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1、第五章 洁净燃烧技术第一节 概 述一、洁净燃烧技术所涉及的领域我国煤利用的主要形式是直接燃烧，直接燃煤量占用煤总量的80%以上。燃煤设备的容量差异很大，由小到大依次为民用(含商用)炉灶，工业(含供暖)锅炉和工业窑炉，热电站及自备电站锅炉，大型火力发电锅炉，小时燃煤量由几百克到数百吨。目前的中小燃煤设备(小时燃煤量5吨以下)燃用着总用煤量的40%以上。它们的燃烧效率及热效率不高，民用炉灶热效率约为16%左右，工业炉窑热效率仅40%左右，工业及供暖锅炉热效率也仅50%65%。以高效技术改造后该领域可节约我国总用煤量的10%左右。大型燃煤设备指电站锅炉，我国大型电站几乎全部使用低于临界参数的蒸汽循环
2、机组，平均供电效率仅为32%左右，如用高效技术使之达40%45%，则电站可节约我国总用煤量的7%10%。直接燃煤也是我国大气污染物的主要来源。目前除对尘排放有一定治理外，SOx、NOx、CO和CO2、CnHm等污染均有待治理。实现高效洁净燃煤有两条路，一个是在现有设备上改进，包括燃用型煤，烟气净化等；另一条路就是采用新燃烧技术，其中包括循环流化床燃烧(CFBC)、煤气、蒸汽联产(CFBG-C)、增压流化床联合循环(PFBC)、整体气化联合循环(1GCC)和部分气化联合循环(PGCC)，本章将介绍新燃烧技术。二、实现高效洁净燃烧新燃烧技术与旧有层燃和室燃技术不同，其特点是煤被部分和完全气化，即使
3、是直接燃烧固体燃料也是在流化床内进行。气化和流化床燃烧均是高效洁净燃烧。除改变燃烧方式外新燃烧方式还可构成燃气、蒸汽联合循环发电技术，以提高循环效率。新燃烧技术将引起一系列变化；首先可使居民和小型设备燃料煤气化，特别令人感兴趣的是它利用我国富产的高挥发分非强粘结性粉末煤，新气化工艺的投资和成本较现有技术均有显著降低；所列技术将更适于发展热电联供，使工业及城市用热(冷)效率更高；将既可使用优质燃料又可使用劣质燃料，使地产的或加工副产的可燃物物尽其用；所列技术将以低的投资和运行费大幅度降低SOx、NOx的污染，是难得的，可减少CO2的有效途径，灰渣特别是固硫后的灰渣有良好的可用性；所包括的联合循环
4、发电技术与超临界技术一起是发电领域近期可大幅度提高供电效率的现实途径。三、由相关技术构成的大系统尽管所涉及的应用领域很宽，但各项技术处于一个层次分明、关联性强的系统中。除整体气化联合循环发电技术外，其余技术均以流化床燃烧技术为基础。循环流化床燃烧是技术系统中最简单也是最基础的形式；在此基础上增加固体载热部分气化功能后构成煤气、蒸汽联产；增压流化床联合循环是在压力下的流化床燃烧，然后构成联合循环发电；部分气化与联合循环结合可构成一个难度较低、效果不错的联合循环系统；将煤气、蒸汽联产结构增压可形成效率更高的第二代增压流化床联合循环发电；高温净化则是IGCC和PFBC都需解决的问题。调查表明：所涉及
5、的技术还可以用于在我国若干大煤田建设煤化工和天然气生产基地。以储有高挥发分非强粘结性煤达数百亿吨的山西朔州地区为例，将现有煤产量的1/4以短回收期、低成本技术转化后即可生产数百万吨/年尿素和数亿m3/年天然气。可以看出不同层次的技术将用于不同容量和不同目的，它们之间有很强的相关性，统一规划将有利于系统的发展。第二节 洁净燃烧技术的国内外发展历史及现状一、循环流化床燃烧技术循环流化床燃烧技术的前身是鼓泡流化床燃烧技术。鼓泡流化床燃烧技术已显示燃料适应性强，能在燃烧中脱硫和降NOx的优点。60和70年代鼓泡床技术在中国得到很大发展，但该技术也表现出严重缺点，如细颗粒(800P)燃烬度差；床内浸埋受
6、热面磨损严重；脱硫时钙利用率仅为20%以下，床温超过900后，脱硫效率显著降低等，德国Lurgi公司首先推出循环流化床燃烧技术，它采用高操作气速(810m/s)和高携带率(812kg颗粒/kg烟气)，同时设置炉外换热床，1987年首台270t/h炉投产。芬兰Ahlstrom公司舍去炉外换热床，依靠炉内水冷壁换热，最初的锅炉出现水冷壁因高速高浓度而严重磨损，此后普遍采用中等气速(56m/s)和中等携带率(35kg/kg)。Luigi公司的270t/h炉出现旋风分离器超温，经诊断确定其中燃烧份额过大，采取将燃料由全部900增至6mm获得解决。目前Ahlstrom技术主要用于130410t/h容量，
7、再增大容量遇到炉内受热面不足的困扰，拟用鳍式水冷壁解决，结构过于复杂；而Lurgi型技术(包括法国Stean和美国ABB-CE)更适于410t/h容量，特别是带再过热的锅炉。瑞典Stucvick研究所首先采用槽形惯性分离器，后发现分离效率不够高，增加了中温区的二级分离，该炉型结构简单，但不适于大容量，DuichBabcoke针对高温旋风分离器的缺点研制了中温分离循环床锅炉，可惜忽视了流化床中CO易偏高的弱点。由于CO排放偏高，在发达国家无市场，于是，转向不严格限制CO排放的我国，北京Bahcok锅炉厂就引进了此项技术。美国Foster Wheeler公司针对大型非冷却分离器的缺点研制了蒸汽冷却
8、高温分离器，许多厂家纷纷效仿，但多在研制一台发现成本过高，难以运输的缺点后放弃此方案。Ahlstrom公司采用水冷壁构成方形分离器有明显优势，技术出现后不久，该公司的循环床部分被FW公司兼并。清华大学首先采用炉内冷却床技术，简化了换热床结构。后为FW、Lurgi、Stean和ABB-CE效法。清华大学和中科院工程热物理所是国内较先研究循环床技术的单位，清华大学在小容量锅炉采用低携带率平面流分离，目前广泛用于635t/h容量，结构简单，但埋管易磨损。所研制的中等容量无埋管平面流分离循环床炉(3575t/h)，因循环量偏低而不易达到出力。在总结已有经验基础上采用差速循环床，平面流两级分离或用水冷壁
9、构筑的异形分离器等新技术形成新一代中小容量循环床锅炉。75t/h带异形分离器循环床炉运转正常，结构显著优于非冷却旋风分离锅炉，分离效果甚佳，飞灰含碳远低于引进的炉型。2035t/h差速床锅炉在研制中。中科院工程热物理所的第一代产品与Ahlstrom产品类似，其第二代产品采用了百叶窗两级分离。一些单位引进了Ahlstrom型锅炉。在燃用较高灰分和破碎粗糙的煤时，达到出力方面也出现困难。脱硫技术在流化床燃烧技术中占重要地位，循环床技术可以使细颗粒石灰石发挥更大作用，因此在80%的脱硫效率时Ca/S可降到2。清华大学对脱硫的微观结构进行深入研究，认为石灰石的孔反应特性既影响钙利用率又影响最佳脱硫温度
10、，首创将石灰石粉粘制成高活性高温粒状脱硫剂，不仅Ca/S降到1.7以下，而且最佳脱硫温度由850提高到950，有利于传热、燃烧，更使困扰流化床燃烧技术的N20排放过高问题得以解决。柳州市已按清华技术广泛用于流化床锅炉脱硫。二、煤气一蒸汽联产技术煤的气化包括完全气化和部分气化两类。人们早已期盼将煤中不同组份加以合理利用，即使较易气化的挥发物变为煤气而将不易气化的固定碳(它的完全气化往往要求制氧、高温)用于燃烧70年代末期，美、英联合推出COGas工艺，完成了中试。其流程为：煤先在650左右裂解以求多产油品，所余半焦被循环的热焦加热，其中的挥发分和碳与水蒸气发生水煤气反应生成以CO和H2为主的煤气
11、。加热段是一个能燃烬半焦的液态排渣旋风炉，残焦没有利用。由于提升加热段效率不够高，残焦损失大，总效率不高，但已开创了一个较好的先例。大连理工大学在80年代中后期，以鼓泡流化床烟气为热源加热半焦，实现在650载热裂解工艺。因气化温度低，煤气产率不高，半焦又没能很好利用，经济上不能自持。进入80年代后，循环床燃烧技术日益发展，已完全有能力燃烬焦粉，清华大学张绪棉在1985年初中国科协出版的2000年的中国研究资料中明确建议开发载热部分气化和蒸汽联产技术。1990年后多个单位开始此项研究，研究的初级阶段是灰载热低温气化，即以循环床灰为载热介质，在650750的床温下气化。这些方案都在寻找用户。为提高
12、煤气产率，尽量降低焦油产率和焦炭热量，以减少净化困难，降低单位煤气量的投资额，清华大学煤燃烧工程研究中心提出了快速床提升焦载热气化方案。目前在清华大学电厂建立了一个小时处理2吨煤的工业试验装置，已于1997年5月建成产气。高煤气产率和较高烃含量为在某些地区将煤转化为化工产品及天然气创造条件。三、整体煤气化联合循环发电技术(1GCC)早在1972年，世界上第一个工业规模的煤气化联合循环发电机组在德国Lunen市克尔曼电厂内建成，容量为170MW，采用Lurgi固定床气化炉，完成预定试验后于70年代末停运。1984年，在美国加州Coolwater电厂建成100MW机组，该机组采用Texaco气流床
13、气化工艺。19841989年间曾对四种煤进行一系列试验研究，累计运行27100小时。试验证明，该机性能良好，运行可靠，污染排放很小。电站效率仅为31.2%(HHV)，在完成示范运行后停运。美国的另一座IGCC示范电站位于路易斯安那州的LGTI 电厂，于1987年投产，运行至今。该机组采用Destec气流床气化工艺，电站总折算功率为160MW，净效率为34.2%(HHV)。荷兰Buggenum电站于1994年3月投产的IGCC机组采用Shell气流床气化工艺，净功率达253MW，净功率为43.2%。进入1994年后，国际上IGCC电站建设速度明显加快。机组容量均在250500MW，净效率提高到4
14、0%45%，燃气轮机进口初温提高到1250左右，初投资降到2000美元/kW左右。国内于1979年曾立项在苏州电厂建设一座10MW级的IGCC电站，所用气化工艺，燃机、汽机均不先进，后工程中止。但国内许多单位如电力部西安热工研究院、清华大学、中科院工程热物理所、上海发电设备成套设计研究所等都继续进行相关研究。第三节 洁净燃烧技术原理及特点一、流化床与智环流化床燃烧固体颗粒在自下而上的气流作用下具有流体性质的过程称为流化。颗粒尺度较大而操作气速较小时在床下部形成鼓泡流化床，即其连续相是气固乳化团，其分散相是以气为主的气泡。在气泡上浮力作用下床内颗粒团之间有较强的质交换。颗粒尺度较小、操作气速甚高
15、，加以使用分离器使逸出物料不断返回时，形成另一流化形态，称快速流化床，其分散相为气固乳化团，连续相为含少量颗粒的气体。早期的循环床是快速流化床，当时，燃料颗粒90，操作气速为810m/s，炉膛出口气固携带率为1020kg/kg。过细的燃料颗粒造成旋风分离器内燃烧份额过大，易超温结渣，燃料粒度增为6mm后有所改善。过高的气速和浓度造成水冷壁磨损，为此气速降为56m/s。如此变化之后，流动形态变化很大，在炉膛下部形成鼓泡床，炉膛上部的快速流化床特征也不再明显，只有在炉膛出口气流折转区，因颗粒失去上举力而浓缩，在炉膛出口下部和部分边壁附近出现乳化团。目前的循环床是有灰循环过程的流化床炉的总称。在循环
16、床诸过程中，组织好沿循环路线的各区域内发热与放热间的正常平衡是首要任务，即组织好燃烧、对受热面传热和物料载热。气速和浓度的降低对炉内燃烧及传热工况产生影响。就发热而言，燃料变粗和气速降低使燃烧份额下移，即炉膛下部密相区产热量增加，一旦吸热不足，床温将升高，许多锅炉达不到出力的主因即在于此。因此，当气速降低后，降低燃料粒度(或提高挥发分)是保持密相区较低燃烧份额的重要手段。从吸热角度看，循环量对传热和载热过程有重要影响。对于以灰为主循环物料的锅炉，循环量c与燃料燃烧所形成的灰颗粒粒度分布即成灰特性有关。设某一粒度的成粒量为e，依灰平衡ea+b，a为由分离器逸出的某一粒度颗粒量，b为排渣带出的某一粒度颗粒量，一般称为分离效率a，相类比为排渣的选则效率b，而，这一表达式说明a与b对循环量同样重要，实际上对细粒度b接近于1，循环量主要取决于a；对粗粒度a
