来自 科技前沿 2019-09-23 15:32 的文章
当前位置: 皇冠官网地址 > 科技前沿 > 正文

工程热物理研究所循环流化床复杂气固流态化探

超临界循环流化床锅炉兼备低污染物排放和高发电效率两方面的优点,符合我国节能减排战略需求,是循环流化床锅炉技术发展的必然趋势。目前,已投运的最大容量循环流化床锅炉为600MW超临界循环流化床锅炉,但随着锅炉容量的进一步放大及参数的进一步提高,现有炉型面临诸多问题,因此迫切需要发展适用于大容量与高参数的循环流化床锅炉新炉型。

发展具有广泛燃料适应性的洁净煤燃烧技术是我国能源发展战略的重要方向。从技术发展的成熟程度、满足环保要求和经济上的可承受性来看,循环流化床燃烧技术是目前正在积极开发的多种燃煤新技术中比较现实的低成本、低污染、高能效的燃煤技术,通过循环流化床锅炉的超临界大型化,可进一步提高发电效率,降低温室效应气体和污染物的排放,是当前清洁煤燃烧技术领域的热点之一。在循环流化床锅炉从亚临界参数向超临界参数大型化的过程中,一些关键技术,包括炉膛底部进风流动的均匀性、炉膛高度极限、二次风穿透能力、气固分离器的放大效应等问题,目前还处于探索阶段。已有研究表明,制约循环流化床锅炉大型化发展和应用的主要因素之一是,缺乏对循环流化床系统尺度之间(大尺度结构因素和小尺度气固流动特征)相互作用机制的研究。

攀上循环流化床技术珠峰

中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室于2005年开始研发超临界循环流化床锅炉技术,先后提出了多种适用于超临界参数循环流化床锅炉的关键技术和系统集成。在2005~2010年期间,与大型锅炉企业合作完成了600MW超临界循环流化床锅炉关键技术及方案的研究,完成了“十一五”国家科技支撑课题“600MW超临界循环流化床锅炉调试运行”,2011年完成了院方向性项目,形成了超临界单炉膛循环流化床锅炉技术方案。从2011年开始,与大型锅炉企业合作,开发了600~1000MW环形炉膛超临界循环流化床锅炉技术,共同建设了风量为40000m3/h的环形炉膛循环流化床锅炉冷态模化试验平台,随即开展了环形炉膛气固流动型态、流化均匀性、多循环回路间物料分配均匀性等一系列课题的研究。研究结果表明,环形炉膛循环流化床在流化均匀性、二次风穿透性等方面具有显著优势,为大容量与高参数循环流化床锅炉展现了良好的发展前景。

中国科学院工程热物理研究所循环流化床实验室王海刚研究团队针对大尺度、复杂气固流动体系,基于双流体模型和CPFD离散颗粒模拟方法,同时结合电容层析成像和微波多普勒技术(Microwave Doppler),研究了不同结构尺度、6~8个气固分离器并联的全循环回路系统的气固流动特征,分析了气固速度与结构尺度的关联特性,提取了流动过程关键参数的变化特性,重点研究了多分离器系统气固流动分配均匀性;在复杂的气固流动条件下,开展了电容层析成像算法和组合结构电容传感器的研发;基于上述数值模拟平台和实验手段,优化了大型循环流化床的气固流动几何结构参数,为循环流化床锅炉的大型化设计提供了重要的理论基础,为中国科学院战略性先导科技专项“超临界循环流化床燃烧技术及示范”课题优势炉型的研发提供了技术支持。同时,通过研究,形成了复杂气固流动过程数值计算平台和电容层析成像在复杂流动结构下的成像算法,并应用于流化床颗粒制备系统中气固流动过程关键参数测量,为颗粒制备过程提供了一种在线、无损快速检测方法。

——访2017年度国家科技进步奖一等奖获得者吕俊复团队

来源:《中国教育报》2017-01-9 董鲁皖龙


清华大学等30余家单位共同参与研发的600兆瓦超临界循环流化床锅炉技术开发、研制与工程示范项目,系统解决了循环流化床锅炉技术从300兆瓦亚临界自然循环突破到600兆瓦超临界强制流动带来的理论及工程挑战,完成了世界首台600兆瓦超临界锅炉的创新实践。

“现在,在国际能源组织的循环流化床燃烧技术发展历程图上,近年来标志性事件是四川白马生产出600兆瓦的超临界循环流化床锅炉,只有中国一家。白马一跃,世界循环流化床锅炉技术从此向中国看齐!”清华大学能源与动力工程系教授吕俊复说。

由清华大学、东方电气集团东方锅炉股份有限公司、神华集团等30余家单位共同参与研发的600兆瓦超临界循环流化床锅炉技术开发、研制与工程示范项目,解决了循环流化床锅炉技术从300兆瓦亚临界自然循环突破到600兆瓦超临界强制流动带来的理论及工程挑战,完成了世界首台600兆瓦超临界锅炉的创新实践,获得了2017年度国家科技进步奖一等奖。

持续走了30多年

骐骥千里,非一日之功。从上世纪80年代清华大学试验电厂第一台3兆瓦的循环流化床锅炉探索开发,到600兆瓦的四川白马超临界循环流化床示范电站建成,吕俊复团队持续走了30多年。

“循环流化床燃烧具有燃料适应性强、污染控制成本低、深度调峰能力好的优点,是占煤炭总量30%的劣质煤清洁利用的最佳选择。”吕俊复说。

“必须在提高效率上做文章。火力发电的历史表明,提高参数是提高蒸汽循环发电效率的有效途径,这也是我国的重大需求。”带着这样的想法,吕俊复主持开展了超临界循环流化床的探索,梳理形成了超临界循环流化床锅炉关键技术体系,完成了国际上第一篇研究超临界循环流化床的博士论文。

“锅炉是特种设备,几十米高的实验装置,学校实验室里做不了,要和产业界紧密结合。”吕俊复说,这次600兆瓦超临界循环流化床锅炉技术就是在东方锅炉、神华集团等多家单位的支持下成功由理论走向实践,从实验室走向实际工程。

“彻底把超临界循环流化床燃烧技术研究透了”

炉膛高度超过40米之上气固流动行为会怎么样?炉内的流动对管内超临界水的传热有什么影响?管内超临界水强制流动安全性条件是什么?尽管问题重重,但当时世界上尚无超临界循环流化床锅炉的先例。

吕俊复带领团队,针对关键技术体系中的问题逐一研究:在电厂建55米高的试验台,利用实验室的数据和理论分析建立理论模型;根据模型计算结果进行设计和设计优化……

从2000年开始,经过十几年不懈的自主开发,团队发现了超临界循环流化床物料浓度三维分布规律和水冷壁热流二维分布规律;揭示出大型循环流化床床面流化均匀性和稳定性机理;提出了超临界循环流化床的水动力设计导则和低质量流率水循环解决方案;发现了大型循环流化床中氮氧化物生成与控制的独特机制,并提出了深度低氮排放途径;将循环流化床的认识从一维发展到三维、从静态发展到动态,完整地揭示了超临界循环流化床锅炉原理,国际上首次建立了超临界循环流化床锅炉整套设计理论和计算模型,创新形成了超临界循环流化床锅炉关键技术体系。

“彻底弄清楚了整个超临界循环流化床锅炉的工作原理和技术脉络。”吕俊复介绍,2006年开始建设600兆瓦超临界循环流化床示范工程,与国外背靠背研发,因种种原因直到2012年底才投入运行,“虽然投运晚于美国同期开发的项目,没有拿到超临界循环流化床技术世界第一,但拿到了600兆瓦超临界循环流化床工程世界第一,而美国同期开发的只有460兆瓦”。

世界超临界循环流化床锅炉技术中心,彻底从欧美转向了中国。

“感谢伟大时代,给了我们干事创业的环境”

谈到成绩,吕俊复很谦虚。

“这么多参与单位,即便在清华也有多人参加,能作为第一完成人领奖,我是占了便宜的。”谈起获奖,吕俊复想要感谢的人很多,尤其是岳光溪院士、黄其励院士、秦裕琨院士等的支持和提携,但他最感谢的还是这个伟大的时代,“是时代为我们提供了干事创业的环境”。

白马600兆瓦超临界循环流化床发电示范工程投运之后,国际上的超临界循环流化床锅炉全部为中国中标,包括蒙古国、罗马尼亚、波黑等,而国内则是80多台。

“我们技术的全球市场占有率超过95%,还有越来越多的国家找我们谈。”吕俊复说,而价值5亿多元人民币的600兆瓦超临界循环流化床锅炉虽然只有几台订单,却是全球超临界循环流化床技术的珠峰。

面对中国的环境压力,吕俊复正在率领几十年形成的团队进行更高效率、更低排放的660兆瓦超超临界循环流化床锅炉的研究开发,这是国家“十三五”重点研发计划支持的项目,预计在2020年底投运。届时,我们将再一次站到世界前列。

编辑:藤子

鉴于环形炉膛循环流化床所表现的巨大应用优势,2012年度,超临界循环流化床锅炉炉型的研发工作纳入中国科学院战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”的研究课题“超临界循环流化床燃烧技术及示范”。2013至2014年,研究团队先后在研究所廊坊研发中心建设了两套优化结构的660MW环形炉膛循环流化床锅炉冷态模化试验平台,并开展了循环主回路流动均匀性和分离系统分配均匀性等大量的冷态试验和数值模拟研究,完成了基于循环回路物料分配均匀性的关键结构及参数的优化试验,通过优化结构大幅度降低了各循环回路间循环物料流率的偏差,从而解决了环形炉膛内物料分配均匀性问题。

上述研究工作得到了国家自然科学基金重大国际合作研究项目、中国科学院战略性先导科技专项的支持,相关研究成果已发表在国际期刊Chemical Engineering Science、AIChE Journal、Powder Technology、IEEE Sensor Journal、IEEE Trans.on Instrumentation & Measurement 杂志上,并将于在韩国召开的第6届亚洲颗粒技术大会上做邀请报告。

本文由皇冠官网地址发布于科技前沿,转载请注明出处:工程热物理研究所循环流化床复杂气固流态化探

关键词: