域,避免了煤粉鍋爐爐膛內(nèi)熱流曲線的峰值位于工質(zhì)溫度較高的爐膛上部區(qū)域這一矛盾。因此,CFB鍋爐爐內(nèi)熱流分布特點(diǎn)也比較有利于水冷壁金屬溫度的控制;③CFB鍋爐的低溫燃燒使得爐膛內(nèi)的溫度水平低于一般煤灰的灰熔點(diǎn),所以水冷壁上基本沒(méi)有積灰結(jié)渣,再加上爐膛內(nèi)有較高的固體顆粒濃度,這能夠保證水冷壁的吸熱能力;④與煤粉爐相比,CFB鍋爐爐膛內(nèi)的溫度沿爐膛高度方向更加均勻,因而工質(zhì)沿水冷壁高度方向的吸熱也更加均勻,從而有利于控制各段水冷壁的吸熱量。目前,國(guó)內(nèi)已通過(guò)技術(shù)引進(jìn),開(kāi)始生產(chǎn)300MW亞臨界參數(shù)CFB鍋爐,而國(guó)外甚至已完成了600MW超臨界CFB鍋爐的深度方案設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外的研究測(cè)算認(rèn)為,600MW級(jí)將是未來(lái)主力發(fā)電機(jī)組的最低界限。已投運(yùn)煤粉爐的生產(chǎn)實(shí)踐表明,600MW超臨界機(jī)組與同等級(jí)亞臨界機(jī)組相比,發(fā)電效率可提高約3%,達(dá)到41%,每kWh煤耗可由324g減少到300g以下,經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益明顯。在此可以預(yù)見(jiàn),今后我國(guó)CFB鍋爐發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)將是大力發(fā)展600MW以上超臨界參數(shù)鍋爐技術(shù)。1.2深度精煉和脫硝1.2.1脫硫技術(shù)有待提高深度脫硫是CFB鍋爐技術(shù)未來(lái)發(fā)展中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。我國(guó)已是世界上擁有CFB鍋爐數(shù)量和容量最多的國(guó)家,CFB鍋爐脫硫效率的進(jìn)一步提高將對(duì)減少SO2排放總量產(chǎn)生顯著效果;同時(shí),隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的重視,國(guó)家對(duì)SO2排放的控制標(biāo)準(zhǔn)已更加嚴(yán)格。表1是我國(guó)擬執(zhí)行的、新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》修訂稿中最高允許排放濃度。由表1可見(jiàn),新建火電廠SO2最高允許排放濃度已由原來(lái)的800/1200mg/m3降低到了400mg/m3,因此今后必然對(duì)CFB鍋爐的脫硫技術(shù)提出更高要求。還有,也是其中最主要的原因,就是目前CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫的優(yōu)點(diǎn)正受到挑戰(zhàn)。與濕法脫硫相比,CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫尚有Ca/S摩爾比高、脫硫效率低等不足。比如,為達(dá)到90%的脫硫效率,采用CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石的脫硫方法,鈣硫摩爾比一般需2.0以上,而采用煙氣濕法脫硫技術(shù),鈣硫摩爾比僅需1.1左右。近年來(lái),隨著濕法脫硫技術(shù)的進(jìn)步,尾部煙氣脫硫的成本已逐步降低。因此,如考慮爐內(nèi)添加石灰石脫硫?qū)⒏淖兓以再|(zhì)、增加灰渣處理成本、降低灰渣利用價(jià)值等因素,那么與煤粉爐+FGD系統(tǒng)相比,CFB鍋爐系統(tǒng)在脫硫方面的總體優(yōu)勢(shì)正在減弱,需要在技術(shù)層面上予以改進(jìn)。這是CFB鍋爐進(jìn)行深度脫硫的內(nèi)在要求。1.2.2采用先進(jìn)低氮燃燒技術(shù)CFB鍋爐自身的低溫燃燒特性和空氣分級(jí)供給燃燒方式對(duì)抑制氮氧化物生成十分有利,因此,其N(xiāo)Ox排放量很低,是一般同容量PF鍋爐的1/4～1/5,約為采用先進(jìn)低氮燃燒技術(shù)PF鍋爐的1/2。目前,我國(guó)已投運(yùn)CFB鍋爐的煙氣中NOx排放濃度大多能控制在200mg/Nm3以下,低于國(guó)家的排放控制標(biāo)準(zhǔn),但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,隨著人們生活水平的提高和對(duì)NOx危害認(rèn)識(shí)的深化,國(guó)家對(duì)NOx排放的要求將進(jìn)一步提高。100ppm或更低的排放量可能會(huì)成為CFB鍋爐的排放控制水平。另外,CFB鍋爐燃燒產(chǎn)生的N2O排放近年來(lái)也引起了重視。因此,尋求同時(shí)降低NOx和N2O排放的技術(shù)是未來(lái)CFB鍋爐低污染燃燒發(fā)展的另一個(gè)重要方向。1.3發(fā)展多功能潔凈煤發(fā)電技術(shù)能源綜合利用是CFB鍋爐今后發(fā)展的另一個(gè)重要方向。能源綜合利用包含有3方面內(nèi)容:①利用CFB鍋爐這個(gè)平臺(tái)使一些低級(jí)資源能源化利用。目前在這方面已做的比較好,已開(kāi)發(fā)出針對(duì)于燃燒石油焦、污泥、生物質(zhì)、垃圾廢棄物等各種類(lèi)型的CFB鍋爐并取得了成功的經(jīng)驗(yàn),大型化和多功能是其今后的發(fā)展方向;②與其它能源或原材料加工系統(tǒng)整合,從事能源高效利用。這也是CFB鍋爐技術(shù)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。由于煤種的復(fù)雜多樣性,開(kāi)發(fā)多功能潔凈煤發(fā)電技術(shù)有著十分重要的意義。目前,以CFB鍋爐技術(shù)為基礎(chǔ)的IGCC系統(tǒng)、PCFBC系統(tǒng)、PGCFB-CC系統(tǒng)均已開(kāi)發(fā)成功并已產(chǎn)業(yè)化,今后將繼續(xù)朝著大型化和優(yōu)化運(yùn)行方向發(fā)展;③灰渣綜合利用。CFB鍋爐運(yùn)行中由于采用了爐內(nèi)添加石灰石脫硫技術(shù),不但增加了它的灰渣數(shù)量,而且也使它的灰渣與普通煤粉產(chǎn)生的灰渣在形態(tài)、粒度、化學(xué)性質(zhì)等方面有很多不同之處,以致于很難用常規(guī)的灰渣利用方式對(duì)其進(jìn)行處理。目前,開(kāi)發(fā)研究適合CFB鍋爐脫硫灰渣的處理方式和利用途徑已成為國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。2影響cpb鍋爐技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)因素2.1影響cpb鍋爐大規(guī)模建設(shè)的幾個(gè)因素和解決方案CFB鍋爐大型化后,在鍋爐水冷壁與爐膛受熱面布置、循環(huán)系統(tǒng)、布風(fēng)裝置、冷渣器等方面會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)和制造方面的問(wèn)題,匯總?cè)绫?所示2.2影響cpb鍋爐深度硫脫的幾個(gè)因素(1)脫硫效率與煤種計(jì)量關(guān)系煤種不同,其含硫量不一樣,達(dá)到一定脫硫效率所需的Ca/S摩爾比也不一樣。圖1、圖2分別是燃燒褐煤和煙煤時(shí)脫硫效率與鈣硫摩爾比之關(guān)系?？梢?jiàn),燃燒煙煤達(dá)到一定的脫硫效率所需的鈣硫摩爾比比燃燒褐煤時(shí)要低得多。研究發(fā)現(xiàn),CFB鍋爐的脫硫效率與煤種的折算硫分有關(guān),當(dāng)折算硫分Sar,zh≤110g/MJ時(shí)加入石灰石脫硫,在鈣硫摩爾比Ca/S為2～2.4情況下,一般可以控制SO2排放在400mg/m3以下:而當(dāng)Sar,zh>110g/MJ時(shí),控制SO2排放在400mg/m3以下則比較困難。因此深度脫硫需結(jié)合具體煤種進(jìn)行研究。(2)提高灰渣脫硫效率鈣硫化被認(rèn)為是影響脫硫效率的最主要因素。由圖1和圖2可見(jiàn),不論煤種及其含硫量如何,脫硫效率均隨著鈣硫摩爾比的增加而增加。但工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,脫硫效率在Ca/S低于2.5時(shí),隨鈣硫比增加而增大很快;當(dāng)Ca/S大于2.5時(shí),繼續(xù)增大鈣硫比對(duì)降低煙氣中SO2的濃度作用不大,反而會(huì)增加NOx的排放,同時(shí)還會(huì)增加灰渣物理熱損失,并增加灰渣瀝濾物的PH值,從而增大灰渣處理成本。因此,優(yōu)化Ca/S比以滿(mǎn)足環(huán)保要求和得到最佳綜合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,也是CFB鍋爐在進(jìn)行深度脫硫設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)重要因素。(3)cfb鍋爐脫硫溶劑高效脫硫劑的研發(fā)不同脫硫劑的本征反應(yīng)活性不同,顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)不一樣,即使在其它條件完全一樣的情況下,其脫硫效果也很不相同。另外,研究發(fā)現(xiàn),脫硫劑顆粒粒徑越細(xì),其脫硫效果越好。因此,在脫硫效果與脫硫成本之間尋找最優(yōu)平衡,開(kāi)發(fā)新型高效脫硫劑,對(duì)現(xiàn)有常規(guī)脫硫劑進(jìn)行改性處理以提高其反應(yīng)活性,尋找在CFB鍋爐燃燒條件下脫硫劑反應(yīng)活性演化與燃料硫釋放規(guī)律之間的最佳耦合等,都將是未來(lái)CFB鍋爐深度脫硫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)研究的重要內(nèi)容。此外,鍋爐的運(yùn)行工況如運(yùn)行溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、流化氣速等也會(huì)影響脫硫效果,在進(jìn)行CFB鍋爐深度脫硫設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)加以考慮和優(yōu)化。2.3影響cpb鍋爐深度去除噪聲的幾個(gè)因素CFB鍋爐在進(jìn)行深度脫硝時(shí)也應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面因素的影響(1)燃料數(shù)對(duì)燃料燃燒的影響為減少NOx排放,應(yīng)盡量使?fàn)t膛燃燒反應(yīng)在等當(dāng)量條件下進(jìn)行。有研究發(fā)現(xiàn),過(guò)量空氣系數(shù)的增加對(duì)燃料在燃燒中的自脫硫效果和氧化鈣的固硫效果有正面作用,但會(huì)帶來(lái)增加NOx的生成和排放濃度,同時(shí)還增加排煙熱損失。由于過(guò)量空氣系數(shù)變化同時(shí)引起了CFB鍋爐燃燒效率、脫硫效率和熱效率等的相應(yīng)變化,因此在進(jìn)行深度脫硝時(shí)應(yīng)綜合考慮過(guò)量空氣系數(shù)的影響。(2)煤燃燒時(shí)燃料氮的轉(zhuǎn)化率空氣分級(jí)燃燒已被證明是減少燃料型NOx生成的有效方法。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于CFB鍋爐燃燒,在一定的過(guò)量空氣系數(shù)條件下,存在有一個(gè)最佳二次風(fēng)率,使得煤燃燒時(shí)燃料氮的轉(zhuǎn)化率最低,鍋爐煙氣中NOx的排放濃度最低。因此,針對(duì)于具體爐型和煤種,可以通過(guò)優(yōu)化鍋爐運(yùn)行,調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)配比來(lái)達(dá)到進(jìn)一步降低NOx排放的目的。(3)脫硝系統(tǒng)工藝優(yōu)化在爐膛中注入氨或脲可以抑制NOx生成。但這些脫硝工藝在降低NOx的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)增加CO排放,且會(huì)降低爐內(nèi)固硫反應(yīng)效果,因此需綜合考慮。(4)深度脫硝與深度脫硫之間的相互作用石灰石煅燒后生成的CaO對(duì)NOx的生成有催化作用,雖然較高的Ca/S摩爾比和較細(xì)的脫硫劑顆粒粒徑對(duì)提高脫硫效率有好處,但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)增加NOx的排放,因此應(yīng)綜合研究深度脫硝與深度脫硫之間的相互影響。另外,CFB鍋爐運(yùn)行中入爐燃料的變化、負(fù)荷的變化、燃燒室的氣—固混合、燃燒室的壓力波動(dòng)等均會(huì)影響到其煙氣中NOx的排放,在進(jìn)行深度脫硝時(shí)也應(yīng)一起考慮。3cfb鍋爐深度脫硫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(1)CFB鍋爐未來(lái)將朝著大型化、超臨界方向發(fā)展。CFB鍋爐由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自身固有的燃燒特性而特別適合于往大型化、超臨界方向發(fā)展,我國(guó)CFB鍋爐今后的一個(gè)趨勢(shì)是大力發(fā)展600MW以上超臨界參數(shù)鍋爐技術(shù)。這其中,鍋爐水冷壁與爐膛受熱面布置、循環(huán)系統(tǒng)、爐內(nèi)裝置、冷渣器等的設(shè)計(jì)對(duì)鍋爐大型化有一定的影響。(2)目前CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫的優(yōu)點(diǎn)正受到挑戰(zhàn)。CFB鍋爐系統(tǒng)在脫硫方面的總體優(yōu)勢(shì)正在減弱,需要在技術(shù)層面上予以改進(jìn),因此深度脫硫是CFB鍋爐技術(shù)未來(lái)發(fā)展中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。其中,煤種、