600MW超临界循环流化床锅炉关键问题研究

   四川白马600MW超临界循环流化床锅炉研发在设计过程中，面临不少亟需解决的关键性问题。这些问题主要包括双布风板大炉膛密相区颗粒混合问题、床料平衡与控制问题，高炉膛中气固浓度分布，二次风穿透问题，悬吊受热面表面颗粒流动问题，六分离器循环回路物料平衡问题，炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面的热流分布规律，超临界水动力特性，回料系统受阻对炉膛运行的影响和水冷壁的防磨等。这些问题均是600MW超临界CFB锅炉设计和运行中至关重要和必须解决的问题。该文主要介绍为解决这些问题而开展的大量实验研究和数值模拟研究工作及其主要结果。实炉的运行结果验证了研究结果的预测。

0 引言

循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃烧技术有着燃料适应性广、污染排放低、负荷调节比大、灰渣利用率高等优点，近年来取得了快速的发展。超临界循环流化床(SCFB)兼具了CFB燃烧技术和超临界蒸汽循环的特点，是一种高效清洁燃煤发电技术，商业前景广阔。

大型超临界CFB锅炉技术综合了低成本污染控制和高供电效率两方面优势，是循环流化床锅炉的发展方向。近十几年来，国外多家CFB制造商、国内三大锅炉厂和多家科研单位陆续提出了各自的超临界循环流化床锅炉设计方案，具体见表1。总体上看，大炉膛对称布置多个分离器和外置式换热器成为共性，采用双布风板方案居多，炉膛截面积400m2左右、炉膛高度达到50m左右。

2013年4月14日，四川白马600MW超临界CFB锅炉顺利通过168h全负荷试运行，成功投入商业运营。该机组是继波兰Lagisza460MW超临界CFB机组投运后，单机容量最大的超临界CFB机组。

白马600MW超临界CFB锅炉为超临界直流炉，炉膛宽15m，深28m，高55m。锅炉采用单炉膛双布风板结构，中间设置有中隔墙，左右对称布置6个分离器及回料系统。这种带有中隔墙、双布风板大炉膛、6回路的超临界循环流化床锅炉为世界第1台，设计具有挑战性。气固流场、传热、水动力、稳定性，如大炉膛双布风板支腿密相区颗粒混合问题、床料平衡与控制问题，高炉膛气固浓度分布，二次风穿透问题，悬吊受热面表面颗粒流动问题，六分离器循环回路物料平衡问题，炉膛水冷壁、中隔墙和悬吊受热面的热流分布规律，超临界水动力特性，回料系统受阻对炉膛运行的影响等问题，是600MW超临界循环流化床锅炉设计和运行中至关重要和必须解决的问题。

本文将主要介绍这些问题相关的实验室试验和数值模拟解决方法和主要研究结果。

1 炉内气固混合与流动特性

循环流化床锅炉炉膛中气固间强烈的混合有利于固体颗粒和气相间的质量、热量传递，改善炉内燃烧、温度均衡、产物生成及与受热面间传热，对炉内燃烧及稳定操作运行均有着重要的作用。随着锅炉容量和蒸汽参数的不断增大，炉膛横截面尺寸也随之增大。四川白马600MW超临界CFB锅炉横截面积为15mX28m，炉膛中部设有中隔墙，并在顶部设有多个悬吊屏，这些结构对炉内固相颗粒的混合均会产生不利影响。炉内固相颗粒的混合成为超临界循环流化床锅炉研发过程中的一大关键问题。

中隔墙对炉内固相颗粒混合的影响冷态试验在浙江大学600MW超临界循环流化床锅炉模化试验系统中进行，见图1。试验以铁粉为床料，并在运行稳定时从炉膛单侧加入示踪粒子。试验结果如图2所示，随着时间推进，固相颗粒混合得越好。中隔墙能够影响固相颗粒的横向扩散，其影响程度由中隔墙的几何尺寸和布置决定。