“超超临界循环流化床锅炉发电技术”专刊

来源：《洁净煤技术》2020年第3期

超超临界循环流化床锅炉发电技术是国家“十三五”重点研发计划重点项目。很多本领域的专家学者都参与到该研究工作中，全面研究超高超大炉膛的气固两相流、低热流密度低质量流速下垂直管超超临界水动力、循环流化床燃烧的污染物生成与控制，开发分离器和换热床等关键部件、整体布置、整体动态特性与控制策略等技术。这些研究成果将进一步丰富气固两相流动、水动力学、燃烧学、传热学、热工动态学等学科内涵，对于超超临界循环流化床的设备开发及工程应用具有重要意义。

行业视野: 煤化工
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摘要：本专刊来源于《洁净煤技术》2020年第3期

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洁净煤技术

2020年第03期

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“超超临界循环流化床锅炉发电技术”专刊特约主编致读者

作者(Author)：吕俊复

摘要：　　煤炭是中国的基础能源，煤炭开采、加工、利用的效率和排放决定了中国的能源效率及其对环境的影响程度。洗选加工、按质利用是煤炭综合利用的成功之道。我国每年煤炭开采、洗选加工副产的低热值煤超过7亿吨，这些劣质燃料难以在常规煤粉锅炉或其他燃烧设备中燃用，只能采用循环流化床锅炉燃烧，这是我国循环流化床锅炉技术发展的动力。循环流化床燃烧中，炉内添加石灰石可低成本脱硫；循环流化床锅炉内部特有的低温燃烧和快速床中特殊的气固流动结构营造出的还原性气氛，可将NOx生成浓度控制在较低水平，从而实现低成本污染物控制，促进循环流化床燃烧技术迅速发展。　　　　20世纪80年代初，我国开始循环流化床燃烧技术的研究。通过对化工流态化理论和实践的借鉴，揭示了循环流化床燃烧中的气固两相流动特性及其对传热和燃烧的影响规律，建立了物料循环系统整体性能的工业实现方法，创建了普适的循环流化床锅炉设计理论体系，自主研发了性能优异的系列循环流化床锅炉，简约型循环流化床锅炉的性能达到了国际先进水平，完全替代了引进设备和引进技术，产品大量出口海外。　　　　循环流化床燃烧在低成本污染物控制方面具备显著优势，但在发电效率方面与电力行业的期望值相比，尚有进步空间。火电技术发展历史表明，提高效率的有效途径是将蒸汽参数从亚临界提高到超临界。为进一步促进劣质煤的清洁高效利用，国家“863”计划立项支持超临界循环流化床锅炉的探索，又在“十五”科技支撑计划滚动项目支持该技术的工程化问题研究，进而在“十一五”国家科技支撑计划资助了超临界循环流化床关键技术与工程示范的研究开发。经过十多年的努力，取得了一系列原创性突破，建成了世界容量最大的600 MW超临界循环流化床锅炉发电示范工程，国际能源组织认为这是循环流化床燃烧技术国际发展的里程碑，也标志着我国在循环流化床锅炉技术跻身于世界前列，极大提高了我国循环流化床锅炉设备的国际声誉和国际竞争力。　　　　针对燃煤排放问题，我国于2011年更新了《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011），规定了世界上最为严格的燃煤发电污染物排放限值。鉴于我国的环境容量，为了进一步改善大气环境，2014年我国又发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，要求燃煤发电机组大气污染物超低排放。传统循环流化床燃烧技术自身的污染物控制效果难以达标，而增加烟气脱硫脱硝装置又会导致其失去低成本污染物控制的优势，循环流化床燃烧技术面临巨大挑战。在“十二五”国家科技支撑计划支持下，我国学者提出了基于流态优化和气氛重整理念，深度挖掘循环流化床燃烧本身的超低排放潜力，进一步从气固反应的本质过程理解和认识污染物生成、脱除和最终排放的机理，通过气固反应调控，实现了高效石灰石炉内脱硫和强化还原性燃烧气氛抑制NOx生成，以在燃烧过程中控制NOx和SO2的原始排放，走在了国际前列。　　　　我国正在研发超超临界循环流化床锅炉发电技术，这是国家“十三五”重点研发计划重点项目。很多本领域的专家学者都参与到该研究工作中，全面研究超高超大炉膛的气固两相流、低热流密度低质量流速下垂直管超超临界水动力、循环流化床燃烧的污染物生成与控制，开发分离器和换热床等关键部件、整体布置、整体动态特性与控制策略等技术。这些研究成果将进一步丰富气固两相流动、水动力学、燃烧学、传热学、热工动态学等学科内涵，对于超超临界循环流化床的设备开发及工程应用具有重要意义。本专刊正是这方面研究工作的一个阶段性展示。　　　　本专刊征稿、审稿历时近一年的时间，期间还经历了新冠病毒疫期。值此正式刊出之际，我代表编辑部感谢众多学者的踊跃投稿，特别感谢同行专家对稿件认真细致的评阅。相信通过本专刊的发行，将会进一步促进学术交流，推动我国循环流化床燃烧技术不断进步，为促进能源结构完善、推动能源生产革命注入更大动力！　　吕俊复　　2020年5月

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CFB锅炉大型化气固流动非均匀性研究进展

作者(Author)：胡南, 徐梦, 张缦, 杨海瑞, 张守玉, 赵冰, 巩太义, 王家林

摘要：循环流化床（CFB）锅炉大型化发展的必然结果是炉膛截面尺寸和并联回路的增加，流化床锅炉炉内燃烧和传热过程很大程度上取决于炉内气固流动特性，因此横向气固流动均匀性对锅炉的安全运行具有重要影响。笔者从静态和动态2个方面分析了大型CFB锅炉气固流动横向非均匀性问题。静态非均匀性问题包括布风均匀性和并联回路引起的气固流量沿截面的偏差以及各回路流量分配偏差，在稳定运行条件下不随时间变化。分离器的阻力特性是分离器的重要特性参数，在相同气相流量下，固体颗粒浓度对分离器压降的影响是非单调的，分离器压降随固体颗粒浓度的增加先减小后缓慢增加，理论上并联回路控制方程的解存在多值性，因此多回路并联条件下各分离器循环流率存在偏差。CFB锅炉炉内悬吊屏影响颗粒局部浓度分布，进而影响各分离器固体颗粒循环流率的分配。分离器出烟道的形式对分离器气固两相的流量分配存在不容忽视的影响。在布风均匀性方面，两侧进风和后墙进风方式均会引起风室不同程度的布风不均。大型CFB锅炉在低负荷运行过程中，存在炉膛两侧床压大幅长周期波动的现象，该现象即为动态气固流动横向非均匀性问题，其产生的主要原因是大截面的布风系统，一次风降低导致的布风失稳以及多回路并联的不均匀性。横向波动数学模型主要是基于气固两相流系统横向波动固有频率的假设，当扰动接近系统固有频率时，会产生较大幅度的横向波动。目前动态非均匀性问题还缺少实验室尺度的深入系统研究，相关机理仍较模糊，是气固流动非均匀性问题的主要研究方向，同时布风不均和密相区气固流动的耦合作用还有待进一步研究。

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循环流化床锅炉循环流率在线测量方法研究

作者(Author)：刘贤东, 吴玉新, 张扬, 周帅, 杨海瑞, 张海, 吕俊复, 张凯

摘要：高温床料的循环流率是循环流化床锅炉的重要参数，但目前鲜有能应用于实际锅炉中的测量技术。为此，笔者提出了一种新型冲击式循环流率的在线测量方法，并研制了原理样机；建立了测量过程的理论模型并进行了实验室冷态试验，将新型循环流率测量方法应用于某116 MWth循环流化床锅炉中进行热态试验。测量装置具有悬臂梁式几何结构，其整体布置于循环流化床锅炉立管底部。悬臂梁型装置的一端固定于锅炉外壁面，另一端固定有靶片并伸入至立管密相区中。装置通过测量立管物料下落时冲击靶片而造成的形变来计算颗粒冲击力并反推颗粒冲击速度，进而获得循环流率。同时，通过仪表风吹扫冷却装置并防止堵塞。该方法具有耐受高温、可在线测量和不影响锅炉正常运行等优点。冷态试验测量得到不同冲击速度下的气固两相流绕流阻力和阻力系数，随着冲击速度增大，气固绕流阻力随之增大而阻力系数减小，且存在“剪切变稀”现象。在实际锅炉的热态测试中，该测量装置能较好地捕捉到锅炉起停炉、变负荷时循环流率变化趋势。通过量级分析并利用炉膛稀相区压差与炉膛截面风速之积校核测量结果，验证了该方法在实际循环流化床锅炉中在线应用的可行性。

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基于传热系数的高温循环流率测量方法研究

作者(Author)：张杨鑫, 王志宁, 张扬, 程璐, 樊保国, 张海, 吕俊复

摘要：循环物料流率是循环流化床锅炉中重要的设计和运行参数，但其热态在线测量一直是难点。基于换热原理进一步改进和完善了在线测量循环流率的方法，通过热态试验研究了影响高温颗粒与管壁之间传热系数的因素，并且利用热态试验数据和Borodulya等提出的对流传热系数预测模型进行了关联式推导，从而将传热系数和颗粒流率相关联。结果发现，传热系数的影响因素包括颗粒流率、颗粒温度、颗粒粒径等；热态试验测量得到的物料流率值与预设值的误差在±25%内；在实际流率工况下，该方法可以将物料流率和传热系数一一对应，在较宽的流率变化范围内都具有良好的预测能力。根据研究结果，测量中传热系数确定后，由计算模型可以获得物料流率，即实现高温物料流率的测量。换热法测量循环流率的原理简单，成本低廉，通过研究进一步提升了其实用性，在循环流化床锅炉的循环流率测量领域具有广阔的应用前景。

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超超临界CFB锅炉外置换热器启动过程模拟分析

作者(Author)：许兆峰, 薛亚丽, 李政

摘要：通常超超临界CFB（循环流化床）锅炉均设置外置换热器来增加换热面积和换热量。为了研究CFB锅炉外置换热器的启动过程特性，为CFB宽负荷运行和灵活性调峰提供依据，在已有的CFB锅炉系统机理动态数学模型的基础上，建立了外置换热器动态模型，并以某660 MW超超临界CFB锅炉为对象，模拟分析其外置换热器的冷态启动过程和热态启动过程。冷态启动和热态启动前炉膛温度均为776 ℃，外置换热器温度分别为50 ℃和660 ℃。第30 min时，打开锥形阀启动外置换热器，由于冷态启动时外置换热器温度低，为避免外置换热器管道升温过快，锥形阀开度仅为5%；而热态启动时则不存在该限制，锥形阀开度可达30%。为了体现单一变量引起的变化，在冷态启动和热态启动过程中仅锥形阀开度不同，其他主动控制量中仅自动控制排渣量来保持炉膛压力稳定。在冷态启动过程中，外置换热器初始温度低于工质（中温过热蒸汽）温度，先从工质吸热；当外置换热器温度高于工质温度后开始向外放热，因此外置换热器放热量是从负值变化到正值。而热态启动过程中，外置换热器初始温度远高于工质温度，外置换热器始终向工质放热。因此，不管是冷态启动还是热态启动前，工质流量都应维持在设定值及以上，否则启动瞬间工质放热冷凝或吸热升温会导致壁温剧烈变化，出现爆管等事故。冷态启动和热态启动后达到平衡时，在CFB锅炉输入能量不变的情况下，由于外置换热器的放热量增大，炉膛内的放热量相应减小，因此炉膛温度有不同程度降低；在热态启动时锥形阀开度为30%，外置换热器循环灰流量和放热量较大，从而导致炉膛内放热量小于冷态启动，这也体现在热态启动的炉膛平衡温度小于冷态启动。冷态启动过程中外置换热器温升更高，为避免换热面壁面温升速率过高而采用5%锥形阀开度,从而导致冷态启动过程的外置换热器温升曲线时间常数明显大于热态启动。

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基于Aspen Plus的超超临界循环流化床锅炉的性能计算及分析

作者(Author)：李娟, 李银龙, 牛田田, 辛亚飞, 杨冬

摘要：循环流化床发电技术以其特有的优势，得到了迅速发展和广泛应用。近年来，为了实现超低排放和超低能耗，大型化与高参数化的超超临界循环流化床锅炉（CFB）的设计研究成为我国洁净煤发电技术的主要发展方向。目前超超临界发电机组的基础理论与设计计算还不完善，因此对于其运行模拟以及在运行条件变化时锅炉主要参数的预测尤为重要。AspenPlus能够对复杂的化工过程进行精细的稳态模拟和流程设计，基于AspenPlus软件提供的内置模块和FORTRAN编译器的外部子程序，建立了660MW超超临界CFB锅炉燃烧室煤解耦燃烧过程模拟模型，主要包括煤的等效热解模型、简约解耦燃烧模型、分离器、外置床及尾部烟道低温过热器、低温再热器模型。依据所建立的稳态模型，可模拟计算660MW超超临界循环流化床锅炉在满负荷工况（B-MCR）下锅炉性能，得到其各处主要温度的计算结果，分析燃烧室中密相区和疏相区的气体组分浓度，并且预测了循环流化床燃烧室运行参数一次风配比对密相区组分CO2、CO和SO2浓度的影响以及过量空气系数对排烟气体组分SO2、SO3、NO和N2O浓度的影响。同时，利用该模型计算了过量空气系数和改变一次返料比例对中温过热器、低温过热器出汽温和低温再热器、省煤器出烟温的影响。在660MW超超临界循环流化床锅炉的设计研究上，为降低污染物排放、减少锅炉热损失和提高锅炉效率提供了参考依据。

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基于Aspen Plus的0.3 MW_th CFB燃煤中试装置全流程模拟

作者(Author)：明祥栋, 段钰锋, 柳帅, 胡鹏

摘要：循环流化床锅炉具有煤种适应性广，负荷调节能力强，污染物超低排放等优点，被广泛应用于煤的清洁燃烧。为探究循环流化床污染物生成和排放规律，以0.3MWthCFB燃煤中试装置系统为实际模型，利用AspenPlus对煤燃烧和污染物控制装置全流程建模。采用Gibbs最小自由能热力学分析方法对煤燃烧产物进行了分析计算，并利用软件自带的灵敏度分析工具，对不同的操作参数进行了灵敏度分析，预测了锅炉运行参数对烟气组分、选择性催化还原脱硝效率和石灰石-石膏湿法烟气脱硫效率的影响规律，获得了过量空气系数、烟气温度、氨氮比和钙硫比对NOx和SOx脱除效率以及SO3生成的影响曲线。结果表明，在循环流化床煤燃烧条件下，温度变化对NOx和SOx的生成影响显著，温度升高会促进NH3、HCN等前驱物的转化，促进燃料氮生成NOx；高温条件下，SO2生成反应的化学平衡向正方向移动，但反应速率会随温度和浓度的升高而降低，SO3则与之相反。在选择性催化还原脱硝过程中，较低温度时，脱硝率随温度升高而增加，最佳活性温度在360℃左右；SCR反应温度低于380℃时，SO3含量呈显著上升趋势，380℃出现一极大值点，而后趋于平缓并略有下降。NSR＜1时，脱硝率随氨氮比增加而增加，最佳氨氮比在1.05。湿法烟气脱硫过程中，增加钙硫比能明显提高脱硫效率，最佳钙硫比在1.05左右，并降低SO3排放；脱硫系统入烟气温度升高会导致脱硫效率降低，但促进了SO3的生成。

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