MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

超超临界循环流化床锅炉技术研发进展

随着技术进步和对节能减排需求的提升,更先进的超超临界循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉技术成为行业发展趋势。该文探讨了超超临界CFB锅炉技术的设计理念,包括流态化燃烧、水动力系统、污染物控制及系统集成等关键技术。分析大尺寸炉膛内流态化燃烧的均匀性和燃尽性问题,探讨了不同炉型燃烧系统设计;研究超超临界压力下低质量流速垂直管圈水动力系统的设计方案;提出在大截面和高炉膛条件下污染物控制的设计思路;通过对锅炉燃烧技术、热力系统及辅助系统的耦合特性分析,指出燃烧侧与蒸汽侧系统设计的优化方向。基于对关键技术的深入研究和超临界CFB锅炉的实践经验,形成了多种超超临界CFB技术方案,多个采用不同技术方案的项目已进入到工程应用阶段,其中可靠、灵活、清洁和高效是设计中的关键考量。期望这些多样化的超超临界CFB技术路线能够在未来发展中展现出灵活性和低碳优势。

我国高碱煤燃烧特性研究和工程应用进展

我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结,特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况,以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

基于过热蒸汽干燥开式制粉燃褐煤发电技术研究

针对高水分褐煤燃烧发电中存在的热效率低和低负荷稳燃困难等问题,提出了基于过热蒸汽干燥开式制粉系统的新型高效燃褐煤发电技术,该技术采用基于汽轮机抽汽加热的过热蒸汽干燥开式制粉系统,保证了制粉系统的运行安全性,提高了燃烧系统的运行灵活性,实现了制粉系统与锅炉主机的运行解耦,并综合解决了褐煤锅炉炉温低、热效率低的等问题。以600 MW超临界燃褐煤机组为例,对采用该技术的热力系统进行了仿真,分析了其节能与环保效益。研究结果表明,该技术通过对锅炉与汽轮机整体热力系统的综合优化,将汽轮机回热系统扩大至高水分煤的干燥过程,同时梯级回收锅炉排烟废热和制粉乏汽废热至汽轮机回热系统,可获得较为显著的节煤效益。同时,该技术不仅可由节煤相应减少各类污染物及CO_(2)排放,还可回收大量水资源,有望实现零水耗电厂。

“双碳”目标下我国电力系统灵活性资源发展策略研究

大力发展新能源是实现“双碳”目标的重要途径,但新能源的随机性、波动性和间歇性特点给电力系统供需平衡及稳定性带来严峻挑战,亟需发展多元灵活性资源来保障系统的安全稳定运行。本文综述了我国碳中和目标下电力需求及电源结构发展路线的相关研究情况,深入分析了不同风光发电量比例下电力系统对灵活性调节的不同需求,并从高峰能力(充足性)、爬坡灵活性、稳定性、惯性4个方面阐述了未来所需要的“源网荷储”各类灵活性资源特性;结合国际经验,提出了保障安全、低碳发展、经济最优的灵活性资源发展原则,并在分析我国灵活性资源发展存在问题的基础上,提出了与我国电力行业减排目标和中长期电力结构变化趋势相一致的灵活性资源发展路线;最后从电源、电网、负荷、储能、市场机制5个方面提出了发展灵活性资源的重点举措。

生物质燃料颗粒热压成型过程分析

“双碳”战略下,生物质因其可再生、低污染和“零”碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题,可用作化石燃料的替代品,对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型过程的影响因素,分析并探讨了热压成型过程中生物质颗粒的演变行为和结合机制。生物质成型工艺主要包括冷压成型和热压成型。与冷压成型相比,热压成型能耗较低,制得成型燃料品质较高。生物质含水率(4%~15%)对其成型燃料密度影响较大,成型温度(70~150℃)影响较小,成型压力(60~130 MPa)和原料粒度(<2.5 mm)对其成型燃料密度的影响因生物质种类不同而存在较大差异。生物质热压成型过程中纤维素主要起骨架支撑作用,半纤维素、木质素则起到黏结剂作用。在热压成型的微观过程中,生物质颗粒经惯性移动后黏弹塑性变形,形成机械互锁。脆性颗粒破碎后释放出天然黏性成分,在水分、温度和压力的共同作用下形成颗粒间桥接。机械互锁和桥接缩小了生物质分子间的距离,促进了分子间作用力的产生。在对生物质热压成型机制认识的基础上,利用不同生物质掺混或水热等预处理手段对生物质组分进行调控可提高燃料颗粒的品质。利用分子动力学手段对生物质成型过程进行仿真模拟,可获得生物质组分分子间的键合机制,有利于进一步探究生物质热压成型机制,对生物质成型燃料乃至成型材料的制备有着重要的指导意义。

乏汽供热用大型蒸汽射汽器性能试验与研究

对乏汽供热用大型射汽器的性能进行了全面分析和研究。结合射汽器的固有特性,在300 MW等级机组的乏汽供热系统中对射汽器变工况性能进行了试验研究,得到了不同机组背压、动力蒸汽压力和出口压力下射汽器的性能曲线。建立了一种射汽器全工况特性的性能参数求解方法。结果表明:性能参数求解结果与试验数据吻合度高。

超临界循环流化床锅炉水冷壁吸热偏差计算及深度调峰水动力特性

超临界循环流化床锅炉在深度调峰过程中受热负荷及质量流速变化的影响容易出现管壁拉裂、超温爆管等安全问题,故有必要对锅炉深度调峰负荷时热偏差系数、水动力特性进行计算研究。该文根据超临界循环流化床锅炉水冷壁及水冷屏结构,建立水动力计算数学模型并运用实炉测量数据计算实炉热偏差系数,对310及110MW负荷实炉热偏差系数进行计算,并采用110MW负荷实炉热偏差系数对120及70MW(深度调峰负荷)的水动力进行计算,将120MW负荷时的出口汽温计算结果与实炉测量数据进行对比验证,对70MW深度调峰负荷水动力计算结果进行分析。结果表明:循环流化床锅炉高低负荷时热偏差系数分布规律不同,在相近负荷时炉膛热偏差系数呈现出一致性,并且锅炉在70MW深度调峰负荷时,锅炉能安全稳定运行。深度调峰负荷时循环流化床锅炉吸热偏差系数及水动力特性的计算研究,为现有火电机组进行灵活性深度调峰优化改造提供一定的理论基础。

新型等离子体点火技术在火电灵活性中的应用分析

近年来在国家政策的主导下,风电等新能源得到了快速发展,新能源的消纳问题也随之凸显出来,灵活性调峰是解决这一问题的有效措施。等离子体点火技术是一项卓有成效的低负荷稳燃措施,可满足深度调峰需求,有效提高火电机组对新能源发电的消纳能力。针对传统等离子体技术在火电灵活性应用中存在的问题,提出一种新型等离子体点火技术。该技术可使发生器阴极寿命提升至500 h以上,阳极寿命提升至1000 h以上;提高了煤质适应性,可适用于大部分燃用烟煤的电厂;而且点火过程中对燃烧器内燃强度有较好的控制,不易发生超温结焦现象。

生物质CFB氮氧化物排放建模与优化控制

由于生物质循环流化床(CFB)燃烧不稳定,为实现负荷波动过程中机组NO_(x)的动态预测,从锅炉燃烧机理切入,建立了氧量模型与即燃碳模型;对炉内NO_(x)自生成与自还原机理进行分析,并结合数学建模的方法,建立了NO_(x)动态排放模型。进行给料量、二次风量开环阶跃试验;分析NO_(x)排放与氧量耦合情况,采用简化对角解耦与前馈补偿解耦法解除耦合。结合某130 t/h生物质CFB实际运行数据进行仿真试验。结果表明:模型拥有较好的预测效果,能反映氧量及NO_(x)排放过程的动态特性,可实现给料量控制NO_(x)排放质量浓度、二次风控制氧体积分数的单回路控制,所设计的NO_(x)排放质量浓度模型及解耦控制方法可以为今后生物质CFB机组适应动态运行以及智能控制策略设计提供参考。

烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气,含NO_(x)、SO_(2)、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理,既能有效资源化利用废气中CO和余氧,又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境,将烧结烟气中SO_(x)和NO_(x)等污染物与燃煤产生的污染物一并去除,有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而,目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题,先通过化学反应动力学模拟,研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程,发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用,燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除,而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法,模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况,发现燃烧过程流态化情况好,烧结烟气中低浓度CO基本燃尽,旋风分离器出口CO质量浓度约100 mg/m^(3),燃烧温度达到去除污染物的要求,验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证,测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过99.5%,低至0.0057 ng TEQ/m^(3),CO质量浓度低至108 mg/m^(3),此外烟气中NOx和SO2质量浓度低至38、24 mg/m^(3),满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

生物质三组分对成型颗粒物理性能的影响

为探究生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)对成型颗粒物理性能的影响,以棉秆、木屑以及生物质三组分为研究对象,单独或按一定掺混比例混合后制备成型颗粒,使用电子万能材料试验机分析了成型颗粒的表观密度和抗压强度,利用X射线光电子能谱仪分析了生物质成型前后分子结构的变化。结果表明:纤维素直接影响成型颗粒的抗压强度,半纤维素和木质素主要作为黏结剂,协同纤维素间接提高成型颗粒的抗压强度。向棉秆中加入纤维素或半纤维素后,其混合成型颗粒中的C—OH官能团均明显提高,且产生了新的C=C官能团,有利于形成分子间作用力和提高分子结构的稳定性,增强成型颗粒的物理性能。

活性添加剂对生物质循环流化床燃烧特性影响研究进展

循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)燃烧被认为是未来大规模开发利用生物质能源最有潜力的技术之一。该文概述生物质直燃CFB锅炉在运行实践中面临的受热面沾污腐蚀、床料烧结团聚、燃烧不均匀、NO_(x)原始排放高等诸多问题和对应的活性添加剂解决方案。如采用硅铝基、硫基、钙基、磷基等添加剂形成高熔点盐或降低Cl含量,可有效缓解炉内受热面沾污腐蚀等现象;借助载氧体辅助燃烧技术,有望通过替代床料的氧化还原循环反应改善炉内气氛分布均匀性并提高燃烧效率;在燃烧过程中投入适量的铁基或还原类添加剂,可抑制含氮前驱体向NO_(x)转化,亦或还原已生成的NO_(x),从而降低NO_(x)原始排放。未来,对添加剂的研究应重点关注机理分析、标准化、工程放大、固废资源化利用等方向,以期实现对生物质的清洁高效利用。

CFB锅炉宽筛分颗粒临界流化风速研究

基于计算颗粒流体力学(CPFD),通过表征常规CFB锅炉床料(Set 1)、增加炉内细颗粒含量(Set 2)和减小初始床支撑料粒度(Set 3) 3种筛分分布的SiO_(2)颗粒,研究颗粒筛分变化对临界流化风速的影响。研究结果表明:在相同床层高度下,Set 1、Set 2和Set 3床料的临界流化风速分别为0.51、0.30和0.20 m/s。表明增加炉内细颗粒含量和减小初始床支撑料粒度均可明显降低临界流化风速。将宽筛分颗粒临界流化风速的数值模拟结果与相关关联式预测结果进行对比,表明ERGUN关联式的预测结果偏差较小,WEN-YU关联式的预测结果明显偏低。

面向新型电力系统汽轮机高压转子蠕变/疲劳寿命损耗研究

针对火电机组深度调峰变工况过程中蒸汽温度大幅变化,引起机组部分结构热应力大幅增加,结构加速损坏,安全事故频发的问题,以300 MW汽轮机调节级转子为对象,利用Ansys软件对叶片热应力、气动力和离心力进行分析。首先对叶根部位开展结构优化,大幅消除常规计算普遍存在的不合理局部应力集中现象;然后研究揭示了火电机组深度调峰过程稳态和瞬态等不同情况下调节级温度场、应力场的分布规律及其对机组安全性能的影响特性。研究结果表明:稳态工况不同喷嘴组温差50℃时,最大等效应力升高约24%;瞬态工况升负荷速率5%THA/min比2%THA/min引起转子低周疲劳损伤提升约3倍;相较于稳态工况,每天增加一次速率2%THA/min从半负荷到满负荷的升负荷过程,综合损伤提升38%左右。

超低负荷工况下汽轮机末级运行特性及其优化机制探索

构建以新能源为主体的新型电力系统,对燃煤发电机组深度调峰和超低负荷运行提出了越来越严苛的要求,进而对汽轮机组低负荷安全运行提出了越来越严峻的挑战。采用数值模拟方法,基于低负荷工况下汽轮机末级运行性能的深入分析,着重研究探索了不同解决方案在超低负荷工况下的工作机理与优化效果。研究发现,当机组从中低负荷下降到超低负荷时,末级叶片附近出现间隙涡、回流涡和分离涡等涡群,其范围随着负荷的减小逐渐扩大。低负荷工况降低机组背压和低压缸切缸运行是弱化汽轮机涡流、提高末级性能的有效途径,二者结合使用效果更佳。例如,在20%热耗率验收(THA)工况条件下,将背压从4.9 k Pa降低到2.5 k Pa,使得末级涡群影响范围明显减小,转子叶片转矩从–38 N·m增加到73N·m,末级运行性能明显改善。在10%THA工况下,采用降低背压和低压缸切缸相结合可使叶顶间隙涡完全消失,回流涡和分离涡的径向长度都减小50%以上;优化后的动叶转矩增加了约130 N·m,末级运行性能改善效果显著。

兼顾高/低温环境性能的动力电池热管理系统设计

热特性对电动汽车的性能有着重要的影响。低温环境严重影响锂电池的容量和寿命,而高温环境则可能导致热失控。为了保证锂电池在高低温环境下的安全高效运行,本研究提出一种兼顾高低温的热管理系统,通过保温材料和相变材料组合成的蓄热模块的灵活拆卸,实现对高低温天气下电池的散热和保温。使用Star CCM+软件进行建模和仿真。研究结果表明:动力电池在不同倍率放电后静置维持在0℃以上的时间最高达17 h,低温下静置与无热管理的情况下相比保温时长增加了约8倍,比单纯使用相变材料保温时长增加了近3倍,且验证了添加隔热层的必要性。在实际应用中表明停车后可直接启动,避免电动汽车频繁的预加热。在高温条件下拆掉蓄热模块使用风冷散热既节省了能源又进一步加强了该系统散热能力。以1C~3C倍率放电后,与未添加散热措施的电池组对比,添加热管理散热系统后电池组最高温度分别降低了34%、42%和48%,添加翅片后对电池的降温效果有明显作用,1C~3C放电倍率下最高温度比未添加翅片的电池组最高温度分别降低4.8%、5.4%、6.7%,放电倍率越高添加翅片的散热效果越明显。

碳中和背景下循环流化床燃烧技术在中国的发展前景

循环流化床(CFB)燃烧技术因其独特的低成本污染控制优势得到了高度重视,近年来我国在此领域的技术发展取得了长足的进步。回顾了我国CFB燃烧技术的发展历程,从最初的跟踪学习到技术创新,走出了一条适应中国国情的独立创新发展道路,先后开发出高性能CFB锅炉、节能型CFB锅炉和超低排放CFB锅炉,同时提高蒸汽参数和大型化,引领了CFB技术的国际发展。目前我国成为世界上CFB锅炉最大的设备供应商和使用者,CFB发电机组作为我国燃煤发电体系中的重要组成部分,为可靠廉价电力供应和劣质燃料消纳做出了重要贡献。碳中和条件下,煤炭作为保底能源在电力系统安全托底中不可或缺。作为低热值煤以及难燃高硫无烟煤的高效清洁发电利用的主要方式,CFB锅炉应在深度调峰和快速变负荷灵活性方面展现更大优势。结合新能源高比例消纳的调峰需求,可以开发粉煤CFB锅炉技术、探索分布式小容量高参数CFB锅炉、挖掘CFB机组0~100%负荷长周期压火与快速热态启动潜力,进一步提高CFB机组运行灵活性;在运行灵活性基础上发挥CFB锅炉燃料灵活性的优势,突破高硫无烟煤超超临界高效发电与超低排放同步实现的难题,消纳煤炭绿色开采洗选副产的劣质燃料,纯烧或者掺烧城市污泥、生活垃圾、生物质等低碳可燃废弃物,开发灵活性下的超低排放控制技术,实现CFB机组智能化,助力我国能源结构转型发展。

粉煤循环流化床燃烧技术

双碳背景下,作为燃煤发电的重要组成部分,循环流化床(CFB)燃烧技术实现了劣质燃料的高效清洁利用,也是未来参与电网深度调峰的主力。然而,CFB锅炉在负荷调节速率、深度低负荷及低负荷下的NOx排放控制、受热面磨损等方面还有较大改善空间。为此,提出了粉煤循环流化床(Powdered Coal-Circulating Fluidized Bed,PC-CFB)燃烧技术,将燃料粒度由传统的0~10 mm宽筛分分布缩减为0~1 mm的窄筛分分布,在低床存量下实现足够高的循环流率,通过流态调控化学反应,强化低氮燃烧需要的还原性气氛,并为延长细颗粒石灰石在炉内的停留时间提供了保证,同时改善锅炉燃烧性能。更为重要的是,由于燃料粒度降低,化学反应速度即热量释放变化速率得以提高;辅助以循环干预措施,可提高传热率的变化速度,二者综合可以改善负荷变化率。燃料粒度的变化必然导致床料粒度降低,显著改善了深度低负荷能力以及低负荷下的NOx排放炉内控制能力。该思想得到模型验证:当燃料粒度由常规缩减到0~1 mm时,床料粒度大幅降低,稀相区物料悬浮浓度提高,循环流率提高了约27%;炉内还原性气氛得到增强,NOx原始排放浓度降低约35%;循环系统性能的改善可延长细颗粒石灰石在炉内的停留时间,提高脱硫反应效率,在钙硫比、NOx排放相同条件下,降低了SO2原始排放浓度;同时,燃烧效率显著改善,底渣含碳量降低89%、固体不完全燃烧热损失降低52%,表明PC-CFB燃烧技术在增强CFB锅炉运行灵活性、强化低氮燃烧、提升燃烧性能等方面更具优势。

“燃煤电站锅炉绿色低碳转型与发展”专题特约主编寄语

在“碳达峰、碳中和”背景下,煤电的使命发生了重要变化,将从主体电源向调节型电源转变,持续发挥兜底保供、调峰调频、应急备用的重要作用,燃煤电站绿色低碳化发展是实现电力行业“双碳”目标的关键环节。燃煤电站的绿色、低碳、清洁转型,对煤电技术创新和煤电高质量发展提出了新的更高要求,激发了能源行业的创新动力,将成为我国能源发展的重要特征。