外燃式燃煤聯合循環的原理是煤在常壓燃燒室中燃燒，高溫煙氣通過陶瓷換熱器將壓縮空氣加熱到燃氣透平的進口溫度。換熱後的煙氣通到蒸汽鍋爐中產生蒸汽，驅動蒸汽透平，煙氣經脫硫和除塵裝置後排入大氣。經燃氣透平膨脹作功後排出的空氣可用作燃燒室的燃燒用空氣。非直接燃燒的設計保證了燃氣透平零件不會暴露在有腐蝕性的煙氣中，這和直接燃燒或加壓流化床燃燒不同，它們的煙氣要淨化後才能進入燃氣透平。
基本介紹
- 中文名：外燃式燃煤聯合循環
- 外文名：External combustion coal combined cycle
- 學科：能源工程
- 領域：新能源
- 類型：外燃式燃煤
- 特點：聯合循環
簡介,外燃式聯合循環的研究,外燃式聯合循環參考設計,商業性示範,
簡介
賓夕法尼亞電力公司計畫用外燃式聯合循環技術(EFCC)來重新擴建W amen電廠，該技術不需要對高溫煙氣進行淨化.此項目由美國潔淨煤計畫提供部分資金。電廠在提高效率的同時，將有助於達到1990年空氣潔淨法的要求。
賓夕法尼亞州的Warren電廠作為潔淨煤計畫的示範項目採用非直接燃燒的燃氣透平並非是新構想。早在1935年，Sulzer EscherWyss等公司就實施過這一計畫。
早先的外燃式聯合循環電廠使用金屬換熱器，但是這種換熱器所能承受的溫度不夠高，使電廠運行不經濟，而用陶瓷換熱器則改善了這種不足。
外燃式聯合循環的原理，煤在常壓燃燒室中燃燒，高溫煙氣通過陶瓷換熱器將壓縮空氣加熱到燃氣透平的進口溫度。換熱後的煙氣通到蒸汽鍋爐中產生蒸汽，驅動蒸汽透平，煙氣經脫硫和除塵裝置後排入大氣。經燃氣透平膨脹作功後排出的空氣可用作燃燒室的燃燒用空氣。非直接燃燒的設計保證了燃氣透平零件不會暴露在有腐蝕性的煙氣中，這和直接燃燒或加壓流化床燃燒不同，它們的煙氣要淨化後才能進入燃氣透平。
因為換熱表面是陶瓷的，空氣加熱器對腐蝕的敏感性要比金屬燃氣透平邵件要小的多。陶瓷使得空氣加熱器在腐蝕性環境中的使用溫度可超過1400℃。
外燃式聯合循環的研究
1987年，美國能源部和許多電力公司和工業成立了EFCC財團來研製高壓燃煤陶瓷換熱器。在項目的第一階段，一台低壓換熱器用水煤漿的燃燒煙氣進行了各40小時的4次試驗。據報導，陶瓷管在試驗條件下顯示了良好的機械耐久性和抗腐蝕能力。
在換熱器的管子上出現了灰分集結，說明需要在前面安裝除灰裝置，濾灰裝置的採用就是為了解決這一問題。
項目的第一階段還示範了用傳統方法如吹灰等能夠除去陶瓷換熱器管子的積灰。
項目的第二階段開始於1988年，包括:
(1)單列管的高溫高壓試驗;
(2)陶瓷表面的腐蝕試驗;
(3)管子材料的開發;
(4)一個加熱功率的7.4MW的燃煤試驗裝置。
陶瓷換熱器的結構由許多平行管排組成。每根管由2根或4根頭尾相接的陶瓷管、六角形接頭和彈簧壓緊組件構。
從1988年到1992年，管排在海牙國際壓力容器檢驗所的試驗台架上經受了大約1}d00小時的高溫高壓試驗，試驗包括了幾個熱力循環。當時主要是擔心管子泄漏，但試驗表明泄漏低至流量的0. 500,符合1%以下的要求。
在一些電廠鍋爐中還進行了陶瓷材料的長時間掛片試驗，這些試驗增加了陶瓷腐蝕資料的積累。
外燃式聯合循環參考設計
在緬因州的Kennebunk最近建成的2MW燃煤試驗裝置上又進行了連續試驗，阻礙這項技術商業化的問題得到了逐步解決。為了說明現存燃煤電廠套用外燃式聯合循環來擴大發電能力的優點，海牙壓力容器檢驗所提出了現有電廠擴容的初步設計。
此初步設計形成了Warren電廠擴大發電功率的可能選擇的根據，其投資費用在1992年12月的參照價是109。美元/千瓦。
原先該電廠以25.1%的淨效率運行，蒸汽參數為468℃和6MPa、發出47.7MW的電力。凝汽器的冷卻水來自於附近的河流;使用高熱值28.6MJ/kg的煤，其水份為3%，含硫量為2.600/n。
現有的煙氣淨化裝置僅為靜電除塵器，要使得SO，排放量符合1990年空氣潔淨法修正案的要求，必須加脫硫裝置。
用外燃式聯合循環進行電廠擴容需要增加以下設備:
(1)燃氣透平發電機組;
(2)透平控制閥;
(3)煤燃燒器;
(4)濾灰裝置;
(5)陶瓷換熱器;
(6)與燃燒器合二為一的蒸汽鍋爐;
（7）空氣品質控制設備;
(8)分配控制和信息裝置。
參考電廠使用一台GE公同LM6000型燃氣透平機組，其壓力比為29.7，進氣溫度為1260℃，排氣溫度441℃。透平進氣中含有1%的蒸汽，發電功率為41.3MW。
目前通用的LM600。機組改成非直接燃燒，需作以下更改:拆除氣體燃料燃燒器，與陶瓷空氣加熱器聯接，因為陶瓷空氣加熱器與燃氣透平之間要用管子輸送高溫空氣，因此採用了同心式套管，內管輸送熱空氣到燃氣透平，外管輸送壓縮空氣到陶瓷加熱器。
燃氣透平輸出功率由透平控制閥調節，用快速回響閥使得邵分壓縮機排出的空氣不經過陶瓷換熱器而與熱空氣混合，來調節透平的進氣溫度，這樣，陶瓷加熱器可以看作一個維持恆溫的熱庫，使陶瓷空氣加熱器的出口空氣溫度保持恆定值。
負荷控制通過調節煤燃燒速度和燃燒空氣來達到。
燃燒和蒸汽生產在同一台蒸汽鍋爐中進行。該鍋爐的爐子部分包括燃燒器和水冷壁，煤粉供應到燃燒器的最高速率為35t/h。煤燃燒器亞式濕底(水封式)，具有分段送風裝置，以減少NOx二生成量。爐子的第一段為矩形截面的還原段，使用具有耐火層的膜式水冷壁結構，耐火層的材質和厚度決定著爐壁的吸熱量。水冷壁和高壓汽包形成自然循環迴路，總吸熱量約為12MW。
燃燒室第二級中採用摻入空氣冷卻來控制火焰溫度和阻止NO二生成，燃燒氣體從較低的位置排出。
燃燒器排出的含灰煙氣通過除灰裝置時，直徑大於lμm的灰粒被除掉，除灰裝置由多根陶瓷管排列組成，起滯止分離的作用。除灰管的清灰通過專利技術來達到。
煙氣通過除灰器後進入陶瓷空氣加熱器，空氣加熱器由圖2所示的試驗用換熱器按比例放大而成，高度為27m，正面寬1Om，縱深為3m。
煙氣通過陶瓷換熱器後進入餘熱鍋爐部分時溫度為952℃，生產的蒸汽流量為45kg/s，其參數為471℃ , 6MPa。煙氣的溫度降為122℃,然後通入淨化裝置。噴入燃氣透平的蒸汽量為1.82kg/s，相當於壓縮機空氣流量的1%。蒸汽與壓縮空氣一起加熱到透平的進口溫度，蒸汽噴入透平中可補充進氣質量流量的不足.從而增加軸功率。
乾式洗滌器以石灰作為吸收劑進行脫硫.纖維過濾器用於除灰，其後是一台引風機，煙氣淨化可達到當地環境法規的要求。原有蒸汽透平為雙流道凝汽機組，運行的額定功率48MW，進汽流量為55.5 kg/s。電廠擴容後需要的蒸汽流量減少了，這是由於加熱給水用的抽汽量減少了。
電廠擴容後，原有電廠的其他設備的大多數都可以用，包括煤處理和儲煤系統，給煤皮帶運輸機和移動式卸料機加長就可以了，煙道也可用。原有水循環系統和凝汽器都可以用。低壓給水加熱器需要更換，凝結水泵仍可用，但要增加給水泵。
商業性示範
雖然參考電廠和Warren電廠有許多相同之處，但是具體使用什麼樣的燃氣透平卻沒有一定.目前考慮了兩種透平，最後決定選擇經濟性比較好的一種。
預計投資費用為1.464億美元，Warren電廠目前布置了兩台47MW的蒸汽透平，由4台鍋爐供汽。其中一台透平將按冬考電廠-改為外燃式聯合循環電廠用，另一台不作改動。4台蒸汽鍋爐中的兩台將由外燃式聯合循}T部分所代替。燃氣透平發電出力為18.3MW，加上蒸汽透平發出電力47. 4MW，供電功率為62.4MW，損耗和廠用電為3.6MW。
電廠擴容後，發電的單位熱耗率為9850Btu/kWh，比原有設備邵分增加了28.60n。Warren電廠是受1990年空氣潔淨法影響的許多傳統燃煤電廠之一，改造工程可望到”%年正式運行，到那時.其SO:的排放量將從目前的2.81b/Btu;減少到1.0lb/Btu以下。
