我國大型循環(huán)流化床技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展
循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是潔凈煤技術(shù)中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術(shù),同時由于煤種適應(yīng)性強,也是消納煤炭生產(chǎn)帶來的大量煤矸石的最有效手段。超臨界循環(huán)流化床鍋爐作為下一代循環(huán)流化床燃燒技術(shù),由于可以得到較高的供電效率,脫硫成本比煙氣脫硫低50%以上,是一種適于在中國大量推廣的高效潔凈煤發(fā)電技術(shù)。
燃煤電廠循環(huán)流化床 |
摘要:我國以煤為主要一次能源的局面長期不會改變。燃煤帶來的污染以及溫室氣體的排放是影響我國可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是潔凈煤技術(shù)中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術(shù),同時由于煤種適應(yīng)性強,也是消納煤炭生產(chǎn)帶來的大量煤矸石的最有效手段。我國自上世紀(jì)80年代初,在政府的大力支持下開展了循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研發(fā),同時引進(jìn)國外大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)。通過自主研發(fā)和對國外技術(shù)的消化吸收,成功形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的150MW中壓到300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品系列,完全占據(jù)了我國熱電市場和部分電力市場。在國家發(fā)改委、國家能源局、科技部的大力支持下,我國正集合國內(nèi)主要循環(huán)流化床鍋爐研究力量,在四川白馬開展世界最大容量600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范工程前期工作。600MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組發(fā)電可以將發(fā)電效率從亞臨界的39%提高到42%,發(fā)電煤耗接近我國燃煤主力機(jī)組的水平,一方面實現(xiàn)節(jié)能減少二氧化碳排放,同時擴(kuò)大循環(huán)流化床鍋爐在低成本污染控制方面的優(yōu)勢。該工程標(biāo)志著我國循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。對我國以節(jié)能減排,減少二氧化碳排放的潔凈煤事業(yè)做出重大貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞:600MW,超臨界,循環(huán)流化床鍋爐
循環(huán)流化床技術(shù)在我國潔凈煤技術(shù)中的地位
中國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,對能源的需求越來越大。中國的能源結(jié)構(gòu)中,煤炭是主要的一次能源。煤炭在我國電力工業(yè)中占有舉足輕重的地位,發(fā)電裝機(jī)容量中火電裝機(jī)容量占70%以上,火電機(jī)組又以燃煤機(jī)組為主。近年來,中國政府大力發(fā)展水電、風(fēng)電和核電等可再生能源,但是,在可以預(yù)見的未來,很難改變煤炭的重要地位。
中國是一個煤炭資源比較豐富的國家。然而,煤炭資源的分布呈現(xiàn)了嚴(yán)重不均勻性,大部分位于西北,遠(yuǎn)離發(fā)達(dá)的東南沿海。優(yōu)質(zhì)煤運輸流向東南沿海,每年遺留近億噸劣質(zhì)煤及矸石,經(jīng)濟(jì)合理利用這些低質(zhì)量燃料,成為一個推動中國循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的重要動力之一。
與此同時,中國燃料種類繁多,包括褐煤、煙煤、貧煤、無煙煤,熱值變化很大,硫含量普遍較高(含硫﹤1%的占56%。含硫1%—2%的占32%,含硫﹥2%的占12%)。因此,利用煤炭發(fā)電成為燃煤污染物的主要來源。發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù),提高能源利用率,提高發(fā)電效率,降低污染排放,是我國能源戰(zhàn)略的重要方面。
循環(huán)流化床燃煤技術(shù)由于燃燒室內(nèi)強烈的氣固混合和質(zhì)交換,強化了燃燒和傳熱,使得裝置可以實現(xiàn)中等溫度穩(wěn)定燃燒。一方面可以燃用低熱值燃料,而且在850℃左右是石灰石顆粒最佳的二氧化硫吸收反應(yīng)溫度區(qū)間,實現(xiàn)了低成本的脫硫;同時此溫度區(qū)域的燃燒,氮氧化物生成量大幅度降低,直接排放已經(jīng)能夠滿足環(huán)保要求,因此循環(huán)流化床燃煤技術(shù)是一種適應(yīng)劣質(zhì)煤燃燒、低成本污染控制的清潔煤技術(shù)。
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和增壓循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)是先進(jìn)的高效清潔煤發(fā)電技術(shù)。然而其初投資大,尚有部分關(guān)鍵問題未解決。現(xiàn)階段只能做少量示范工程加以驗證和考驗。超臨界、超超臨界煤粉爐技術(shù)是成熟技術(shù),其發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到41%—43%,可以作為我國電力的骨干機(jī)組。然而煤粉爐對燃料的質(zhì)量及穩(wěn)定性要求較高,同時須配用煙氣脫硫脫氮裝置解決氣體污染排放。相對而言,循環(huán)流化床鍋爐以其優(yōu)異的燃料適應(yīng)性、低成本的氣體污染控制可成為以煤粉爐為主的燃煤發(fā)電結(jié)構(gòu)的有效補充。特別是燃用褐煤等劣質(zhì)煤具有更明顯優(yōu)越性。
近年來,隨著國內(nèi)外溫室氣體減排的壓力的增加,節(jié)能、提高發(fā)電效率是減少二氧化碳排放的最有效途徑,因此,提高燃用劣質(zhì)煤的循環(huán)流化床鍋爐容量和蒸汽參數(shù)以提高發(fā)電效率的呼聲日益增加。開發(fā)300MW以上容量超臨界循環(huán)流化床鍋爐的課題擺在我國科研和工程界面前。超臨界循環(huán)流化床鍋爐作為下一代循環(huán)流化床燃燒技術(shù),由于可以得到較高的供電效率,脫硫成本比煙氣脫硫低50%以上,而投資最多與超臨界煤粉爐+煙氣脫硫(FGD)+SCR(選擇性催化還原降NOx)相當(dāng),是一種適于在中國大量推廣的高效潔凈煤發(fā)電技術(shù),其商業(yè)前途十分光明。
我國循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展歷程及主要創(chuàng)新成果
我國與世界幾乎同步于上世紀(jì)80年代初期開始研究和開發(fā)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)。大體上我國的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展可以分為四個階段:
1980—1990年為第一階段,其間我國借用發(fā)展鼓泡床的經(jīng)驗開發(fā)了帶有飛灰循環(huán)、取消了密相區(qū)埋管的改進(jìn)型鼓泡床鍋爐,容量在35t/h—75t/h。由于沒有認(rèn)識到循環(huán)流化床鍋爐與鼓泡床鍋爐在流態(tài)上的差別,這批鍋爐存在嚴(yán)重的負(fù)荷不足和磨損問題。
1990—2000年為第二階段,我國科技工作者開展了全面的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)基礎(chǔ)研究,基本上掌握了循環(huán)流化床流動、燃燒、傳熱的基本規(guī)律。應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計上,成功開發(fā)了75t/h—220t/h蒸發(fā)量的國產(chǎn)循環(huán)流化床鍋爐,占據(jù)了我國熱電市場。
2000—2005年為第三階段,其間為進(jìn)入電力市場,通過四川高壩100MW等技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā),一大批135—150MWe超高壓再熱循環(huán)流化床鍋爐投運。我國研究人員和工程界也通過實踐形成了系統(tǒng)的循環(huán)流化床燃燒理論體系和設(shè)計導(dǎo)則,該設(shè)計理論達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
2005年之后為第四階段,其間發(fā)改委組織引進(jìn)了法國阿爾斯通全套300MWe亞臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù),第一個示范在四川白馬(燃用無煙煤)取得了成功,隨即,采用同樣技術(shù)的云南紅河電廠、國電開原電廠和巡檢司電廠(燃用褐煤)以及秦皇島電廠(燃用煙煤)均成功運行。由于我國已經(jīng)形成了堅實的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計理論基礎(chǔ),對引進(jìn)技術(shù)的消化和再創(chuàng)新速度很快,引進(jìn)技術(shù)投運不久,就針對其缺點,開發(fā)出性能先進(jìn)、適合中國煤種特點的國產(chǎn)化300MWe亞臨界循環(huán)流化床鍋爐,而且由于國產(chǎn)技術(shù)的價格與性能優(yōu)勢,2008年后新訂貨的300MW循環(huán)流化床鍋爐幾乎均為國產(chǎn)技術(shù)。以哈鍋、東鍋和上鍋為代表的鍋爐制造企業(yè)也建立了大容量高參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐工裝設(shè)備體系,制造經(jīng)驗達(dá)到世界一流。
從100MW等級到300MW等級循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計制造水平上新臺階,運行水平大幅提高,設(shè)備可靠性大幅提升;節(jié)能環(huán)保性能大幅提升(供電煤耗降低10%,脫硫效率從90%上升至95%),資源綜合利用水平大幅提高。同時技貿(mào)結(jié)合引進(jìn)技術(shù)建設(shè)白馬1×300MW循環(huán)流化床機(jī)組示范工程起了關(guān)鍵作用,在節(jié)能環(huán)保、資源綜合利用和技術(shù)創(chuàng)新方面都起到了工程典范的作用。
開發(fā)超臨界循環(huán)流化床鍋爐的意義
循環(huán)流化床燃燒技術(shù)已經(jīng)證明在劣質(zhì)煤利用和污染控制成本方面具有優(yōu)勢。然而進(jìn)入電力市場后,其發(fā)電效率與我國迅速發(fā)展的大容量、超臨界參數(shù)煤粉爐相比尚有不足。提高蒸汽參數(shù)是提高發(fā)電效率的最有效途徑。資料表明,8.83MPa、535℃的高壓電站供電效率為30.04%,12.7MPa、535℃超高壓電站供電效率為32.16%,16.3MPa、535/537℃亞臨界電站供電效率為37.12%,24.3MPa、540/560℃超臨界鍋爐電站供電效率為40.95%。大型電廠普遍采用的煤粉燃燒鍋爐即是沿著中壓→高壓→超高壓→亞臨界→超臨界這一條路發(fā)展的。因此容量向300MW以上、參數(shù)向超臨界轉(zhuǎn)化是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。超臨界循環(huán)流化床鍋爐作為下一代循環(huán)流化床鍋爐技術(shù),可以得到42%左右的較高的發(fā)電效率。總投資約為超臨界煤粉爐+FGD+SCR的78%,運行成本為超臨界煤粉爐+煙氣脫硫+SCR的37%,且不需采取附加措施皆能滿足NOx排放低于200mg/Nm3,因此被認(rèn)為是一種適于在中國大量推廣的清潔燃煤發(fā)電技術(shù)。特別應(yīng)當(dāng)指出的是,循環(huán)流化床鍋爐中石灰石脫硫是爐內(nèi)干法脫硫,與濕法煙氣脫硫相比,可以節(jié)約大量水的消耗。這對我國水資源缺乏的現(xiàn)實,具有重要意義。
自主開發(fā)600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的進(jìn)展
超臨界循環(huán)流化床鍋爐本質(zhì)上是將大型循環(huán)流化床燃燒與垂直管本生直流鍋爐的結(jié)合,需要有大型循環(huán)流化床鍋爐和超臨界垂直管圈煤粉鍋爐的設(shè)計制造經(jīng)驗。
我國在完成300MW亞臨界大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的引進(jìn)消化再創(chuàng)新同時,通過引進(jìn)和吸收也掌握了600—1000MW超臨界、超超臨界煤粉爐的設(shè)計制造和運行經(jīng)驗。我國已經(jīng)具備了自主研發(fā)600MWe超臨界循環(huán)流化床鍋爐的基本條件。國家發(fā)改委在引進(jìn)300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計技術(shù)時已經(jīng)明確批示今后不再繼續(xù)引進(jìn)國外循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計技術(shù),進(jìn)一步的發(fā)展將完全建立在自主開發(fā)基礎(chǔ)上。
國際上從20世紀(jì)末開始超臨界循環(huán)流化床鍋爐的研究。美國福斯特·惠勒(Foster Wheeler)公司是世界上第一個獲得超臨界循環(huán)流化床鍋爐定貨合同的公司,該公司與波蘭Lagisza電廠簽訂了一臺460MWe 超臨界循環(huán)流化床鍋爐,該爐設(shè)計容量為460MWe,主蒸汽流量1300t/h,壓力28.2MPa、溫度563℃;再熱蒸汽壓力5MPa、溫度582℃。工程項目于2006年啟動。據(jù)報道去年該爐點火,目前已經(jīng)轉(zhuǎn)入商業(yè)運行。ALSTOM公司也對超臨界循環(huán)流化床鍋爐展開了大量的研究。
我國于“十五”(2001—2005)期間通過“863”和科技攻關(guān)項目中支持開展了超臨界循環(huán)流化床鍋爐方案的初步研究。超臨界循環(huán)流化床鍋爐的研究列入“十一五”科技支撐計劃的重大項目,國家發(fā)改委批準(zhǔn)了600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的示范工程立項,2008年確定示范工程點設(shè)在原引進(jìn)300MWe循環(huán)流化床鍋爐第一個示范工程所在電廠—四川白馬循環(huán)流化床示范電站,以利于充分利用該廠300MW循環(huán)流化床鍋爐方面的經(jīng)驗。而我國科研工作者和鍋爐廠完成了600MW循環(huán)流化床示范項目的前期研究和設(shè)計任務(wù)。三家鍋爐廠分別完成的三個各具特色的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)方案,其中哈爾濱鍋爐廠采用雙燃燒室中質(zhì)量流率節(jié)流管圈配6個熱絕緣旋風(fēng)分離器、6個外置床的方案。東方鍋爐廠選用雙布風(fēng)板單爐膛低質(zhì)量流率、6個氣冷分離器配6個外置床方案。上海鍋爐廠選用單爐膛雙回路、高質(zhì)量流率配6個熱絕緣旋風(fēng)筒6個外置床的方案。三個方案均已經(jīng)通過用戶和專家組兩次評審,認(rèn)為方案均可行,可以進(jìn)入技術(shù)設(shè)計階段。2008年,國家發(fā)改委決定選擇東方鍋爐廠作為四川白馬600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電示范工程的鍋爐提供方。科研單位集中對東方鍋爐廠的技術(shù)方案進(jìn)行了深入分析和系列研究。
清華大學(xué)完成了對600MW循環(huán)流化床鍋爐東鍋方案多分離器流動平衡大型冷模試驗驗證,在300MW循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了600MW大截面水冷壁熱流二維分布的熱態(tài)測試,詳細(xì)研究了超高爐膛的氣固兩相流動,西安交大已經(jīng)完成了國產(chǎn)內(nèi)螺紋管水動力學(xué)試驗,與此同時,針對超臨界循環(huán)流化床鍋爐的熱力系統(tǒng),進(jìn)行了鍋爐機(jī)組的動態(tài)特性及相關(guān)附機(jī)的研制已經(jīng)取得成果,這些研究工作為600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電示范工程成功提供了堅實的基礎(chǔ)。
目前東方鍋爐廠已經(jīng)完成了鍋爐全部技術(shù)設(shè)計并通過了國家發(fā)改委自主研發(fā)超臨界600MW循環(huán)流化床鍋爐專家組評審,進(jìn)入施工設(shè)計和部件制造階段。西南電力設(shè)計院完成了鍋爐島的系統(tǒng)設(shè)計以及整個電廠的設(shè)計工作,相關(guān)輔機(jī)配套已經(jīng)確定。600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電可以將發(fā)電效率從亞臨界的39%提高到42%—43%,發(fā)電煤耗接近我國燃煤主力機(jī)組的水平,一方面實現(xiàn)節(jié)能減少二氧化碳排放,同時擴(kuò)大循環(huán)流化床鍋爐在低成本污染控制方面的優(yōu)勢。預(yù)期示范工程可在2011年建成。該示范工程是我國大型循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)達(dá)到世界領(lǐng)先水平的標(biāo)志。不同容量循環(huán)流化床電站主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較如下表:
我國循環(huán)流化床技術(shù)的未來展望
目前,國際上認(rèn)為超臨界循環(huán)流化床是燃煤發(fā)電降低污染排放的重要突破性技術(shù)之一。其原因是循環(huán)流化床燃燒已經(jīng)證明在污染控制排放,包括未來要考慮的汞排放等方面具有其它燃燒方式不可替代的優(yōu)勢。很可能大型燃煤發(fā)電要走循環(huán)流化床的方式。因此必須解決循環(huán)流化床高參數(shù),超臨界化的問題,以給未來二氧化碳減排留下效率損失空間。
美國和歐洲均在超臨界循環(huán)流化床研發(fā)方面做了大量工作。特別是美國FW公司于2002年12月在波蘭Lagisza電廠簽訂了世界第一臺460MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐供貨合同后,電站項目于2006年1月開工,2009年3月開始調(diào)試,6月交付用戶投入商業(yè)運行,根據(jù)現(xiàn)場反映回來的資料,該鍋爐全面達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。供電效率達(dá)到43.3%,鍋爐效率超過93%,運行平穩(wěn),負(fù)荷調(diào)節(jié)特性滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。現(xiàn)在FW又在俄羅斯開始建設(shè)一臺330MW超臨界循環(huán)床鍋爐。
我國在“十一五”期間安排了600MW超臨界循環(huán)流化床的示范工程。它將帶動一批相同等級的循環(huán)流化床發(fā)電項目。同時根據(jù)我國燃煤發(fā)電節(jié)能降耗,降低污染排放的需求,對循環(huán)流化床燃燒技術(shù)提出新的任務(wù):1)發(fā)展更高供電效率的超超臨界600MW到800MW循環(huán)流化床鍋爐。2)超臨界循環(huán)流化床產(chǎn)品容量系列化,開發(fā)簡易型300MW超臨界循環(huán)流化床系列產(chǎn)品。3)進(jìn)一步挖掘循環(huán)流化床節(jié)能潛力,發(fā)展近期已在小容量循環(huán)流化床鍋爐驗證成功的節(jié)能型循環(huán)流化床技術(shù),將該技術(shù)大型化。4)開發(fā)適合于煤矸石,其它劣質(zhì)燃料的大型循環(huán)流化床技術(shù)。
相信循環(huán)流化床燃燒技術(shù)必將在未來我國燃煤發(fā)電方面發(fā)揮更大的作用,為節(jié)能減排和資源綜合利用作出更大的貢獻(xiàn)。
主要指標(biāo)
■連線
岳光溪
清華大學(xué)熱能工程系教師、研究員、博士生導(dǎo)師
潔凈煤技術(shù)專家
中國第七屆光華工程獎獲得者
中國工程院院士
從“七五”到“十一五”,岳光溪始終沒有離開過國家循環(huán)流化床燃燒攻關(guān)的第一線。
“‘七五’的時候我還在跟著老師學(xué),‘八五’開始跟著做,‘九五’成為項目負(fù)責(zé)人,現(xiàn)在正在負(fù)責(zé)‘十一五’世界最大容量60萬千瓦超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范項目。”岳光溪感慨道,“從開始的幼稚無知,到現(xiàn)在我們形成了世界上最先進(jìn)的這套理論體系。”
岳光溪說,“在高校做科研,尤其是工科,必須走一條產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的道路。研究者不到第一線去,不親自操作,永遠(yuǎn)得不到真知。”因此,除了課題組這個科研團(tuán)隊,在岳光溪的身后,還有一個由全國許多大小企業(yè)組成的產(chǎn)學(xué)研隊伍。正是在這支產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊的支持下,岳光溪的很多想法在經(jīng)過實驗室實驗之后,才能迅速地走向工程開發(fā)。“因為我們懂得工程師的語言,懂得企業(yè)的難處,所以企業(yè)信任我們,愿意和我們共同承擔(dān)工程開發(fā)的風(fēng)險。”岳光溪說。
胡昌華
四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司總經(jīng)理、高級工程師。長期從事大型火力發(fā)電廠運行、維修技術(shù)科研和建設(shè)項目管理工作,主持了國家“十五”重點工程“四川300MW循環(huán)流化床示范電站工程”等項目研究。榮獲中國電力科技進(jìn)步一等獎、四川省科技進(jìn)步三等獎、四川省青年科技獎和四川省優(yōu)秀科技工作者、四川省青年經(jīng)濟(jì)人物等稱號。
四川白馬循環(huán)流化床示范工程是國家重點鼓勵建設(shè)的大型環(huán)保發(fā)電示范項目,通過“一家引進(jìn)、多家共享”的“白馬模式”,我國已建投產(chǎn)20臺300MW循環(huán)流化床機(jī)組,還有近百臺在建。
單從工程看——循環(huán)流化床電站與常規(guī)電站不同之處在于,它使用的流化床鍋爐,具有常規(guī)鍋爐不具備的爐內(nèi)脫硫脫硝功能,因此無須另外安裝龐大的煙氣脫硫脫硝裝置。它能燃用常規(guī)鍋爐幾乎不能燃用的高硫劣質(zhì)煤、廢棄輪胎和垃圾等。此外,該鍋爐調(diào)峰能力強,對確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和負(fù)荷調(diào)節(jié)控制十分有利。
跳出工程看——建設(shè)電站本身不是目的,白馬的意義在于通過電站建設(shè),引進(jìn)國外大型循環(huán)流化床技術(shù),在國內(nèi)消化吸收后實現(xiàn)國產(chǎn)化,并發(fā)展我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的更大容量的循環(huán)流化床技術(shù),促進(jìn)電力工業(yè)和機(jī)械制造技術(shù)升級換代,達(dá)到國際先進(jìn)水平。
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