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行业新闻

沸腾床生物质燃烧机

沸腾床生物质燃烧机

    对美国来说,如果煤能清洁和廉价地燃烧,它将是一种不可估量的经济可靠能源。能燃烧绝大多数固体燃料的沸腾燃烧新技术使得在最近十年内实现这一希望有了巨大可能。

    由于石油资源日趋减少,价格飞涨,工业上用煤的兴趣日愈高涨。使用什么燃料以及用什么技术来燃烧这些燃料对经济和环保都有很大影响。美国的社会经济基础是建立在廉价而容易获得的石油的基础上,美国每年用约900亿美元来进口石油,已具有控制国民经济前途的能力。

    美国有丰富的煤炭资源,储量有3.21万亿吨,可用作代替石油的廉价能源。每吨煤所含能量与四桶石油所含能量相当,购买一吨煤昀价格是25美元,但购买相当能量的石油则需128美元,可见烧煤的价格只相当于烧石油的五分之一。

    六十年前,发明粉煤锅炉时,酸雨问题尚未露头,当时设计锅炉主要烧煤,设计时主要考虑降低烟尘和地面粉尘浓度水平。随着时间的推移,如何经济有效地控制S02和氮的氧化物已成为目前烧煤的主要问题。

    在沸腾燃烧中,燃料可使用很大范围内各种质量的煤。燃料在沸腾床锅炉中燃烧,燃烧温度在1500叩和1600。F之间。空气以4 -12吠/秒的速度穿过锅炉,足以支撑住床料颗粒,使床料像煮沸的液体一样翻腾,虽然燃烧着的煤只占整个床料的不到百分之一。但全部床料颗粒却在这种翻腾作用下迅速加热。

    埋于床内的管子从固体床粒直接吸取热量。燃煤产生的热,使管中的水变为蒸汽,驱动涡轮发电机组产生电能或直接作域供热。由于产生蒸汽的管子与床料直接接触,传热效率很高,这样为产生同等数量的蒸汽所需的锅炉管子面积减少,投资费用减少。同时这种高效率是在较低工作温度下获得的,避免像常规锅炉那样在高温下(约3000T)产生NOx。此外,沸腾床锅炉能燃烧多种燃料,例如工业和城市废料,使这些废料由害变利。

    在床上面的空间内,循环水的对流管吸收热空气昀能量,将水变为蒸汽。这部份空间叫悬浮段,可使逃逸出床的未燃煤在这里有时间补充燃烧。对流管的作用与常规锅炉的管子一样用来传导热量。

    如果沸腾床锅炉是加压的,则燃烧产生的气体还能用来驱动燃气轮机。使沸腾床生物质燃烧机产物经过除尘系统,然后导经燃气轮机回收能量,再经过烟道气管将部份热能加热给水,最后排入大气。从燃气轮机出来的废气在排入大气前还可用来干燥煤和其它床料物质。在用煤来产生动力时,这种用蒸汽和加压高温烟道气分别驱动涡轮机的联合循环的效力是很高的。

    在床内除煤外,还有石灰石或白云石颗粒。在煤燃烧时,床内的二氧化硫被石灰石或白云石吸收,变成硫酸钙而除去。

    跟烟道气一起从床内逸出的未燃煤和未反应石灰石可以被收集后重新循环。适量供应新鲜煤和石灰石,少量床料连续地被排出。此外,还备有供给新鲜床料和清除热灰的设备。

    由于沸腾床锅炉排尘量很高,所需除尘器应符合美国环保局(EPA)的排尘要求。第一级可用机械式旋风除尘器,以捕集未燃碳和未反应石灰石,使之再循环或将其排除;第二级可使用多级旋风除尘器或者使用静电除尘器或布袋除尘器。

    综合计算系统自动控制着从起动到停车的全部操作阶段。这个控制系统将动力负荷的需求转变为产生蒸汽和蒸汽轮机的需求信号。这个系统与各种连锁机构、告警装置一起确保着安全运行。

    锅炉一旦起动后,用来改变负荷的主要方法是根据负荷的增减,床的隔室使部份床料停止工作(塌落)或将它们投入运行(沸腾)。为了达到这个目的,风室被为若干个隔室,每个隔室都设有控制风门和空气流量表,投入工作的隔室总数直接根据锅炉负荷而定。

    起动时,在点着床之前,涡轮机的旁路开通,使经过蒸汽发生管的流量最小。然后,随着涡轮机旁路阀的关小,涡轮机负荷增大,直至全部蒸汽流经涡轮机。改变负荷的另一种方法是改变埋于床内的管表积多少。

    以上所述,仅是沸腾床锅炉工作的粗略描述。沸腾床锅炉包括着许多系统,并无统一的设计。工业沸腾床锅炉可依据以下因素假设几种可能的设计构思:床压力;自然循环还是强制循环,床内气体速度,煤和空气分配系统,以及获得高的碳利用率的方法。

    世界各国都在努力发展和应用沸腾床生物质燃烧机。应用最广的是世界上仅次于美国和苏联的第三个最大产煤国——中国。已有不少容量为4 -10吨/小时的沸腾锅炉用来产生蒸汽,另外还有一些容量为10-50吨的用于发电和其它工业设备。容量为130吨的锅炉也正在试验中。

    西德煤资源虽不如中国丰富,但也正在努力用煤来生产廉价的能。在西德,大量的石油和天然气消耗于工业锅炉,以生产工艺用热和区域供热。希望能用一些小型自动操作沸腾锅炉来代替对上述能源的依赖。在Duisberg城,  已计划用一常压循环沸腾床锅炉来进行热电联合生产。到目前为止,西德这个世界上第六位最大产煤国,已在沸腾炼烧上投入近5亿美元,说明西德对其发展的重视程度。

    在英国,至少有九家公司已在很多用途上将沸腾床装置投入市场,并广泛应用于农业。一些小型热水锅炉已被用于蕃茄温室中,并在烘干草的实际经验中表现出相当高的经济性。同时,这种能量不

仅能用于烘干草,也能应用于烘干一般其它物质。

    依靠从澳大利亚、非洲、加拿大、波兰和苏联进口石油的北欧各国也被迫转向沸腾燃烧。在北欧各国-中,应用循环沸腾床锅炉经济地把各种品质的煤与其他固体燃料(像城市固体废料、木材废料、洗煤废料、农业废料以及泥煤等)一起燃烧。由于这种锅炉的低排放率,所以可在靠近城市使用而不致污染环境。 沸腾床生物质燃烧机在发电站方面的开发也在

较短时期内获得了较大进展。这是因为沸腾床工艺在其它工业上的应用和进展很成功,将这种技术移植于电厂的结果。在其它工艺过程中所使用的设备,促进在固体物料的供给和排除、能量的回收、高温燃气的净化以及烟囱排气的净化等方面的发展。例如把煤气化炉的料斗移用来进行固体物料的供给和排除,把石油炼制的流化催化裂解装置的高温气体膨胀器移用于沸腾床生物质燃烧机作为高温燃气净化的旋风分离器。发电站目前必须涉及的烟囱废气净化虽可沿用常规锅炉所用的布袋室和静电除尘器作为废气的净化装置,但仍需继续研究。

    在电站需要的商业锅炉样品可适用前,沸腾床生物质燃烧机还有很多领域需进一步研究、开发和示范试验。需要开发的领域主要有:吸收剂(石灰石或白云石)和煤的供料,吸收剂的利用,蒸汽管上的受力,燃气的净化,材料性能和燃烧效率。

    供料到一个小型装置中问题不大,但如供料给一个成千上万平方吹面积的床上,将是一个机械上很大的难题。这时需要把煤/石灰石的主供料气流分成很多股小气流,以便把料按需要供到床的各个部分。但直到目前还没有建成一个系统可以证明是实用的或在长期运行中能有足够的强度经受住扭曲。用于高炉的粉煤喷射系统已成功垲进行供料分配,但用于供给沸腾床锅炉较大煤粒的供料分配系统尚待进一步示范试验。在供煤/石灰石的管道弯头处的磨蚀也仍然是一问题。

    为避免增加所需吸收剂而造成的负担,需要更有效地利用石灰石。研究者发现在碎石灰石中的钙与SO:作用时,碎石灰石外层被付产品硫酸钙饱和,使得进一步反应不能进行。如何更好提高石灰石利用率已在一些新的探索中进行示范试验,如:将石灰石在还原气氛下暴露于高温以再生,将石灰石暴露在高温下进行预处理,使用极细的石灰石粉,在床中加入其它盐类如NaCl、KC1,CaCl2、N&2C03或Na2S04。不过,直到目前,这些探索都尚未进入设计阶段。

    石灰石除了作吸收剂外,还是导热体,此时,为保持适宜的床高,必须控制石灰石的流量。此外,如果不进行回收,则从废床料损失的热将十分显著。

    美国俄勒冈州立大学,为了廉价地对作用在沸腾床管上的作用力进行模拟试验,曾在沸腾床上进行冷态试验。在塑料制的沸腾床内,用砂粒或玻璃粒模拟在真实沸腾床内的煤和石灰石的作用,用这种方法来研究机械作用,其费用要比在热态沸腾床上试验要少。

    对加压沸腾床锅炉中高温气体的净化已经获得一些成就。不进行这种净化,燃气轮机的性钝将迅速恶化。在西屋电气公司的一个大型加压沸腾床模拟设备上,进一步使用一些陶瓷布袋除尘器,在1500下和11个大气压下操作,其集尘效率可达99.5%。在Curtiss-Wright实验站,用加压沸腾床锅炉配以小型燃气轮机,对联合循环锅炉所需材料寿命进行了1000小时试验运行,取得显著成就。此外,在英国煤利用研究试验室,也成功地完成了涡轮机部件和高温气体旋风分离器的强度试验。

    虽然期望联合循环沸腾床生物质燃烧机器能有引人的较高效率,但实际燃烧效率仍需进一步提高。与常规电站锅炉相比,沸腾床炉的效率较低,这意味着需要另外使用一碳燃尽床或一个再喷射系统

    使用沸腾床锅炉作为电站锅炉,操作上还有不少问题没有彻底解决:如床的可调节能力,起动步骤J控制灵敏度以及利用部分床塌落作为控制机构等。同时尚需测定下述因素间的关系:如碳的利用率和床速阀的关系,床料颗粒尺寸与床速的关系;以及不同的脱硫程度所需的Ca/S比。

    沸腾床生物质燃烧机的研究始于六十年代末期,美国能源部(DOE),继之称作煤炭研究局,在弗吉尼亚州的亚历山大城建立了一个500KW的试验装置开始了试验工作。七十年代初期,又在西弗吉尼亚州的Rivesville,利用原有电站建立了一个蒸轮机发电厂示范装置。自1976年起,Rivesville装置即作为迈向商业锅炉的一个主要步骤进行运行,通过它可证明常压沸腾床生物质燃烧机能够用来发电。当Rivesville装置在1976年接近完成时,又投资给Ba-bcock and Wilcox在其Alliance(俄亥俄州)研究中心建立了一个6×6叹2QOOKW的锅炉。据说,所需要的是能够进行各种不同设计试验的中间试验装置而不是一个示范装置。

    作为美国能源部常压沸腾床锅炉工业示范计划的一部份,在美国华盛顿特区的乔治市大学建立了一个锅炉。这台锅炉从1979年8月投入运行,向校园内51个建筑物计2.2百万平方昵的面积供热。它每小时产生100,000谤压力为2soPsig的饱和蒸汽(能力可达625Psig)。在靠近芝加哥I的大湖海军训练中心一个小型装置正在进行联机。此外,还正在开始另一计划,为宾夕法尼亚州Wilkes-Barre市区每小时提供100,000磅供热用蒸汽。

    在常压沸腾床生物质燃烧机应用方面,美国能源部和电力研究院正与田纳西流域管理局(TVA)合作开发一个电站规模的锅炉。对TVA来说,由于每年要燃烧约三千六百万吨煤以生产17,796兆瓦电(将近其整个系统能力的60%),所以对沸腾床生物质燃烧机感到兴趣是显然的。期望在八十年代后期和九十年代能在替换老化设备同时减少费用的情况下适应增大负荷的要求。

    为了在1985年以后,给一个200MW示范装置进入运行作准备,TVA建设了一个20MW中间试验装置。这个装置正由Babcock and Wilcox建造,位于肯塔州Paducah附近的雪里(Shawnee)蒸汽动力厂预定的地方,并将在一年内投入运行,这个仅为模拟需摹的装置是个单装置,只要再增加一些这样的单床设备,即可放大为200MW示范装置。这时床可由6×6 pR扩展到9x24吹,悬浮段也将增高以提高燃烧效率和增加S02滞留时间。另外将采用静电除尘嚣和布袋除尘来捕集尘粒。

    这台20MW中间试验装置将用来解答有关全尺寸常压沸腾床生物质燃烧机开发中的许多待定问题。特别是,这台中试装置将试验和评价控制设备和程序,研究关键系统(特别是煤和石灰石的供料系统)的性能和可靠性,并且在维修和操作程序上进行人员培训。示范装置与中试装置不同,它将向TVA电力系统供电。已经为示范装置提出三种不同的初步设计方案,并且估价出以一个方案为基数的每一方案中单位千瓦的费用。利用这- 200-MW设备,TVA准备提出第一个沸腾床装置环境影响报告。

    将来,美国能源部将集中注意于加压沸腾床生物质燃烧机器。虽然常压沸腾床装置可能是首先商业化的装置,但加压技术带来很多好处。例如加压沸腾床生物质燃烧机器比常压沸腾床生物质燃烧机器的燃烧效率高(前者为40%,后者为35%),加压沸腾床生物质燃烧机器还有较高的容积热效率,较高的床内传热率,可用较少供煤点,提高脱硫率以及适于联合循环系统的燃气轮机。利用能源部的投资,将使用两套装置来试验整个燃气轮机和高温燃气净化装置合,它们将在足够大的规模上运行,以便能推知应用于公用事业的情况。第一套已完成的装置为13KW中试装置,是由Cu—rtiss-Wright所建造,第二套装置是国际能源署的85-MW试验装置,建于英国约克夏(Yorkshire)靠近GrimesthorpeColliery的地方,由美国、英国、西德共分担投资。

    实现商业化应用,尚需解决的问题领域可分为以下两个方面:燃烧工艺及其最佳方式,锅炉与燃气轮机的组合。在Gr-imesthorpe进行的研究为:高灰分煤的燃烧性能,脱硫方面的白云石脱硫添加剂的效能J传热元件、材料、几何结构及效率J燃气净化以及在排入大气前的除尘’用烟道气驱动燃气轮机。

    通用电气公司(GE)在研究加压沸腾床方面也很活跃。GE使用一个原型加压蒸汽供给模型进行电站示范试验,这个模型能生产80-100MW的电能。加压供给蒸汽是最终开发加压沸腾床联合循环装置的第一步。如果这个模型能成功运行,则意味着商业装置可在八十年代中期开始投入市场。

    虽然沸腾燃烧已获得巨大发展,但要想代替常规技术适用于工业需要,还须做更多努力。酋次使用一项新技术自然有一定阻力。对工业来讲,不是生产蒸汽和电的方法,而是由于材料及生产中断的故障造成最终产品费用昂贵。由于可靠性需要间考验,所以新技术得不到可靠性的保证。正是这种阻力,使得改型迟疑和耗费。以下两种情况也证明了这点,Cur-tiss-Wright曾改型一个80,000磅/时的锅炉,如改为天然气锅炉时,费用略低于一百万美元,如改为烧煤锅炉并相应改型其附属设备,耗费将超过五百五十万美元。

    另一公司(国际Harvester)估算的改型的费用也很高,把现有设备在不增加磅蒸汽或1%能量利用率的情况下改型,需耗费10亿美元,销售价格等于另外增加了45亿美元。这就很难利用煤比进口石油在价格上的优势来回收投资,所以改型成为不现实。

    沸腾燃烧是否能有明显的市场渗透力,将依靠正在竞争着的煤与非煤技术间的经济对比来决定。非煤竞争者中的两种是石油和天然气,虽然它们是一种消退能但是它们的供应能力和价格趋势还是能够阻止转向重新用煤。将来的可能竞争者是太阳能和核能。但这两种技术尚需做更多地开发研究。

    就是在煤本身的领域内,沸腾燃烧也还须与一些竞争者竞争t如像由煤气化装置制得的合成气,由煤制褥的液体燃料以及安装着各种型式烟道气脱硫或控制空气污染设备的常规炉排燃烧式锅炉。

    在这些方式中的选择,最终取决于其相对能量效率、投资的效果以及从燃料开采到输出有用热的整个过程中对环境的影响。

    美国环境保护局(EPA)所制定的法规将改变市场的经济情况。这些法规或者打开沸腾燃烧进入市场的门路,或者阻止它进入市场。

    EPA将严密注视从沸腾床锅炉装置发散出的四种主要污染源。它们是。(1)煤和脱硫剂的储藏、处理和供给,(2)蒸汽循环如。冷却塔漂流物、从锅炉排污排出的液体废水以及供水处理I (3)烟囱废气的排放I (4)从燃烧器中以废料形式排出的固体渣以及用除尘器从烟道气中排除的以飞灰形式排出的固态排放物。前二者并非沸腾燃烧所独有,它们是任一驱动蒸汽轮机燃煤系统所共同具有的。但烟囱气和固态渣排放源需要研究。

    一般说来,加压系统本质上即设计得使燃气和脱硫剂有较长的接触时间。这即是加压系统SOz脱除效率较高的主要原因。虽然两种系统都能满足现代环保对氮氧化物排放标准的要求,但它们的NOx放还是高于有着改进燃烧技术(如两级燃烧)的常规锅炉所最后得到的水平。EPA的环境观点是,虽然烟道气尘粒控制尚未示范验证,但应该是可能的。

    探求废床料可能用途的努力与多年来在电力工业上开发研究常规电站排出飞灰的利用相类似。目前固体废渣的处理是个题。从废渣浸出的液体pH值高,不溶性固体总量和硫酸盐都超过了饮水的规定标准。根据1976年资源保护回收法制订的EPA环保标准,规定电站排放废物的环保许可处理法,使废物处理变得复杂。目前数据表明,为满足EPA对硫排放物的限制,需要使用大量石灰石,特别高硫煤更是如此。

    目前EPA预料,不论常压和加压沸腾床系统从电站蒸汽发生装置向大气排放的SOz、NOx和尘粒都将能满足近来修订的新能源性能标准的要求。需要从商业规模系统大型沸腾床生物质燃烧机器样机中得到更多数据来进一步肯定这些结论。

    如果所有这些技术问题都得到圆满解答,那么转向用煤殁转向沸腾床生物质燃烧机仍然迟慢的主要原因将是美国缺乏能源政策了。关于煤的应用及其储备已讨论了很多,但对经济的各个方面尚无储备目标。

    发展用煤的障碍是出自环境保护考虑和缺乏能源政策。利用示范装置规划来论证沸腾床生物质燃烧机的优越性仅能得到促进其使用的部份答案。更有效的促进方法是取消

使用丰富燃料的税款和大幅度降价。如果政府能在这方面起促进作用,则即将更少依赖进口石油。美国政府应确定和追求这一目标。

    虽然沸腾燃烧还没有达到目前用烟道气脱硫方法所得到的常规燃煤锅炉那样商业实用的状况,但由于其具有减少排放的能力和能燃烧很广范围的燃料,使得有追求其开发的需求。对沸腾燃烧的开发已成功地从工艺验证阶段发展到工程原型阶段。在未来十年内制成商业电站规模的装置已明显可能。沸腾床生物质燃烧机器的商业可接性将由未来的环保规定和经济因素以及各种控制硫的技术而定。目前可以谨慎乐观地说,沸腾燃烧将会满足所有要求。


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点击次数:  更新时间:2017-03-19 18:14:03  【打印此页】  【关闭