600MWe超临界循环流化床锅炉的设计研究_刘静

第23卷　第1期　2003年2月动　力　工　程POW ER EN GIN EERIN GVol.23No.1　Feb.2003　 文章编号:1000-6761(2003)01-2179-06600MWe 超临界循环流化床锅炉的设计研究刘　静,　王勤辉,　骆仲泱,　岑可法(浙江大学热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,杭州310027)摘　要:超临界循环流化床锅炉将循环流化床(CFB )燃烧技术与超临界蒸汽压力循环的优点相结合,是一项发展前景十分广阔的洁净煤燃烧技术。

该文讨论了超临界大型循环流化床锅炉设计中的诸如炉膛结构、换热面布置等一些重要问题。

在此基础上给出了1台600M We 循环流化床锅炉的初步设计方案。

最后,通过热力计算,预测了锅炉运行的主要参数并讨论了负荷变化对锅炉各项参数的影响。

图4表4参7关键词:超临界;循环流化床;锅炉设计中图分类号:TK 229.66 文献标识码:A收稿日期:2002-01-10　修订日期:2002-04-20作者简介:刘　静(1977-),女,博士研究生。

主要从事循环流化床锅炉大型化和动态数学模型的研究工作。

0　引言我国的能源生产和消费结构是以煤为主、多能互补的体系。

目前,煤炭在一次能源中的比例约为75%,预计到2050年,煤炭比例还将占58%左右。

因此,煤炭在今后相当长的时间内都将是我国能源主体,在我国一次能源结构中的主导地位不会有太大的改变。

我国大气污染类型以煤烟型大气污染为主,主要包括烟尘、二氧化硫、氮氧化物、重金属、有机污染物和二氧化碳等。

由于电力生产是主要的耗煤用户。

因此,开发推广能源转化率高、污染物排放低的洁净煤发电技术是我国的一个必然选择。

作为新一代的洁净煤技术,循环流化床(CFB)燃烧技术已在世界范围内得到广泛应用。

循环流化床锅炉的低温燃烧特性(一般在850°C ～900°C 之间)使得脱硫过程得以在燃烧区内进行。

当Ca /S 比为1.5～ 2.5时,循环流化床锅炉的脱硫效率可达到90%。

循环流化床锅炉不仅燃料适应性很广,而且其燃烧效率可达97.5%～99.5%,可以与煤粉炉相媲美。

另外,通过分级燃烧,循环流化床锅炉的NO x 排放量可控制在50～150mg /kg (或40～120mg /M J)范围内,其它污染物例如CO,HCl,HF 等的排放量也很低。

以上这些都是循环流化床锅炉颇具吸引力的特点[1]。

目前,法国普罗旺斯电厂的250MWe 循环流化床锅炉已经成功运行多年,300MWe 循环流化床锅炉也即将运行。

这证明循环流化床燃烧技术可以很好地应用于大容量锅炉。

为了适应未来电力工业发展的需求,我们需要进一步将循环流化床锅炉大型化,使它能够与大型煤粉炉(600MW e 或更大)相竞争。

由于朗肯循环的效率——也就是蒸汽的热能转化为电能的效率随着蒸汽参数的提高而提高,因此超临界压力蒸汽循环能够提高电厂效率,从而减少耗煤量和电厂运行费用。

目前,许多超临界机组已经在美国、日本、丹麦等国家成功运行多年,电厂发电效率得到了明显的提高。

例如丹麦V estkraft 电厂的3号机组,它代表了目前超临界技术的较高水平。

该机组投产于1992年7月1日,机组发电效率可达45.3%。

随着超临界机组的广泛应用,电厂效率将大大提高,耗煤量相应减少,从而使污染物的排放量随之减少[2]。

可见,如果把超临界热力循环应用于循环流化床锅炉,则兼备了循环流化床燃烧技术和超临界压力蒸汽循环的优点,显然是一项很有吸引力的洁净煤燃烧技术。

循环流化床燃烧技术所具有的以下特性使其更适合与超临界循环相结合[3,4]:(1)由于循环流化床锅炉炉膛内的温度比常规的煤粉炉低得多,因此炉膛内的热流要比煤粉锅炉低。

在超临界直流循环中,由于工质的质量流量较低而温度却很高,所以水冷壁部件的冷却能力是问题之一。

而循环流化床锅炉炉内较低的热流密度降低了对水冷壁冷却能力的要求。

(2)循环流化床锅炉炉膛内,固体浓度和传热系数在炉膛底部最大,而且随着炉膛高度的增加而逐渐减小,所以热流曲线的最大值出现在炉膛底部附近。

这个特性可以使炉膛内高热流密度区域刚好处于工质温度最低的炉膛下部区域,从而避免了煤粉锅炉炉膛内热流曲线的峰值位于工质温度较高的炉膛上部区域这一矛盾。

因此,循环流化床锅炉炉内热流分布曲线比较有利于水冷壁金属温度的控制。

(3)循环流化床锅炉的低温燃烧使得炉膛内的温度水平低于一般煤灰的灰熔点,再加上炉膛内较高的固体颗粒浓度,所以水冷壁上基本没有积灰结渣,保证了水冷壁的吸热能力。

(4)与煤粉炉相比,循环流化床锅炉炉膛内的温度沿炉膛高度方向更加均匀,因而水冷壁沿高度方向的吸热也更加均匀。

可见,随着循环流化床锅炉技术的日益成熟,超临界蒸汽循环和循环流化床燃烧技术相结合是完全可能的,并会成为洁净煤燃烧技术的主要发展方向之一。

本文在下面将对超临界循环流化床锅炉设计中的一些问题进行讨论,并给出1台600M We的超临界直流循环流化床锅炉的设计方案。

1　600M We超临界CFB锅炉设计中的关键问题1.1　大容量循环流化床锅炉的实现当锅炉尺寸增大时,炉膛体积增加的速度大于四周水冷壁换热面增加的速度,使得换热面积相对不足。

这个问题虽然可以通过增加炉膛高度解决,但是对于600MWe大型循环流化床锅炉来说却不能只增加炉膛高度。

这是由于当炉膛高度增加时,增加的是固体浓度最低的顶部区域,也就是传热系数较低的区域,这样就要求增加较多的炉膛高度。

比较可行的解决方法之一是在炉外固体颗粒循环回路上布置外置式换热器(EHE),即让部分高温循环物料进入布置有受热面(如过热器、再热器等)的低速流化床,进行热交换。

这样, EHE不仅能够补偿炉膛内部传热面积的不足而且还能够用来控制炉膛温度。

对于超大型循环流化床锅炉,如果炉膛底部仍然使用传统的单炉膛结构,则会由于锅炉炉膛尺寸大,造成前后墙或左右墙水冷壁之间的距离很大,使得二次风不能很好地到达炉膛中心,这将会影响炉膛内的燃烧过程及污染物排放控制。

为解决这个问题,可以采用“裤衩管”设计,即把炉膛底部分成两个独立的流化区(称为“支腿”),通过限制支腿深度的方法来解决炉膛大型化中的一些主要问题[5]。

这种方法可以确保送入循环流化床锅炉高浓度区的二次风能够很好地穿透到达炉膛中心。

1.2　超临界蒸汽参数锅炉受热面的布置在超临界直流锅炉中,没有固定的蒸发区域,即汽、水之间没有明确的分界面。

在本文的设计中,工质在省煤器出口已经稍有过热。

工质在水冷壁内继续吸热过程,其温度持续上升,所以炉膛可以被看作是一个大型的过热器。

随着锅炉容量的增加,主蒸汽和给水的温度和压力都相应增加。

由于温度和压力的改变,给水的预热和过热过程吸收的热量占总换热量的份额也相应发生变化。

蒸汽参数提高时,过热吸热的份额增加很快。

因此,本文在EHE中布置了一部分换热面作为过热器,以适应工质过热过程吸热份额的增加。

1.3　超临界锅炉的变负荷运行超临界锅炉的设计是以锅炉的运行方式为基础的。

在超临界蒸汽参数条件下,锅炉有两种不同的运行方式:定压运行和滑压运行。

在低负荷运行时,滑压方式较之定压方式有许多优点:首先,在滑压方式下,蒸汽温度在负荷改变时能够保持恒定,这使得变负荷时汽轮机内的热应力较小,而且负荷降低时蒸汽压力水平也相应减小,因而能够延长汽轮机的使用寿命。

其次,在低负荷时,蒸汽压力降低,比容增大,使得蒸汽在过热器和再热器中的分配有所改善。

另外,滑压运行能够减少外部管道阀门,简化启动过程。

而且,滑压运行可以减少电厂能耗,改善电厂的热效率。

2　600MWe CFB锅炉的设计方案2.1　锅炉设计参数锅炉的主要设计参数如表1所示。

设计煤种为淮南烟煤。

该煤种的元素分析和工业分析结果如表2所示。

用石灰石作脱硫剂,在Ca/S摩尔比为2.5时的设计脱硫效率为90%。

·2180· 动　力　工　程第23卷　表1　锅炉的主要设计参数项目数值项目数值总功率/M W e600再热蒸汽温度/°C580额定蒸发量/t·h-11900再热蒸汽压力/M Pa 4.4主蒸汽温度/°C580给水温度/°C290主蒸汽压力/M Pa28排烟温度/°C140再热蒸汽流量/t·h-11500锅炉效率/%90.54表2　煤种的元素分析和工业分析煤种的工业分析结果/w%,arM V A煤种的元素分析结果w%,arC H O N S低位发热量/M J/kg,arQ dw8.8538.4821.3757.423.817.160.930.4622.212.2　锅炉总体布置方案图1为所设计的600MWe超临界直流循环流化床锅炉的方案简图。

燃料通过给煤口送入炉膛底部的两个分开的流化区——即前述的“裤衩管”的两条“支腿”,并在炉膛内燃烧。

燃烧所放出的部分热量被布置在炉膛四周的水冷壁吸收。

燃烧产生的烟气从炉膛出口进入布置在炉膛的两侧上的6只汽冷旋风分离器。

烟气中的绝大部分固体颗粒被分离器分离下来,其中大部分经E HE 冷却后送回炉膛,另外一小部分则通过返料装置直接返回炉膛。

从分离器出去的烟气进入尾部烟道,依次冲刷高温过热器、低温再热器、省煤器和空气预热器。

2.2.1　炉膛结构锅炉炉膛为矩形截面,炉膛净高为62m。

炉膛上部稀相区截面尺寸为21m×18m,由O28m×6.5m m的膜式壁构成。

炉膛上部两侧墙开有6个5.9m×2.3m的炉膛出口烟窗,烟气从这些烟窗进入分离器。

炉膛下部为“裤衩管”结构。

“裤衩管”将炉膛底部分成两个相互独立的流化区,每个流化区成为“裤衩管”的一条支腿。

支腿为锥形结构,高为7m,两条支腿内侧均敷有耐火材料,且各自有独立的布风装置,底部布风板的长为21m,宽7m。

每条支腿四周各有2排二次风口,每排24·2181·　第1期动　力　工　程 图1　600M W e超临界循环流化床锅炉方案简图个,上排二次风口的中心距布风板的高度为2m ,下排距布风板的高度为1m 。

二次风以30°的倾斜角向下送入炉膛,送风管直径为0.2m 。

二次风速为45m /s 。

2.2.2　固体分离与返料系统循环流化床锅炉的旋风分离器需要处理大量的高温烟气。

一般来说,对于大直径的旋风分离器,其分离效率随直径的增加而降低。

目前,旋风分离器的直径通常被限制在11m 以下,因而在大型循环流化床锅炉的设计中,通常布置多个分离器。

在本设计方案中,在锅炉两侧共布置了6只汽冷旋风分离器。

汽冷旋风分离器可以减小分离器的体积并且减少设备的重量。

所布置的每只旋风分离器的内径为10.2m ,外径为10.8m ,分离器入口烟气速度为25m /s 。