碳中和目标下循环流化床锅炉技术的展望
时间：2023-05-29 20:30:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
吕俊复， 周 托， 张 扬， 吴玉新， 黄 中，张 海， 张 缦， 岳光溪
(清华大学 能源与动力工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)
循环流化床(CFB)锅炉由于其卓越的燃料种类适应性、污染控制经济性和运行范围灵活性等优势，在我国受到长期重视，近年来取得了长足的进步，引领了该领域的国际发展[1]。CFB锅炉在电力行业应用广泛，总装机容量超过1亿kW，解决了劣质煤高效清洁利用问题。
实现碳中和是一个长期的过程，在此过程中，煤电份额逐步下降，因此要在逐渐减少的过程中充分发挥好煤电的支撑作用[2]。实现2030碳达峰、2060碳中和目标的重要方面是构建以新能源为主体的新型电力系统。新能源的间歇性、波动性和随机性对电力系统的安全造成巨大冲击。大量的研究表明，即使是碳中和场景下，也要维持一定的煤电装机容量[3]，但其作用从提供发电量转化为调节性电源，托底新能源为主要电源的电网安全。这一功能性变革对燃煤发电机组的灵活性提出了更高的要求，为CFB锅炉技术的发展注入新动力。CFB锅炉在运行灵活性、环保性和经济性方面具有更大的优势，在碳达峰和碳中和背景下可以发挥更大的作用[4]，笔者分析了该技术的发展方向。
CFB燃烧的重要特征是炉膛、分离器和返料阀构成主循环回路，见图1。炉膛下部密相区的床料在一次风的作用下流化，大于最小流化速度的气体以气泡的形式穿越床层，见图2，在床表面气泡碎裂，将构成气泡周界的颗粒以及气泡气中的颗粒抛向上部空中，进而在二次风以及燃烧形成的烟气的作用下携带颗粒上行，其中终端速度大于气流速度的大颗粒在重力作用下落到床层，细颗粒在上行过程中发生团聚、颗粒团逐渐长大、上升速度逐渐降低。当颗粒团的直径增大到其终端速度大于气体速度时，颗粒团开始下行，被受热面冷却并被上升的气流冲刷、变小直至消失，颗粒进入主流区上行，如此反复，延长了颗粒的停留时间，完成了颗粒向壁面的传热，实现了下部密相区的热平衡。燃料进入炉膛后，与数十倍的高温床料混合，燃料颗粒的温升速率高达104K/s，床料能够提供足够的热量用于燃料着火，这是CFB锅炉燃料适应能力强的基础。因此，高温物料及其循环流动为CFB传热、燃烧和污染控制提供了气固流动条件。
图1 CFB燃烧过程中的气固流动Fig.1 Gas-solid flow in the CFB combustion process
图2 CFB密相区中的气泡Fig.2 Bubbles in the dense zone of a CFB boiler
由于CFB燃烧中不存在着火及火焰稳定性问题，因此其具有燃料灵活性和深度低负荷稳燃的先天优势。若不考虑水动力安全性问题，CFB锅炉的低负荷下限由稳定燃烧转化为稳定流化。流化需要的风速与床料粒径有关，目前给煤粒度一般为0～8 mm，若床料粒径严格不超过5 mm，在安全流化所需要的风量下，床温维持的温度必须高于燃料着火温度，此时对应的最低燃料量对应最低负荷能力。若不控制过量空气系数以及忽略NOx、SO2对燃烧参数的控制约束，低负荷只保证稳定燃烧，考虑到此时贴壁下降流的量很小，则可获得不同负荷率下床温达到的上限值，布风板收缩率45%、400 mm床料条件下的床温(tb)见图3。在某负荷下，烟尘排放由除尘器控制，硫排放由烟气脱硫保证，采用降低一次风氧含量控制NOx的原始排放。对于着火温度低于650 ℃的煤种，在对循环系统不进行干预条件下，保证低负荷稳燃的负荷可降至额定负荷的15%左右；
若干预物料循环，则5%负荷下床温可高于680 ℃，低负荷稳燃能力更强。
图3 不同负荷下的床温Fig.3 Bed temperatures at different loads
运行经验表明，经过系列的合理操作，可以通过瞬时停风使CFB锅炉进入压火状态。此时炉膛上部悬浮的热物料回落到炉膛下部形成堆积的散料床层，通过上表面向炉膛上部四周水冷壁和悬吊受热面辐射换热以及耐火材料向四周和布风板水冷壁热传导，床温逐渐下降(见图4)，但床温下降比较缓慢[5]。压火之后，蒸发量锐减，但由于床料、耐火材料和受热面金属的蓄热，蒸汽流量维持在较低水平，在4 h之内约为额定蒸发量的1%，这一流量足以维持汽轮机的转动，使机组处于热备用状态，一旦需要，机组则可以迅速启动。因此，粗略来看，CFB机组具有0%～100%的深度调峰能力，并具有零负荷热备用特征，是灵活性煤电，可以更好地适应电网中新能源消纳方面的需要。
优异的低负荷稳燃能力得益于CFB热惯性和燃烧惯性大，但这也会导致变负荷速度较低。CFB传热机理表明，合理粒度的有效物料存量是传热的关键。负荷变化过程中，床温变化较小，传热调节的主要途径是调节有效物料存量。由于这些床料累积需要时间，因此升负荷较慢；
降负荷亦然。因此可以通过设置有效循环颗粒物料、有效燃烧燃料颗粒系统以及高温物料存储系统，可以快速改变炉膛灰浓度。初步测算，爬坡速率可达3.8%/min，降负荷速率可达5.3%/min。有关这方面的研究还在进行当中。
图4 CFB锅炉压火后的床温和相对蒸发量Fig.4 Bed temperature and relative evaporation capacity after shut down in a CFB boiler
CFB燃烧的重要优势之一是利用炉内脱硫和低氮燃烧低成本就能满足绝大多数国家排放标准，但是不能直接达到超低排放[6]。研究表明，在CFB燃烧条件下，气固流态会影响整体化学反应过程[7]，优化气固流态以调控化学反应来控制污染排放的探索取得了重要进展[8]。由于CFB锅炉中产生的NOx主要是燃料型NOx，其生成和还原与反应气氛密切相关。密相区中，燃料总是位于乳化相中(见图2)，乳化相近似处于初始流态化状态，则颗粒间气体流速为最小流化风速，与床料颗粒性质有关：颗粒越细，最小流化风速越低，位于乳化相中的燃料颗粒从颗粒间流过的气体中获得的O2越少；
气泡中的O2通过乳化相颗粒扩散到燃料的扩散系数也受到床料粒径的影响，颗粒越细，气体传质阻力很大。因此床料越细，乳化相中燃料颗粒越缺氧，NOx生成越少。若进一步降低一次风份额或者降低一次风中氧浓度，则更利于降低NOx生成量。
CFB锅炉炉膛上部气固流动的重要特征是颗粒团聚[9]。位于稀相区的燃料颗粒大部分位于颗粒团中(见图5)，其热解、燃烧和传质传热行为与乳化相中燃料颗粒相似：一方面，颗粒越细，团聚倾向越强，循环流量越大，团聚程度越高；
另一方面，颗粒越细，颗粒团中燃料生成NOx越少。
图5 CFB稀相区的颗粒团聚Fig.5 The agglomeration in the dilute zone of a CFB boiler
CFB燃烧中，抑制燃料型NOx生成会导致CO和CH4等还原性气体局部浓度增大。还原性气体进入旋风分离器后，旋转流动改善其混合程度，还原性气体一方面进一步还原已生成的NOx，另一方面与O2反应、燃尽。CFB温度低、燃烧反应速度较低，需要更大的焦炭反应面积，这些表面也是NO还原反应的表面。
提高分离器效率可以降低CFB床料粒径。分离器效率提高，必然会提高物料循环量，进而强化上部稀相区的颗粒团聚。在分离器效率提高的前提下，可以用更细的石灰石脱硫，从而提供更大的脱硫反应表面积，在低氮燃烧的同时提高炉内脱硫效率[10]。因此可通过降低CFB床料粒径、增加循环量来调整气固流态以调控NOx生成，提高炉内脱硫效率。该技术实践中取得了系列成功[11]。
值得注意的是，在灵活性运行条件下，硫氮污染物超低排放是一个难题。在深度调峰运行条件下，烟尘排放由除尘器控制，SO2排放由烟气脱硫控制，但此时的烟温条件无论是非催化选择性还原(SNCR)还是催化选择性还原(SCR)均难以达到设计温度范围，必须依赖炉内燃烧控制，初步实践表明，对此CFB锅炉有解决空间，这一问题还需要深入研究。
可再生能源不稳定对电网安全性的冲击问题使人们清醒地意识到现阶段煤电是供电可靠性的保障。在煤电份额逐年下降的长期过程中，若没有替代能源的颠覆性突破，一方面由于运行寿命燃煤机组要大规模退役，另一方面还不得不新建相当规模的燃煤机组。而由于煤电所处的运营和经济环境的根本变化，更新的机组在技术上不仅要比现有的指标更先进，而且必须适应现代电网越来越多地消纳可再生能源的发展趋势。为此，美国2019年启动了所谓的“Coal FIRST”燃煤发电研发计划。该计划的核心思想之一是小容量、与2050年可再生能源市场渗透率相适应的高爬坡率和最小负荷运行能力，还要兼具掺烧天然气和生物质等低碳燃料的潜力[12]。
多年来，CFB锅炉的发展方向是高参数、大容量，系统地解决了大尺寸CFB锅炉炉膛的气固流动与传热[13-14]、超临界和超超临界水动力等难题，为小型高参数CFB机组的开发提供了丰厚的技术积累。由于汽轮机的限制，小型高参数CFB锅炉目前主要用于背压机组以降低供电煤耗。
近年来，小型高参数CFB锅炉取得了重要进展。例如浙江新中港热电股份有限公司的220 t/h超高温亚临界CFB锅炉，蒸汽温度采用超临界机组中常见的570 ℃；
为便于运行调节，采用汽包炉，选用亚临界压力17.3 MPa。为与原有蒸汽系统衔接，再热蒸汽为中温中压。锅炉总图见图6，是目前该容量等级中蒸汽参数最高的锅炉。
图6 220 t/h亚临界CFB锅炉Fig.6 220 t/h subcritical CFB boiler
该机组投运以来，运行可靠，满负荷出力下，给水温度为255 ℃，主蒸汽压力为16.6 MPa，主蒸汽温度为564 ℃；
为便于与原有蒸汽系统衔接，再热器进口蒸汽压力为4.53 MPa，再热器进口蒸汽温度为387 ℃，再热器出口蒸汽压力为4.25 MPa，再热器出口蒸汽温度为435 ℃；
床温为888 ℃，炉膛出口烟气温度为891 ℃，返料温度为896 ℃，排烟温度为137 ℃。采用炉内石灰石脱硫+半干法脱硫，脱硫塔进口SO2质量浓度为43.8 mg/m3，出口SO2质量浓度为1.2 mg/m3；
采用SNCR脱硝，NOx排放质量浓度为25.2 mg/m3。运行结果显示了该机组良好的可靠性、经济性和环保性。
开发亚临界、超临界小容量CFB锅炉以及相应的汽轮机组是一个重要的发展方向。
农林废弃物等生物质直燃发电具有与传统化石能源相同的可调度性[15]，在以新能源为主体的新型能源系统中占有独特重要的地位。近年来，我国大力发展生物质直燃发电技术，截至2020年底，已装备各种生物质发电机组约3 000万kW。我国具有丰富的生物质资源，折合每年7亿t标准煤，可支撑1亿kW的装机容量。由于生物质资源的分散性，不宜建设大容量的生物质发电机组。国内外纯燃生物质时多采用室燃或层燃，但这两类技术对生物质种类的适应性要求均比较苛刻[16]，燃料成本高，炉膛水冷壁和对流受热面的沾污严重，高温受热面发生腐蚀[17-18]，限制了蒸汽温度，国内外绝大部分纯燃生物质电站锅炉的蒸汽参数均以次高压和高压为主，导致纯燃生物质发电机组供电效率不高，经济上缺乏竞争力。
根据生物质锅炉受热面腐蚀的发生机理(见图7)，针对CFB锅炉的炉内高温受热面防沾污腐蚀，研究人员提出将高温过热器和高温再热器等高温受热面布置在炉膛中，利用物料循环对受热面反复冲刷，以“磨”抗“污”，保持高温受热面表面清洁，从而降低高温受热面表面腐蚀速度，突破了生物质锅炉提高蒸汽参数的技术瓶颈[16]。与此同时，炉膛中的高浓度物料对烟气中蒸发的碱金属盐蒸气有更强的吸附作用[19]，减少了高温受热面表面沾污，抑制了腐蚀的发生。
生物质燃烧产生的烟气流经对流受热面时，含盐蒸气随着烟气冷却逐渐冷凝吸附在金属表面和伴流的飞灰颗粒表面，形成管子表面的底层黏性层和融黏颗粒，融黏颗粒进一步在烟气冲刷受热面时沉积下来，形成对流受热面的沾污。该过程受烟气速度、灰浓度、颗粒粒度和来流方向等影响，尤其是流动的固体边界即绕流表面曲率影响显著。通过大间距、小管径、平行流及低烟气速度设计，可以利用管间绕流减小融黏颗粒的液桥力，有效防止或缓解对流受热面表面沾污和积灰[16]。
图7 沾污和温度对金属受热面腐蚀速度的影响Fig.7 Effect of fouling and temperature on the corrosion rate of heating surface
生物质灰中含有大量钾、钠等碱金属，灰熔点比较低，存在床料结焦的风险[20]，因此需要精确计算炉内传热和设计炉内受热面，以确保运行床温在设计值。在一定床温下，炉膛中物料浓度决定了传热系数。针对生物质燃料的灰分特点[21]，通过提升关键部件的性能并利用秸秆夹带外在灰分实现生物质CFB锅炉的高品质物料循环[15]。
生物质含硫量普遍较低，利用其本身灰分的自脱硫作用，可实现SO2原始排放浓度。利用高性能的物料循环形成的强还原性气氛，以及较低的床温可有效降低NOx原始排放浓度[15]；
再辅以SNCR作为工程保证措施，可实现NOx超低排放。
高参数达到超高压一次再热的纯燃农业秸秆的生物质CFB锅炉成功系列化应用，包括40 MW (130 t/h)、80 MW(260 t/h)和125 MW(384 t/h)锅炉，这些机组运行良好，突破了纯燃秸秆CFB锅炉蒸汽参数不超过高温高压、不再热的国际禁区。与高温高压相比，超高压一次再热生物质CFB锅炉的发电量提高了21%。这些生物质锅炉投运以来，均可在30%～105%额定负荷范围内稳定运行，突破了CFB锅炉燃烧秸秆普遍面临的受热面沾污问题，连续运行时间超过10个月，实现了烟气中NOx和SO2的超低排放。未来还可进一步提高蒸汽参数，开发亚临界及超临界生物质直燃锅炉，以获得更高的发电效率。
CFB锅炉中的高温物料为燃料着火提供足够的着火热，具有优异的燃料适应性，这为将生物质、污泥和工业可燃废弃物等低碳燃料在CFB锅炉中混烧提供了条件。与煤粉炉生物质掺烧存在的腐蚀和结焦等问题[22-23]相比，CFB锅炉中掺烧生物质简单，由于生物质的热值和燃烧行为与煤有相同之处，无需进行重大改造，但生物质燃料系统(包括存储和上料等)面临重大挑战。
煤电机组掺烧废弃物可以利用成熟的烟气净化技术，实现废弃物的资源化清洁利用。目前，工业固体废弃物在CFB锅炉中掺烧非常普遍。这些工业废弃物除了煤泥和矸石等来自煤炭工业的废弃物之外，还包括皮革布条、废纸残渣、气化残渣、木质废物、化工废液、废弃润滑油、印染污泥、市政污泥、造纸污泥、河道淤泥、化工尾气、生化废气和低浓度煤层气等低碳燃料，有时甚至包括有毒的有机废液或者没有热值的废弃物。固体废弃物可以随主燃料一起入炉，也可以通过单独的废弃物入炉口依靠重力入炉，液体废弃物通过雾化配风装置喷入炉膛，浆体废弃物多采用泵送系统从炉顶或者中部挤压入炉，气体废弃物经位于二次风口中的燃气喷口进入。
CFB锅炉掺烧低碳燃料是降低电力生产碳排放的重要举措，同时减少废弃物处理费用，实现废弃物的资源化利用。社会对此需求旺盛，各种容量CFB锅炉均有成功的案例。
针对CFB锅炉存在的负荷变化速率低的问题，提出了粉煤CFB(PC-CFB)锅炉的概念[24]。该技术保留了CFB燃烧的优势，又吸收了煤粉炉燃烧响应快的优点，采用0 ～1 mm给煤，确保床料中的颗粒直径小于1 mm，若分离器和返料阀具有良好的性能，则床质量即床料粒度可以达到非常理想的水平，循环量也很大[25]，具备更强的低负荷稳燃能力、更快的升负荷速率、更低的NOx原始排放、更少的炉膛受热面磨损及更低的风机电耗[26]。
为减少投资以及启动需要成本，考虑到CFB燃烧特点，粉煤制备系统不考虑容量冗余，启动过程或者粉煤制备设备出现故障，原煤直接入炉。同样的原因，设计和运行中磨煤机的数量最少可以为1台。干燥剂携带粉煤离开磨煤机后进入气固分配器进行气固分配，颗粒和少量制粉乏气从下部进入炉膛，制粉乏气及其携带的少量细煤粉通过乏气风口进入炉膛(见图8)，关键设备包括磨煤机和气固分配器。工业试验表明，适当调整中速磨煤机的操作参数(如干燥剂流量及其温度)可以可靠经济地制备出0～1 mm的粉煤。
1-原煤斗；
2-入磨给煤机；
3-磨煤机；
4-入炉给煤机；
5-气固分配器；
6-乏气风口；
7-石灰石粉仓；
8-给粉机；
9-炉膛；
10-分离器；
11-二次风空气预热器；
12-二次风机；
13-一次风空气预热器；
14-一次风机；
15-除尘器；
16-引风机；
17-烟囱。图8 PC-CFB锅炉燃烧系统Fig.8 Diagram of the PC-CFB boiler combustion system
煤粉炉中煤粉主要考虑燃烧需要，但在CFB锅炉中不用考虑着火和火焰稳定性问题，干燥剂和系统构建的约束很少，因此可以借鉴煤粉炉制粉系统的经验。干燥剂采用热空气，由一次热风分流并可混合冷风形成，经过测算，一次风压头满足需求。鉴于粉煤的粒度范围要求(0～1 mm)，通风速度应保证对1 mm颗粒有携带能力。
粉煤CFB燃烧技术已经开始进行工业试验，但还是探索中的技术，初步试验结果达到了预期目标。该技术在运行灵活性、排放环保型和整体经济性上的优势显示出其良好的发展前景。
构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳中和目标的重要途径，这为CFB锅炉的发展提供了新动力。CFB锅炉发展面临一些新的方向：(1) CFB锅炉零出力热备用的深度调峰技术，通过循环干预、燃烧强化和炉内储热来提高变负荷速率；
(2) 改变床料颗粒粒径以调控燃烧反应过程，可以降低炉内NOx原始生成量，因此CFB锅炉在实现灵活性条件下的超低排放更具优势；
(3) 开发小容量亚临界甚至超临界CFB锅炉，改善煤电的灵活性和经济性；
(4) 发展高蒸汽参数生物质直燃锅炉，提高纯燃生物质发电项目的供电效率和经济性；
(5) 利用CFB锅炉燃料适应性的优势，在CFB锅炉中混烧生物质、污泥和工业可燃废弃物等低碳燃料；
(6) 为了进一步提高CFB机组的灵活性、环保型和经济性，新型的粉煤CFB燃烧技术前景较好。
