[科普中國(guó)]-外燃式燃煤聯(lián)合循環(huán)

簡(jiǎn)介

賓夕法尼亞電力公司計(jì)劃用外燃式聯(lián)合循環(huán)技術(shù)(EFCC)來(lái)重新擴(kuò)建W amen電廠，該技術(shù)不需要對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行凈化.此項(xiàng)目由美國(guó)潔凈煤計(jì)劃提供部分資金。電廠在提高效率的同時(shí)，將有助于達(dá)到1990年空氣潔凈法的要求。

賓夕法尼亞州的Warren電廠作為潔凈煤計(jì)劃的示范項(xiàng)目采用非直接燃燒的燃?xì)馔钙讲⒎鞘切略O(shè)想。早在1935年，Sulzer EscherWyss等公司就實(shí)施過(guò)這一計(jì)劃。

早先的外燃式聯(lián)合循環(huán)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(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，而用陶瓷換熱器則改善了這種不足。

外燃式聯(lián)合循環(huán)的原理，煤在常壓燃燒室中燃燒，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)陶瓷換熱器將壓縮空氣加熱到燃?xì)馔钙降倪M(jìn)口溫度。換熱后的煙氣通到蒸汽鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平，煙氣經(jīng)脫硫和除塵裝置后排入大氣。經(jīng)燃?xì)馔钙脚蛎涀鞴笈懦龅目諝饪捎米魅紵业娜紵每諝狻７侵苯尤紵脑O(shè)計(jì)保證了燃?xì)馔钙搅慵粫?huì)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，它們的煙氣要凈化后才能進(jìn)入燃?xì)馔钙健?/p>

因?yàn)閾Q熱表面是陶瓷的，空氣加熱器對(duì)腐蝕的敏感性要比金屬燃?xì)馔钙缴奂〉亩?。陶瓷使得空氣加熱器在腐蝕性環(huán)境中的使用溫度可超過(guò)1400℃1。

外燃式聯(lián)合循環(huán)的研究1987年，美國(guó)能源部和許多電力公司和工業(yè)成立了EFCC財(cái)團(tuán)來(lái)研制高壓燃煤陶瓷換熱器。在項(xiàng)目的第一階段，一臺(tái)低壓換熱器用水煤漿的燃燒煙氣進(jìn)行了各40小時(shí)的4次試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，陶瓷管在試驗(yàn)條件下顯示了良好的機(jī)械耐久性和抗腐蝕能力。

在換熱器的管子上出現(xiàn)了灰分集結(jié)，說(shuō)明需要在前面安裝除灰裝置，濾灰裝置的采用就是為了解決這一問(wèn)題。

項(xiàng)目的第一階段還示范了用傳統(tǒng)方法如吹灰等能夠除去陶瓷換熱器管子的積灰。

項(xiàng)目的第二階段開(kāi)始于1988年，包括:

(1)單列管的高溫高壓試驗(yàn);

(2)陶瓷表面的腐蝕試驗(yàn);

(3)管子材料的開(kāi)發(fā);

(4)一個(gè)加熱功率的7.4MW的燃煤試驗(yàn)裝置。

陶瓷換熱器的結(jié)構(gòu)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(gòu)。

從1988年到1992年，管排在海牙國(guó)際壓力容器檢驗(yàn)所的試驗(yàn)臺(tái)架上經(jīng)受了大約1}d00小時(shí)的高溫高壓試驗(yàn)，試驗(yàn)包括了幾個(gè)熱力循環(huán)。當(dāng)時(shí)主要是擔(dān)心管子泄漏，但試驗(yàn)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(jìn)行了陶瓷材料的長(zhǎng)時(shí)間掛片試驗(yàn)，這些試驗(yàn)增加了陶瓷腐蝕資料的積累。

外燃式聯(lián)合循環(huán)參考設(shè)計(jì)在緬因州的Kennebunk最近建成的2MW燃煤試驗(yàn)裝置上又進(jìn)行了連續(xù)試驗(yàn)，阻礙這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化的問(wèn)題得到了逐步解決。為了說(shuō)明現(xiàn)存燃煤電廠應(yīng)用外燃式聯(lián)合循環(huán)來(lái)擴(kuò)大發(fā)電能力的優(yōu)點(diǎn)，海牙壓力容器檢驗(yàn)所提出了現(xiàn)有電廠擴(kuò)容的初步設(shè)計(jì)。

此初步設(shè)計(jì)形成了Warren電廠擴(kuò)大發(fā)電功率的可能選擇的根據(jù)，其投資費(fèi)用在1992年12月的參照價(jià)是109。美元/千瓦。

原先該電廠以25.1%的凈效率運(yùn)行，蒸汽參數(shù)為468℃和6MPa、發(fā)出47.7MW的電力。凝汽器的冷卻水來(lái)自于附近的河流;使用高熱值28.6MJ/kg的煤，其水份為3%，含硫量為2.600/n。

現(xiàn)有的煙氣凈化裝置僅為靜電除塵器，要使得SO，排放量符合1990年空氣潔凈法修正案的要求，必須加脫硫裝置。

用外燃式聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行電廠擴(kuò)容需要增加以下設(shè)備:

(1)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)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）空氣質(zhì)量控制設(shè)備;

(8)分配控制和信息裝置2。

參考電廠使用一臺(tái)GE公同LM6000型燃?xì)馔钙綑C(jī)組，其壓力比為29.7，進(jìn)氣溫度為1260℃，排氣溫度441℃。透平進(jìn)氣中含有1%的蒸汽，發(fā)電功率為41.3MW。

目前通用的LM600。機(jī)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(lián)接，因?yàn)樘沾煽諝饧訜崞髋c燃?xì)馔钙街g要用管子輸送高溫空氣，因此采用了同心式套管，內(nèi)管輸送熱空氣到燃?xì)馔钙剑夤茌斔蛪嚎s空氣到陶瓷加熱器。

燃?xì)馔钙捷敵龉β视赏钙娇刂崎y調(diào)節(jié)，用快速響應(yīng)閥使得邵分壓縮機(jī)排出的空氣不經(jīng)過(guò)陶瓷換熱器而與熱空氣混合，來(lái)調(diào)節(jié)透平的進(jìn)氣溫度，這樣，陶瓷加熱器可以看作一個(gè)維持恒溫的熱庫(kù)，使陶瓷空氣加熱器的出口空氣溫度保持恒定值。

負(fù)荷控制通過(guò)調(diào)節(jié)煤燃燒速度和燃燒空氣來(lái)達(dá)到。

燃燒和蒸汽生產(chǎn)在同一臺(tái)蒸汽鍋爐中進(jìn)行。該鍋爐的爐子部分包括燃燒器和水冷壁，煤粉供應(yīng)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(fēng)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(jié)構(gòu)，耐火層的材質(zhì)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(huán)回路，總吸熱量約為12MW。

燃燒室第二級(jí)中采用摻入空氣冷卻來(lái)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(guò)除灰裝置時(shí)，直徑大于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(guò)專(zhuān)利技術(shù)來(lái)達(dá)到。

煙氣通過(guò)除灰器后進(jìn)入陶瓷空氣加熱器，空氣加熱器由圖2所示的試驗(yàn)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(guò)陶瓷換熱器后進(jìn)入余熱鍋爐部分時(shí)溫度為952℃，生產(chǎn)的蒸汽流量為45kg/s，其參數(shù)為471℃ , 6MPa。煙氣的溫度降為122℃,然后通入凈化裝置。噴入燃?xì)馔钙降恼羝繛?.82kg/s，相當(dāng)于壓縮機(jī)空氣流量的1%。蒸汽與壓縮空氣一起加熱到透平的進(jìn)口溫度，蒸汽噴入透平中可補(bǔ)充進(jìn)氣質(zhì)量流量的不足.從而增加軸功率。

干式洗滌器以石灰作為吸收劑進(jìn)行脫硫.纖維過(guò)濾器用于除灰，其后是一臺(tái)引風(fēng)機(jī)，煙氣凈化可達(dá)到當(dāng)?shù)丨h(huán)境法規(guī)的要求。原有蒸汽透平為雙流道凝汽機(jī)組，運(yùn)行的額定功率48MW，進(jìn)汽流量為55.5 kg/s。電廠擴(kuò)容后需要的蒸汽流量減少了，這是由于加熱給水用的抽汽量減少了。

電廠擴(kuò)容后，原有電廠的其他設(shè)備的大多數(shù)都可以用，包括煤處理和儲(chǔ)煤系統(tǒng)，給煤皮帶運(yùn)輸機(jī)和移動(dòng)式卸料機(jī)加長(zhǎng)就可以了，煙道也可用。原有水循環(huán)系統(tǒng)和凝汽器都可以用。低壓給水加熱器需要更換，凝結(jié)水泵仍可用，但要增加給水泵。

商業(yè)性示范雖然參考電廠和Warren電廠有許多相同之處，但是具體使用什么樣的燃?xì)馔钙絽s沒(méi)有一定.目前考慮了兩種透平，最后決定選擇經(jīng)濟(jì)性比較好的一種。

預(yù)計(jì)投資費(fèi)用為1.464億美元，Warren電廠目前布置了兩臺(tái)47MW的蒸汽透平，由4臺(tái)鍋爐供汽。其中一臺(tái)透平將按冬考電廠-改為外燃式聯(lián)合循環(huán)電廠用，另一臺(tái)不作改動(dòng)。4臺(tái)蒸汽鍋爐中的兩臺(tái)將由外燃式聯(lián)合循}T部分所代替。燃?xì)馔钙桨l(fā)電出力為18.3MW，加上蒸汽透平發(fā)出電力47. 4MW，供電功率為62.4MW，損耗和廠用電為3.6MW。

電廠擴(kuò)容后，發(fā)電的單位熱耗率為9850Btu/kWh，比原有設(shè)備邵分增加了28.60n。Warren電廠是受1990年空氣潔凈法影響的許多傳統(tǒng)燃煤電廠之一，改造工程可望到”%年正式運(yùn)行，到那時(shí).其SO:的排放量將從目前的2.81b/Btu;減少到1.0lb/Btu以下3。