循環流化床燃燒技術具有優良的環境排放特性，其劣質燃料的適應性和低成本污染控制能力是其它技術無法匹敵的。超臨界參數蒸汽循環可以有效改善蒸汽循環火電廠的發電效率。循環流化床鍋爐及超臨界蒸汽循環均是成熟技術，超臨界循環流化床鍋爐將二者結合起來，同時具備了低成本污染控制及高發電效率兩個優勢，在現有燃料價格、材料成本、製造水平情況下，具有巨大的商業潛力，是清潔煤燃燒技術中一個異軍突起的新方案。
超臨界循環流化床鍋爐技術實現難度低於超臨界煤粉爐，由於爐膛內熱負荷低，可以採用相對簡單的垂直管圈水冷壁、垂直管受熱屏方案構成爐膛內受熱面，運行十分安全。超臨界循環流化床鍋爐是國際循環流化床界的發展方向，國外在上世紀末開展了相關的探索工作。我國幾乎與國際同步，開展了系統深入的研究，處於國際領先地位。
基本介紹
- 中文名：超臨界循環流化床鍋爐
- 外文名：Supercritical circulating fluidized bed boiler
- 榮譽：國家科技進步一等獎
貢獻,技術難點及突破,
貢獻
超臨界循環流化床鍋爐兼具循環流化床燃燒的低成本污染控制和超臨界蒸汽循環能源高效利用的優點，是循環流化床燃燒技術的重要發展方向，對於我國劣質煤的高效清潔利用具有重要意義。與超臨界煤粉爐已發展了50多年不同，超臨界循環流化床鍋爐在國際上沒有先例。在沒有工程參考的條件下，中國獨立自主開展了超臨界循環流化床鍋爐技術的研發，創新形成了超臨界循環流化床鍋爐設計理論和關鍵技術體系，發明了系列的關鍵部件創新結構，率先研製了600超臨界循環流化床鍋爐，研發了成套輔機、仿真、控制和安裝調試技術，完成了世界首台600MW超臨界循環流化床示範工程（四川白馬超臨界循環流化床示範電站）的系統集成，創建了安全運行技術體系。與國際同期研製的也是中國之外唯一商業運行的波蘭460MW超臨界循環流化床的性能相比，白馬600MW超臨界循環流化床鍋爐的性能更優。在600MW超臨界循環流化床鍋爐技術的基礎上，中國進而推廣研發了350MW超臨界循環流化床鍋爐。中國製造的產品占領了全部中國市場和此後出現的國際市場，標誌著中國在超臨界循環流化床技術領域達到國際先進水平。
技術難點及突破
中國的超臨界循環流化床鍋爐研究開發與國外同期開展，沒有先例和任何參考資料。開發600MW超臨界循環流化床鍋爐的關鍵難點來自水動力和氣固流動兩個方面。
超臨界鍋爐的關鍵是水冷壁技術。從亞臨界壓力突破到超臨界壓力，二者水動力截然不同：亞臨界鍋爐多採用自然循環，無需外力，利用汽水密度差驅動管內工質流動冷卻管子，流速與熱負荷正相關，因此不太關心熱流；超臨界鍋爐必須採用強制循環，用泵克服流動阻力，不具受熱適應性，熱流分布至關重要。同時，出於防磨考慮，循環流化床鍋爐必須採用垂直管圈水冷壁，工質流速遠低於煤粉爐的螺旋管圈水冷壁，無法借用超臨界煤粉爐的水冷壁知識和經驗。與此同時，600MW超臨界循環流化床鍋爐的爐膛高度、床截面積、分離器迴路數量均已超過了已有的研究和實踐範圍，容量跨越後的氣固兩相流動情況缺乏研究了解，而流動影響到傳熱，因此容量跨越進一步加大了參數突破的技術難度和技術複雜程度。
清華大學呂俊復教授率領國內多家單位構成的團隊，對相關問題逐一進行深入系統的研究。通過詳細的研究，發現了超高爐膛物料濃度縱向分布和超大床面物料濃度橫向分布的規律，建立了計算模型，提出了局部換熱係數計算模型，耦合上述物料濃度分布模型，獲得了可靠的熱流分布，糾正了國際上對熱流密度角部低的認識錯誤，為水冷壁安全設計提供了關鍵數據；建立了低熱流下超臨界水管內流動的換熱和流動模型，發現了循環流化床水冷壁中的質量流速下限，突破了傳統的認知範圍和經典判據；揭示了循環流化床雙床翻動的傳質驅動機理和同床波動發生的結構條件、操作條件，並提出了抑制措施；發現了多循環迴路並聯流動的靜態不均勻性、動態不穩定性的發生機理，並提出了控制手段。在此基礎上創建了完整的關鍵技術體系，全面創新了超臨界循環流化床鍋爐設計理論，開發了整體布置技術、性能計算方法；發明了系列的關鍵部件，如低質量流速一次上升垂直管水冷壁、非連續雙面受熱膜式水冷壁；開發了全逆流受熱面布置方式和熱力流程，解決了低溫燃燒的汽溫問題；研製了世界首台600MW超臨界循環流化床鍋爐，結構上創造了諸多世界第一。
為了建設運行示範工程，提出了即燃碳的概念和軟測量方法，用於示範工程控制，解決了循環流化床熱慣性大的世界控制難題，實現了汽溫的精準控制和負荷自動調節；基於機理模型，研製了600MW超臨界循環流化床機組仿真機，用來培訓運行人員，並為控制邏輯檢驗和啟動調試提供指導；創建了系統集成技術和運行技術，研製了系列的性能優異的成套輔機，形成了輔機選型技術及輔機設計製造技術；開發了600MW超臨界循環流化床安裝技術、啟動調試技術，形成了相關的安裝標準、施工工法，進行600MW超臨界循環流化床鍋爐的工程示範，2013年4月14日通過168h運行。
四年的商業運行證實，白馬600MW超臨界循環流化床鍋爐具有優異的性能。所有汽水和煙氣參數與設計值完全吻合，表明受熱面設計計算精確。與國外同期開發的460MW超臨界循環流化床鍋爐相比，白馬項目的鍋爐容量、參數、效率和排放等各項指標更優。白馬項目實現了亞臨界向超臨界的參數突破，及300MW到600MW的容量跨越，國際能源組織認為這是國際循環流化床技術發展的里程碑。這也標誌著我國的循環流化床鍋爐技術達到世界領先水平。
白馬成功投運後，中國迅速出現了350MW超臨界循環流化床鍋爐市場。350MW超臨界循環流化床鍋爐採用單爐膛無外置換熱器M型簡約布置。爐膛前上部懸吊末級屏式過熱器和屏式高溫再熱器。爐膛和尾部煙道之間布置有3個汽冷旋風分離器，每個分離器下設定一個回料器。尾部豎井上部是雙煙道，前煙道布置低溫再熱器，後煙道布置中溫過熱器和低溫過熱器。前後煙道合併後布置省煤器和空氣預熱器。不同設計的差異性主要是水冷受熱面的質量流速以及水冷屏的流程設計：與水冷壁並聯或者串聯。由於這些結構均在白馬的600MW上先期驗證過，因此投產非常順利。2015年9月18日，第一台350MW超臨界循環流化床鍋爐在山西國金通過168小時運行。此後，山西神華河曲、山西華電朔州、山西格盟國際河坡、徐州華美熱電等350MW超臨界循環流化床相繼投入商業運行，另有60餘台350MW超臨界循環流化床正在安裝，包括4台出口海外。四川白馬的600MW超臨界循環流化床鍋爐和批量的350MW超臨界循環流化床鍋爐順利運行，中國製造的產品占領了全部中國市場和此後出現的國際市場。
國家科技部在“十三五”國家重點研發計畫中對“超超臨界循環流化床鍋爐技術研發與示範”項目予以支持。660MW超超臨界循環流化床鍋爐相比於白馬的600MW，主要的變化是蒸汽參數提升：過熱蒸汽壓力提高到29.4MPa，過熱蒸汽溫度605℃、再熱蒸汽溫度623℃。660MW超超臨界循環流化床鍋爐的開發需要滿足超低排放（NOx<50 mg/m、SO2<mg/m、粉塵<mg/m）要求，擬通過深度挖掘循環流化床燃燒低排放潛力實現，相應地需要開展超超臨界循環流化床鍋爐關鍵技術、污染物低排放技術、低能耗技術、鍋爐本體設計技術和運行技術五方面的研究。預期建立超低排放、低能耗的660MW高效超超臨界循環流化床鍋爐及系統等關鍵技術體系，研製660MW高效超超臨界循環流化床鍋爐並進行工程示範，計畫2020年前建成。
