超(超)临界循环流化床锅炉技术的发展

超(超)临界循环流化床燃烧技术兼具循环流化床燃烧技术和超(超)临界蒸汽循环的优点,可以实现低成本、高效率清洁煤燃烧,是循环流化床燃烧技术的重要发展方向。对比分析了国内外超临界循环流化床锅炉设计特点和运行特性,包括波兰460 MW、俄罗斯330 MW和中国600 MW、350 MW超临界锅炉机组;同时介绍了国内外超超临界循环流化床锅炉的最新进展,包括韩国550 MW和中国660 MW循环流化床锅炉机组。

循环流化床超细石灰石炉内脱硫研究

分析了石灰石粒径对循环流化床（circulating fluidized bed，CFB）锅炉炉内脱硫效率的影响，并且在中试规模和工业规模的CFB锅炉上，研究了超细石灰石的炉内脱硫效果。在3MW（th）中试CFB试验台上分别进行了d50=10gm的超细石灰石与d50=310μm的粗石灰石的脱硫实验，结果表明，当细石灰石的钙硫比分别为3．05、3．19和3．30时，脱硫效率可以达到91．5％，95．1％和98．2％；而粗石灰石在钙硫比为3．41时可实现98．3％的脱硫效率；当S02排放浓度降到约为80mg／m0时，采用粗石灰石脱硫的氮氧化物排放浓度约为细石灰石的两倍。在220t／hCFB锅炉上，采用以0=10μm超细石灰石粉，在钙硫比为1．82条件下，S02排放浓度可控制在22．6mg／m^3，脱硫效率为99．53％。实验结果表明，超细石灰石具有较好的脱硫性能，并且在减少催化NOx生成方面具有一定的优势。

循环流化床燃烧条件下焦炭表面NO_x还原机理研究进展

为使CFB锅炉达到NO_x原始超低排放,需要更加深入地理解煤炭燃烧过程中NO_x生成和还原机理,其中焦炭对NO_x的还原(NO_x-char反应)被认为是CFB含氮反应体系中最重要的环节之一.综述了文献中对NO_x-char反应的研究结果 ,围绕基本反应过程、焦炭中矿物杂质作用和影响因素三个部分,较为全面地阐述了焦炭表面NO_x还原过程.研究表明,碳原子除可直接作为还原反应物外,还可为CO,H_2,NH_3等还原性气体提供吸附表面从而间接还原NO_x,同时焦炭中的K,Fe,Ca等具有催化活性的矿物杂质能明显促进NO_x-char反应.多种还原作用共同存在使得NO_x-char反应的影响因素众多,包括煤种、热解条件、反应温度、焦炭粒径、碳燃尽率、CO/O_2/H_2O/SO_2等环境气体、焦炭中矿物杂质含量和化学组成等.另外,很多情况下这些因素并非独立作用,而是相互影响,且常在不同条件下对NO_x还原表现出"促进-抑制"两重性质.未来还需更加深入地研究焦炭表面NO_x反应体系,特别是定量描述不同影响因素的作用,建立CFB全炉膛NO_x排放模型,从而为深度挖掘循环流化床技术的低氮燃烧潜力奠定理论基础.

660MW高效超超临界双炉膛循环流化床锅炉的设计开发

分析了660MW高效超超临界CFB锅炉的设计原则,并预测了锅炉的主要性能参数。该锅炉采用2个并列炉膛,每个炉膛设有独立的供风系统;采用外置式换热器,同时炉内布置屏式过热器和屏式再热器;为避免由于2个回路中烟气和物料温度以及流量的不完全对称导致的蒸汽温度差异,除通过风量、给煤和排渣的控制来匹配两侧的烟气、物料温度外,还通过采用混合集箱和改变尾部烟道入口烟气流向等方法减小温度偏差。结果表明:双炉膛很好地解决了热偏差问题,且在较低的质量流速下保证水冷壁管内正流量响应特性,同时还降低了给水泵压头,减少厂用电率。

基于返料灰温偏差的600MW(e)循环流化床锅炉内气固不均匀分布

亚临界循环流化床锅炉和超临界循环流化床锅炉均采用多个并联分离器分离烟气中的灰颗粒,而这种布置往往造成气固两相在并联分离器内的分布不均匀。文中分析了600MW(e)循环流化床锅炉内不同返料阀内返料灰温,比较不同位置的灰温随锅炉负荷的变化。采用灰温分布表征气固两相在并联分离器内的不均匀分布。研究发现,600MW(e)循环流化床锅炉内气固流动不均匀主要集中在同侧墙的3个分离器内。通过同侧墙3个分离器的返料灰的温度明显不同,而通过不同墙同位置分离器的返料灰的温差较小。进一步分析发现,后墙集气箱的布置方式使得各个并联分离器的压力出口不同,导致各个并联分离器的压降不同,进而导致各个分离器内气固流量不同。

循环灰作为固体吸附剂脱除高温烟气中碱金属蒸汽研究

准东煤等高钠煤在使用过程中为避免由于碱金属(主要为钠钾盐)引起的锅炉沾污、结渣及腐蚀等问题。选择具有丰富空隙结构的循环灰作为高钠煤添加剂,并与碱金属盐(NaCl)进行掺混,分别采用热重分析仪(TGA)和马弗炉进行掺烧实验,研究了不同温度(800,850,900℃)、不同掺混比例(1%,2%,3%,5%,8%)下循环灰对碱金属盐的吸附特性。实验结果表明:在800,850,900℃下,分别以NaCl∶循环灰=8∶100的比例进行掺烧,分别在约125,65,30 min后质量达到稳定。马弗炉实验结果表明,在800,850,900℃及8%掺烧比例下,循环灰最终吸附NaCl的增重量可达5.56%,3.61%,2.96%,且随着温度升高,循环灰增重量呈下降趋势。相同温度下,循环灰增重量随着掺烧比例的增长几乎呈线性增加。随着温度的升高,相同掺烧比例下循环灰的增重量降低。实验证明,循环灰可有效吸附外部加入的NaCl,可以用作燃用高钠煤时吸收高温烟气中钠的添加剂。

600MWe超临界循环流化床锅炉的运行特性

白马600 MWe超临界循环流化床锅炉是我国第一台超临界循环流化床锅炉,也是世界上在役运行最大容量的循环流化床锅炉。分析了该锅炉炉内温度分布、主蒸汽参数以及污染物排放随负荷的变化。研究发现,炉内温度沿高度方向分布呈现出两头高、中间低的特点,且密相区温度不随负荷的变化而变化,而稀相区温度随负荷的增大而升高。在锅炉的滑压运行范围内,锅炉的主蒸汽温度稳定在570℃左右,而主蒸汽压力随负荷的增大而增大。当负荷低于495 MPa时,锅炉处于亚临界状态运行。主要污染物的排放随负荷的变化呈现出不同的特点。SO_2的排放浓度随负荷的增大先减小后增大,NO_x的排放浓度随负荷的增大有轻微地增大,而颗粒物的排放浓度随负荷的增大显著地降低。

连续进出料CFB密相区中颗粒横向运动行为模拟研究

采用计算颗粒流体力学模型（CPFD）,研究了连续进出料条件下,密相区中床料粒径分布及流化风速对床层气固流动结构、颗粒横向运动行为及停留时间的影响。模型尺寸为900 mm×100 mm×1 200 mm。模拟结果显示,床面呈现出左高右低,排渣口上方存在“死区”,随着流化风速的增加,床面高度差及“死区”大小减小,床内颗粒平均停留时间先减小后增大,最后趋于不变,停留时间分布的离散程度增加,床层膨胀度增加,达到一定风速后增加幅度减小。相同风速下,单一粒径与0.3-0.6 mm宽筛分条件下得到的结果基本一致,0.6-1.5 mm宽筛分床内得到平均停留时间要大,停留时间分布函数更为集中。

300MWe节能型循环流化床锅炉的设计与运行

依照清华大学提出的定态设计理念及基于流态重构的节能型循环流化床(CFB)锅炉技术,东方锅炉集团公司完成了采用节能型设计的1 000 t/h循环流化床锅炉产品的制造与安装。该产品已在晋能集团国峰电厂投运,运行结果及各项测试数据表明:与采用相似设计参数的传统循环流化床锅炉相比,采用节能型设计的循环流化床锅炉可以在更低的床压降下运行,厂用电率更低,受热面磨损更小;二次风出口位置颗粒浓度更低,二次风穿透更深,飞灰含碳量、SO2排放可以得到有效控制;受益于炉内还原性气氛的构造,NO排放相较于燃用类似煤种的传统循环流化床锅炉也大为降低。

超超临界循环流化床锅炉流化床换热器热偏差形成的流动基础

流化床换热器是超超临界循环流化床锅炉重要的热交换设备,其有利于灵活调节床温、汽温,提高机组的燃料适应性,降低污染物排放.运行经验表明:流化床换热器内存在严重的热偏差问题,靠近床中央区域的受热面壁温显著高于壁面区域的壁温,从而导致在超超临界循环流化床锅炉中出现爆管、停机等事故.当前缺乏从气固流动、换热角度分析流化床换热器热偏差形成机制原因.在国家重点研发计划(2016YFB0600201)支持下,开展了流化床换热器内热偏差问题产生机制的相关研究.系统讨论分析了流化床换热器内热偏差形成的流动基础,揭示了气固流动不均匀性特征及其对传热不均匀性的影响,发现受热面管排存在进一步加大了近壁区传热偏差,提出了通过优化流化床换热器结构和布风设计降低热偏差的建议,为660 MW超超临界循环流化床锅炉设计与安全运行提供依据.

石灰石煅烧与硫化条件下磨耗特性

石灰石磨耗特性对于循环流化床物料平衡和脱硫效率有重要影响。利用鼓泡床磨耗实验台,系统地研究了不同煅烧与硫化条件下,粒径、温度和SO2浓度对石灰石及其脱硫产物的磨耗速率的影响。实验结果表明,硫化反应会显著降低石灰石的磨耗速率,延迟到达稳定磨耗的时间;当硫化反应达到慢反应区时,脱硫产物磨耗速率趋于稳定。磨耗可以剥离颗粒表层CaSO4,从而提高脱硫剂转化率。相同反应条件下,脱硫产物钙转化率越高,石灰石磨耗速率越低。最后利用现有文献数据分析并验证了石灰石磨耗模型,能够较好地反映不同粒径石灰石的磨耗速率的差异。

复杂氧化物载氧体的调变策略及在过程强化中的应用

CO_(2)减排已经成为各国发展的重要议题之一。化工产业的传统分离过程由于㶲效率过低,往往会导致大量的能源浪费及CO_(2)排放。作为一种典型的、耦合分离与反应的过程强化策略,化学链技术有利于实现产物分离、能量梯级利用,从而显著提升系统㶲效率。高通量计算与化学链技术的结合,可以针对不同化学反应,指导相应的化学链载氧体热力学性质的调变策略。以化学链空气分离、氧化脱氢和热化学储能三个典型过程为例,简述化学链过程中复杂载氧体热力学性质的调变策略。热力学分析表明,不同化学链流程中载氧体性质的优化方向和最优区间均存在显著差异。因此,未来化学链技术发展的重要方向之一,是针对不同的化工流程进行载氧体的精确调变,从而实现化工流程的最优化。

循环流化床燃烧的NO_x生成与超低排放

日益严格的环保标准对循环流化床（circulating fluidized bed,CFB）锅炉NOx的原始排放提出更高的要求。在对CFB燃烧中NOx生成和还原过程深入理解的基础上,认为强化炉内不同区域的还原性气氛是进一步挖掘CFB燃烧NOx原始超低排放潜力的关键。根据床内气固流动特性与还原性气氛的关系,提出了一条低氮燃烧技术路线,其核心是通过提升循环系统的性能来提高床质量、增加循环量。将该技术进行了工程验证,实践表明,在同时满足飞灰中位径小于12μm、d90小于54μm、底渣平均直径小于200μm、稀相区的物料悬浮浓度高于5 kg/m3时,仅通过燃烧控制,NOx原始排放显著降低,基本达到超低排放目标。这为循环流化床锅炉的NOx治理和低成本污染控制提供了一个更具竞争力的方向。

钙基脱硫剂对循环流化床NO_x排放影响研究进展

近年来提出的燃煤电厂大气污染物超低排放标准对CFB锅炉的污染物治理提出了更高的要求。为解耦CFB锅炉高效脱硫和低NO_x排放之间的矛盾,需要更加深入了解钙基脱硫剂对含氮反应的影响。目前普遍认为,石灰石脱硫和NO_x排放2个过程,通过各含钙化合物相互转化和对含氮反应选择性催化构成一个整体,而影响其中任一环节的因素都可能使最终NO_x排放量发生变化。笔者围绕CFB燃烧条件下NO_x基本反应,各含钙化合物间相互转化规律和表面选择性含氮催化反应性,以及烟气组分、温度和配风等影响因素,阐述了钙基脱硫的影响。通常,投放钙基脱硫剂会导致NO_x排放量升高,N_2O排放量降低,这是多方面因素共同作用的结果,如CaO催化挥发分氮氧化生成NO、促进CO等还原性气体氧化消耗、促进N_2O分解等。而脱硫产物CaSO_4及CaS等也对NO还原表现出明显的催化活性,实践发现基于钙基脱硫和喷氨脱硝的同步脱硫脱硝技术是可行的。未来还需进一步定量研究石灰石脱硫与NO_x排放之间的相互作用规律,并在此基础上开发一体化脱硫脱硝技术,以期实现CFB锅炉NO_x和SO_2的双超低排放。

空气分级技术对焙烧炉内煤气燃烧NO_x生成的影响

煤气化后的煤气常用于氢氧化铝焙烧过程。煤气中一般含有一定量的氨气,造成焙烧过程的氮氧化物生成量较高。针对一种燃用煤气的氢氧化铝气态悬浮焙烧炉,采用空气分级的方案,开展了煤气低氮燃烧过程的研究,探究空气分级技术对焙烧炉内煤气燃烧氮氧化物生成的影响规律,从而指导实际焙烧炉内的燃烧组织设计及优化。利用Barracuda^TM气固两相流动计算软件,分析了一台3000t/h的氧化铝焙烧炉的炉内气固流动及燃烧过程。结果表明,悬浮焙烧炉炉膛底部存在明显的高温区,局部高温负荷点较集中,最高温度达1700K。随着炉膛高度的增加,炉膛温度逐渐降低。同时由于气流回流的作用,炉膛内部在炉膛底部以及上部气流转向处存在明显的颗粒堆积造成的颗粒高浓度区域。基于气固流动计算得到炉内的温度场,耦合详细化学反应机理来考虑详细的化学反应过程,利用Chemkin Pro软件建立了反应器网络,通过数值计算探究空气分级技术对含氨煤气在焙烧炉内燃烧过程中NOx生成的影响。结果表明,燃用煤气的焙烧炉内生成的氮氧化物主要为燃料型氮氧化物。空气分级为20%时,空气分级对煤气燃烧氮氧化物生成的抑制效果有限。当空气比例为40%时,主燃烧区呈还原性气氛,焙烧炉内煤气燃烧生成NOx减排率达70.3%。

鼓泡流化床排渣流动的模拟与实验研究

基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法,研究了鼓泡流化床的排渣流动特点,获得了不同管径的排渣管对流化床排渣流率的影响,并对排渣流动的流场进行了详细分析。模拟结果表明,布风板上开孔排渣会影响床内的正常流态化,随排渣管径的增大所影响的区域也会逐渐增大;排渣流率与流化风速、床层压降和管径的平方呈现出正相关性。根据流体力学拟流体理论所建立的公式能较好地预测排渣流率的变化趋势,从排渣流动过程中颗粒体积分数的梯度分布可知,布风板上排渣口的上方存在一个拱形临界面,此临界面是排渣过程中颗粒流动形态发生转变的分界面。

流化床选择性排渣的实验研究

根据流态化分选和终端速度差异分选原理,提出了一种采用不均等配风的选择性排渣的方法,搭建了流化床选择性排渣的可视化冷态实验台,研究了压力分布、流化风速、床料粒径分布对排渣分选效果影响。结果表明:不均等配风时,由床内压力分布特点可知床内颗粒存在循环流动特点;当高风速与低风速的比值越大,其对颗粒度分选效果越好;在相同的高风速与低风速比之下,随床内细颗粒比例的增加,由于粗细颗粒的混合程度增加,分选效果会变差;不均等配风的排渣方式能够实现对细颗粒的分选。

燃用劣质煤大型循环流化床锅炉超低排放技术研究与应用

针对燃用劣质煤的循环流化床(CFB)锅炉,通过锅炉本体设计的改进、烟气净化系统的优化,提出炉内清洁高效燃烧+炉内细石灰石粉脱硫+炉内SNCR脱硝+尾部烟气循环流化床半干法多污染物联合脱除的技术路线,并在2台300 MW CFB锅炉上进行验证实验。结果表明,通过燃烧调整、脱硫与脱硝的匹配,CFB锅炉可以顺利实现NO_x、SO_2和粉尘的超低排放,并且在经济性方面较传统工艺具有明显优势。

大型循环流化床锅炉外置式换热器关键技术研究

外置式换热器对于大型循环流化床锅炉的高效运行有重要意义。为全面掌握CFB锅炉外置式换热器运行特性,消除现阶段制约超超临界CFB锅炉外置式换热器管屏壁温偏差问题,系统总结了外置式换热器的研究现状和关键技术研究进展,并介绍了超超临界循环流化床锅炉外置式换热器的设计方案。研究发现,600 MW超临界CFB锅炉外置式换热器壁温偏差十分明显,壁温分布呈现马鞍形分布(中心区域管屏壁温高,边壁区域管屏壁温低),这是由气泡不均匀性分布决定。外置式换热器内传热系数与受热面布置的空间位置密切相关,外置式换热器流化风速Ug=0.4 m/s时,床中央至x/Xw≈0.6处传热系数基本一致,而靠近壁面区域,传热系数显著降低,边壁流动区占床面宽度的25%~30%。将管束远离边壁区布置可以改善传热系数空间分布的不均匀性,传热系数极值偏差从15%降至6%。660 MW超超临界CFB锅炉外置式换热器的设计计算表明,外置式换热器布置高温再热器受热面时,高温再热器管子中径壁温与汽温差可达到58℃,显著制约外置式换热器的安全运行。因此,在660 MW超超临界CFB锅炉的外置式换热器中全部布置汽温相对较低的中温过热器,受热面采用TP347H和TP347HFG材料即可满足要求,仍可保证一定的余量。将外置式换热器管排布置选择与灰流动的方向平行的方式,同时为消除边壁流造成的局部换热不均问题,设计时考虑避免管屏布置在边壁区内,管屏距离边壁的距离应由传统设计的250 mm增至500 mm以上,可改善外置式换热器内的气固流动及传热行为,以减小颗粒侧传热偏差。该设计在保证外置式换热器安全运行的同时,还可有效调控炉膛温度和蒸汽温度。

烧结烟气气氛下煤燃烧特性热重实验研究

为了探索烧结烟气循环流化床燃烧技术的可行性,采用大容量热重分析仪(LC-TGA)研究了左云烟煤、平朔烟煤和钱家营烟煤在低氧(含CO)气氛下的燃烧特性,并研究了CO体积分数对煤粉燃烧的影响。结果表明:低氧气氛下氧气体积分数和反应温度的变化对煤粉燃烧有很大的影响;CO在煤粉燃烧时存在明显的抢氧行为,其能力与温度密切相关,与氧气体积分数关联较小;当反应温度为750℃时,CO燃烧的抢氧能力强于煤粉燃烧,但当温度上升至850℃时,CO燃烧的抢氧能力小于煤粉燃烧。实验所得结果可以为烧结烟气循环流化床燃烧技术的发展提供参考。