随着国内外工业规模的不断扩大,用于各种工业企业的工业锅炉容量也必然增大。此外,热电联产也是提高化石燃料能量利用率的一种有效方法,可以将凝汽式电厂的大部分凝汽损失转而成为上业或民用热源。因而工业中的自备热电电厂和居民区的供暖热电厂都能同时起到节约煤炭和改善环保的作用。用于热电联产的工业锅炉需要较高的蒸汽参数和较大容量,因此,循环流化床工业锅炉也必然要向增大容量和提高参数方向发展。目前现有循环流化床锅炉的容量和蒸汽参数用于未来的循环流化床工业锅炉已不成问题,因而下面主要对未来循环流化床电站锅炉的发展趋向作一概要论述。
由于世界经济和科技的发展,人口增多和生活水平的提高,电网容量日益增大,电厂发电机组的功率也在迅速增长。作为发电机组主要设备的电站锅炉容量也相应扩大,因为大容量锅炉与由小容量锅炉组成的达到同样容量的锅炉群相比,不仅*作方便,对环境污染少,而且在制造和运行总成本方面对电厂大有益处。至今最大的单台煤粉燃烧电站锅炉已可配1300MW发电机组。我国的电站锅炉主力机组也逐渐进入600~l000MW等级。因而循环流化床电站锅炉要与煤粉电站锅炉相竞争,就必须开发配300MW以上等级的大容量锅炉。
至今,F.W.公司已在2000年完成了法国电力公司委托的600MW超临界循环流化床直流锅炉的研究设计工作,这台锅炉的蒸汽参数为31MPa,593℃/593℃。在欧洲,由西班牙Endesa电力公司、F.W.芬兰公司、德围、希腊、芬兰和西班牙合作研发的CFB- 800研发项目正在进行。CFB- 800研发的为一台配800MW机组的超超临界循环流化床直流锅炉,其蒸发量为2045t/h,蒸汽参数为31MPa,605℃/620℃。
Lurgi公司已和美国燃烧工程公司合作完成了配500MW机组的循环流化床锅炉方案设计工作,该锅炉的蒸发量为1359t/h,,蒸汽参数为17.3MPa,540℃/540℃。法国Stein
Industrie 公司也完成了超临界压力配600MW机组的循环流化床锅炉的设计。
我国“十一五”科技发展规划中,也将自主开发600MW等级的超临界参数循环流化床锅炉列为战略目标和开放重点。至今,配600MW机组的国产超临界循环流化床锅炉的方案设计已由西安热工研究院完成。当然,要将其应用于实际工程中,尚需对炉内热负荷特性、外置换热器内受热面的保护、分离器的气-固分配特性以及入炉煤的扩散特性等重要技术问题进行深入研究。正在江西分宜电厂实施的国产330MW循环流化床锅炉示范工程在2008年投运后,可为国产600MW锅炉的设计和运行提供重要的技术基础和运行经验。
现今国内外在超大型循环流化床锅炉设计中,总体上还未脱离模块叠加或放大的阶段,这样锅炉大型化后对锅炉制造成本和运行费用总和的降低作用不大。应该进一步开发锅炉结构新技术,使超大容量循环流化床锅炉能设计成一种新型的整体化的锅炉形式。这样才能在发电设备市场上与超大型煤粉锅炉相竞争。因为目前单炉膛煤粉燃烧电站锅炉的容量已达1300MW等级。
循环流化床锅炉大型化后的另一需要解决的问题是总体外形尺寸较大。采用水冷或汽冷的方形旋风分离器或炉内有冷却的撞击式分离器有利于缩小锅炉总体尺寸,使之便于向大型化发展。采用高温分离器和低温分离器相结合的多级分离系统也是一种新趋向。总之,需发展新的结构使锅炉外形尺寸缩小。
循环流化床电站锅炉要大型化,除了在结构部件上需有所发展和改进外,还必须在设计理论上加强研究工作。特别是对循环流化床炉膛中的气-固多相流动、传热和传质的机理要加强研究力度。要着重对循环流化床中的内循环、燃烧份额分布,一次风与二次风的配比、炉膛内的传热系数以及合理的循环倍率等与锅炉设计密切相关的因素进行深人研究,得出其客观规律,以便能科学合理地设计出大型循环流化床锅炉。
由热力学可知,对凝汽式蒸汽发电循环而言,蒸汽初参数愈高、中间再热次数愈多,则发电循环的供电效率愈高。因此,电站锅炉从来都是向着提高蒸汽参数和增加中间再热次数的方向发展的。只是由于冶金工业的发展水平、制造技术的限制以及当时技术经济比较落后的结果,才使各个时代的电站锅炉蒸汽参数限制在一定的水平。一个蒸汽参数为16.67MPa、555℃/555℃的亚临界压力电厂的供电效率为38%,而一个汽参数为30.5MPa,582℃/600℃的越超临界压力电厂的供电效率可达47%。此外,根据计算电厂效率每提高10个百分点,就可减少24%的电厂所有排放置(灰渣及
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等气体排放量)。因此采用超临界压力及超超临界压力可带来显著的节省能源和降低排放的效益为此,近代的大型煤粉燃烧电站锅炉大多采用超临界压力及以上的参数,最大的超临界压力煤粉锅炉的容量已达1300MW等级。
与煤粉燃烧电站锅炉相比,现有循环流化床电站锅炉在蒸汽参数上尚处于亚临界压力水平,要与煤粉锅炉竞争,就必须向采用超临界压力直流锅炉方向发展。为了发展超临界参数循环流化床直流锅炉,法国Stein Industrie公司进行了超超临界压力循环流化床直流锅炉的研究工作。锅炉为Lurgi型,带两次中间再热,其容量为250MW,蒸汽参数为30MPa,580℃/580℃/580℃。F.W.公司等也对炉内传热、炉膛热负荷和烟气流动特性等开展了深入测量和研究。研究表明,循环流化床炉膛沿高度热负荷分布远比煤粉炉的均匀,而且最高热负荷位于炉膛下部布风板以上区域,此区域覆盖有耐火材料且是工质温度最低处,因此在采用垂直管屏结构时,在任何工况下均不会出现炉内管子过热的问题。超临界乃至超超临界压力的煤粉炉已具有深厚的设计理论基础和丰富的制造运行经验。因而在此基础上发展超临界参数循环流化床锅炉井不存在实质性的技术问题。至今,已在研究开发的最大超临界参数循环流化床直流锅炉已达800MW等级,蒸汽参数为31MPa,605℃/620℃。
由上所述可见,在向超大容量、超超临界蒸汽参数不断发展的趋向中,循环流化床锅炉将是传统煤粉燃烧锅炉的强有力的竞争对手。这一锅炉技术的竞争将会进一步促进高效、洁净、经济、安全的大型锅炉的发展,必然会将循环流化床锅炉技术推向更高水平。