特约主编寄语

随着“双碳”目标的提出,我国风电、光伏发电等清洁能源快速发展,发电量占比不断提升,由于新能源发电具有随机性、间歇性及不稳定性的特点,给电力系统的安全稳定运行带来挑战。煤电和储能等灵活性电源具有良好的调峰性能,在当前“双碳”背景下,需完善灵活性电源建设和运行机制,全面实施煤电机组灵活性改造,完善煤电机组快速灵活调峰技术标准,科学核定煤电机组深度调峰能力.

特约主编寄语

随着“双碳”目标的提出,我国风电、光伏发电等清洁能源快速发展,发电量占比不断提升,由于新能源发电具有随机性、间歇性及不稳定性的特点,给电力系统的安全稳定运行带来挑战。煤电和储能等灵活性电源具有良好的调峰性能,在当前“双碳”背景下,需完善灵活性电源建设和运行机制,全面实施煤电机组灵活性改造,完善煤电机组快速灵活调峰技术标准,科学核定煤电机组深度调峰能力,完善支持灵活性煤电机组、水电、太阳能热发电和储能等调节性电源运行的价格补偿机制。因此,加强灵活性发电技术的研发,是实现传统能源与新能源协同发电、构建高效智能电力系统的必然选择。

330 MW循环流化床锅炉深度调峰技术

为推进“双碳”政策的实施,消纳波动性较强的新能源并网发电,当前对火电机组的深度调峰要求越来越高。循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉机组在深度调峰低负荷运行工况有着先天优势,但实现20%以下的超低负荷运行依然面临众多的困难,如炉内流化的稳定性、氮氧化物的排放及炉内局部超温带来的安全性等问题。以某330 MW CFB锅炉的深度调峰技术应用为例,介绍了输煤筛分破碎系统、风帽节流圈、下二次风管等机组部件的改造,并配合烟气再循环等技术应用,成功实现了18%的超低负荷深度调峰运行,同时也很好地控制了NOx的排放。最后总结了CFB机组超低负荷深度调峰技术的关键点和难点,对深度调峰运行带来的潜在问题进行了分析,并提出了相应的解决措施。研究结果具有重要的工程借鉴作用。

基于混合建模方法循环流化床锅炉深度调峰NO_(x)排放预测

为响应碳达峰,碳中和目标,我国循环流化床锅炉大规模参与深度调峰运行,导致锅炉NO_(x)排放浓度波动范围大,控制效果不佳,难以满足污染物超低排放需求,因此对深度调峰NO_(x)排放浓度进行精准建模预测有重要意义。以即燃碳模型为基础,深度剖析炉内NO_(x)生成和还原机理,建立炉内即燃碳燃烧模型、O2动态平衡模型、CO软测量模型、NO_(x)生成与还原模型,完成SNCR入口NO_(x)浓度机理计算;选取给煤量、床温、烟气温度及含氧量、一二次风量、尿素溶液流量作为NO_(x)排放浓度的输入变量,将SNCR入口NO_(x)浓度计算值作为拓展输入变量,对所有输入变量与NO_(x)排放浓度进行相关性分析和迟延补偿,完成数据集重构;采用长短期记忆神经网络对重构数据集进行训练和预测,并将鲸鱼优化算法用于长短期记忆神经网络的参数优化,建立循环流化床锅炉深度调峰NO_(x)排放浓度机理——数据混合预测模型。仿真验证表明混合预测模型不同工况下预测性能和泛化能力好,能够实现循环流化床锅炉变负荷时NO_(x)排放浓度的实时预测,相较其他预测模型的各项误差性能指标均显著提升,平均绝对误差δMAE达2.14 mg/m^(3),平均相对百分误差δMAPE达5.68%,决定系数R^(2)达0.902 1。混合预测模型能精准预测循环流化床锅炉深度调峰下NO_(x)排放浓度,为循环流化床锅炉超低排放智能控制系统的设计提供参考。

生物质振动炉排炉燃烧过程建模及动态特性分析

为探究生物质振动炉排炉的炉内燃烧特性,实现机组燃烧过程的控制优化,通过对生物质燃料特性以及燃烧机理的分析,建立炉排炉燃烧过程的机理模型,研究炉排燃料量的动态变化,并预测炉膛温度、烟气含氧量等关键参数,探讨炉排的周期性振动对炉内燃烧状态的影响。结果表明:炉排燃料量与当前给料速度、燃料燃烧速度相关,且燃料在炉排上有较大的存储量,导致燃料着火燃烧与当前给料存在较大的迟延;炉膛温度与烟气含氧量的预测值能较好地跟随实测值的变化,其变化情况与燃烧特性一致;炉排的周期性振动会引起炉内燃烧状态的周期性变化,当炉排振动时,燃料燃烧速度、炉膛温度、炉膛压力都会随之升高,而烟气含氧量则有所降低,随着炉排的停振,这些参数又恢复到稳态水平。

燃准东煤电站锅炉沾污结渣特性及防治措施研究进展

新疆地区的准东煤预测储量高达3900亿t,然而煤灰的高沾污结渣倾向严重制约着准东煤在电站锅炉的安全经济利用。为了明晰沾污结渣机理,推动准东煤在电站锅炉的高比例掺烧甚至纯烧,该文从准东煤的无机组分组成、煤的成灰特性、灰的沉积特性、电站锅炉受热面沾污结渣特性和防治措施5个方面对相关基础研究和工业应用情况进行总结。碱金属钠的释放、冷凝和低熔点组分的形成是沾污结渣主要原因,混煤和添加剂的使用以及燃烧调整是最常用的应对措施,降低炉膛出口烟气温度、优化受热面布置和吹灰方式是目前主流的炉型设计思路。开发完善新的炉型和技术手段有望为纯烧准东煤提供解决思路,但还需要应对燃准东煤电站锅炉灵活低碳发展过程的新挑战。

“清洁高效灵活煤电技术”专题特约主编寄语

近年来我国可再生能源装机占比不断提升,截至2022年年底,其装机已达12.13亿kW,占全国发电总装机的47.3%。可再生能源中的风电、光伏发电具有随机性、波动性和间歇性,使得电力系统平衡和安全问题愈发突出。尽管可再生能源的装机规模已经超过了传统煤电,但其系统调节能力和支撑能力与煤电相比存在较大差距,未来相当长的一段历史时期,仍需要煤电发挥基础保障性电源和系统调节性电源的作用,作为电力供应的“压舱石”。

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。

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。

循环流化床锅炉燃料掺烧技术的标准化

降低燃料成本的需求催生了循环流化床锅炉的燃料掺烧技术。作为拓展运行边界的技术活动,燃料掺烧应遵循“先控制风险,再追求收益”的技术原则。从具体燃料与现有设备的匹配程度入手,开展燃料特性检测、锅炉热力性能校核和系统适应性评估等现状调研工作,有助于全面评估和有效控制掺烧带来的风险;在设计燃料组合、选择掺配方式和优化掺烧比例等环节进行改进,则有助于提高实炉试验效率、降低试错成本。燃料掺烧的经济性最终体现在相关收益扣除成本后的结余最大化。

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。

燃煤锅炉氧化亚氮排放现状与研究分析

为加快实现“碳达峰”和“碳中和”目标,国家、地方及行业陆续出台了一系列关于温室气体控制的法律、法规及制度文件。氧化亚氮(N_(2)O)作为一种具有较强温室效应的气体,引起越来越多研究者的重视。总结了国内外N_(2)O研究现状,对比了典型燃煤锅炉N_(2)O排放情况,分析了燃烧过程中N_(2)O的生成机理、影响因素、抑制方法及脱除手段,探讨了燃煤锅炉的N_(2)O减排策略,指出在加强燃煤锅炉N_(2)O相关标准的制订、新技术研发及示范应用工作的同时,还需要对N_(2)O的影响因素如加压富氧条件、煤质自身含水率等加深研究,进一步完善抑制与脱除办法。

防磨梁与防磨格栅对循环流化床锅炉炉内传热的影响

循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉普遍存在炉膛水冷壁磨损严重的问题。为提高运行可靠性,目前一般通过加装防磨梁或防磨格栅实现主动防磨,但该方式会引起流场变化,并对锅炉运行参数以及炉内传热造成影响。因此,建立循环流化床锅炉全炉膛水冷壁传热计算模型,提出加装防磨梁、防磨格栅后的边壁区颗粒浓度及传热面积修正系数计算方法,利用该模型对某440 t/h CFB锅炉炉内传热特性进行计算。结果显示:水冷壁加装防磨梁后,传热系数和传热能力有所下降,下降幅度和防磨梁数量有关,采用6道和12道防磨梁时,传热系数分别下降0.32%和2.89%,传热量分别下降3.28%和8.68%;比较而言,防磨格栅对炉内传热系数和传热能力影响较小,加装与防磨梁相同数量的防磨格栅时,表现出了一定的传热强化效果,传热量略有上升,当防磨格栅加装数量增加至30道时,传热系数下降5.76%,传热量上升1.59%。防磨格栅在降低水冷壁磨损的同时,对锅炉运行造成的影响较小,优于防磨梁。该模型可对CFB锅炉防磨技术的选用以及设计方案优化提供理论参考。

350 MW超临界循环流化床锅炉SO_(2)、NO_(x)及粉尘排放特性试验

为了解煤泥、煤矸石等多元低热值煤掺烧下CFB锅炉污染物生成排放特性,以某电厂350 MW超临界CFB锅炉为研究对象,基于现场运行实测数据,研究了该锅炉在30%~99%负荷率下烟气SO_(2)、NO_(x)生成及粉尘排放随负荷变化的特性,并分析了锅炉运行负荷、平均床温、过量空气系数及流化风率等关键运行参数对其生成与排放水平的影响。试验结果表明,该机组在30%~99%全负荷条件下总排放口烟气污染物排放均能够满足超低排放标准;SO_(2)、NO_(x)排放浓度随锅炉负荷的降低基本呈现先降低后迅速升高的趋势,粉尘排放浓度随锅炉负荷的降低而降低;所研究关键运行参数中,锅炉床温对SO_(2)、NO_(x)生成与排放水平起主导作用;低负荷下锅炉平均床温较低、炉膛过量空气系数较大,SO_(2)、NO_(x)生成浓度偏高,且二者排放浓度与过量空气系数及流化风率基本呈正相关。综合考虑,应适当控制锅炉平均床温在800℃以上,过量空气系数应不高于1.3为宜;低负荷下可采取烟气再循环措施来降低烟气含氧量,同时维持物料正常流化。

水煤浆制备工艺现状及发展趋势

制备工艺是决定水煤浆浆体性能的重要因素,影响其储运和使用。综述了近年来水煤浆制备工艺的最新研究进展,包括不同种类水煤浆的制备工艺及制备环节中药剂制度、粒度级配方式的使用,按制浆原料的不同将水煤浆分为传统水煤浆和环保水煤浆,其中传统水煤浆是指制浆原料以煤基成分为主,如精煤水煤浆、低阶煤水煤浆和煤泥水煤浆,环保水煤浆则是在制浆原料上掺配了如生物质、工业废液和固体废弃物等,既可充分利用废弃物热值,又能降低处置成本,是资源化综合利用废弃物的新途径。分析对比了常规锅炉、循环流化床锅炉以及气化炉等应用场景对水煤浆的性能要求,其中常规锅炉要求水煤浆的黏度低、粒度细,制备工艺上通常采用单段磨矿工艺,循环流化床锅炉因其独特的悬浮流化燃烧方式,对水煤浆粒度和黏度的要求不高,可通过不排渣的运行方式,减少大密度床料的消耗,提高对制浆原煤的灰分含量以及灰熔融温度的包容性,气化对水煤浆的性能要求比燃烧更高,其中气化炉要求水煤浆的浆体浓度高、反应活性好,且为保证较好的雾化效果,气化水煤浆要求水煤浆颗粒的细粒度、低浆体黏度;对水煤浆制备技术的发展趋势进行了展望,提出探索低阶煤改性提质方法、超细颗粒对浆体特性的影响、拓展可掺配制浆废弃物种类等技术方向。

烟气再循环对大型循环流化床锅炉低负荷运行特性的影响研究

烟气再循环(flue gas recirculation,FGR)是提高循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉低负荷运行安全性、减少NOx原始生成的重要技术手段。以某电厂超临界350 MW CFB锅炉为研究对象,采用一维小室CFB燃烧准静态数学模型研究了该锅炉在20%、30%、40%BMCR(最大连续负荷)下炉内温度分布,炉膛出口烟气NOx、CO质量浓度,O2体积分数,飞灰底渣可燃物含量等性能指标与FGR流量之间的关系。结果表明:床层温度、炉膛出口温度均随FGR流量的增加而降低,床层温度相对炉膛出口温度降低幅度较大,炉膛上下温差随FGR流量的增加逐渐缩小,较低负荷时炉膛上下温差受FGR影响更为显著;炉膛出口烟气NOx质量浓度随FGR流量的增加呈现先降低再升高的趋势,存在最优FGR流量可使机组经济环保运行;随FGR流量的增加,炉膛出口烟气CO质量浓度、飞灰及底渣可燃物含量均呈现增加趋势;FGR的投入在显著降低一次风氧含量同时,保证密相区流化风量始终高于保护值,进一步保障了低负荷下锅炉运行安全性。

超临界CFB锅炉深度调峰跨临界过程中水冷壁动态特性的试验研究

为了保证超临界循环流化床(CFB)锅炉具有良好的宽负荷运行特性及深度调峰的能力,对跨临界压力变化时工质与水冷壁间的动态特性进行试验研究。采用Φ25.0 mm×3.5 mm的垂直上升光管,在压力20.0~23.0 MPa,质量流速400~800 kg/(m^(2)·s)试验工况范围内开展了近临界稳态传热试验和跨临界压力阶跃动态特性试验。结果表明:近临界压力下,增大质量流速、减小内壁热负荷、降低压力都能使传热恶化发生时的干度减小,对应的流体焓值增大,使传热恶化推迟发生;跨临界压力阶跃变化时,受热管内流体可能发生传热恶化导致壁温飞升,但随着质量流速的增大温度又回落到正常值;壁温飞升点与内壁面的传热随时间依次经历传热恶化阶段,过冷沸腾传热强化阶段和单液相换热阶段;各参数对跨临界压力阶跃变化时传热恶化的影响与对近临界稳态试验的传热恶化的影响相同,质量流速减小和内壁热负荷增大会使传热恶化发生的位置提前,同时壁温飞升的数值更大。

高水分工业固废资源化燃烧处置利用技术研究进展

高温燃烧是工业废弃物常见的一种处置方式,具有清洁高效、经济环保等优点。综述了高水分工业固废资源化燃烧处置技术的最新研究进展,介绍了典型高水分工业固废的特点及燃烧特性,分析对比了处置流程、预处理方式、焚烧方式、处置效果等。研究表明,掺烧利用是处理高水分工业固废的有效手段,并对比掺烧前后及不同比例掺烧对锅炉运行的影响。高水分工业固废中,污泥宜采用间接干化+循环流化床锅炉掺烧方式,煤泥宜采用直接泵送掺烧方式,对于底泥等特殊燃料,应进一步加强研究。

燃用约旦油页岩循环流化床锅炉结渣沾污分析

约旦Attarat电站277 MW机组是世界上容量最大的纯燃油页岩循环流化床机组,为探究其运行过程中床层结渣、受热面积灰原因,通过试验明确床层结渣原因,并通过Factsage计算进一步验证;根据现场实际情况,分析了受热面积灰原因。结果表明:油页岩入炉粒度偏大或布风板流化不良,导致局部温度过高引起床层结渣,局部最高温度可达1150℃,此时液相质量占整个体系质量22%。此外,油页岩灰分高,锅炉飞灰在流经尾部对流受热面时,在热泳和惯性碰撞的共同作用导致受热面积灰严重。通过改善油页岩入炉粒径、更换合理结构的布风板、及时调整一次风量等措施可有效缓减结渣问题。通过更换效率更高的吹灰器、使用除灰剂等手段可有效解决锅炉受热面沾污问题。

粉煤循环流化床锅炉0~1 mm制粉系统开发与热力计算方法

为实现粉煤循环流化床(powdered coal-circulating fluidized bed,PC-CFB)的0~1 mm给煤,借鉴传统煤粉锅炉制粉系统的设计及计算经验,开发PC-CFB锅炉0~1 mm制粉系统,其特征为采用中速磨煤机制备粉煤,利用气固分配器分离制粉乏气与粉煤的混合物,并设置备用系统以保证系统发生故障时的正常燃料供应。提出0~1 mm制粉系统的热力计算模型,确定磨煤机通风量、干燥剂配比以及干燥剂温度等关键技术指标,预测制粉系统干燥出力,并分析PC-CFB锅炉0~1 mm制粉系统的性能变化规律。研究结果表明:保持磨煤机出力、热风温度不变,在系统允许的范围内降低磨煤机出口温度,有利于降低干燥剂量,提升干燥出力;磨煤机出口温度每降低1℃,制粉系统所需的干燥剂量减少约523 m3/h,干燥出力增加约0.4 t/h。