关于高温预热改性燃料类型对循环流化床变负荷调节性能影响的实验研究

提高循环流化床锅炉变负荷能力的粉煤预加热耦合技术研究，系统分析了不同燃料特性对CFB变负荷率及燃烧效率的影响。实验表明预加热改性燃料可显著提升变负荷率，神木煤样最高达153.2%，峰值2.76%/min，同时降低NOx排放。

　　

唐子华|宋国亮|王海阳

国家电网经济技术研究院有限公司，北京 102209，中国

摘要

随着中国“双碳”战略的进一步实施，可再生能源（特别是风能和太阳能）在电力系统中的渗透率急剧增加。由于这些资源具有间歇性、波动性和不确定性，对电力系统灵活调节能力的需求变得越来越迫切。循环流化床（CFB）锅炉由于其固有特性，在深度削峰方面具有巨大潜力，但其在快速负荷变化能力方面存在明显限制。本研究聚焦于粉煤预热与CFB相结合的创新技术，系统地探讨了不同类型燃料对CFB变负荷调节性能的深远影响。实验结果表明，粉煤预热改性过程产生了高反应性的改性炭和可燃煤气体，从而显著提高了CFB的变负荷率。进一步分析显示，燃料中较高的挥发分和固定碳含量增加了生成改性炭和煤气产量的反应性，进而提高了CFB的变负荷率。当混合使用神木烟煤（高挥发分和高固定碳）的预热改性燃料时，变负荷率提高了153.2%，峰值达到2.76%/分钟，展示了该技术在提高CFB变负荷率方面的突破潜力。此外，在80%负荷下，使用神木烟煤的预热改性燃料时，最大燃烧效率比使用陕煤泥传统燃烧时高出1.31个百分点。在NO_x排放方面，当混合使用高灰分、低氮含量的预热改性燃料时，在80%负荷下实现了最低的NO_x排放浓度。本研究确定了燃料类型是影响粉煤预热与CFB技术综合性能的关键因素，为促进CFB锅炉快速、高效、低污染的削峰运行提供了重要的理论基础和燃料选择策略。

引言

能源结构的转型和“双碳”战略的深化正在推动电力系统运行模式的根本变化。大量可再生能源并入电网要求电力系统具备前所未有的灵活性，以应对风能和太阳能输出的间歇性和波动性[1]、[2]。在长时大规模储能技术取得突破性进展之前，燃煤发电单元将继续作为灵活调节电源的主要力量。电网要求燃煤发电单元具有更宽的负荷调节范围和更快的变负荷率[3]、[4]。由于燃烧稳定性等限制，粉煤锅炉难以将其最低技术输出降至20%以下[5]、[6]。然而，得益于炉膛相对较小的热惯性，它们在变负荷率方面具有优势；如果应用熔盐储能等技术，其变负荷率可达到3.0%/分钟[7]、[8]。相比之下，CFB锅炉含有大量的床料和耐火耐磨材料，具有较高的热储存能力和强大的稳定燃烧能力，能够在接近零负荷的情况下连续运行数小时[9]、[10]。然而，现有研究表明，大量的床料、低导热性的耐火材料以及较大的燃料颗粒尺寸给CFB锅炉带来了显著的热惯性，导致其变负荷率相对较慢，约为1.0%/分钟，缺乏足够的灵活性[11]、[12]。

目前，许多研究人员开展了大量研究，主要致力于提高CFB锅炉的变负荷率，方法是通过解决其热惯性问题。孙G等人的研究[13]表明，用金属网格替代耐火耐磨材料可将CFB锅炉的热惯性降低约35%，从而有利于提高变负荷率。同样，董Z等人[14]通过减少炉膛和蒸汽-水侧的热传递阻力，将一台300 MW CFB锅炉的变负荷率从0.48%/分钟提高到了0.53%/分钟，提高了约10.4%。Stefanitsis等人[15]提出了一种结合高温床料热能储存技术的CFB锅炉，利用高温床料的储存或释放来降低CFB锅炉的热惯性，从而提高其变负荷率。模拟结果显示，应用该技术后，CFB锅炉的变负荷率可提高到5.0%/分钟，但这一结果尚未通过实验验证。Jonne H[16]提出了一种结合燃气轮机技术的CFB锅炉，利用天然气在负荷变化时的快速燃烧性能来补偿粗煤颗粒的燃烧反应滞后，从而使CFB锅炉的变负荷率在30%～100%范围内提高到4.37%/分钟。然而，这项技术显著增加了改造和运行成本。为了降低改造和运行成本，刘等人[17]提出了一种CFB煤与粉煤动态共燃技术，使用细粉煤代替天然气，将CFB锅炉的变负荷率提高到约2.0%/分钟。不过，这种技术会在负荷变化时增加NO_x排放浓度。除了克服CFB锅炉的热惯性以提高变负荷率外，一些研究人员还优化了控制系统以增强CFB锅炉的变负荷率。刘J等人提出的先进能量平衡控制系统可以充分利用CFB锅炉燃烧侧和蒸汽-水侧的能量储存潜力，从而提高变负荷率。将该控制系统应用于300 MW亚临界和600 MW超临界CFB锅炉后，最大变负荷率分别提高了2.7%/分钟和1.0%/分钟。然而，该控制系统未能解决负荷变化时NO_x排放超过标准的问题[19]、[20]。

总之，现有技术存在某些局限性，包括CFB锅炉变负荷率提升有限、改造和运行成本较高，以及无法有效控制NO_x排放。因此，有必要开发新技术来解决这些问题。粉煤预热与CFB技术正是为此目的而诞生的。该技术将平均粒径约为200 μm的粉煤在粉煤改性器（PCM）中快速预热至约800°C，使其在贫氧环境中快速完成脱水和挥发过程，生成高温可燃煤气体和高反应性的改性炭，然后送入CFB进行燃烧[21]。改性后，燃料在CFB中的燃烧速率可以提高数倍，理论上可为CFB锅炉提供近乎瞬时的热输入。先前的研究已经证明了该技术在提高CFB锅炉变负荷率和降低NO_x排放方面的显著作用[22]、[23]。然而，对于不同类型的燃料，其物理和化学特性差异很大，这不可避免地会导致在相同改性工艺下最终改性效果、燃烧特性、NO_x排放特性和变负荷率存在明显差异。目前，关于燃料类型如何具体影响“改性-燃烧-变负荷率”整个链过程的定量研究仍十分缺乏。

基于此，本研究旨在系统深入地进行实验研究，探讨燃料类型在粉煤预热与CFB技术结合下的对CFB变负荷调节的影响。通过选择三种燃料（神木烟煤（SM）、内蒙古褐煤（IM）和陕煤泥（SX）），在集成有粉煤预热改性系统的CFB燃烧实验平台上，准确量化了变负荷条件下的变负荷率和稳定负荷条件下的燃烧效率、NO_x排放浓度等关键参数。本研究将揭示燃料特性与变负荷性能之间的内在关联机制。其结果不仅为粉煤预热与CFB技术的优化提供了理论基础，还为快速削峰的CFB锅炉的燃料选择和兼容性设计提供了重要的工程指导和数据支持。值得注意的是，本文中的变负荷率基于输入热负荷变负荷率（以下简称“变负荷率”），而稳定输入热负荷的参考标准（以下简称“负荷”）是：CFB的平均温度在10分钟内变化不超过5°C。

实验平台

实验平台

本文的实验是在图1所示的实验平台上进行的。该平台由CFB、PCM和其他辅助设备组成，额定燃烧热负荷为65 kW。

CFB由Cr25Ni20钢制成，其外部包裹有100毫米厚的绝缘棉，以减少实验过程中的热量损失。CFB包括三个部分：上升管、旋风分离器和环封。上升管的内径和高度分别为150毫米和4000毫米。

不同类型燃料的燃烧特性分析

通过热重分析对不同类型燃料的燃烧特性进行了初步研究，结果如图3所示。可以看出，不同燃料的点火温度差异不大，但燃烧终止温度存在显著差异。具体来说，SM的燃烧终止温度最低，IM的燃烧终止温度居中，SX的燃烧终止温度最高。

结论

本文依托集成有PCM的CFB燃烧实验平台，首先探讨了不同类型燃料的预热改性效果；然后深入讨论了混合不同类型预热改性燃料对CFB变负荷率的影响，并进一步分析了其内部机制；最后研究了在80%负荷下混合不同类型预热改性燃料时CFB的燃烧特性和NO_x排放特性。

作者贡献声明

宋国亮：监督、概念构思。唐子华：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、调查。王海阳：撰写 – 原稿

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“循环流化床锅炉深度灵活调峰关键技术及示范”项目的支持，该项目属于中国科学院的战略重点研究计划，项目编号为XDA 29010100。