碳中和背景下循环流化床燃烧技术在中国的发展前景

碳中和背景下循环流化床燃烧技术在中国的发展前景

张震

广东华电韶关热电有限公司   广东省  韶关市   512400

摘要：火力发电中的煤电一直是我国长期以来的重要发电方式，普通的锅炉对于煤炭质量要求较高。但由于我国煤炭资源具有地理分布不均匀、含硫量高、优质煤占比低等特点，普通锅炉燃烧劣质煤效率低且污染大的缺点使得劣质煤的利用变得十分困难。循环流化床锅炉作为一种可烧劣质煤、燃烧效率高、脱硫效率高的新型锅炉，近年来在我国得到了较为广泛的使用。CFB比普通锅炉具有更多的输入输出变量，CFB燃烧系统的本质是正确匹配一次风、二次风和燃料量这3个主要控制变量的关系。在负荷需求发生波动后，通过控制一次风和燃料量以满足负荷要求，从而维持主汽压力在正常值；用二次风来控制烟气含氧量，通过调整一次风和二次风的配比，调节回流速率以控制床层温度。在各参数静态平衡的基础上实现动态校正，确保锅炉的安全稳定。

关键词：碳中和背景下;循环流化床;燃烧技术;发展

引言

流化床煤气炉是目前较为常见的煤气化工艺装置。流化床煤气化装置产生的气化残炭低位发热量可高达12-MJ/kg，单台煤气化炉产量大，气化残炭粒度细、固定碳高、挥发分极低、水分几乎为零等特性，造成气化残炭用常规燃烧技术很难进行处理。气化残炭的洁净燃烧是当代煤化工煤炭梯级利用的重点研究课题，如果能加以利用可将煤气化工艺的煤炭利用率上升到一个新台阶。

1、燃烧系统分析

1.1燃烧特性分析

为保持生物质CFB锅炉炉内的稳定流化状态,其内部存在大量的高温惰性床料和一定量的即燃碳,短时间内能量不平衡导致的温度变化可由大量高温床料消纳,给料不稳定导致发热量过低可由炉内积累的即燃碳燃烧补充。因此,可将其视为由2个响应时间不同的热源构成的蓄热体。生物质燃料中,快速燃烧的挥发分热值占比较大,固定碳占比较小,分别体现了燃烧的快速性和炉内的蓄热特性。因此,其燃烧特性的分析结合了煤粉炉的燃烧快速性和CFB锅炉的蓄热特性[1]。生物质燃烧过程中,需要经历水分析出、挥发分析出、挥发分燃烧和固定碳燃烧4个过程。考虑生物质燃料挥发分与固定碳的竞争燃烧特性,且挥发分燃烧发热量占比较大,燃烧过程存在明显次序,当给料充足时,以挥发分为主,当给料较少时,即燃碳燃烧为炉内提供主要放热量,因此有必要对挥发分和即燃碳的燃烧进行细分。生物质直燃式CFB锅炉由于燃料能量密度较低,机组容量较小,因此其发电负荷不会大幅度变化,仅在一定范围内波动。

1.2燃烧机理分析

基于对燃煤CFB燃烧过程以及燃烧机理的分析,煤炭颗粒在加入到炉膛后,挥发分优先析出并燃烧,而剩余部分即为固定碳,燃烧较为缓慢,其在炉膛内部保持有一定的存量,这部分即为即燃碳,其燃烧放热是锅炉热负荷的主要来源。即燃碳的燃烧速度与其总量、氧含量、燃烧温度以及即燃碳的平均粒径等有关,作为炉内间接储存的热量,变相来看即燃碳的存量是蓄热的另一种形式。炉膛温度的变化会对锅炉燃烧效率、燃烧速度和污染物排放产生较大影响,燃煤CFB内部有大量床料,其中即燃碳占比约为3%~5%,CFB炉内燃烧可视为即燃碳动态燃烧过程。相比于煤炭燃料,生物质燃料的固定碳含量少、密度和硬度低、更容易破碎。但考虑到一、二次风的分布和挥发分燃烧温度的影响,优先燃烧的仍是挥发分,其中的固定碳燃烧较滞后。

2、碳中和背景下循环流化床燃烧技术在中国的发展前景

2.1燃烧温度

循环流化床锅炉控制NOx的关键在于合适的炉膛温度。研究表明，燃烧温度为860~875℃是抑制NOx生成的最佳温度，也是解决低氮燃烧的关键因素之一。实际运行中，由于无烟煤含碳量高、挥发分低，一般循环流化床的燃烧温度在870~930℃之间，以便于在断煤时确保锅炉不灭火的应急处理，同时达到低氮燃烧的效果，即便煤种发生变化，也能实现燃烧稳定。试验表明：该80t/h锅炉的燃烧温度超过930℃甚至超过1000℃时，热力型NOx急剧增加，燃料型NOx转化率由20%增大到40%。因此，控制燃烧温度为850~920℃可大幅抑制NOx的生成。

2.2一、二次风比例及二次风口高度

降低循环流化床锅炉的一次风量，将从一次风机供入炉膛的空气量控制在总量的70%~75%，使燃料在缺氧条件下燃烧。燃烧区内的过量空气系数小于1会大大降低燃烧速率和温度，这样不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了NOx的生成率。同时，提高二次风的供入位置，增大二次风的穿透力，风量控制在25%~30%，使二次风与在密相区缺氧燃烧的烟气充分混合，使燃料在过量空气系数大于1的条件下达到高效燃烧。此外，在分级配风的参数选择上，需要考虑到炉膛内空气动力场的均衡，确保燃烧均衡稳定，避免出现不正常燃烧现象。采用一、二次风分层布置，使二次风下部呈现缺氧状态，即还原气氛。在该环境中，煤中的氮被还原成N2；N2一旦生成，就不会再向NOx转化[2]。

2.3高、低压旁路联合供热技术　

高、低压旁路联合供热技术即经过高压旁路将部分主蒸汽减温减压后从旁路引至高压缸排汽，经锅炉再热器加热后，从低压旁路后抽汽作为供热抽汽的补充汽源。该技术实质是在取暖季供热负荷不足时，将高品位蒸汽减温减压后生成低品位蒸汽进行补偿供热，降低汽轮机的做功份额，实现热电解耦。一方面可提高机组在供热期的调峰能力，促进新能源消纳；另一方面可明显提高供热量，保障冬季供暖安全，提高社会效益。将高、低压旁路联合供热，低压缸切缸和电锅炉等技术进行对比分析，结果表明，高、低压旁路联合供热技术对于提高供热机组的调峰能力具有明显优势。该项技术不需要对汽轮机的本体进行改造，仅需新增旁路抽汽管道及阀门，具有调峰能力强、投资少的优势，而且在提高调峰能力的同时，利用改造后的高、低压旁路能大幅提高机组的低负荷供热能力。因高压旁路与低压旁路蒸汽流量的匹配方式是影响机组运行经济性和安全性的关键因素，为满足其匹配方式，供热经济性大幅下降，同时因减温减压会牺牲高品位能量，所以电厂运行效率下降，系统运行复杂化[3]。

2.4电锅炉技术　

电锅炉技术是在热电厂热源处设置电锅炉，利用插入水中的电极将电能转化热能，转化后的热能加热循环水，以降低上网电量，间接提高机组的调峰能力。电锅炉分为电极热水锅炉和电极蒸汽锅炉，电极式热水锅炉系统主要由电极式锅炉、循环水泵、定压补水设备以及换热器等设备组成；电极蒸汽锅炉系统主要由炉体、进水泵、内部给水泵、液位计以及蒸汽出口等组成，二者原理基本相同，都可满足调峰需求，主要区别为输出的介质以及造价不同。电锅炉具有安全环保、高效节能、自动化程度高、寿命长、启停速度快、控制精度高、操作方便和占地小等优点，但电锅炉初期投资及后期运行成本较高，而且电能转化为热能后要尽快利用，仅适合在供热期使用。

结束语

总之，锅炉带负荷能力明显提高，锅炉磨损有所降低，运行周期明显增加，运行参数更加合理，锅炉效率有增加，将为公司整体运营提供保障，同时，本次项目的研究本身也有显著的经济效益。锅炉效能提升综合改造以实现长周期运行、提高锅炉出力为主要目标。锅炉实现连续、稳定和可靠运行对整个公司而言是最大的效益。

参考文献：

[1]柯希玮,蒋苓,吕俊复,岳光溪.循环流化床燃烧低污染排放技术研究展望[J].中国工程科学,2021,(03):120-128.

[2]姚禹歌,黄中,张缦,杨海瑞,吕俊复,岳光溪.中国循环流化床燃烧技术的发展与展望[J].热力发电,2021,(11):13-19.

[3]张缦,夏良伟,王凤君,杨海瑞,姜孝国,高新宇,吴玉新,李锦时,王君峰,吕俊复,岳光溪,马明华,张扬,郎丽萍,魏国华.哈尔滨锅炉厂有限责任公司,清华大学.循环流化床低氮燃烧技术及应用[Z].项目立项编号.鉴定单位:黑龙江省机械工程学会.鉴定日期:2021-10-30