东北电力学院学报第21卷第1期　Journal Of Northeast China Vol.21,No.1 2001年3月Institute Of Electric Pow er Engineering Mar.,2001文章编号:100522992(2001)0120006205从法国Gardanne250MWCFB锅炉看循环流化床燃烧技术的发展曹坤龙1,王志伟1,魏高升2,周振堂3,刘柏谦2(1.株州电厂,湖南株州　412000;2.东北电力学院动力工程系,吉林吉林　132012;3.白城林业学校,吉林白城　137000)摘 要:以法国G ardanne电厂250MW循环流化床锅炉的基本技术概况和法国电力局为放大到600MW进行的技术研究进行述评,并对循环流化床燃烧技术的发展提出看法。

关　键　词:循环流化床锅炉;大型化;发展中图分类号:T K299.6、T K16 文献标识码:A0　前　言能源与环境是当今世界的两大主题。

假定世界能源消费以目前的速度增长,到2050年将是现在的3倍,其中发展中国家将消费70%。

世界能源会议(WEC)第17次会议(1998)预计,未来二十年全球能源消费将增加50%。

循环流化床燃烧(CFBC)技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的清洁燃烧技术。

截止1999年,全世界已有600多台CFB锅炉运行和建设,在我国、印度及其发展中国家还运行着数以百计的小型CFB锅炉。

目前,已经投运的最大的一台CFB锅炉是法国G ardanne250 MWCFB锅炉(截面积是170m2),按照容量算是发电250MW耗煤3600t/d锅炉;波兰Turow电站的三台235MW亚临界再热循环床锅炉也已投入商业运营;印度的Gujarat电厂,容量330MWCFB锅炉正在建设阶段,制造厂商已经可以提供600MW的商业设计。

目前,法国电力局正在进行G ardanne250 MWCFB锅炉放大到600MW的研究中,而ABB-CE、Ahlstrom、Lurgi、F and W等公司都有250～400 MW的研发计划(2000)。

这表明大型循环流化床电站锅炉已开始步入商业化阶段,从目前实际发展来看,九十年代,法国的循环流化床燃烧技术在实践方面已经走在了世界前列,其情形很像八十年代德国Duisburg CFB锅炉。

以下就法国250MWCFB锅炉的情况作简要的文献综述,同时对他们所进行的600MW放大的研究和准备进行简要介绍。

1　法国Provence/G ardanne250MW循环流化床锅炉[1,2,3]Provence250MWCFB锅炉(见图1)由GEC2AL STROM公司采用Lurgi CFB技术并受益于法国电力局对E.Huchet电厂的测试研究以及在Lys2Lez2Lannoy实验室冷模实验台上研究的基础上而设计的。

锅炉于1992年开始建设,1995年11月并网发电,到1997年末,锅炉已在不同负荷下运行5000h,收稿日期:2000212213作者简介:曹坤龙(1969-),男,株州电厂工程科工程师。

图1　Provence 250MW 循环流化床锅炉三维透视图性能良好。

该锅炉以裤衩腿底部的炉型为特色,炉底被分成两个腿,每个腿均有其独立的布风装置。

每腿上部设计面积11.5×7.4m ,保证当燃用G ardanne 煤,过量空气系数为1.2时的流化风速接近5.5m 。

锅炉采用四个旋风分离器(每侧两个),直径7.4m ,下接锥形阀和大的流化床换热器。

每个流化床换热器通过锥形阀控制回灰量。

装中温过热器的流化床换热器的回灰用于调节炉膛温度;装低温过热器和末级再热器的流化床换热器用于再热气温的调节。

很有兴趣地注意到,如果燃用常规烟煤,此锅炉已经达到了300MW 循环流化床锅炉的体积。

此锅炉属于自然循环锅炉,汽水系统如图2所示。

低中温过热器放在外置式换热器(FBHEs )中,高温过热器放在后部作为第一级对流受热面;高温再热器放在FBHEs 中;低温再热器放在后部作为第二级对流受热面(高过和省煤器之间)。

锅炉运行特征受到原有汽轮机的制约,过热蒸汽参数:700t/h ,16.3MPa ,565℃;再热蒸汽参数:651t/h ,3.75MPa ,565℃;毛功率250MW ,净功率231.7MW ,排烟温度145℃,锅炉效率90.5%(L HV ),电厂效率38.8%(L HV ),煤耗149t/h ,石灰石耗量15t/h 。

图2　Provence 250MWCFB 锅炉汽水回路锅炉烧G ardanne 煤矿高硫、高挥发份的次烟煤,设计粒度0～10mm (D50=1mm ),灰中含钙高,[Ca/S]=1.5～2.5,稍加石灰石就可以达到97%的脱硫率。

煤的收到基本成分为:M =11%～14%,A=29%～32%,C =40%,N =0.97%,S total =3.68%,L HV =6350Btu/lb (14775kJ /kg ),HHV =6690Btu/lb (15565kJ /kg ),配烧当地高粘度、高硫重渣油,成分为:M =0.4%,A =0.07%,C =85%,N =0.92%,S =4.5%,L HV =16360～17190Btu/lb(38050～39980kJ /kg ),粘度1500～3500cst (100℃),闪点200℃,配烧比可以达到1∶1。

启动燃料采用天然气,燃烧器放在一次风道和炉膛。

锅炉环境性能为有害物允许排放量SO x <=400mg/Nm 3([Ca/S ]<3时ηs =97%);NO x <=250mg/Nm 3;粉尘<=50mg/Nm 3。

选择裤衩腿的结构是为将来在更大型炉子上应用所作的准备。

每个腿都有其独立的一次风供应系统。

在一个单独的客容式再热空气预热器中预热的二次风在炉底分两级引入炉膛,这样可以保证稳定的燃烧而确保低NO x 排放。

运行中,大约三分之一的灰为底灰,通过两个流化床灰冷却器冷却。

其余灰为飞灰,通过常规静电除尘器收集。

在给料系统中,有四个独立的给料系统(每腿两个)。

每个由锤式破碎机提供0～10mm 的煤。

满负荷时给煤率为150t/h 。

此锅炉运行后测试表明运行特性良好。

满负荷时产汽量为730t/h ,大于合同规定值(700t/h )。

锅炉效率接近94%。

满负荷时电厂净效率为38%。

测得的SO x 、NO x 排放量均低于欧洲近期排放标准。

7第1期曹坤龙等:从法国G ardanne 250MWCFB 锅炉看循环流化床燃烧技术的发展 2　为放大换到600MW 进行的CFB 炉膛行为的研究循环流化床锅炉炉膛的设计依靠两相流体动力学和传热学的理论。

在全球,关于循环流化床的研究和发展已变得十分重要,但这些研发工作主要基于小型结构的,而来自于大型锅炉的数据却十分有限。

法国电力局与G ASI 在过去十多年里一直积极进行循环流化床的燃烧研究和理论研究。

在研究中,他们采用实炉测试与实验室测试相结合的形式,积累了一定的经验。

在流化床大型化的研究中,提出了几个值得我们探讨的概念。

2.1　“裤衩腿”型结构“裤衩腿”型结构见图3。

这种结构为循环流化床锅炉的放大提供了一个好的方法,并能够设计1.5m 宽的炉膛。

这种设计,能够保持良好的二次风穿透深度来保证煤、空气、石灰石的良好混合,又能在炉膛底部实现有效的化学反应(主要是改进燃烧降低氮氧化合物排放量)。

2.2　内置式流化床换热器在放大250MW Provence 锅炉到600MW 的可行性研究中,注意到,随着锅炉容量的增加,与炉墙相比,外置式换热器的换热量要相对增加。

这就要求外置式换热器数量和体积增加,而这与锅炉循环灰控制点数量是冲突的。

为解决此矛盾,G ASI 新概念是内置式流化床换热器,是基于环核模型(中间为颗粒上升区,靠近炉墙为颗粒下降的环形区)的理论建立起来的(如图4)。

内置式换热器收集到的颗粒由溢流口进入炉膛。

这种结构的优点在于:图3　Provence 250MWCFB 锅炉内置式流化床换热器和Wingwalls 管试验安装位置图4　内置式流化床换热器原理图 (1)在全负荷时能获得大量的颗粒,提高换热室的温度进而减少了传热面积;(2)部分负荷时的颗粒流也大大增加,因而降低了控制点数且在最小负荷时不必投油;(3)换热器在室内具有平行排列的可能性;(4)在炉膛较低部位增加颗粒再循环回路;(5)增加了向炉膛底部颗粒再循环处添加燃料的可能性。

内置床换热器的概念完全来源于炉墙的延伸。

这种结构可以使600MW 锅炉不使用密相床埋管受热面。

为确定内置式换热器的可行性,G ASI 对此进行了大量的研究。

其中包括在冷态循环流化床模型上的研究;对E.Huchet125MWCFB 锅炉的测试;以及Provence 250MWCFB 锅炉上的试验[2,4],很好地证明了这种结构的可行性。

在E.Huchet 125MWCFB 锅炉的测试中,提出了与其它学者相异的炉内8 东北电力学院学报第21卷特性参数计算式,作为对比,列于表1中。

表1　炉内特性参数计算公式对比来自于小型试验台 E.Huchet 125MW CFB 锅炉压力沿炉膛高度的变化(Pa )Δp =1.1335ρp g (1-ε)Δh +0.0047Δp =ah β轴向悬浮密度ε=εa +( ε-ε)exp [-1z 0(z -z i )]ρb (h )=-1g 9P (h )9h =-αβg h β-1边界层厚度和再循环比S D t =0.55Re -0.22t (H t D t )0.21(H t -h H t )0.73Z (h )=0.2+0.73(H e ,min -h H e ,min )G u (h )=ρb (h )(u a -u t )G d (h )=G u (h )-G s G s =G u (H e ,min 3(1-α)Z =G d /G u 局部传热系数h f =αρn b 750℃<Tb <850℃h f =αρβbav T r bav 2.3　Wingwalls 管蒸发受热面在锅炉设计中,在一定的参数下(850～900℃,炉底裤腿设计,流化风速4～6m/s 传热系数使用 E.Huchet CFB 锅炉测量值并局限在炉高内),水冷壁和其他热交换器的蒸发热力份额就可以计算了。

结果见图5(采用了平均传热系数)。

图5　满负荷时水冷壁吸热量与锅炉参数和流化风速的关系应该注意到250MW 以上,在水冷壁之外安装一些蒸发受热面(提高锅炉容量)就有必要了。

目前各锅炉建造商推荐的解决方案有:(1)Wigwalls 蒸发管(Ahlstrom 2Pyropower ,Fraser ,1991);(2)对流段的蒸发管束(Bashar 2Czarnecki 。