【文章內(nèi)容簡介】 流化床鍋爐（ CFB）燃燒發(fā)電技術 ?增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)（ PFBCCC）發(fā)電技術 ?整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（ IGCC）發(fā)電技術、低 NOx燃燒等潔凈發(fā)電技術 ?工業(yè)鍋爐高效燃燒技術。 一、 超臨界發(fā)電 技術 根據(jù)進入汽輪機高壓缸的主蒸汽的熱力狀態(tài)不同，鍋爐包括 “亞臨界” 和“超臨界” 兩種。 水蒸氣的臨界點參數(shù)： （絕對壓力）、 374℃ 。 超臨界機組運行的壓力和溫度都高于亞臨界機組，因此超臨界機組具有較高的效率。 超臨界鍋爐常常又稱 直流式鍋爐 。超臨界機組的高溫高壓管道和汽缸都比亞臨界機組的厚一些或更高強度材料制成。 目前常規(guī)電廠最常采用的是亞臨界鍋爐 , 主蒸汽壓力最高為 18MPa,最低為。給水溫度為 177~230℃ 。鍋爐出口蒸汽溫度為 455℃ ，在過熱器中加熱到 565℃ ，目前最高可加熱到600℃ 。一般常規(guī)亞臨界機組（蒸汽壓力和溫度為 17MPa， 538℃ /538℃ ）的凈效率為 37%~38%。 超臨界鍋爐的高壓蒸汽壓力最低為23MPa，最高壓力為 35MPa。給水和鍋爐出口蒸汽溫度與亞臨界鍋爐基本相同。 一般超臨界機組（ 24MPa， 538℃ /538℃ ）的凈效率約為 40%~41%，煤耗率比亞臨界鍋爐要低 4%左右。 如果超臨界機組的蒸汽溫度和壓力能提高到 31MPa， 600℃ /600℃ /600℃ （需要進行二次再熱），它的效率能進一步提高，煤耗率要比常規(guī)亞臨界機組低 8%。 超超臨界（ USC）技術 是將蒸汽溫度和壓力提高到超過 570℃ 。目前前正在研究開發(fā)兩次再熱鍋爐，使其蒸汽運行壓力和溫度達到 35MPa，650℃ /650℃ /650℃ 。超超臨界機組的凈效率一般可達到 44%~45%，比常規(guī)亞臨界機組高出 11%左右，比目前安裝在 OECE國家的最先進的超臨界機組的熱效率高出 3%~4%。 國外超臨界發(fā)電技術發(fā)展現(xiàn)狀 （ 1） 超臨界機組 超臨界機組已開發(fā) 40余年 ， 目前 ， 全世界已投入運行的超臨界及以上的參數(shù)的發(fā)電機組有 600多臺 ， 其中美國有 170多臺 ，日本和歐洲各約 60臺 ， 俄羅斯及原東歐國家 2 8 0 余臺 ， 最大的單機容量為1 3 0 0 MW， 最高蒸汽參數(shù) 36M P a，650℃ /650℃ 。 20世紀 80年代開始，美國幾乎停止了超臨界的發(fā)展。 20世紀 90年代新建機組容量多在 700~800MW。 1992年底又投運了 1臺 1300MW燃煤機組，參數(shù)為 ， 538℃/538℃ ，機組的可用率達到 92%以上。 （ 2） 超超臨界機組 隨著超臨界機組技術的日趨完善，國外 20世紀末把目標又定在效率更高的超超臨界技術開發(fā)應用上，超超臨界機組以及與之匹配的新一代污染控制技術正在商業(yè)化。 日本、德國和丹麥等歐洲國家發(fā)展處于領先地位。世界范圍內(nèi)屬于超超臨界參數(shù)的機組大約有 60余臺。 國內(nèi)超臨界發(fā)電技術發(fā)展現(xiàn)狀 ? 中國已有多臺 300MW、 500MW及 600MW、800MW、 900MW超臨界機組投入運行，都是進口機組。 ? 進行過多次 600MW超臨界機組方案設計，已具備自制條件，但至今沒有實踐機會，沒有生產(chǎn)過一臺國產(chǎn)品牌的超臨界機組。 ? 到 2023年底全國有超臨界機組 7800MW，約占火電機組的 3%，加上在建容量約占火電機組容量不到 5%。 ? 國家發(fā)展計劃委員會已確定河南沁北電廠作為超臨界機組國產(chǎn)化的依托重點建設工程，完成600MW 超臨界機組及成套設備的設計與制造。 目前國內(nèi)與國外的主要差距如下： （ 1） 國內(nèi)超臨界技術處于起步階段 ， 但尚無實踐經(jīng)驗 ， 急需邁出關鍵性的一步 。 （ 2） 輔機 、 特別是閥門還是薄弱環(huán)節(jié) 。 （ 3） 耐高溫合金材料是制約超臨界和超超臨界機組發(fā)展的主要因素 ， 在爐膛 、 過熱器和再熱器出口及汽輪機高壓缸和中壓缸的第一級材料目前還需依靠進口 。 （ 4）自動化系統(tǒng)與裝置的國產(chǎn)化率需要進一步提高。 二、循環(huán)流化床鍋爐 1．循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術的原理及特點 （ 1）低溫燃燒： 不需要 任何脫氮措施。 可實現(xiàn)燃燒過程直接脫硫脫硫率可達85%以上。 （ 2）燃燒穩(wěn)定，燃料適應性廣。 （ 3）燃燒強度高，燃燒效率高。 循環(huán)流化床強化了爐內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)過程，延長了顆粒的停留和反應時間，其熱效率比一般煤粉爐高 5%左右。 （ 4）負荷調(diào)節(jié)范圍大，低負荷可降到 30%左右。調(diào)節(jié)速度每分鐘可達 5%~10%。 （ 5）灰渣活性好。可直接用于城建中的建材，如鋪路材料、制磚和水泥摻合料。因此，不需要占用寶貴的土地資源來建儲灰的灰廠。 循環(huán)流化床鍋爐的應用與早期發(fā)展 ? 1921年 12月德國人溫克勒（ Friz Winkler）發(fā)明了第一臺流化床。 ? 1938年 12月麻省理工學院劉易斯、吉里蘭發(fā)明了快速流化床。 ? 1920～ 1950年鼓泡流化床鍋爐占主要地位。 ? 1979年芬蘭奧斯?。?Ahlstrom）公司生產(chǎn)了20t/h的循環(huán)流化床鍋爐。 ? 1982年德國魯奇公司第一臺 50t/h商用循環(huán)流化床鍋爐投入運行。（商業(yè)化開始的標志） ? 1995年， 250MW循環(huán)流化床鍋爐（ 700t/h、 565/ 565℃ ）在法國投運。（大型化標志） 四川白馬循環(huán)流化床示范電站是從國外引進大型循環(huán)流化床鍋爐設計制造技術和一臺 300兆瓦循環(huán)流化床鍋爐設備的大型潔凈煤發(fā)電示范工程。投資鼓勵發(fā)展的節(jié)能環(huán)保性發(fā)電示范項目，始建于2023年 5月。目前電站工程已進入單體調(diào)試階段，預計 2023年 11月并網(wǎng)發(fā)電。 在技術上，循環(huán)流化床燃燒已形成以下成熟技術： 魯奇公司為代表的 絕熱旋風筒帶有外置換熱床的循環(huán)流化床技術； 以德國 B＆ W公司為代表的采用塔式布置 中溫旋風分離 循環(huán)流化床技術； 以原芬蘭 Alhstrom公司為代表的 燃燒室內(nèi)布置翼形受熱面的高溫絕熱旋風分離 的循環(huán)流化床技術； 以美國 FW公司為代表的帶有 Intrex的汽冷旋風分離 循環(huán)流化床技術。 20世紀 90年代中期，前 Alhstrom公司開發(fā)出的方型分離緊湊式 循環(huán)流化床技術。 美國巴威循環(huán)流化床 鍋爐 芬蘭奧斯隆循環(huán)流化床 德國魯齊循環(huán)流化床鍋爐 國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐技術 基本緊跟國際發(fā)展前沿的技術。 目前存在的主要技術問題 1)磨損問題 2）爐內(nèi)脫硫應用問題 3）制造方面的問題 4）系統(tǒng)配套和優(yōu)化問題： 如需要研究煤種與鍋爐設計的關系，鍋爐大型化的設計方法與準則等。還需要研究中國劣質(zhì)煤和難燃煤質(zhì)的循環(huán)流化床燃燒技術。 5) 大型化遭遇到的難題 鍋爐大型化后出現(xiàn)燃燒、流動、傳熱及系統(tǒng)部件性能與系統(tǒng)集成等問題，如 CFBC鍋爐的爐膛、旋風分離器、外置床熱交換器等結構問題，密相兩相流動機理和燃燒機理問題，中溫燃燒釋熱和換熱機理統(tǒng)一模型表達問題，脫硫過程的氣固反應、氣體擴散和固體流動及燃燒擴散問題，爐膛三維尺度放大對工作過程影響問題等。 三、 增壓流化床燃燒聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 概述 增壓流化床鍋爐燃燒（ PFBC）技術原理：從 PFBC燃燒室（也就是 PFBC鍋爐）出來的增壓煙氣，經(jīng)過高溫除塵后，可進入燃氣輪機膨脹做功。通過燃氣 /蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，發(fā)電效率得到提高，目前可比相同蒸汽參數(shù)的單蒸汽循環(huán)發(fā)電提高 3％～ 4％。 根據(jù)流化床的工作流速不同，又可分為增壓鼓泡流化床鍋爐（ PBFB）和增壓循環(huán)流化床鍋爐（ PCFB）兩種類型。 ABB P200型 PFBC－ CC電站系統(tǒng)（第一代增壓鼓泡流化床 ） 1一燃燒室； 2一壓力殼體； 3一燃氣輪機； 4一給煤； 5一灰排放； 6一旋風分離器； 7一發(fā)電機； 8一省煤器； 9一蒸汽輪機； 10一冷凝器 第一代 PFBC－ CC發(fā)電系統(tǒng)的最大弱點：流化床內(nèi)燃燒溫度在900℃ 左右， 從根本上限制了燃氣透平的進口溫度，使燃氣循環(huán)效率不能進一步提高 ，以至發(fā)電效率難以超過 42％。 (過高的溫度使煤的燃燒過程易引起結渣，也可使流化床內(nèi)脫硫過程的效率下降 ) 第二代 PFBC－ CC系統(tǒng) PFBCCC發(fā)電技術是一項正在發(fā)展中的技術，尚存在一些技術難點，如高性能的高溫煙氣除塵器。第一代技術在燃氣輪機的磨損、腐蝕、沉積的防護、處理技術、固體處理技術的長期可靠性、負荷調(diào)節(jié)控制技術等方面，也還存在一些技術障礙。 四、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán) （ IGCCIntegrated Gasification Combined Cycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術和高效的聯(lián)合循環(huán)相結合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組成，第一部分為煤的氣化與凈化部分，主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備（包括硫的回收裝置）； 第二部分為燃氣 蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 優(yōu)點： GCC發(fā)電的凈效率可達 43％～ 45％； 污染物的排放量僅為常規(guī)燃煤電站的 1/10； 脫硫效率可達 99％， SO2排放在 25mg/m3 左右， NOx排放只有常規(guī)電站的 15％～20％ 耗水只有常規(guī)電站的 1/2～ 1/3，有利于環(huán)境保護。 問題 ： 近 30年來，世界上單純發(fā)電的 IGCC電站進展緩慢，只達到商業(yè)規(guī)模示范，還未商業(yè)化推廣應用。其原因主要在于 IGCC系統(tǒng)和設備復雜，技術經(jīng)濟指標的先進性還待提高，煤的氣化、凈化以及高溫燃氣輪機等技術難度大 五、低 NOx燃燒技術 氮氧化物的主要來源之一是煤炭燃燒 ， 不僅危害動 、 植物的生長和健康 ， 而且會形成光化學煙霧和酸雨 ，危害環(huán)境 。 大氣中氮氧化物的含量已逐漸引起了各國的關注 ， 許多國家制訂了非常嚴格的氮氧化物排放法規(guī) 。 國內(nèi)外研究控制常規(guī)燃煤電廠 NOx排放技術已有多年，目前開發(fā)出的技術大致可分為兩大類： 一類是 尾部加裝煙氣脫氨裝置 ，其優(yōu)點是可將其排放降至 200mg/ m3以下，但初投資高、運行費用昂貴，只在德國、日本等少數(shù)工業(yè)化國家得到應用。 另一類是 通過燃燒技術的改進 降低 NOx排放量，這種措施相對簡單，投資、運行費用低，是當前采用最廣泛的經(jīng)濟有效措施，也是各工業(yè)國下大力氣不斷完善的措施。 氮氧化物分類： （ 1）熱力型 Nox： 由燃燒空氣中游離的氮和氧在高溫下反應形成 特點 :燃燒溫度越高，燃燒范圍內(nèi)氧濃度越高，在高溫范圍內(nèi)燃燒氣化滯留時間越長，產(chǎn)生的 NOx越多 （ 2）燃料型 NOx ： 煤炭揮發(fā)分中的有機氮化物氧化形成 特點：與燃料種類有關 低 NOx燃燒技術 （ 1） 低過量空氣燃燒 （ 2） 空氣分級燃燒 絕大多數(shù)大型鍋爐采用這種方法，基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成 。 在第一階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總燃燒空氣量的 70％～ 75％（相當于理論空氣量的 80％）， 使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度。不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了生成 NOx的反應率，抑制了 NOx在燃燒中的生成量。 第二階段：將完全燃燒所需的其余空氣通過布置在主燃燒器上方的專門空氣噴口 （ 火上風噴口）送入爐膛，與第一級燃燒所產(chǎn)生的煙氣混合，在 α ＞ 1的條件下完成全部燃燒過程。 （ 3）燃料分級燃燒（再燃技術） 在燃燒中已生成的 NO遇到 CH4和未完全燃燒產(chǎn)物 CO、 H C和 CnHm時，會發(fā)生 NO的還原反應，反應式為： 4NO十 CH4→ 2N2十 CO2十 2H2O 2NO十 2CnHm＋（ m/2十 2n1） O2→ N2十 2nCO2十 mH2O 2NO十 2CO→ N2十 2CO2 2NO＋ 2C→ N2＋ 2CO 2NO十 2H2→N2 十 2H2O 將 80％～ 85％的燃料（稱為一次燃料）送入第一級燃燒區(qū)，在 α ＞ 1條件下，燃燒并生成 NOx。其余 15％～ 20％的燃料（二次燃料，或稱再燃燃料）則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區(qū)（又稱再燃區(qū)）， 在 α ＜ 1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區(qū)中生成的 NOx在二級燃燒區(qū)內(nèi)被還原成氮分子，抑制新的 NOx生成