洁净煤技术第06章增压流化床燃烧

1、第六章 增压流化床燃烧(PFBC)技术第一节 概 述流化床技术是二十世纪20年代德国人发明的，当时是作为化工领域的一项新技术。由于在流化床中，物料能剧烈地混合并充分接触从而可加快化学反应的速度，因而逐步得到了广泛的应用。到60年代，流化床开始被应用于燃烧过程。增压流化床的概念是由Raymond Hoy在1969年提出的，当时在英国Leatherhead，英国煤炭利用研究协会(British Coal Utilization Research Association)的实验室建立了第一台增压流化床燃烧(PFBC)试验装置。发展增压流化床燃烧(PFBC)的主要推动力是此项技术具有组成燃煤联合循环的

2、潜力，从而在提高发电效率的同时还能使硫和氮的氧化物的排放满足环保标准。目前，应用此技术已能节省燃料10%15%。今后15年内，还可以进一步节省燃料15%25%，降低污染物排放也具有不断改进的潜力，不但能满足现在的环保排放标准，也能满足今后对发电系统提出的越来越严格的排放要求。鉴于PFBC在节能和环保两方面的巨大发展潜力，世界各国竟相开展对此技术的研究。继Leatherhead的实验室装置之后，英国又建了两台试验装置。其后，美国、德国、瑞典、芬兰、波兰、南非、日本等国也建立了多台实验室规模的装置。自70年代中期开始，英国、美国、德国、瑞典在实验室研究基础上，先后进行了PFBC的中间试验(工业化试

3、验)的研究，相继建立了几套中试装置。我国也于1981年开始实验室规模的研究，从1991年开始，在江苏徐州贾汪电厂建设一座发电功率为15MW的增压流化床燃烧联合循环(PFBC-CC)发电中试电站，即将建成投运。从90年代开始，瑞典ABBCarbon公司开始推出历经15年，花费2亿美元开发的鼓泡床型PFBC商业示范装置，包括P200和P800两种容量。五套P200型PFBC装置先后在瑞典的Vartan电站(两套)，美国的Tidd电站，西班牙的Escatron电站以及日本的Wakamatsu电站投运。这四座PFBC-CC商业示范电站。经过几年成功地调试运行，普遍认为ABB的P200型PFBC已开始进

4、入商业应用阶段。1996年，ABBCarbon又在德国得到一台P200型PFBC订货，用于对Cottbus电站的改造项目。ABB的P800型PFBC正在为日本的Karita电站制造，计划在1999年内投入商业运行。此外在日本，三菱重工(MHI，Mitsubishi Heavy Industries)制造的一台80MWePFBC和日立(Hitachi)公司制造的两台250 MWe PFBC装置，将分别在Tomatoatsuma电站和Osaka电站投运。目前得到商业应用的第一代PFBC采用的是增压鼓泡流化床(PBFB)技术。为开发效率更高，环保性能更好的PFBC联合循环发电系统，借鉴于常压流化床应

5、用中获得的循环床型优于鼓泡床型的经验，80年代中期以来，芬兰、瑞典和德国又先后建立了增压循环流化床(PCFB)中试装置。PCFB目前尚处在中试阶段。标志着用煤的部分气化加前置燃烧来提高燃气轮机的入口温度，从而提高整个循环效率的第二代PFBC技术的研究开发，也正进入中试阶段，美国能源部(DOE)也在美国阿拉巴马州Wilsonville建立了第二代PFBC装置。今天，PFBC已成为洁净煤技术(CCT)中最有发展前途和最具商业竞争能力的先进技术之一。第二节 增压流化床燃烧联合循环(PFBCCC)发电技术的原理和类型流化床燃烧可以在常压状态下工作，也可以在加压(616个大气压)状态下工作，后者称为增压

6、流化床燃烧(PFBC)，根据流化床的工作流速不同，又可分为增压鼓泡流化床和增压循环流化床两种类型。一、增压鼓泡流化床(PBFB)在PBFB中，经过破碎的煤(尺寸最大为6mm)以及脱硫剂(石灰石或白云石，尺寸最大为3mm)加入流化床内，加压空气通过布风板进入燃烧室，从而使床层内的不同粒度的颗粒状床料处于悬浮和旋转状态，上下进行着激烈的翻滚，空气和加入的煤进行激烈的燃烧反应，床层反应温度控制在850900范围以内。燃烧产生的烟气中含的SO2和加入流化床内的石灰石(或白云石)反应生成CaSO4，该反应过程能除去烟气中90%95%的S02。在流化床中，由于煤的浓度很低(床料中，煤量仅为1%2%，主要由

7、颗粒状的煤灰渣，脱硫剂等非可燃物质组成)，每一个颗粒燃料都能被赤热的惰性物料所包围，并且和助燃剂(空气)接触条件很好，因此燃烧过程并不显著地受煤质的影响，在常规锅炉中不易稳定燃烧的劣质煤，在流化床中也能够稳定燃烧，因此流化床锅炉可以使用范围宽广的各种燃料。尤其是增压流化床，它的床层工作深度可达3.5m4.0m，颗粒燃料和脱硫剂在床内的停留时间更长，反应气体在流化床内的停留时间也比常压流化床长56倍，因此能取得很高的燃烧和脱硫效率。燃烧产生的部分热量，通过安置在流化床内的埋管和水冷壁，使流经受热面的水得到加热，产生蒸汽，通过蒸汽透平膨胀作功发电。离开燃烧室的加压燃气，经过高温除尘以后，进入燃气轮

8、机膨胀作功，驱动空气增压需要的空气透平压缩机，多余的功发电向外输出电力。因此该电站是由燃气和蒸汽两部分系统组成的发电过程，称之为增压流化床燃气蒸汽联合循环(PFBC-CC)发电。燃气轮机出力占总输出的20%25%，其余为蒸汽轮机出力。PFBC-CC发电的效率比相同参数的常规粉煤电站的发电效率可高出35个百分点。同时由于煤在流化床内的燃烧温度仅为900左右，只有燃料中的氮转化成NOx，空气中的氮很少转化成NOx，因此增压流化床燃烧过程中NOx和SO2的排放能得到很好的控制。二、增压循环流化床(PCFB)PCFB的工作过程和上述PBFB大体上是一样的，但是燃烧室类型不同，增压鼓泡流化床燃烧室中，流

9、化床的工作流速为11.2m/s，而增压循环流化床燃烧室中，流化床的工作流速为2.53.5m/s，从燃烧室底部进入的流化空气为60%，40%作为二次空气在流化床浓相区以上的不同位置处喷入，以达到分级燃烧的目的。循环流化床燃烧室的浓相区没有埋管。燃烧室经燃烧和固硫反应后的煤灰、残渣以及未完全反应的脱硫剂经过高温旋风除尘器分离后，大部分的固体颗粒被分离出来，通过循环返料室回到燃烧室。在循环返料室，压缩空气使颗粒流化，使之返回燃烧室。经过旋风分离器之后的高温燃气再经过高温陶瓷过滤器，使燃气中的颗粒浓度降低到最低限度。洁净的燃气进入燃气透平膨胀作功。燃烧室的水冷壁产生蒸汽，在上部自由空间安排过热器，用以

10、使蒸汽过热。PCFB的优点是可以使燃烧室更加紧凑，在流化床的浓相区不设置受热面，避免了埋管磨损问题，和增压鼓泡流化床相比，加料点比较少，机械复杂性有所降低。由于飞灰的循环，使燃烧效率和脱硫效率可以更高，负荷调节能力也得以提高。但也带来装置高度更高，以及受热面布置困难等新问题。目前得到商业应用的第一代PFBC-CC电站采用的是增压鼓泡流化床技术。如图6-1所示。典型的增压循环流化床燃烧联合循环(PCFBC-CC)电站系统如图6-2所示。图6-1 ABBP200型PFBC-CC电站系统-燃烧室；-压力壳体；-燃气轮机；-给煤；-灰排放；-旋风分离养；-发电机；-省煤器；-蒸汽轮机；-冷凝器图6-2

11、 PCFBC-CC电站系统-PCFB锅炉；-高温过滤式除尘熬；-燃气轮机；-热回收装置；-烟囱；-蒸汽轮机；-冷凝器；-水处理；-冷却塔三、第二代PFBC-CC第二代PFBC-CC系统是在第一代PFBC-CC基础上发展起来的，因为第一代PFBCCC发电系统的最大弱点是它的流化床内燃烧温度在900左右，过高的温度使煤的燃烧过程易于引起结渣，也可能使流化床内脱硫过程的效率下降。这就根本上限制了燃气透平的进口温度，使燃气透平的进口温度不能大于870，也就阻碍了燃气布雷登循环效率的进一步提高，以致整个的PFBCCC发电效率难以超过42%。第二代PFBC-CC的概念最早是由英国CRE(Coal Rese

12、arch Eastahlishment)提出的，称之为Topping Cycle。在该过程中(参见图63)，原煤首先在炭化炉中进行干馏，即释放出煤中的挥发分，煤本身成为焦炭；或者除释放挥发分以外，达到部分气化(气化率可达50%70%)，使原煤成为半焦。炭化炉中产生的低热值煤气经过高温过滤式除尘器除尘后的净化气体，进入燃气透平前的前置燃烧室进行燃烧，产生高温燃气。半焦或焦炭则进入增压流化床燃烧室或常压循环流化床燃烧室进一步燃烧，并且使炭化炉中因加入石灰石(或白云石)脱硫剂反应后生成的CaS，在流化床燃烧室的氧化气氛中反应成为CaSO4。半焦或焦炭在PFB燃烧室中燃烧所产生的燃气，经过过滤式除尘器

13、除尘以后，和前置燃烧室产生的高温燃气(13001400)二者混合成为1150左右的燃气进入燃气透乎，这就可以较大幅度提高联合循环中燃气的布雷登循环部分的循环效率，从而使燃气蒸汽联合循环的净效率有可能达到45%47%。图6-3 PFBC顶置循环(Topping Cycle)之一另一种典型的形式是炭化炉产生的焦炭和半焦，并不加入PFB燃烧室燃烧，把它作为常压循环流化床(CFBC)锅炉的燃料，由CFBC锅炉产生蒸汽供蒸汽透平发电，参见图6-4。图6-4 PFBC顶置循环(Topping Cycle)2之二第三节 PFBCCC的关键技术PFBC-CC电站作为一种新的发电技术，有它本身独特的关键技术，主

14、要有如下一些方面：一、环境排放指标控制，即SO2和NOx的控制二、煤在增压流化床中的燃烧技术三、压力条件下加入煤和添加剂四、热灰、渣的压力排放、冷却、输送五、PFBC锅炉床内受热面的抗磨损、抗腐蚀及受热面的合理设计六、高水平的高温除尘七、高温除尘后燃气中含尘量的在线检测八、燃气轮机叶片的抗腐蚀、抗磨损九、热燃气管道和透平上的沉积物的防治十、PFBC锅炉和燃气轮机的负荷调节和过程控制十一、煤在增压状态下的干馏和局部气化技术十二、高温低热值煤气的燃烧技术十三、PFBC-CC系统的经济合理性的设计和配置第四节 PFBC技术发展的各个阶段一、实验室规模研究阶段(一)英国Leatherhead试验装置该

15、试验装置系统如图6-5所示。图6-6为增压流化床燃烧室本体。图6-5中，增压流化床出口燃气分成两股气流，流程分别通过各自的气体净化设备和燃气轮机叶栅试验段。流程1称为“AEP/StalLaval”流程，包括有三级常规的旋风分离器，以研究高灰量工况下叶栅的工作特性。在运行650小时后，认为两级旋风分离器已能达到除尘要求，第三级旋风分离器被拆除。流程2称为“GE”流程，包括有三级旋风分离器，第一级旋风分离器是非常规的，带有耐火衬里、气体切向入口，设计使气体和颗粒有一定的停留时间，用以评定颗粒荷电的效应，为此设计了一种电晕充电器安装在旋风器上游；第二级旋风分离器是混合型蜗壳进风旋风分离器，它与第一级

16、旋风分离器布置在同一轴线上。增压流化床本体由压力外壳和带有耐火衬里的流化床燃烧室组成。燃烧用压缩空气从压力壳的顶部进入，沿着燃烧室的炉壳外部下行，而后转向上行穿过流化床层的分布板。分布板上置有不同材料制成的风帽。两个供煤喷嘴垂直向上穿过分布板，按一定粒度和湿度制备好的煤，在带有锁气器贮存系统中计量后通过旋转阀进入空气输送系统加入流化床内；白云石通过相似的、但较小的另一套系统并由另一个喷嘴加入床内。图6-5 Leatherhead试验装置l-灰尘取样(CURL)；2-Ikor探针；3-PMS激光器和冲击韶；4-X谱激光器；5-灰尘取样(NYSERDA)和电离碱金属监测仪；6-气体分析(02，C0

17、2，CO，S02，NOx)；7-SO2分析；8-光谱碱金属监测仪；9-充电；l0-充电取样器；11-丙烷喷入(再热)；12-燃烧室；13-旋风分离器；14-叶栅；15-叶栅旁路流化床底部截面为0.6lm×0.68m，床顶部截面为1.22m×0.68m，使得靠近分布板的气速是床表面处的2倍。床体有锥度，床深约2.7m，管束布置在流化床分布板以上0.61m至2.44m范围内，由外径为38mm的耐热钢管组成水平布置管束并平行于燃烧室的长边，呈三角形排列，冷却管均匀分布在床内。图6-6 MKVI增压流化床本体l-压缩空气进口；2-管束回路水进口和出口；3-自由空间的挡灰管；4-高灰

18、层溢流口；5-管束；6-点火烧嘴；7-煤喷嘴；8-空气布风板；9-床层排渣口；10-腐蚀探头；11-供腐蚀探头的冷却空气；12-气体出口6m；13-混合挡板；14-气体分流器；15-腐蚀显示探头；16-氧化锆小室氧气探头正常床面以上的自由空间高度为2.1m，床面上有一束密集的挡灰管用以减少床料被带出，从自由空间出来的气体经半截面混合挡板后被分成两股气流进入净化系统。1969年1979年在该装置上完成了由美国能源部(DOE)资助的1000小时试验。试验主要内容是研究流化床内物料的工作特性、燃气轮机叶片合金材料的腐蚀与磨损、气体净化设备的性能等。参加研究工作的单位有：美国电力研究院(EPRl)、瑞

19、典里着重介绍中国东南大学热输入为1MWt的试验装置(SEU PFBC)。(二)SEUPFBC试验装置从1981年起，由国家科委立项，国家计委、煤炭部等资助，东南大学开始了PFBC技术的试验研究，研究工作分为两个阶段：第一阶段(1981年1985年)：建成热输入为1MWt的SEUPFBC试验装置，以掌握各项主要关键技术，以及取得燃烧效率、脱硫效率、埋管传热系数、高温高压除尘粒度、浓度等表征PFBC的主要技术指标为目标。燃用的煤为高灰煤(含灰量57.5%)。第二阶段(1986年1992年)：以长时间试验，考验关键部件工作的可靠性，取得系统的试验数据，为工业化试验提供设计数据为目标，每次连续运行时间

20、为100小时左右，累计运行700多小时。SEUPFBC装置流程如图67所示。原煤经筛分、干燥和加压后用叶轮加料机和气力喷射器将煤经底饲喷嘴输入流化床燃烧室。脱硫剂经另一套相似的系统送入床内。燃烧用空气来自空压机，烟气经旋风除尘系统净化，而后经小孔消声器排放。炉渣经脉冲气力排渣装置排至闭锁料斗中，以维持一定的床层。图6-7 东南大学PFBC试验装置1-煤罐；2-脱硫剂罐；3、4-叶轮加料器；5、6-加料喷射器；7-输送空气压缩机；8-燃烧空气压缩机；9-PFB燃烧室；10-渣斗；1l-灰斗；12-预处理除尘器；13、14-级、二级除尘器；15-流量计；16、17、18-除尘器灰斗；19-灰车；2

21、0-叶栅试验段；21-布袋除尘韶；23-备用煤斗SEU增压流化床本体示于图68，它是由压力外壳和流化床燃烧室组成的双层垂直式结构，外壳直径1.8m，高7.62m，整个炉体吊挂在钢架上。燃烧室床层面积0.184m2(第一阶段试验时为0.216m2)，高5.5m。燃烧室吊挂在压力容器的顶部，并能自由向下膨胀。为了防止炉体因受燃烧脉动或其它原因造成的振动，设置了定位圈。燃烧室流化段由垂直段和扩散段组成，高2.8m。悬浮段的截面积比垂直段的面积扩大一倍，高2.3m。燃烧室内设置了水平埋管，埋管下方沿管轴线以相隔45°角焊有三根FeCrSi防磨鳍片，并设置了用作测量各段传热系数的试验管。图6-

22、8 SEU增压流化床本体1-压力外壳；2-燃烧室；3-悬浮段水冷壁管；4-悬浮段试验管；5-挡灰管；6-流化段水冷壁管；7-上埋管；8-下埋管；9-启动燃烧室；10-布风板；ll-排灰管；12-油喷嘴；13-煤喷嘴；14-脱硫剂喷嘴在燃用高灰煤时，设置了四级除尘器，预旋用扩散式旋风分离器，除去大部分粗颗粒。一旋和二旋均选用Buell型旋风分离器，是国内高温条件下已成功应用的高效除尘器，可除去大部分细尘。三旋采用小多管式分离器，它装有三根经过改进的直筒导叶式旋风管，即EPVE-I型旋风管，用来控制燃气含尘的质量。各级分离器均采用压力外壳保温型式。经过第一阶段的试验，表明过多的级数并不能明显增加除

23、尘效率，高温除尘系统由四级旋风改为二级，拆除了原系统中的两级Buell型分离器，改用PV型高效旋风分离器作为第一级，小多管分离器作为第二级。在每级分离器出口管道上开有采样口，装有专门设计的可调式采样器，它由采样嘴、玻璃纤维滤筒、转子流量计及冲击瓶等组成。用滤筒捕尘称重，用冲击瓶捕尘可得含尘的悬浮液，再用TA型Coulter计数仪、SACP3型离心粒度分析仪、2604C型Maryen激光粒度分析仪及显微镜照片分析等方法分析尘样的粒径分布。该装置经过总计900多小时的试验，达到了较高的技术指标；成功地解决了压力下加料及排渣两项关键技术，保证了增压流化床的正常运行。证实PFBC有着高的燃烧效率。燃用

24、热值高的烟煤时燃烧效率可达99%；燃用高灰煤时，燃烧效率可达98.2%；燃用无烟煤并采用飞灰循环再燃技术时，燃烧效率可达99.8%。以白云石作脱硫剂时，Ca/S摩尔比为1.8左右；以石灰石作脱硫剂时，Ca/S摩尔比为3.5左右。两者的绝对加入量是相当的。脱硫效率均达85%以上。随着煤中含灰量的变化，最后一级除尘器的出口含尘浓度的波动也较大。在燃用高灰煤时，三旋出口含尘浓度可稳定在200mg/Nm3左右；而在燃用热值高的烟煤时，则可降低到150mg/Nm3左右。两者均能除去10m以上的粒子，高温除尘器的总效率为99%99.3%。烟气中NOx的含量在65.5mg/MJ以下，其中约98%是NO。NO

25、x的含量随着过剩空气系数的增加呈上升趋势。对排放的尾气分析还表明，在相同的O2含量下，循环燃烧时烟气中NOx的含量低于无循环燃烧，而循环燃烧时烟气中N20的含量高于无循环燃烧。鳍片埋管的床侧换热系数在320390W/m2·之间，是光管的1.3倍，是悬浮段传热管的7倍。埋管本身没有明显的磨损，磨损显著的部分在鳍片上，而严重的磨损处为最下部的一排埋管的中心鳍片，磨损量经实测为0.864m/h。在SEUPFBC试验装置上进行的试验研究是完全成功的，是我国增压流化床燃烧技术领域的一个突破，为继续开展增压流化床的研究及进入工业化试验打下了良好的基础。二、中间试验(工业化试验)阶段从70年代中期

26、开始，英、美、德和瑞典等国相继转入中间试验(工业化试验)阶段，以期为燃煤增压流化床燃烧联合循环(PFBCCC)发电技术走向商业示范作准备。类型有蒸汽埋管型、空气埋管型、燃气绝热型(无埋管)和透平增压型。我国是第五个进行中试的国家。需要指出的是，英、德和瑞典等国曾经建立的中试装置，都是以研究PFBC锅炉系统为主，而我国的中试装置则是完整的PFBC-CC中试电站，其要求相当于西方发达国家目前进行的商业示范的目标，仅仅是电站的规模较小而已(发电量相当于1/5)。世界各国建立的中试装置有英国IEA Grimethrop蒸汽型PFBC(60MWt)；美国Curtiss Wright公司空气型PFBC (

27、35MWt，13MWe)、燃烧动力公司燃气型PFBC(8.7MWt)、Wilsonville PSDF的APFBC(7MWt)；瑞典ABB Carbon AB CTF蒸汽型PFBC(15MWt)、Gote Verken能源系统AB公司蒸汽型PCFB；德国Aachen技术大学RWTH透平增压型PFBC(40MWt)、Babcock公司DBE蒸汽型PFBC(15MWt，后改为PCFB)；芬兰AhlstromPyropower公司蒸汽型PCFB等。这里着重介绍瑞典的CTF装置和中国贾汪电厂15MWePFBC-CC中试电站。(一)瑞典15MWtCTF装置从70年代早期开始，瑞典ASEA公司就参加了英国

28、Leatherhead装置上的试验研究，中试是在部件试验装置(CTF)上进行的，CTF起先建在Malmo的一个电站中，1986年底迁至位于Finspong的ABBCarbon公司。CTF装置流程示于图6-9，它是蒸汽型PFBC装置，由以下几个部分组成：图6-9 PFBCCTF中试装置1-燃气轮机试验段；2-储灰；3-床料再注入锁斗；4-空压机；5-压缩机驱动装置；6-压力外壳；7-旋风分离器；8-流化床(锅炉)；9-煤斗；10-白云石斗；11-控制室燃烧室，燃烧室由膜式水冷壁构成。分布板处截面尺寸为lm×l.25m，自由空间截面尺寸lm×2m。在床层0.6m至3.3m的区域

29、设置了埋管，构成锅炉的蒸发器和二级过热器，两级过热器之间利用喷水调节控制新蒸汽的温度。最后一级过热器出口的蒸汽参数是10.5MPa和535。给水量根据保持蒸发量来控制，给水压力是13MPa。分布板由水冷膜板制成，大约装有150个空气喷嘴。煤喷嘴位于分布板的中央，还装有床料排除和再注入管。利用GT35燃油燃烧室作为启动燃烧室，装在风室中，床温达到650的开始供煤，当温度达到720时，燃油室自动停止。煤和脱硫剂供给系统：在CTF装置上安装了两种输送系统，一是干法输送系统，一是水煤膏输送系统，称为湿法输送系统。水煤膏可以是煤水混合物，也可以是煤脱硫剂水混合物。床料排出系统；床料由燃烧器底部的管子排至

30、水冷热交换器，被冷却至150，再由旋转送料器经气力输送系统送至接受器，在那里输送空气经分离排至烟道，床料藉闭锁料斗系统降至大气压送至灰井。烟气净化系统：原采用三级普通旋风分离器，后改为两级，直径约1.Om，由奥氏体钢制成，外侧保温。并计划进行其它高温除尘装置(HGCU)的试验。燃机及燃机材料叶栅；为了试验不同的材料，设置了两台燃气轮机和叶栅试验段，燃气轮机是特殊设计的，流速超过650m/s。CTF装置至今已运行了6000多个小时。为美国AEPTidd电站做试验使用的是美国高硫煤(含硫量2%5%)，为西班牙ENDESA Escatron电站做试验使用的是西班牙黑褐煤(含硫量8%)，为瑞典Stoc

31、kholm能源局Värtan电站做试验使用的是波兰硬煤(含硫量0.8%)，这一系列试验都十分成功，主要结果有：燃用烟煤和褐煤都取得了很高的燃烧效率和极佳的环境性能：燃烧效率达到99%，脱硫效率达90%，白云石Ca/S=1.51.6，石灰石Ca/S=23，NOx排放量为70150mg/MJ。两级除尘已满足叶片要求，浓度不是主要问题，但粒子的大小至关重要，不能大于10m。采用两级旋风除尘后的燃气进入模拟GT35型燃气透平的转子，连续工作超过4000小时后，对叶片作仔细检查，未观察到有磨损的迹象。至于腐蚀问题，对未加涂层的叶片，只观察到十分微小的局部腐蚀冲击，对加涂层的叶片则未见有腐蚀痕迹

32、。抗腐蚀的涂层材料有FeCrAlY和CoCrAlY。埋管磨损只要在设计上采取措施，完全可以解决。这些措施是确定合适的表观流化速度(以lm/s左右为佳)，避免任何局部高速区域和提高管子表面温度。解决了旋风分离器细灰无机械阀排放和料斗系统排放连续降压降温排出细灰等问题。(二)中国贾汪电厂15MWePFCC-CC机组东南大学在10年实验室研究的基础上，从1991年开始，承担由国家计委下达的“八五”重大科技攻关项目，采用PFBC技术对燃煤老电站加以改造来构成中试电站的技术路线，选址在徐州贾汪发电厂。设计方案中蒸汽轮机发电系统仍使用贾汪发电厂现有的中压参数凝气式汽轮发电机组，新建一台容量为60t/h的增

33、压流化床(PFB)锅炉，配上新建的燃气轮机发电机组，由此组成燃气/蒸汽联合循环发电系统。经改造后的PFBC-CC机组热输入约为60MWt，发电为15MW，其中蒸汽轮机部分发电12MW，燃气轮机部分发电3MW。贾汪15MWePFBC-CC中试电站的系统流程示于图6-10，由以下几个主要部分组成：图6-10 贾汪15MWePFBC-CC中试电站系统图1-原煤斗；2-干燥风选管；3-破碎机；4-粒煤分离器；5-粉煤分离器；6-常压仓；7-变压斗；8-压力斗；9-给料机；10-快加、排料斗；11-PFB锅炉外壳；12-启动燃烧室；13-冷渣器；14-变压渣斗；15-调节器；16-变压渣斗；17-膜式水

34、冷壁；18-蒸发及过热埋管；19-喷水调温器；20-汽包；21-强制循环泵；22-加、排料装置；23-启动旁路除尘器；24-一级高温除尘器；25-二级高温除尘器；26-燃气轮机(烟机)；27-轴流式压气机；28-齿轮箱；29-电动发电机；30-空气过滤器；31-喷水降温器；32-降压装置；33-余热锅炉；34-过热蒸汽联箱；35-原主蒸汽母管；36-蒸汽轮机；37-发电机；38-凝汽器；39-凝结水泵；40-低压加热器；41-除氧器；42-给水泵；43-高压加热器；44-烟囱燃气轮机系统：选用在石化工业催裂化能量回收装置上已有成功应用的烟气轮机机组，由烟气透平、轴流式空气压缩机(16级静叶可调

35、)及电动/发电机组成，机组以单轴系联轴运转。PFB锅炉及其燃烧和汽水系统：整个PFB锅炉采用双层炉壳，压力外壳直径为7.5m，高19.4m。内部流化床器壁由膜式水冷壁构成，床层截面面积为2.5m×4.3m，流化床高为3.5m，自由空间截面为4.3m×4.5m。由轴流式压缩机提供的压缩空气经膜式水冷壁与外压力壳之间的腔体进入PFB锅炉底部，经布风板进入床层，使燃料流化，燃烧。流化速度为1.01.3m/s，床内燃烧温度为900，压力为0.657MPa。锅炉出口烟气温度为800，经两级高温除尘后进入燃气轮机时，其进口温度为760，压力为0.594MPa。燃气轮机排气温度为467，

36、压力为0.104MPa。然后，排气进入余热锅炉(给水省煤器)加热PFB锅炉给水，余热锅炉的排气温度为140，经烟囱排入大气。PFB锅炉的启动由燃油启动燃烧室承担。在烟道系统中有两条烟气旁路，一条为启动旁路，用作PFB锅炉常压启动时的烟气排放，另一条为安全旁路，用于燃气轮机甩负荷或发生故障时的烟气排放。在安全旁路上设置降温降压设备，以使高温高压烟气安全排放。PFB锅炉的汽水循环采用自然循环和强制循环组成的混合循环。凝结水经凝结水泵打入低压加热器中被加热，再经除氧器除氧后由给水泵分流进入高压加热器和余热锅炉，而后进入汽包。由汽包一路自下降管至锅炉内膜式水冷壁构成自然循环。另一路经强制循环泵至水冷布

37、风板和床内蒸发埋管构成强制循环，经汽包汽水分离后的饱和蒸汽再进入床内过热埋管，经喷水调温后的过热蒸汽由PFB锅炉过热蒸汽联箱引出后，由主蒸汽管接入贾汪电厂主蒸汽母管。对于锅炉的变工况运行，除采取改变给煤量之外，另通过设置床料快加快排系统来改变床层的料量，从而改变床高，以此作为锅炉负荷调节之手段。煤预处理、煤和脱硫剂的添加系统：采用风选技术对原煤进行破碎和分选，保证进入PFB锅炉的煤颗粒为06mm，同时利用燃气轮机排出的热烟气对原煤进行干燥使其含水量低于4%。脱硫剂(石灰石)按比例与煤混合进入燃料常压仓，采用加压锁斗系统，燃料经气力输送至PFB锅炉的底部进入流化床燃烧室。高温除渣、高温除尘及除灰

38、系统：PFB锅炉中的高温灰渣经一非机械控阀排至炉渣冷却罐，由空气将其由850900冷却至大约30后排入变压渣罐，再经气力输送至渣库。高温烟气在进入燃机前经过两级旋风除尘器除去灰尘，第一级为高效PV型旋风分离器，经过它把烟气中粗大煤灰颗粒基本上除去。第二级采用卧式小多管旋风分离器，经过多根卧管分离，将烟气中大于10m的灰粒基本除净，使烟气含尘浓度不大于200mg/Nm3，旋风除尘器分离下来的热细灰经放压、冷却后经气力输送至灰库。表6-1给出了贾汪PFBC-CC中试电站的主要设计参数。表6-1 贾汪PFBCC-CC中试电站的主要设计参数部件参数名称数值单位部件参数名称数值单位PFB锅炉燃烧压力0.

39、657Mpa轴流空压机出口压力0.722Mpa燃烧温度1173K出口温度550K燃烧效率9798%压缩比7.27流化速度1.01.3m/s空气流量27.22Kg/s床高3.5M烟气轮机入口压力0.594Mpa加煤量2.614Kg/s入口温度1033K脱硫剂添加量0.196Kg/s出口压力0.104MpaCa/S摩尔比1.8出口温度740K脱硫率85%发电功率3Mwe 蒸汽量16.667Kg/s蒸汽轮机主蒸汽压力3.43Mpa蒸汽压力3.92Mpa主蒸汽温度708K蒸汽温度723K发电功率12Mwe进行贾汪PFBC中试规模的研究开发有利于培养我国自己的具有工程实践经验(包括设计、运行和调试等)的

40、技术人才和开发新技术，形成我国自己的知识产权，有利于对引进技术、设备的消化、吸收，实现国产化，从而推进我国的PFBC技术的商业应用。三、商业示范阶段商业示范阶段的标志是：80年代末至90年代初，在工业性试验成功的基础上，由瑞典ABBCarbon公司研制开发的P200型PFBC模块为基础，四座PFBC-CC商业示范电站分别在瑞典的Värtan，西班牙的Escatron，美国的Tidd和日本的Wakamatsu成功的建造和运行。ABBCarbon稍后又推出了P800型PFBC模块，首座P800型PFBC-CC电站正在日本Karita电厂建造，发电输出功率为350MWe，计划于1999年初

41、投运，表62给出了已投运的四座P200型PFBC-CC商业示范电站的技术参数。表6-2 国外已建成的P200型PFBC-CC电站技术参数电站名称VärtanEscatronTiddWakamatsu类型2×P200(热点联共)1×P200(凝汽式)1×P200(凝汽式)1×P200(凝汽式)供货商ABB CarbonABB/BWEASEA BabcockABB/IHI投运时间1990.11990.111990.11993.9输出功率(MW)135/224(热)79.5(毛)7071燃气发电功率(MWe)2×1716.515.414.8

42、蒸汽发电功率(MWe)10862.557.156.2效率(%)89(LHV)36.4(HHV)35(HHV)37.5(毛)燃烧压力(bar)12121212床高(m)3.53.53.53.5床内燃烧温度()860860860860过剩空气(%)20152525流化速度(m/s)0.90.90.90.9燃机入口温度()830830830822主蒸汽压力(bar)1379490103主蒸汽温度()530513496593/593(热)蒸汽量(t/h)410216202147凝汽器压力(bar)0.35/0.65(二级)0.0440.0290.051环境温度()5151515设计煤种波兰烟煤黑褐煤俄

43、亥俄烟煤进口烟煤热值(MJ/kg)22.429.0(LHV)8.519.0(HHV)23.328.5(HHV)24.229.0(HHV)含硫量(%)0.11.52.99.03.44.00.31.2灰份(%)82123471220218水份(%)6151420515826给煤方式水煤膏干法水煤膏水煤膏用煤量( kg/s)2×8.4187.27.9脱硫剂白云石石灰石白云石石灰石加脱硫剂方式与煤一起湿法与煤一起干法干法与煤一起湿法脱硫剂用量(kg/s)2×0.572.50.5灰量(kg/s)2×1.6153.51.4脱硫要求30mm/MJ(年均)90%90%50mm/M

44、JNox排放50mm/MJ(年均)150mm/MJ150mm/MJ40mm/MJ粉尘排放5 mm/MJ(年均)40 mm/MJ5 mm/MJ7 mm/MJ上述P200PFBCCC示范电站经过数年不断的改进和完善，通过克服和解决调试运行中出现的问题，主要性能指标已达到或接近设计要求，取得了较好的运行业绩，基本完成了示范机组所承担的任务。这些电站在调试运行过程中发生的故障及主要问题示于表63中。表6-3 示范电站故障一览表电站故障、位置瑞 典Värtan美 国Tidd西班牙Escatron日 本Wakamatsu压力壳裂纹多处焊缝裂缝；深达35mm埋管面积设计不足；后增进不足，曾加25%

45、床内管磨损泄漏水冷壁漏3次，埋管漏2次，管束与后墙间较严重，加装防磨片早期存在，局部轻微布风管故障变形、断裂断裂，后改善煤在床内分布不均匀严重不均匀加煤系统、喷煤嘴初期发生，后解决存在初期管路、喷嘴堵床内结焦加石灰石时发生6wcm大焦块，满负荷床温827以上加石灰石较严重初期燃机故障后对燃料喷嘴吹扫时发生自由空间燃烧份额超时设计值比预计高一旋入口烟温高高一旋入口及料腿燃烧存在存在一旋料腿阻塞陶瓷衬里脆、脱落，尚未解决衬里损坏引起保温材料堵塞一旋下锥体腐蚀存在，后减轻存在旋风排灰系统困难，后改善陶瓷过滤器元件断裂，被拆除元件断裂漏气漏灰，被旁路床灰冷却器冷却不够，后改进采用Vartan方案同左立

46、式汽水分离器液位控制困难，调整后减轻液位失控存在燃机叶片沉积物初期有，换床料 、改进启动步骤后解决燃机振动普遍 、较棘手燃机磨损高压透平入口导叶环，低压透平控制导叶和动叶处磨损燃机叶片损坏高压透平、压气机叶片发现疲劳断裂；低压透平控制导叶片缺陷引起共振，加速疲劳，造成#1机组燃机叶片飞出2片低压透平叶片飞出，损坏严重省煤器沾污积灰严重，引起管子断裂省煤器布置吹灰器有无，后加装有机组控制系统计算机容量不足，后增进不难看出，国际上最早投运的Värtan电站两台机组碰到的问题最多。随后投运的Tidd电站和Escatron电站在运行前就吸收了Värtan电站的宝贵经验，对曾经发生问

47、题的设备进行了改造，少走了不少弯路。而日本Wakamatsu电站建设更晚，在设计过程中就充分吸取了前面四台机组的成功经验和失败教训，投运过程就顺利的多，周期大为缩短。这些示范电站的试运结果表明，压力容器内部件的故障率不高，Vrtan电站在91/92年度运行季节内发生了裸露在耐火涂层外的水冷壁弯管受磨损引起的泄漏事故，将这些裸露的弯管也用耐火涂层覆盖之后就解决了。燃用高灰份褐煤的Escatron电站频繁出现分离器和排灰管路堵塞事故。堵灰主要是由于分离器料腿中耐磨材料内衬损坏脱落造成的，为此加粗了料腿并在料腿出口管路转角处加了松动风，还打算取消耐磨材料内衬改为铁铬硅金，属料腿。人们所担心的埋管受热

48、面和燃气轮机叶片的磨损是很轻微的，运行寿命将比预计的长，但燃气轮机和压气机低压级叶片根部都发现有疲劳裂痕，甚至发生了叶片断裂事故。原因是运行不当发生共振造成的。后来，对燃气轮机和压气机低压级的设计作了修改，并将叶片由铸造改为锻造，同时改进了操作，以免共振现象的发生。在作了这些改进之后，上述PFBC机组的可靠性有了明显的提高，93/94年度Vrtan电站PFBC机组的可用率达到80%，94/95年度采暖季节运行的可用率达到92%，Escatron电站的可用率目前可达到75%，偏低的原因是煤质太差，因而除渣、排灰、给煤等辅助系统的故障较多。此外，该电站的汽轮机已运行了35年，经常出现问题。应该看到

49、，影响机组可用率的许多因素并不完全是PFBC本身的技术问题。新设计的P200机组可用率都要求高于85%，达到目前常规粉煤锅炉机组的水平。截止到1996年2月，这四座电站的五台PFBC机组累计运行时间分别为：Escatron 20930小时，Värtan P413478小时，Värtan P5 16157小时，Tiddll413小时，Wakamatsu 4832小时。目前，Värtan和Escatron电站已投入商业运行。TiddPFBC电站已完成示范任务，于1995年关闭。这些PFBC电站也显示了很好的环保性能。表6-4和表6-5分别给出了这四座P200PFBC-

50、CC电站的脱硫和脱氮情况。表6-4 四座PFBC电站的SO2排放情况电站名称单位设计值典型值最好值Värtanmg/MJ30353脱硫率%92.494999Ca/S3.82.83.02.8Escatronmg/MJ600300450150脱硫率%90919397Ca/S1.81.82.12.1TiddLb/MMbtu(mg/MJ)0.52150.52150.25107.5脱硫率%909095Ca/S2.01.82.1Wakamatsumg/MJ503232目前，在亚洲的日本、韩国、台湾地区，欧洲的捷克，西班牙及美国，已有十余个PFBC-CC电站项目正在进行可行性研究或工程评估实施之中

51、。特别是日本，采取了积极发展的态度，除已在Wakamatsu投入运行的P200PFBC电站，也是采用ABB的技术设计制造的350MWe的P800PFBC-CC电站将于1999年初在Karita投入试运外，日立和三菱公司还在自主开发85MWe和250MWe的PFBC装置，预计将在1998年投运。表6-5 四座PFBC电站的NOX排放情况电站名称单位设计值典型值最好值特殊设施Värtanmg/MJ50（原设计值为70）10500附加喷氨+催化还原或悬浮燃烧Escatronmg/MJ150759070无Tiddmg/MJ260759070无Wakamatsumg/MJ1087272催化还原

52、可以看出，上述PFBC电站实际的SO2和NOx排放都远低于设计值，这表明PFBC技术不必采取其它辅助措施即可满足一般国家现行的排放限制标准。其中，由于瑞典国家环保局制定了十分严格的环保法规，为此，位于其首都斯德哥尔摩市中心的Värtan电站的PFBC装置采用了较高的Ca/S比，同时还通过往炉内喷氨和在尾部设置选择性催化还原装置来进一步降低NOx的排放。此外，由于联合循环的热效率的提高，PFBC电站的C02和粉尘的排放相对减少。PFBC锅炉的除尘器可除去飞灰总量的98%以上，使烟气中的粉尘浓度和粒径达到燃气轮机可以接受的水平，但为了达到更高的环保要求，这些电站的尾部还设置了布袋或静电除

53、尘器，使排烟的粉尘浓度降到10mg/Nm3左右。上述四座PFBC-CC示范电站的投运，使各国看到了PFBC技术的前景。1996年4月，德国又向ABBCarbon订货，用一台P200型PFBC改造Cottbus电站。计划于1996年秋季动工建设，1997年初开始安装设备，1998年夏季试运行，1999年夏季正式投入运行。第五节 PFBC与几种煤的高效清洁发电技术的比较常规粉煤电站在发展中遇到两个突出的问题，首先是电站效率的提高，需付出愈来愈大的代价，其次是排放的烟气处理的代价较高昂：一、提高电站效率的代价我们从表6-6中可见，常规电站在提高其工作参数时，发电效率的提高愈来愈少，而代价愈来愈大。从

54、高压蒸汽参数电站至超高压蒸汽参数电站，效率提高十分显著，从亚临界参数提高到超临界参数，效率仅提高1.6%，而制造的成本却大幅度增加，对金属材料的要求也提高了许多，我国现在还正在为能制造超临界电站设备进行着努力。但是尽管如此，人们仍在发展超超临界蒸汽参数的电站，目前国际上最先进的已达到320MPa，595的过热蒸汽温度，到下世纪还计划使过热蒸汽温度达到640左右。因此随着单一的蒸汽循环发电的电站效率趋于饱和，要进一步提高电站的发电效率，只有走联合循环发电的道路。以燃油和燃用天然气的联合循环电站来说，世界上已经大规模商品化，它的发电效率已经达到了52%54%，不久的将来能达到58%，这是单纯蒸汽发

55、电所不能比拟的，前者比后者的发电效率高出十多个百分点。对于燃煤电站，由于技术上的原因，还需要有一个发展的过程，但是它的发展方向已经为世人愈益明确。表6-6 常规粉煤灰电站的发电效率电站类型高压超高压亚临界超临界超超临界蒸汽参数9.0/535MPa/13.5/550/550MPa/16.5/550/550MPa/22.5/565/565MPa/32.0/595/595MPa/发电效率(%)30.5373839414344二、除NOx、SO2的设备投资和运行费用常规电站除SO2的设备投资和运行费用都比较高。例如最普遍为发达国家所采用的湿式洗涤工艺设备，每千瓦的投资为160240美元，占常规电站投资的15%20%。它的占地面积也比较大，占电站总面积1/6左右。按国际能源机构煤炭研究组织的调查，1992年末全世界十七个国家的燃煤电站安装了各种电站烟气脱硫设备(FGD)646套，总装机容量达167GW，其中美国308套，德国208套，日本51套