1、 循环流化床 燃烧 发展回顾及 前景 分析 岳光溪 清华大学热能工程系教授 分离器 烟气 到尾部受热面 燃烧室 空气 适合劣质燃料 中温燃烧稳定 （ 850900 ） 燃料停留时间长 加入石灰石燃烧中脱硫 低氮氧化物排放 燃料 特点 循环流化床燃烧特点 循环流化床燃烧技术在中国的地位 我国能源工业高速发展 煤炭仍然我国电力工业主要能源 我国煤炭资源中高灰，高硫煤炭比重较大。洗煤过程产生大量矸石，洗中煤，煤泥需要利用。 循环流化床燃烧具备燃料适用性强 ,低成本干法燃烧中脱硫，低氮氧化物排放的优点。流化床燃烧仍然是大规模清洁利用此类燃料的最佳基本方式。 5 6 . 0 7 %3 2 . 9 6 %
2、1 1 . 9 7 % S 2 %22%4 3 %3 3 %2% 3 0 %0 . 5 7 1 21 . 0 2 92 . 1 7 2 23 . 1 9 3 25 . 0 8 48 . 7 40 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 7 . 0 8 . 0 9 . 0 1952 1955 1958 1961 1964 1967 1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009中国燃煤发电容量的发展 （单位亿千瓦）Y e a r 2 0 0 0 3 0 0 G We
3、Y e a r 1987Y e a r 1 9 4 91 . 8 G WeY e a r 2 0 0 9 8 0 0 Y e a r 2 0 0 5 5 0 0 G We2020年我国发电方式构成预测 我国循环流化床锅炉发电市场 循环流化床燃烧总容量：近一亿千瓦。 总循环流化床锅炉台数：大于 3000台。为世界第一。 50 50 1 0 0 -1 5 0 200 3001101001000613250150UnitsBoiler load, M W e25811980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 20150200400600800CFB Boiler Load,
4、MWeY ear中国循环流化床煤燃烧发电容量 中国循环流化床锅炉台数 我国循环流化床燃烧研究开发状况 中国科技人员 通过多年的实践理论研究实践的反复，针对循环床工程设计的需要，搭建了我们独立的循环床煤燃烧理论体系。 该理论体系的主要创新点全面涵盖了气固两相流、燃烧、炉内传热和污染控制等方面。是国际循环流化床燃烧理论的重要进展。也为建立我国自己的循环流化床设计体系提供了理论支撑。 6 1）循环床气固两相流 理论方面的贡献： 证实了循环床 锅炉下部为鼓泡床，上部 流型为 “ 快速床 ” ， 因此 循环床锅炉内的流型具备多态性。 提出了循环床锅炉为开口系多粒度平衡概念 ,将影响物料平衡的因素归纳为两
5、点：煤的成灰磨耗特性和循环系统的综合分离效率。结论为国内外运行锅炉所证实 ， 快速床的多态性 燃煤循环床的多粒度开口系平衡概念 循环床综合分离效率 物料平衡模型的预测与法国250MW实测数据的比较 7 2） 在循环 床 燃烧理论方面的贡献： 提出了燃烧份额沿高度一维分配概念和测试方法。明确并测定了燃料性质和粒度对燃烧份额分配的影响。找到了燃料粒度基配设计的理论根据。 实验发现了燃烧室密相区富氧条件下的欠氧燃烧现象，找到了密相区燃烧份额的确定依据，成为设计锅炉一二次风配比的理论根据。 发现了循环床锅炉由于二次风穿透不足造成燃烧室中心区欠氧现象，找到二次风动量设计依据。 S e c onda r
6、y a ir S e c onda r y a ir L e a n Ox y ge n C or e 燃料粒度与性质对燃烧份额的影响 燃烧室中心欠氧 现象 燃烧室密相区欠氧燃烧现象 8 3）在循环 床传热 理论上的贡献： 将工程用循环床锅炉传热系数控制机制简化为空间辐射及颗粒对流两项。并开发了传热系数测试手段，展开了工业测试。 建立 了通用循环 床燃烧室一维传热工业计算方法 。 提出并测试了循环床锅炉二维传热系数分布，为发展超临界循环床奠定了水冷壁水动力计算基础。 0 . 0 0 . 1 0 .2 0 .3 0 . 4 0 . 50 . 9 60 . 9 81 . 0 01 . 0 21 .
7、 0 41 . 0 61 . 0 81 . 1 0NormalizedHeat Transfer Coefficient,/centerD i m e n s io n l e s s D i s t a n c e f r o m S i d e W a ll C e n t e r , d /Db e dD i s t a n c e f r o m D i s t r i b u t o r h = 1 2 mD i s t a n c e f r o m D i s t r i b u t o r h = 1 8 . 5 mD i s t a n c e f r o m D i s t
8、 r i b u t o r h = 2 3 m10 20 30 40 50 60 125 175 225 275 325 1 - 模型 (2) 计算结果 800 2 - 商业化 模型结果 800 换热系数W/ (m2K) 物料浓度 kg / m31 2 现场测试示意 传热系数水平分布特性 传热系数沿高度（物料浓度）变化规律 传热计算方法书 9 我国独立 知识产权的循环床锅炉设计体系 建立循环 床锅炉流态设计体系 1. 提出“定态设计”的概念以解决“快速床”流型的多态性的原则。 2. 世界首次公布了数 循环床锅炉流态图谱，给出定态设计参数选择的指导。 该图谱标识了循环床锅炉流态可选择区域和世界
9、所有循环床燃烧技术在图谱中的位臵。 给出 了循环 床锅炉流态设计的评价依据。 从而 使循环床锅炉流态设计进入自由王国 。 依此建立了我国自己的循环流化床设计体系 循环床锅炉流态设计图谱 3 V el oci t y m / s 中国循环流化床锅炉的技术进步与发展 里程碑之一 工业循环流化床锅炉 自 1980开始，用我国设计体系开发了从 35-560吨 /时工业锅炉， 116MW以下容量供暖热水锅炉。 中国开发的循环流化床工业锅炉对设计流态进行了修正调整，大大缓解了燃烧室磨损，提高了可用率和煤种适应性。完全占领了中国市场，并出口到国外。 里程碑之 二 循环流化床电站锅炉的发展 自 2000年后，
10、国产 135MW-300MW亚临界循环流化床 技术进入发电域。 简化流程 流化 状态加以 调整 煤 种适应性 广 磨损小提高了可用率 降低维修难度。 结构流程复杂的引进 300MWCFB技术 典型国产简易流程 300MW亚临界循环流化床 结构流程简单性能优异的国产 300MW CFB技术 里程碑 之三 从 追赶到超越 -600MW超临界循环流化床技术 开发 中国从 2000年起，与世界同步启动了超临界直流循环流化床锅炉的研究。在国家的支持下，采用产学研方式，集合了国内最有经验的研究单位，锅炉厂在十一五期间实施世界最大容量超临界循环流化床示范工程。 我国是与国外同步，没有任何国外可借鉴的经验完全
11、自主开展的超临界循环流化床锅炉技术研究。 但是我国的前期理论与工程实践为超临界循环流化床开发打下了坚实的理论与工业制造基础。 开发 600MW超临界循环流化床锅炉面临三个关键挑战： 1 流化床燃烧室放大带来的气固两相流动，传热，燃烧，混合系列未知问题的挑战 2 将直流强制循环与循环流化床燃烧结合引发的水动力学安全性，水动力设计方法的挑战。 3 强制循环水系统和大惯性循环流化床燃烧系统结合带来的动态特性问题及控制问题挑战。 超临界循环流化床关键技术研究的突破 技术层面 大容量超临界循环流化床锅炉基本结构形式 外臵换热床的选择及物料循环流路热负荷分配 质量流率选取与安全性计算 水冷壁强度及安全性
12、锅炉动态仿真 DCS控制模式 在国家两部委支持下，清华牵头组成了国内主要研究机构和大型锅炉厂及潜在用户的产学研团队。将开发超临界循环流化床的关键科学及技术问题分解： 关键技术研究的分解 科学层面 超高燃烧室的气固两相流规律 -物料浓度分布规律 直流锅炉燃烧室二维传热和热流分布规律 物料平衡规律 超大截面炉膛，多路循环稳定性及分配规律 本生低质量流率水动力学和热负荷分配交联规律 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 . 9 4 0 . 9 6 0 . 9 8 1 . 0 0 Be d in v e n to ry I v k g 4 0 5 0 6 0 7 0 8
13、0 9 0 A v o id a g e Height Hmu f = 3 . 9 m /s 0 . 9 8 1 . 0 0 1 . 0 2 1 . 0 4 0. 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 Dim e n sio n les s d istan c e f ro m sid e w a ll c e n ter Normalizedheat transfer coefficient 0 . 9 6 1 . 0 6 Dista n c e f ro m Distrib u to r h = 1 2 . 0 m Dista n c e f ro m Distr
14、ib u to r h = 1 8 . 5 m Dista n c e f ro m Distrib u to r h = 2 3 . 0 m （ 1） 在白马电厂协助下建设了世界最高的 60米冷态循环流化床模型，世界首次以实验回答了超高炉膛物料平衡及物料浓度与流化风速和床存量的关系。 （ 2）在东方锅炉厂的协助下，在一台300MW亚临界循环流化床锅炉 28米宽燃烧室水冷壁上（与 600MW超临界 CFB锅炉燃烧室同等宽度）进行了二维产热系数及热流分布实验。为水动力安全和壁温安全计算奠定了基础。也为热力计算提供了可靠数据。所得结论证明国外所有的模型计算的结果有原则性错误。 Heat flux
15、distribution along horizontal direction in CFB furnace Voidage distribution in extreme high riser 11. 核心研究突破举例 1 1 2 2 3 3 4 4 55 30 0 3 15 3 3 0 3 45 3 6 0 3 75 3 9 0 4 0 5 4 2 0 4 3 5 4 5 0 M e t a l t e m p e r a t u r e o f t h e t u b e t w Height totheairdistributorHm0 7 5 % B - M C R 50 % B -
16、 M C R P re d ictio n O p e ra ti o n T u b e lo c a ti o n (t h e tu b e n u m b e r f r o m th e w a ll c o rn e r) n t o + 0 t o + 2 0 t o + 15 Steamtemperatureat the outlet of No.n150 t o + 20 50 1 0 0 200 1 t o + 1 0 （ 3）水动力与热流分配结合的模型给出了光管和内螺旋管在不同质量流率下的壁温预测。（安全判据） 结果与实际锅炉完全吻合 理论预测的变负荷时燃烧室水冷壁管沿高
17、度的金属温度变化 膜式壁出口管壁温水平方向变化理论预测与运行实测的比较 S u p e r c r i t i c a l C F B b o i l e r A nd s t e a m t u r b i n e C o a l f e e d i n g r a t e A i r f l o w r a t e F e e d w a t e r r a t e S t e a m v a l v e o p e n i n g P o w e r O u t p u t F r e s h s t e a m t e m p e r a t u r e F r e s h s t e
18、 a m p r e s s u r e 负 荷 指 令 输 出主 蒸 汽 压 力 设 定主 蒸 汽 压 力给 煤 量发 电 功 率总 风 量汽 机 调 门 开 度主 蒸 汽 温 度（ 4）建立在“即燃残炭”概念下的四输入，三输出锅炉负荷自动控制模块解决了超临界循环流化床负荷控制的世界难题。该模块在600MW超临界循环流化床锅炉发电的 DCS系统上得到证实和应用。 4输入三输出超临界循环流化床负荷控制模块 600MW超临界 CFB采用研发的控制模块跟踪电网调度对负荷的调节效果 自主研发 600MW超临界循环流化床锅炉的工程设计 Item Unite Value Mar % 7.58 Aar %
19、 43.82 Vdaf % 14.74 Qnet,ar kJ/kg 15173 Car % 41.08 Har % 1.62 Oar % 2.06 Nar % 0.54 Sar % 3.3 设计煤种 (高灰高硫低热值贫煤） Item Unit Value 蒸发量 t/h 1900 主蒸汽压力 MPa 25.5 主蒸汽温度 571 再热蒸汽流量 t/h 1568.2 再热器进出口压力 MPa 4.592/4.352 再热器进出口温度 317/569 给水温度 284 炉膛平均温度 890 排烟温度 129 SOx 排放 Mg/Nm3 380 Ca/S=2.1 h=96.7% NOx 排放 Mg/
20、Nm3 200 粉尘排放 Mg/Nm3 30 基本设计参数 (BMCR工况） 600MW 超临界循环流化床锅炉结构设计 Separation w ater w all S e p a r a tio n w a te r w a ll H型布臵解决截面放大 双炉膛炉膛中间加带联通间隙的吊屏保持双炉膛压力平衡 6 个直径 10米的汽冷旋风分离器 6 个外臵换热器布臵再热器和一级过热器。 炉膛底部设臵 6 个水冷滚筒冷渣器 炉膛尺寸设计为 15.03m27.9m55m 采用 Benson 低质量流率 ( 800Kg/s.m2 ) ，水冷壁管圈具备正向自补偿能力。 Schematic of 600M
21、W CFB boiler Partition wall Furnace division Steam-water separatorWater tankFinal SHc y c l o n e F u r n ace S H I I - 1 E H E E H E E H E S H I I - 2 F i n a l RH P r i m a r y S H P r i m a r y R H E c o n o m i z e r deedwaterHP M P - LP 600MW超临界循环流化床锅炉水系统 600MW SC CFB water loop 过热蒸汽流路：汽水分离器 -气
22、冷旋风筒 -尾部烟道 -外臵床 I-外臵床 II-燃烧室 -汽机高压缸 再热蒸汽流路：高压缸出口 -尾部烟道 -外臵床 III-汽机中压缸。 实现了过热器辐射、对流特性匹配和再热蒸汽的独立调节。在宽负荷范围减少喷水量，提高发电效率。 白马电厂 600MW 超临界循环流化床锅炉示范工程示意图 600MW超临界循环流化床发电厂鸟瞰 600MW超临界循环流化床锅炉结构布臵示意图 测试性能全面达到设计预期，部分指标高于预期。膜式壁管间最大温差 17度 ,双曝光吊屏管间最大温差 28度 .超临界循环流化床锅炉燃烧室的安全性 指标优于超临界煤粉 炉 证实 benson 低质量 流率水动力设计成功； NOx
23、， SOx 排放指标好于预期，证实燃用劣质煤的循环流化床可以低成本达到相关排放标准； 锅炉受热面设计精确；燃烧室温度设计与运行一致。而国外460MW超临界循环流化床设计运行温度误差 39度。造成 NOx排放超过设计值，达 300mg/Nm3。因此不得不加装 SNCR。 这是我国循环流化床研发，制造，运行水平达到世界领先的标志。 性能测试结论 项目 单位 设计值 测试值 机组负荷 MW 600 620.05 主汽压力 MPa 25.39 23.64 主汽温度 571 570.02 蒸发量 t/h 1819.1 1823.01 再热蒸汽压力 MPa 4.149 3.98 再热蒸汽温度 569 56
24、7.64 减温水总量 t/h 142 109.2 床温 0C 平均 890 密相区下部 854炉顶 890 排烟温度 128 141.47 锅炉效率 % 91.01 91.52 平均二氧化硫排放浓度 mg/Nm3 380 192.04 钙硫摩尔比 mol/mol 2.1 2.07 脱硫效率 % 96.7 97.12 氮氧化物排放浓度 mg/Nm3 160 111.94 粉尘排放 mg/Nm3 30 9.34 除尘效率 % 99.95 600MW超临界循环流化床性能测试结果 说明：锅炉测试在 BECR负荷下进行，排放测试在额定负荷下进行。 600MW超临界循环流化床示范工程性能 超临界循环流化床
25、锅炉的推广 白马示范成功后，三大锅炉厂已经签订 4台 600MW， 36台 350MW超临界循环流化床锅炉的订单。首台东锅和上锅 350MW超临界循环流化床锅炉已经进入调试运行。 里程碑之四 基于流态重构节能型循环流化床燃烧技术的发展 传统循环流化床技术存在：送风机压头高，厂用电比煤粉炉高 2-3%。大颗粒物料流化引发燃烧室膜式壁下部严重磨损，影响可用率。 为解决上述问题。清华大学根据循环流化床流态图谱建议改变传统循环流化床流态设计定态区域，以达到减少流化风机压头节能和减少燃烧室磨损的建议。 该设想突破了循环流化床燃烧原有基础流程专利范围。是世界首创的新技术 。 风机60.7%1 0 K V
26、输煤段3.4%除灰及破碎变1.4%电除尘变1.6%水泵12.4%水工及化水变1.8%江边取水隔离变1.8%汽机变1.7%空压机13.4%风机空压机水泵1 0 K V 输煤段水工及化水变江边取水隔离变汽机变电除尘变除灰及破碎变锅炉变# 1 2 带式输送机照明变检修变风机空压机水泵传统循环流化床厂用电分析 -风机电耗占了 60% 26 流态重构 节能型循环床的核心原理及技术关键 实现低床压降节能运行的核心就是提高床质量，从而可以 减少床存量。而不是外界简单认为的低床压降运行 关键技术是 1）改进物料平衡系统，使循环流化床物料平衡系统能形成更细物料的循环。 2）加大二次风动量，解决二次风穿透深度，强
27、化燃烧室上部燃烧强度。 051015节能型循环流化床 的实践 Schematic of tested boiler 在三台 75T/h 燃用洗中煤和泥煤的循环流化床锅炉实验结果证明可以将床压降运行在3.2KPa而不影响满负荷。 运行一年没有发生燃烧室水冷壁磨损。可用率超过 95%。 一年运行节约厂用电 5百万度 。 Overview of the tested boiler 例一：山西离石大土河电厂 清华大学与太原锅炉厂在节能型循环流化床技术上形成产学研合作伙伴 例二：海拉尔东热电厂 220T/h循环流化床锅炉 燃料 : 2800Kcal/Kg 低热值褐煤 辅机设计电机容量 : item 节能
28、型循环流化床 原厂旧机组 一次风机设计功率 （ KW） 900 1420 二次风机设计功率 (KW） 560 710 返料伐松动风机设计功率（ KW） 37 110 引风机设计功率（ KW） 1260 1420 风机总功率（ KW） 2757 3660 设计功率差异 （ KW） 903 节能比例 32.7% DCS screen 运行辅机电耗 item 节能型循环流化床 旧机组 节能比例 一次风机电流（ A) 34 51 33% 二次风机电流（ A) 18 22 18% 引风机电流（ A) 61 76 20% 返料风机电流（ A) 65 190 66% 运行性能 风室压降 : 7.7KPa 飞
29、灰含碳量 : 0.49% 排渣含碳量 : 0.32% 磨损情况 : 三年运行燃烧室水冷壁无明显磨损。 例三：福建龙岩电厂 300Mw循环流化床 本体设计优 化 锅炉岛设计优化 燃料因素等 运行优化 Alstom 无烟煤Alstom 烟煤Alstom 褐煤AAlstom 褐煤BAlstom 褐煤CJEA石油焦Gardanne褐煤Turrow 1-3# Turrow 4-6# AES GuayamaEast KentuckySewardRed HillTonghai 无烟煤同结构煤种龙岩02468100 . 2 -0 . 51 . 01 . 2 -1 . 5厂用电 (%)机组0 . 8比较 龙岩 示范： 4.6% 同容量原设计炉： 7.1% 全国 平均： 8% 国外 平均： 9% 辅机电耗降至 4.6% ,接近同容量煤粉炉的水平 国内外类似容量循环流化床锅炉厂用电率比较
