600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐關(guān)鍵問題研究

   四川白馬600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)在設(shè)計過程中，面臨不少亟需解決的關(guān)鍵性問題。這些問題主要包括雙布風(fēng)板大爐膛密相區(qū)顆?；旌蠁栴}、床料平衡與控制問題，高爐膛中氣固濃度分布，二次風(fēng)穿透問題，懸吊受熱面表面顆粒流動問題，六分離器循環(huán)回路物料平衡問題，爐膛水冷壁、中隔墻和懸吊受熱面的熱流分布規(guī)律，超臨界水動力特性，回料系統(tǒng)受阻對爐膛運行的影響和水冷壁的防磨等。這些問題均是600MW超臨界CFB鍋爐設(shè)計和運行中至關(guān)重要和必須解決的問題。該文主要介紹為解決這些問題而開展的大量實驗研究和數(shù)值模擬研究工作及其主要結(jié)果。實爐的運行結(jié)果驗證了研究結(jié)果的預(yù)測。

0 引言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃燒技術(shù)有著燃料適應(yīng)性廣、污染排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大、灰渣利用率高等優(yōu)點，近年來取得了快速的發(fā)展。超臨界循環(huán)流化床(SCFB)兼具了CFB燃燒技術(shù)和超臨界蒸汽循環(huán)的特點，是一種高效清潔燃煤發(fā)電技術(shù)，商業(yè)前景廣闊。

大型超臨界CFB鍋爐技術(shù)綜合了低成本污染控制和高供電效率兩方面優(yōu)勢，是循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展方向。近十幾年來，國外多家CFB制造商、國內(nèi)三大鍋爐廠和多家科研單位陸續(xù)提出了各自的超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計方案，具體見表1?？傮w上看，大爐膛對稱布置多個分離器和外置式換熱器成為共性，采用雙布風(fēng)板方案居多，爐膛截面積400m2左右、爐膛高度達(dá)到50m左右。

2013年4月14日，四川白馬600MW超臨界CFB鍋爐順利通過168h全負(fù)荷試運行，成功投入商業(yè)運營。該機(jī)組是繼波蘭Lagisza460MW超臨界CFB機(jī)組投運后，單機(jī)容量最大的超臨界CFB機(jī)組。

白馬600MW超臨界CFB鍋爐為超臨界直流爐，爐膛寬15m，深28m，高55m。鍋爐采用單爐膛雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置有中隔墻，左右對稱布置6個分離器及回料系統(tǒng)。這種帶有中隔墻、雙布風(fēng)板大爐膛、6回路的超臨界循環(huán)流化床鍋爐為世界第1臺，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性。氣固流場、傳熱、水動力、穩(wěn)定性，如大爐膛雙布風(fēng)板支腿密相區(qū)顆粒混合問題、床料平衡與控制問題，高爐膛氣固濃度分布，二次風(fēng)穿透問題，懸吊受熱面表面顆粒流動問題，六分離器循環(huán)回路物料平衡問題，爐膛水冷壁、中隔墻和懸吊受熱面的熱流分布規(guī)律，超臨界水動力特性，回料系統(tǒng)受阻對爐膛運行的影響等問題，是600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計和運行中至關(guān)重要和必須解決的問題。

本文將主要介紹這些問題相關(guān)的實驗室試驗和數(shù)值模擬解決方法和主要研究結(jié)果。

1 爐內(nèi)氣固混合與流動特性

循環(huán)流化床鍋爐爐膛中氣固間強(qiáng)烈的混合有利于固體顆粒和氣相間的質(zhì)量、熱量傳遞，改善爐內(nèi)燃燒、溫度均衡、產(chǎn)物生成及與受熱面間傳熱，對爐內(nèi)燃燒及穩(wěn)定操作運行均有著重要的作用。隨著鍋爐容量和蒸汽參數(shù)的不斷增大，爐膛橫截面尺寸也隨之增大。四川白馬600MW超臨界CFB鍋爐橫截面積為15mX28m，爐膛中部設(shè)有中隔墻，并在頂部設(shè)有多個懸吊屏，這些結(jié)構(gòu)對爐內(nèi)固相顆粒的混合均會產(chǎn)生不利影響。爐內(nèi)固相顆粒的混合成為超臨界循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)過程中的一大關(guān)鍵問題。

中隔墻對爐內(nèi)固相顆?；旌系挠绊懤鋺B(tài)試驗在浙江大學(xué)600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐模化試驗系統(tǒng)中進(jìn)行，見圖1。試驗以鐵粉為床料，并在運行穩(wěn)定時從爐膛單側(cè)加入示蹤粒子。試驗結(jié)果如圖2所示，隨著時間推進(jìn)，固相顆?；旌系迷胶?。中隔墻能夠影響固相顆粒的橫向擴(kuò)散，其影響程度由中隔墻的幾何尺寸和布置決定。