燃煤燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)的研究.doc

1、燃煤燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)的研究沈邱農(nóng) 楊道剛 李守玉上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所摘 要： 本文介紹上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所在整體煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)（IGCC)和第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)（PFBC)關(guān)鍵技術(shù)方面的研究概況.關(guān)鍵詞：潔凈煤技術(shù) 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 煤氣化 燃燒室 磨蝕 試驗1. 引言 “煤的潔凈燃燒"技術(shù)是當(dāng)前各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視的研究領(lǐng)域，燃煤燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)由于能較大幅度提高火力發(fā)電廠的熱效率，并使污染問題獲得解決，因而成為最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。我國是以燃煤為主的國家， 電力工業(yè)中燃煤發(fā)電廠的裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的70以上。同時,燃煤發(fā)電廠又是嚴(yán)重的污染源，全

2、國SO2總排放量的三分之一,NOX和粉塵總排放量的一半由燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生.所以我國對“潔凈煤技術(shù)”也十分重視，七十年代末國家科委就開始部署“煤的潔凈燃燒”發(fā)電技術(shù)的研究工作。 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所在“六五”到“八五"期間先后承擔(dān)了國家科委下達(dá)的燃煤燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)項目中的“低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究"、“常壓流化床空氣埋管傳熱試驗研究”、“第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究”等科技攻關(guān)課題。在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功地開展了對上述關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),取得了科研成果.本文將介紹這些科技攻關(guān)課題的研究概況。2. 低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究 整體煤氣化燃?xì)庹羝?/p>

3、聯(lián)合循環(huán)（IGCC）是“煤的潔凈燃燒”發(fā)電技術(shù)的一個重要方式。在IGCC中的燃?xì)廨啓C(jī)必須可靠地燃燒氣化爐產(chǎn)生的中、低熱值煤氣，標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品必須經(jīng)過對燃燒系統(tǒng)改造方能滿足IGCC的要求.1981年國家科委布置了燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)科研攻關(guān)工作,上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所承擔(dān)了“燃用低熱值煤氣的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究"課題,研究內(nèi)容包括“低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室試驗研究”和“低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗研究”兩個方面。課題攻關(guān)于1990年10月完成，并通過了國家科委和機(jī)械工業(yè)部組織的專家鑒定，主要研究成果有：2.1 建立了國內(nèi)第一套使用配制組合壓縮氣體為燃料的氣體燃料燃燒室試

4、驗臺 ，可進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃油、燃?xì)饣蛴蜌饣烊嫉牡蛪耗；囼灒渲昧斯┯?、供氣體燃料的燃料系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒室試驗控制系統(tǒng)。在試驗測量和數(shù)據(jù)處理方面配置了較先進(jìn)儀器設(shè)備，常規(guī)參數(shù)測量采用美國惠普公司的計算機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，對燃燒室排氣采用日本進(jìn)口的煙氣分析儀進(jìn)行煙氣分析。2.2 與美國GE公司燃?xì)廨啓C(jī)分部合作進(jìn)行了“GE MS5001燃?xì)廨啓C(jī)低熱值煤氣燃燒系統(tǒng)研究"項目。燃料氣為魯奇煤氣.低熱值煤氣燃燒室的基本結(jié)構(gòu)形式為多管逆流式燃燒室，保留了標(biāo)準(zhǔn)燃燒室的大部分結(jié)構(gòu)形式，主要變動是采用了大流量強旋流的煤氣噴燃器，加大煤氣和空氣的旋流速度.煤氣和空氣的旋轉(zhuǎn)方向相反，加強煤氣

5、與空氣的摻混，并形成強烈的回流區(qū)，改善火焰的穩(wěn)定性.圖1。 GE的逆流式燃燒室（略)GE MS5001低熱值煤氣燃燒室試驗在美國GE燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展試驗室（GT DL)的全壓全尺寸燃燒試驗臺上進(jìn)行,先后進(jìn)行了4個方案的試驗， 試驗結(jié)果表明最終結(jié)構(gòu)方案除燃燒柴油時高負(fù)荷下冒黑煙外，低熱值煤氣燃燒室其他性能均滿足要求。2.3 在分析“GE MS5001"低熱值煤氣燃燒室結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,設(shè)計了用于國內(nèi)某型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。該燃燒室也采用逆流式結(jié)構(gòu)，并根據(jù)國內(nèi)的制造工藝條件將火焰筒魚鱗孔冷卻結(jié)構(gòu)改為氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。圖2。某型低熱值煤氣燃燒室（略）燃燒室的基本參數(shù)為:體積熱強度qv4。694

6、×104MJ/m3·h·ata面積熱強度qF3。575×104MJ/m2·h·ata燃?xì)舛毫魰r間t0.049s參考速度Wref15.54m/s火焰管直徑Dft192mm火焰管長度L785mm火焰管外殼直徑D255mm燃?xì)膺^渡段收斂比3.79：1試驗在上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室試驗臺上進(jìn)行.試驗參數(shù)采用低壓模化方法，使用實物燃燒室，給定試驗燃燒室進(jìn)口空氣壓力為104kPa， 按各工況下的?；囼瀰?shù)進(jìn)行試驗。試驗過程中燃燒室點火升負(fù)荷順利，燃燒柴油時未發(fā)現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象.燃燒煤氣試驗時，先用柴油點火，負(fù)荷升到1/4全負(fù)荷時，由

7、油順利切換到煤氣.試驗結(jié)果表明,自行設(shè)計的燃燒室在?；瘲l件下燃燒效率高,出口溫度場均勻，分布符合要求。壓損和火焰管壁溫都滿足要求，設(shè)計獲得了成功。2.4 研究開發(fā)了大流量低熱值煤氣調(diào)節(jié)閥。煤氣化聯(lián)合循環(huán)中, 低熱值煤氣調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)中的重要部件，必須滿足容積流量大，密封性能好，調(diào)節(jié)特性好,可快速開啟和關(guān)閉的要求。經(jīng)過多種方案的分析比較，后確定采用多只單座閥并聯(lián)的設(shè)計方案來滿足煤氣大流量的要求,各單座閥可由同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動,也可以每只閥分別由一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動。設(shè)計的閥門由錐形閥蝶和拉伐爾縮放型閥座組成，并帶有一個預(yù)啟閥,以減小提升力和時間常數(shù)，具有很好的動態(tài)特性和快速關(guān)閉能力。圖3。 低熱值煤氣調(diào)

8、節(jié)閥（略）通過對模型閥門的氣動性能吹風(fēng)試驗,掌握了閥門通流能力和流阻特性數(shù)據(jù)，所設(shè)計的調(diào)節(jié)閥5只并聯(lián),就可滿足MS5001機(jī)組的基本負(fù)荷要求。通過大量動態(tài)特性試驗,證明所設(shè)計的閥門快速開啟和關(guān)閉的性能良好，在1。28MPa表壓的控制油壓下,50mm的滿行程動作時間只需0。34秒。通過對“燃用低熱值煤氣的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究”的課題攻關(guān),消化吸收了國外先進(jìn)技術(shù)，自行設(shè)計和調(diào)試的低熱值煤氣燃燒室和調(diào)節(jié)閥主要性能指標(biāo)良好,并且掌握了這些關(guān)鍵部件的母型和設(shè)計研究方法。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所曾經(jīng)成功地將低熱值煤氣燃燒技術(shù)和經(jīng)驗用于國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)熱電裝置的調(diào)試技術(shù)服務(wù).3. 常壓流化床

9、聯(lián)合循環(huán)(AFBC)的技術(shù)研究 燃煤常壓流化/燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置具有能源轉(zhuǎn)換效率高，煤種適應(yīng)性廣，能燃用劣質(zhì)煤且環(huán)境污染小的優(yōu)點，是一種可行的潔凈煤發(fā)電方式。常壓流化床空氣熱交換技術(shù)是發(fā)展燃煤常壓流化床聯(lián)合循環(huán)所必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。為此國家科委1981年組織“常壓流化床空氣換熱試驗研究”單項關(guān)鍵技術(shù)研究。我所承擔(dān)了建立單一學(xué)科研究的常壓流化床空氣傳熱試驗臺和單管及管束常壓沸騰爐傳熱試驗臺，進(jìn)行試驗臺的調(diào)試工作并完成初步機(jī)理性試驗，提出單管傳熱試驗報告，常壓流化床聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)分析報告和調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)分析報告。研究工作于1984年底完成并通過專家鑒定。3.1 0。5m2常壓流化床空氣熱交

10、換試驗臺國內(nèi)在燃煤常壓流化床技術(shù)方面進(jìn)行了很多研究,取得了相當(dāng)大的成績,積累了豐富的經(jīng)驗.這些研究與發(fā)展均集中于燃煤常壓流化床蒸汽鍋爐技術(shù).燃煤常壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中使用的燃煤常壓流化床空氣鍋爐技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白，而其中的“空氣埋管熱交換技術(shù)”是必須解決的關(guān)鍵技術(shù).為此我所建立了一臺床面積為0.5m2的常壓流化床試驗裝置。試驗臺除了可供空氣埋管的熱交換試驗研究外,還可供流化床燃燒、流化、阻力、空氣埋管材料、結(jié)構(gòu)，運行特性等多種試驗研究使用。已成為一個綜合性的燃煤常壓流化床試驗裝置。沸騰床斷面為矩形風(fēng)帽式布風(fēng)結(jié)構(gòu)，正壓螺旋給煤,水平空氣埋管，爐膛四周無冷卻管布置，主要參數(shù)下：布風(fēng)板面積 0

11、。5m 2床寬度 560mm床深度 900mm風(fēng)帽縱向節(jié)距S1 122。6mm風(fēng)帽橫向節(jié)距S2 37mm風(fēng)帽個數(shù) 112個下溢流口下沿距風(fēng)帽頂 1060mm上溢流口下沿距風(fēng)帽頂 1960mm空氣埋管為并聯(lián)布置的U形管，錯列布置。為了適應(yīng)多種試驗項目的要求共布置了溫度測點40個、壓力測點27個，流量測點14個,共81個測點。試驗臺設(shè)備齊全,系統(tǒng)完善，配置了大型熱力參數(shù)數(shù)字顯示模擬屏，工業(yè)電視監(jiān)察裝置、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理等設(shè)施。2. 0。1m2常壓流化床單管及管束傳熱試驗研究 為了進(jìn)行更多的機(jī)理性研究，建立了一個單管及管束傳熱試驗臺,對空氣埋管流化側(cè)換熱系數(shù)、主要影響因素及流化床中的輻身換熱問題

12、進(jìn)行試驗研究。試驗臺爐高3。5m，床面積0。4×0。25m2,床溫在常溫至900范圍內(nèi)可調(diào),用電、油聯(lián)合加熱流化空氣和流化床料，進(jìn)行埋管的傳熱試驗研究。試驗臺由爐本體，流化空氣供氣系統(tǒng)，測試管壓力空氣供氣系統(tǒng)，供油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及試驗控制臺組成。熱態(tài)傳熱試驗前進(jìn)行空床試驗，確定無料層時進(jìn)氣室和布風(fēng)板的阻力隨風(fēng)速的變化情況；進(jìn)行冷態(tài)試驗，試驗爐料使用上海吳淞化肥廠流化床鍋爐的灰渣，去除8mm以上的粒子,選用08mm直徑的“寬帶分”顆粒，觀察爐料流化的均勻性,冷態(tài)流化空氣壓降與流化速度之間的變化關(guān)系.測試管位于爐子的旺盛流化區(qū)中、進(jìn)行熱態(tài)傳熱試驗。首批試驗參數(shù)范圍為：粒子：種類

13、吳淞化肥廠爐渣粒子直徑分布：08mm床溫：523804床壓:環(huán)境壓力流化速度:2.864.86m/s測試管直徑:32mm測試管空氣壓力：314kPa測試管空氣進(jìn)口溫度:110154通過試驗得到換熱系數(shù)、傳熱系數(shù)K隨床溫的變化關(guān)系；試驗段各截面床溫、壁溫和流化空氣溫度間的關(guān)系，試驗結(jié)果與國內(nèi)外的一些常壓流化床埋管傳熱試驗的結(jié)果進(jìn)行了定性和定量的比較。表明所選用的試驗方法是可行的，數(shù)據(jù)是可信的。試驗數(shù)據(jù)的分析表明測試管內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)小于外側(cè)的換熱系統(tǒng),流化床空氣埋管傳熱的熱阻主要在內(nèi)側(cè)流道。增強內(nèi)側(cè)流道換熱強度或增大內(nèi)側(cè)流道的換熱面積是流化床換熱的關(guān)鍵問題之一。4. 第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電關(guān)

14、鍵技術(shù)研究 第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(2GPFBCCC）也稱為補燃增壓流化床燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán),是在增壓流化床聯(lián)合循環(huán)（PFBCCC）的基礎(chǔ)上增加一套炭化爐、煤氣除塵裝置及燃?xì)廨啓C(jī)補燃燃燒室.煤在炭化爐中裂解，產(chǎn)生低熱值煤氣和焦炭，焦炭被送到增壓流化床中燃燒，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。煤氣送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室補燃，將增壓流化床送來的煙氣加熱至1000以上，送入透平做功。這種方案集中了IGCC和PFBCCC的優(yōu)點，能使循環(huán)的總功率和熱效率都得到提高。“八五"期間，國家科委部署了第二代增壓循環(huán)流化床聯(lián)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)的課題攻關(guān)任務(wù)。由上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所和北京煤化學(xué)研究所共同承擔(dān)。課題包

15、括三大方面的研究內(nèi)容:1。增壓循環(huán)流化床氣化技術(shù)研究；2。補燃燃燒室系統(tǒng)的研究；3。高溫?zé)煔鈱θ細(xì)廨啓C(jī)葉片的磨蝕研究。課題攻關(guān)在九五年底全面完成，通過了由科技部、機(jī)械部、電力部組織的專家鑒定，并獲得了“八五攻關(guān)重大科技成果獎”。4。1 建立了一套增壓流化床煤氣化技術(shù)試驗裝置系統(tǒng),并成功地投入試驗運行.試驗裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：流化床氣化爐：主反應(yīng)段內(nèi)徑300mm擴(kuò)大段內(nèi)徑：450mm高度：6010mm設(shè)計壓力:2。5MPa操作壓力：0.31.0MPa操作溫度:9001100氣化劑:空氣、水蒸汽氣化方式：部分氣化、完全氣化煤處理能力:2.55噸/天增壓流化床煤氣化技術(shù)試驗裝置建成后，進(jìn)行了高溫冶

16、金焦、伍德爐半焦、神木煤和大同煤等五種原料的試驗，試驗裝置實現(xiàn)了20小時的連續(xù)穩(wěn)定運行,累計運行510小時。氣化爐產(chǎn)生的煤氣供低熱值煤氣燃燒系統(tǒng)和葉片磨蝕系統(tǒng)進(jìn)行試驗。不同煤種、不同操作條件下獲得的排灰中含碳量范圍為11.1%75.5。基本掌握了煤灰粘聚及選擇排灰的操作技術(shù)。為了開展流化床床內(nèi)脫硫研究,在流化床氣化爐上進(jìn)行了五個不同含硫量的煤,兩種脫硫劑的床內(nèi)脫硫試驗研究，獲得了最高達(dá)93.6的脫硫率。這些基礎(chǔ)研究和試驗工作，為放大規(guī)模的增壓流化床煤氣化和床內(nèi)脫硫技術(shù)做了充分準(zhǔn)備（圖4）.4.2 補燃燃燒系統(tǒng)技術(shù)研究中，選擇了520kW級容量的燃燒室進(jìn)行試驗研究，主要技術(shù)參數(shù)為:空氣壓力：0.

17、1059Mpa 空氣進(jìn)口溫度：320 煤氣溫度：200PFBC爐煙氣溫度：850 燃燒室排氣溫度：1100PFBC中按煙氣進(jìn)入補燃燃燒室的方式可分為后混和前混兩種方式，根據(jù)煤氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率XC選定了XC50后混、XC70%后混和XC70前混三個方案進(jìn)行了試驗（略）a。后混試驗方案（略)試驗在上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室試驗臺上進(jìn)行.試驗按低壓?；椒?，并模擬壓氣機(jī)排氣溫度和PFBC中排出的煙氣溫度。各方案的試驗工況按燃燒室的排氣溫度為1100、1000、900、800、700分成5點，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)和模化條件分別得到各工況的試驗參數(shù)。試驗時先用0號柴油點火，升負(fù)荷至排氣溫度為750

18、時切換成由增壓流化床氣化爐供給的低熱值煤氣。煤氣切換及其后的進(jìn)一步升負(fù)荷均十分順利。對所選定的（略）b。 前混試驗方案（略)各方案順利進(jìn)行了燃燒室燃燒低熱值煤氣試驗，取得了完整的數(shù)據(jù).試驗結(jié)果表明:各工況下的燃燒效率基本在99。0以上;出口溫度場滿足要求，溫度場系數(shù)隨負(fù)荷的增加而減小,火焰管壁溫分布符合設(shè)計要求。證明燃燒室的設(shè)計思想是正確的。所取得的研究成果可用于第二代增壓流化床聯(lián)合循環(huán)補燃燃燒系統(tǒng)的設(shè)備研制和調(diào)整試驗。4。3 建立了高溫?zé)煔饽ノg試驗臺，對PFBC中進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的高溫?zé)煔庵兴倭糠蹓m對葉片的磨蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，提出防磨措施。葉片磨蝕試驗臺由高溫?zé)煔饣旌隙?灰粒添加裝置、葉柵工

19、作段、排氣噴水冷卻段及葉片冷卻空氣系統(tǒng)組成.高溫?zé)煔鈦碜缘蜔釤嶂担▓D6）煤氣燃燒室排氣?；伊Ｗ釉跓煔饣旌隙吻岸思尤?，在混合段中與煙氣均勻混合并加速到主氣流的速度。添加灰粒的目的是能夠在較短的試驗時間內(nèi)觀察到含灰煙氣對葉片的磨蝕情況。設(shè)計了三種不同結(jié)構(gòu)形式的試驗件，第一種是實物透平葉片,第二種是半圓形空心試驗件，第三種為扁平形空心試件。三種試件壁面上都裝有熱電偶，用以測定試驗件表面溫度。試件材料選用FSX414鈷基合金，并分別選用AMDRY997，AMDRY997METCO204，碳化鉻三種不同涂層材料,用高溫等離子噴涂工藝將涂層粉末噴涂在試件表面上，以研究耐高溫耐磨蝕涂層對燃?xì)廨啓C(jī)葉片的保護(hù)作用。試驗結(jié)果表明：三種涂層耐磨度對比分析看出，NiCoAlTaY涂層的抗腐蝕、抗高溫氧化及耐磨性能較強.真空等離子噴涂的涂層表面臻密光潔，氣孔少，具有更好的結(jié)合強度及耐高溫性能,能符合PFBC中燃?xì)廨啓C(jī)葉片防磨的技術(shù)要求。五、結(jié)束語國家科委自“六五”起連續(xù)部署燃煤燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)的課題攻關(guān)項目，使我國的科研機(jī)構(gòu)和制造廠較好地跟蹤了國外“煤的潔凈燃燒”這一高新技術(shù)的發(fā)展，取得了很有價值的研究成果，為我國發(fā)展IGCC和PFBC聯(lián)合循環(huán)做好了技術(shù)準(zhǔn)備.低熱值煤氣燃燒系統(tǒng)研究中