基于流态重构的节能型循环流化床锅炉技术(岳光溪)

因为循环流化床上部的快 速床在同一流速下具备多 态性，因此应该在设计循 环流化床时，确定了一个 快速床状态作为满负荷计 算的基准。即在满负荷条 件下的流化风速和物料循 环量（或严格讲-物料沿 床高浓度分布）是确定量。 相应传热系数沿床高的分 布也是确定的。 在流化风速确定条件下， 定态设计确定的态需要通 过控制床料存量-即床压 降来实现。
12000
压力，Pa
8000
成灰粒度
4000 20
0 0 0 2000 4000 6000 8000 0 1 2 3 4 5 6
给煤颗粒粒度，µm
工况
床存量在7.3-3.2KPa范围内均可实现满负荷稳定运行。降低床压降主要影响了燃 烧室下部密相区高度。对上部快床物料浓度分布影响较小。3.2KPa存量能满负荷 运行说明能形成快速床的有效床存量远远小于人们的预期值。
1
2
150 传热系数 K W/m o C
3
距布风板高度,m
12
100 Wang Y Jestin Blumel Keith Andersson Jin 0 4
8
50
4
1-T b =900 o C; T f=250 o C 2-T b =880 o C; T f=250 o C 3-T b =860 o C; T f=250 o C 16 20
40
30
炉膛高度m
20
Pr
10
二次风
0 0 100 200 300
3
+
0
=
0
100
200
300
3
50
100
总悬浮浓度kg/m
粗颗粒浓度kg/m
细颗粒浓度kg/m3
因此无论有效床存量或无效床存量均有优化调整的空 间。
用循环流化床流态图谱优化有效床存量
30 A 技术 25 取料携带率 GS kg/(m2⋅s) B 技术 C 技术 D 技术 15 E 技术 推荐 10 颗粒粒径 5 软煤(褐煤) 硬煤(无烟煤) 流动下限 F 技术 G 技术 H 技术 I 技术 一级旋风筒 磨损极限 (两级旋风筒) 20
流态重构 床料量调整
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
流化速度 uf m/s
悬浮浓度分布 燃烧份额分布 传热系数分布 锅炉受热面结构 设计
燃烧效率 受热面磨损 风机能耗
研究证明可以降低有效床存量，仍 然保持在图谱规定的可选区域。
用多粒度物料平衡和颗粒平均停留时间优 化无效床料存量
无效床存量形成的鼓泡床扬析是造 成燃烧室下部水冷壁磨损的主因， 应当尽量减少。但是受限于大颗粒 燃尽时间。 根据清华开发的物料平衡模型分析 不同粒度颗粒停留时间 根据不同粒度燃料燃烬时间曲线确 定所需的该粒度颗粒存量 计算发现大颗粒燃料燃烬所需的床 存量远小于目前广泛认同的数量。 因此降低无效床存量是可能的
1）改进分离器的分离效率 2）改进物料回送装置的流动特性 3）注意控制燃料粒度达到设计要求。 4）更新传热系数和燃烧份额分配设计导则。
流态重构对燃烧效率的影响
停留时间随有效床压降的降低而降低 二次风射入深度随局部悬浮浓度降低而增加 氧气扩散随局部悬浮浓度呈非线性变化
0.0100 0.0090 0.0080 0.0070 Dr(m^2/s) 0.0060 0.0050 0.0040 0.0030 0.0020 0.0010 0.0000 0 5 10 15 20 25 颗粒浓度(kg/m^3)
1 CFB锅炉燃烧技术面临的三大问题
相同燃料，循环床燃烧效率仍然低于煤 粉炉 厂用电耗比煤粉炉高1-2% 燃烧室受热面磨损严重，锅炉可用率低
1 课题研究目的
通过对流态进行重构，在保持原有循环 床煤种适应性强和污染排放控制成本低 的优势条件下，寻找一个最佳循环床流 化状态实现厂用电大幅度降低和可用率 大幅度提高的目的。
工程验证
山西离石大土河热电厂 三台太锅75t/h中温中 压循环流化床锅炉， 2003年底投入运行，燃 用3500-4000Kcal洗中 煤，燃料粒度<8mm。 2005年，对该锅炉进行 了物料平衡系统的改进。 为流态重构提供必要条 件。2007年1月运行， 实现了锅炉床存量在 7.3－3.2KPa范围的满 负荷运行。 2007年7月进行4个床压 降的热态测试
我国对洁净煤技术的需求
燃煤在中国引发了严重大气污染；洁净煤技术是 解决污染的核心。
循环床燃烧在洁净煤领域的地位
CFB，IGCC，PFBC，PC+FGD 四大清洁煤技术 中技术成熟度最好的为CFB和PC+FGD。 我国已经形成了300MWe 以下采用CFB燃用劣质 煤，300MW以上采用PC+FGD的清洁煤发电大格 局。CFB总容量超过55GW，占04年燃煤发电 17%。
根据循环流化床物料开口系 多粒度平衡原理，用终端沉 降速度可以将床内物料区分 为有效和无效床料。 可夹带的有效床料，构成燃 烧室上部的快速床和形成外 部循环，影响炉膛内和外循 环回路的受热面布置。用图 谱解决有效床料量的优化问 题。 不可夹带的无效床料，无法 参与循环，底部密相区粗颗 粒的床存量受限于粗颗粒燃 料燃烬时间，其副作用是增 加风机能耗、受热面磨损。
流化定态点已经超出了国内外传统循环 流化床锅炉流程专利规定的流化状态范 围，是一个性能领先，并具有完全自主 知识产权循环流化床燃烧流程。据此已 经申请了发明专利，（专利名称：低床 压降循环流化床锅炉燃烧工艺方法。专 利申请号：200710176731.1，公开号： 101149146）。
技术鉴定结果
循环床锅炉流态设计图谱
30
取料携带率 GS kg/(m2⋅s)
清华所建立的循环床流态图谱以 流化风速和物料携带率两个参数， 给出定态设计选参数的指导图。 图谱明确了循环流化床燃烧室上 部细颗粒物料所形成的快速床状 态可选区域。通过图谱判断“定 态”的合理性。 显然，可以通过该图谱调整设计 流化风速和携带率（即调整可夹 带细物料的床存量）改变循环流 化床上部快速床的状态。
2008年10月12日，由山西省经委与国家教育部 联合主持对流态重构循环流化床燃烧技术及产 品进行了技术鉴定。由秦裕琨院士领衔的鉴定 专家组对该技术给予了高度评价。 鉴定结论指出：“本技术在维持循环流化床锅炉 原有优点的基础上，在降低循环流化床锅炉主 要耗能辅机－ 风机电耗和减轻燃烧室受热面磨 损等方面处于国际领先水平，对循环流化床锅 炉节能，提高可用率意义重大。”
0 750
0
800 850 900 950
炉膛温度, oC
8 12 悬浮浓度 D kg/m 3
床存量从7.3-3.2KPa ，燃烧室温度提高17度，相应传热系数的改变仅相当于受 热面5%的变化。证明燃烧室上部快速床物料浓度的改变是有限的。在该物料浓度 下，传热系数进入缓变区域。
工程验证结果－飞灰含碳量
2 流态重构的理论研究的基础 －－循环床燃烧理论体系
清华通过20年的连续科研，对循环流化床燃烧理论形成了系统的认识 基于快速床的流型判据
循环床两相流理论
多粒度系统物料平衡概念 燃煤成灰及磨耗特性决定的粒度演变概念
循环床传热理论
气固两相流传热的主导控制机制 燃烧室二维传热系数分布概念 燃烧份额一维分配概念
75 t/h, O2 1.6%
Carbon Content in bottom ash/%
Carbon Content in fly ash/%
75 t/h, O2 1.6%
75 t/h, O2 3.6% 440 t/h, O2 4.0% 150 t/h, O2 3.6%
75 t/h, O2 3.6%
流态重构后机组经济性数据
一期工程三台75t/h机组较改造前厂用电节约了2.5%。 累计年节约厂用电500万度。 锅炉燃烧室长期运行没有磨损。机组可用率达到 95%以上。年节省设备检修费用10％以上。 二期工程为两台150t/h高压循环床炉。完全按照流态 重构节能型设计。运行后节能降耗性能类似。
专利的形成
5 基于流态重构的节能型循环流化床锅炉 技术产品的应用 至今75t/h容量循环床已经有5台投运， 燃用煤种涵盖了次烟煤，无烟煤。订货 近40 台。150t/h高压循环床已有2台投 运。220t/h炉即将投运。 正在策划135MWe CFB 的流态重构节能 改造项目。
6 技术前景分析
基于流态重构的节能型循环流化床燃烧技术， 一举克服了厂用电高和磨损两个问题。厂用电 至少可以降低1%，由于该技术既能用于新的 节能型循环床锅炉，也可以对传统循环床锅炉 实施节能改造，如果在全国推广，按照目前现 55GW 有55GW循环床发电能力，按年平均可用率 5000小时，至少节电25亿千瓦时，节约标准煤 约700万吨/年，减少二氧化碳排放约3000万吨 /年。同时，锅炉磨损的降低使得锅炉可用率 增加，检修维护费用相应降低。这是我国节能 降耗的重要技术。 新的节能型循环流化床综合性能，技术经济指 标可以与煤粉炉竞争。
Harris et al, 2003, CES
Chen et al, 2008, PT
理论上可能存在一最佳床压降？
O2
最低优化床压降， 即可以维持快速 流化状态，保证 传热性能要求， 又降低过渡区物 料浓度，减轻受 热面磨损及风机 电耗并获得最高 燃烧效率
t △P
4 工程验证及专利的形成
2002年，江苏华盛纸业的AEE公司提供 的250t/h循环床锅炉上运行中发现，适 当降低床存量可以明显提高燃烧效率。 2003 2003年在江苏新苏热电的75t/h循环床上 75t/h 第一次进行降床压降试验。证实可行。 2004年山东淄博135MWe循环床锅炉进 行的降床压运行试验也证实了这个猜测
A技 术 25 B技 术 C技 术 D技 术 15 E技 术 推 荐 10 颗粒 粒径 5
F技 术 G技 术 H技 术 I技 术 磨极 损限
(两 旋 筒 级风)
20
一旋筒 级风
流下 动限
软 (褐 ) 煤 煤 硬 (无 煤 煤 烟)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
流 速 uf m 化 度 /s
循环床流态图谱
3 循环床流态重构的可行性
工程验证结果－给煤量及风机电流
相同负荷，降低床存量（7.3-3.2KPa范围），给煤机转速降低。证实随 床压降降低，锅炉效率在提高。
工程验证结果
流态重构改进给锅炉带来大幅度的节能成果。
工程验证结果－温度及传热系数
20
200
16
75t/h, 3220Pa 75t/h, 3830Pa 75t/h, 5680Pa 75t/h, 7330Pa
工程验证结果
20000
100
16000
80
1: 2: 3: 4: 5:
75t/h, 3220Pa 75t/h, 3830Pa 75t/h, 5680Pa 75t/h, 7330Pa 50t/h, 3540Pa
回料风室压力 炉膛压降 回料阀压降
累计质量份额，%
60
Hale Waihona Puke 4075t/h, 3220Pa 75t/h, 3830Pa 75t/h, 5680Pa 75t/h, 7330Pa 50t/h, 3540Pa
实现降低床存量的原则和技术路线
以图谱为指导，适当降低构成快速床的有效料床存量。 以大颗粒燃烬为限制适当降低构成循环床下部鼓泡床 的无效床存量。避免多余存料量引起的不必要的风机 能耗和受热面磨损在理论上是可能的。 技术路线是提高床质量，降低床存量，达到减少能耗 和磨损的目的。 对循环流化床物料平衡系统的分析证明：为提高床料 质量，降低床存量的手段是：
循环床燃烧理论
相间传质阻力理论 稀相气体混合理论
循环床内气固两相流理论的核心
1循环床为开口系多粒度 平衡概念。影响物料平衡 的因素归纳为两点： 煤的成灰磨耗特性和循环 系统的综合分离效率。 2确认循环床上部流型为 “快速床”，并非扬析夹 带。下部为鼓泡床。因此 循环床上部的流型具备多 态性。
循环流化床锅炉定态设计概念
2000
4000
6000
8000
10000
2000
4000
6000
8000
Bed Pressure Drop/Pa
Bed Pressure Drop/Pa
最佳化床压降应该是燃料性质，给煤粒度，燃烧室高度的 函数。 综合该厂75t/h炉和150t/h的测试结果，本洗中煤的最佳床 存量在3.5KPa左右。
基于流态重构的 节能型循环流化床锅炉技术
清华大学 太原锅炉集团有限公司 大土河热电厂
报告内容
1. 2. 3. 4. 5.
6.
研究背景和目的 循环流化床流态重构的理论研究 循环床流态重构的可能性 工程验证及专利的形成 基于流态重构的节能型循环流化床锅炉 技术产品的应用 技术前景分析和展望
1 研究背景和目的