“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
类别; 96个
关键词; 109位
专家; 25篇
论文; 18667IP
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循环流化床氮氧化物排放预测模型及优化控制研究

作者(Author)：高明明, 于浩洋, 吕俊复, 于孝宏, 李文瑞, 李存怀, 魏光

摘要：随着环保要求的日益严格，为了降低CFB机组的NOx排放，需要对炉内生成的NOx浓度进行准确估计并应用到控制中，对此，建立精确实用的机理控制模型显得十分必要。同时，需要综合考虑降低炉内燃烧所生成的NOx与SNCR的优化控制，利用该模型对炉内外NOx综合控制进行优化。通过对NOx的生成机理进行分析，以CFB锅炉燃烧产生的燃料型NOx为主体，应用数学建模与仿真的方法，以给煤量、风量等作为模型输入，建立炉膛出CO浓度预测模型，并以此模型为基础，与即燃碳模型为输入，建立可以用于控制的炉膛出NOx浓度预测模型。利用上述方法建立了炉膛出CO浓度预测模型和炉膛出NOx浓度预测模型，并根据实际运行数据对模型进行参数求取及仿真，针对炉内燃烧控制与SNCR脱硝配合不佳，导致NOx排放水平较高的问题，根据所建立的炉膛出NOx浓度预测模型，提出了炉内外NOx综合控制技术路线，设计了基于NOx浓度预测模型的一二次风量优化控制与SNCR优化控制思路。仿真证明了所建立的模型具有较好的精确度，满足实际控制系统的精度要求，并具有一定的预测效果。所设计的炉内外NOx综合控制技术路线与一、二次风量优化控制思路可以为今后循环流化床机组NOx低排放控制提供参考。

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75 t/h循环流化床锅炉性能测试及基于Aspen Plus模拟研究

作者(Author)：陈宝明, 段钰锋, 耿新泽, 许一凡, 赵士林, 黄天放

摘要：为寻找循环流化床（CFB）燃煤锅炉机组热损失的原因，以额定负荷75 t/h CFB燃煤锅炉为试验平台，对其进行热力性能测试，为与实测法对比，利用Aspen Plus流程模拟软件对CFB锅炉进行建模计算，提出一种基于Aspen Plus模型法获得CFB锅炉热效率的新思路。试验选取低负荷、满负荷、高负荷3种运行工况，利用反平衡法通过热力计算求得各项热损失，探究不同运行工况参数对CFB锅炉热效率的影响，并分析了不同运行工况下，飞灰及炉渣中未燃尽碳（UBC）含量的分布规律。通过对CFB锅炉的煤热解、煤燃烧、气固分离和热交换4个子过程进行建模，利用现场稳定运行的锅炉各级换热设备进出口流股温度、压力、流量等数据，对满负荷（工况2）条件下锅炉各项热损失、锅炉热效率及炉膛出口烟气组分浓度进行计算。根据实测数据与模拟结果的比对，验证建模的准确性、可靠性。结果表明：模型法与实测法数据吻合良好，能够精准预测炉膛出口烟气的组成；通过对比锅炉各项热损失及热效率，发现排烟热损失q2实测结果为7.75%，模型结果为6.48%；固体未完全燃烧热损失q4实测结果为3.72%，模型结果为3.17%；二者相对误差较小，说明利用Aspen Plus建模可以对排烟热损失及固体未完全燃烧热损失进行较为精准的预测；模型计算得到的锅炉热效率为88.66%，实测锅炉热效率为87.426%，相对误差仅为1.41%，实测法和模型法对热效率及各项热损失的计算结果极为接近，验证了建模思路及方法的准确性和可靠性，也印证了基于Aspen Plus模型法计算CFB锅炉热效率的可行性；3种工况下锅炉运行存在排烟温度高、飞灰含碳量高、实际热效率偏低未达到锅炉设计值等问题；入炉煤燃烧后飞灰中的UBC含量较高，为13.28%～16.40%，炉渣中UBC含量较少，为2.92%～3.39%；3种工况下锅炉排烟热损失在7.64%～7.93%，固体未完全燃烧热损失在3.72%～4.69%，锅炉热效率在86.14%～87.43%，且η2>η3>η1。说明基于Aspen Plus对CFB锅炉建模进行锅炉热力计算可行、可靠。

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循环流化床大气污染物排放模型研究

作者(Author)：黄鹏, 赵冰, 王家林, 巩太义, 王勇, 王东振

摘要：随着国家对燃煤电厂大气污染物的排放要求日益严格，循环流化床锅炉因为煤种适应性好，大气污染物排放量低而越来越受到重视。为研究循环流化床大气污染物的排放规律，并对实际运行提供科学依据，从循环流化床锅炉燃烧机理入手，将入炉煤分为挥发分和待燃烧的即燃碳。SO2与NOx的生成也随之分为2部分：一部分随挥发分燃烧立即生成，另一部分随即燃碳燃烧生成。炉内SO2脱除量主要重视钙硫比，而炉内NOx自还原量则主要与炉内即燃碳量和一氧化碳浓度相关。以此为基础推导出了脱硫塔入SO2浓度与NOx浓度模型。模型在某330MW亚临界循环流化床的运行数据上得到验证，模型计算值与实际值拟合度较好，且较实际值提前2～4min，消除了由于大气污染物测点位置原因带来的测量延迟，具有很好的预测效果。探究了炉内即燃碳量与脱硫塔入SO2浓度和SNCR入NOx浓度之间的关系，计算结果表明，在脱硫剂变化不大的情况下，即燃碳量变化趋势与脱硫塔入SO2浓度变化趋势相同，与SNCR入NOx浓度变化趋势相反。最后在原有运行数据上改变了风量和煤量后利用模型进行计算，结果表明煤量不变而风量提升会降低脱硫塔入SO2浓度，但会提高SNCR入NOx浓度，而煤量提升对大气污染物排放浓度的影响与风量提升相反，该计算结果对实际运行有一定指导作用。

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循环流化床二次风射流及床料粒径对流化特性的影响

作者(Author)：张曜, 林晨, 于娟, 冯帆, 张忠孝

摘要：NOx的生成控制与流化床流化特性及气固流动有关，而冷态试验能更直观地反映气固流动状态和流化效果，因此冷态试验的研究结果可为流化床脱硝反应热态试验的参数选取提供参考。前人研究大多使用窄筛分床料颗粒，且较多针对传统的墙式布置二次风，鲜有学者综合研究中心布置二次风的穿透性能及其对炉膛流化特性的影响。因此，在循环流化床冷态试验台上，研究了中心布置二次风和宽、窄筛分的床料对流化特性的影响，采用无量纲剩余温度、物料循环流率和表观颗粒体积分数来定量描述二次风穿透性能、物料循环效率和颗粒浓度的分布。结果表明：喷射高度附近的颗粒浓度会随二次风射流增大而增大。二次风喷射高度为15cm时，在35cm以下的密相区，二次风占比越大，颗粒浓度的增长越明显。增大二次风占比、提高二次风射流的速度、提高二次风射流的喷射位置等可以有效提高二次风射流的穿透性能。其中，当二次风喷射高度距炉膛底部5cm处，射流穿透率为0.4；喷射高度为15cm时，射流穿透率为0.84；当喷射高度继续上升10cm后，射流穿透率达到1.0。造成这个现象的原因是越靠近炉膛底部，床料颗粒的浓度越大，二次风所受的阻力急剧增加。随着窄筛分床料的平均粒径减小，炉膛整体的压降上升，且压降会在炉膛更高位置趋于平稳，物料循环流率也随之提高。这说明更多的颗粒能够随流化风的扬析被带到炉膛外，进入分离器参与炉外循环。与窄筛分床料不同的是，床料组分中，细颗粒占比也决定了宽筛分床料的炉膛压降、颗粒浓度分布和物料循环流率等参数。细颗粒占比越高，炉膛压降和物料的循环流率越大。宽筛分中，平均粒径大的床料颗粒浓度分布和物料循环流率不一定小，这是由于试验风速下，<300μm颗粒更易随流化风的扬折作用，被携带至炉膛出。这部分细颗粒占比越高，造成颗粒浓度分布和物料循环流率越大，而粗颗粒更倾向于聚集在炉膛底部。

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循环流化床半干法脱硫装置烟道流场模拟优化

作者(Author)：于斌, 王爱, 孙洪斌, 瓦其尔, 陈俞安, 郑妍, 姚宣

摘要：循环流化床锅炉炉内脱硫无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有石灰石-石膏湿法烟气脱硫和循环流化床半干法烟气脱硫。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时炉内脱硫效率70%条件下的经济技术指标。分析结果表明，循环流化床半干法烟气脱硫的运行成本和总成本相对较低时，要求硫含量分别低于1.1%和2.1%；循环流化床半干法烟气脱硫的脱硫剂成本占比较大，而石灰石-石膏湿法烟气脱硫的电费占比相对略大；石灰石价格、上网电价和年运行时间是影响脱硫成本的主要因素，石灰石对脱硫成本的敏感度大于上网电价；石灰石价格低于112元/t时，石灰石-石膏湿法烟气脱硫的运行成本更高；上网电价低于0.43元/kWh时，石灰石-石膏湿法烟气脱硫的运行成本相较更低；循环流化床半干法烟气脱硫总成本在石灰石价格、电价、年运行时间的研究波动范围内相对较小；相较于常规炉内脱硫技术，超细石灰石炉内脱硫技术的炉内脱硫成本较低，与循环流化床半干法烟气脱硫工艺相结合的综合优势更显著。

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脱硫湿烟气喷淋冷凝过程数值模拟研究

作者(Author)：李璐璐, 姚宣, 张缦, 金燕, 杨海瑞

摘要：大中型燃煤电厂多采用湿法脱硫技术，脱硫过程导致大量水分蒸发，600MW机组经湿法脱硫后排放的烟气中携带水蒸气超过200t/h。脱硫湿烟气中的水蒸气及低温余热是燃煤电厂水资源和能量损耗的重要部分。为降低烟气中的含湿量，有效回收烟气中的水分及余热，同时解决因湿烟气中水蒸气凝结引起的烟囱腐蚀、“石膏雨”及“白烟”等问题，基于Fluent软件，构建三维稳态CFD模型，对湿法脱硫后烟气的冷凝过程进行数值模拟研究，将优化设计后的冷凝室作为计算对象，充分考虑气液两相流之间的能量、质量、动量交换，全面讨论了冷凝室本身结构和气液两相参数对传热传质的影响。结果表明：两喷淋层的布置存在最佳间距，模拟中最佳间距为1m，此间距可使液滴在冷凝室内停留时间和气液接触均匀性同时达到较高水平。在一定的烟气流速范围内，烟气流速高，烟气在冷凝室中停留时间短，气液两相接触时间少，换热程度差；烟气流速低，烟气雷诺数小，湍流流动弱，单位时间单位面积处理的空气量小，故存在最佳烟气流速，研究表明，最佳烟气流速为3.5m/s。适当增大液气比、合理减小液滴直径、降低喷淋液温度、加大喷嘴角度，都可有效保证流场均匀性，提高气液接触强度，增强气液之间传热传质效果。但增大液气比需较大水量，不利于节水节能；降低喷淋液温度可加大换热温差，但需较低的冷却水源；加大喷嘴角度对提高冷凝效果幅度有限。其中减小液滴直径是最有效的方法，采用雾化程度好的喷嘴，使液滴直径小于210μm，可将湿烟气从323K冷凝至311.75K，600MW机组每小时可回收至少80t水资源以及6.59MW能量，达到节水节能、“消白”、除尘一体化的目的。

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循环流化床锅炉脱硫工艺经济性分析

作者(Author)：蔡晋, 张缦, 王中伟, 荣澔洁, 姚宣, 吴玉新

摘要：循环流化床锅炉炉内脱硫无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有石灰石-石膏湿法烟气脱硫和循环流化床半干法烟气脱硫。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时炉内脱硫效率70%条件下的经济技术指标。分析结果表明，循环流化床半干法烟气脱硫的运行成本和总成本相对较低时，要求硫含量分别低于1.1%和2.1%；循环流化床半干法烟气脱硫的脱硫剂成本占比较大，而石灰石-石膏湿法烟气脱硫的电费占比相对略大；石灰石价格、上网电价和年运行时间是影响脱硫成本的主要因素，石灰石对脱硫成本的敏感度大于上网电价；石灰石价格低于112元/t时，石灰石-石膏湿法烟气脱硫的运行成本更高；上网电价低于0.43元/kWh时，石灰石-石膏湿法烟气脱硫的运行成本相较更低；循环流化床半干法烟气脱硫总成本在石灰石价格、电价、年运行时间的研究波动范围内相对较小；相较于常规炉内脱硫技术，超细石灰石炉内脱硫技术的炉内脱硫成本较低，与循环流化床半干法烟气脱硫工艺相结合的综合优势更显著。

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300 MW CFB锅炉SNCR+SCR深度脱硝性能研究

作者(Author)：马涛, 茹宇, 李克章, 惠建飞, 朱海, 李萌

摘要：随着环保压力不断提高，流化床锅炉需进行深度脱硝改造以实现超低排放，但目前SCR改造在流化床锅炉上的应用研究较少。某厂320MW流化床机组改造增加了SCR脱硝系统，基于该工程改造项目，笔者使用网格法对烟气场温度、烟气成分等参数进行测定，进行了改造前后的锅炉性能试验，研究了改造后SCR的脱硝性能及其影响因素，并测试锅炉效率。结果表明，不同负荷下，SCR入平均温度在268.11～309.53℃，基本满足拓展的SCR反应温度窗（260～420℃）。机组满负荷320MW下，实测反应器脱硝效率为72.48%，对应的氨逃逸浓度为0.7mg/Nm3。40%～100%负荷下，NOx排放均低于25mg/Nm3，氨逃逸浓度不大于1mg/Nm3。由于烟气温度水平较煤粉炉低，因此本试验中SCR反应器的脱硝效率低于应用于煤粉炉的SCR反应器。40%～100%负荷下的尿素耗量均低于同等级的煤粉锅炉，其中满负荷下的尿素耗量为279.09kg/h。在相同排放数值下尿素耗量降低50%以上，节能降耗效果显著。排放结果与尿素耗量统计结果表明，SNCR与SCR耦合良好，应用于CFB锅炉具有较大优势。SCR出处NOx分布并不均匀，在烟道水平截面上呈NOx浓度右侧高、左侧低的趋势，与SCR入温度分布一致,温度是影响脱硝效率和NOx分布的主要因素。改造后平均锅炉效率为90.07%，与改造前锅炉效率持平，表明SCR改造对锅炉效率影响较小。锅炉90%以上热损失由排烟和物理未完全燃烧热损失造成，控制排烟热损失q2和物理未完全燃烧热损失q4是锅炉热效率提升的关键。

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