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摘要：火力发电行业对提高效率、减小碳排放和降低污染的要求越来越高，洁净发电技术正成为未来的发展趋势。增压流化床联合循环技术具有烟气出口温度高、负荷调节性能好、高效率低污染的特点，是比较有发展潜力的一种实现燃气蒸汽联合循环发电的方式。目前该技术正在逐渐成熟，我国已建成中试电站，更多的基础性试验研究将实施。
关键词：增压流化床;联合循环;脱硫;节能
增压流化床联合循环（PressurizedFluidizedBedCombustion–CombinedCycle，PFBC-CC）从联合循环的型式上，类似于增压锅炉型联合循环，主要区别在于燃气的发生过程｡PFBC-CC技术能够实现燃气蒸汽联合循环发电，其综合性能要高于前者，但在近期内尚难于取代常规燃煤发电技术｡增压流化床燃煤联合循环根据燃烧室的类型不同，分为增压鼓泡流化床和增压循环流化床联合循环｡目前，前者为增压流化床燃煤联合循环实际应用的主流，而后者将成为未来流化床联合循环的发展方向｡
发展进程和关键技术
1.1国内外发展进程
增压流化床联合循环技术早在1969年由英国人开始研究，经多个国家（英国､瑞典､美国､德国、日本等）的研究开发，50多年来历经理论研究､实验室规模试验､中间机组试验､商业示范阶段试验和进入燃煤发电商业市场等阶段[1]；同时为了提高燃气轮机进口烟气温度，从而提高联合循环效率，美国FosterWheeler公司牵头开发的APFBC技术正在进行中试规模的试验研究，并已开始商业示范电站的设计工作｡英国原煤炭研究所（CoalResearchEs-tablishment）开发的前置循环（toppingcycle）及气化炉技术已转让给三井巴布科克（MitsuiBab-cock，简称MB）公司，改称为空气气化循环（AirBlownGasficationCycle，简称ABGC）｡MB也在寻求包括中国在内的其他合作伙伴，推进该技术的示范和商业化进展[1]｡
国内对PFBC-CC技术的研究始于80年代初，经过近20年的不断努力，目前已基本掌握了该项技术｡东南大学热能工程研究所自1981年开始对PFBC技术的研究开发，1984年在该所建成热输入为1MW的PFBC试验装置，达到了国外同类实验规模研究水平｡由东南大学热能所技术负责的徐州贾汪发电厂为我国第一套中试规模的增压流化床联合循环发电机组，于1998年建成并于2000年10月最终顺利地通过了72h连续运行[2]，取得阶段性成果｡此电站燃烧效率达98%，脱硫率为92%，灰渣可综合利用｡
1.2关键技术
1.2.1硫化反应的速率和效率
硫化反应的速率和效率主要受以下几个方面的影响：压力、温度、Ca/S的值、脱硫剂粒径大小等，需要通过大量的试验研究得出硫化反应的速率和效率对各个影响因素的响应，最终指导PFBC-CC机组的设计、运行，以达到较高的硫化反应速率和效率。
1.2.2气化的过程
气化过程需要注意温度不能够提高太多，应低于煤的灰熔点；为了改善煤气质量可以适当加压；另外在气化炉运行过程中适当加入石灰石作为脱硫剂，可以获得比较高的脱硫效率；且随着压力的升高，脱硫效率也随之增加，在试验范围内，最高到90%以上[3]｡
1.2.3煤和脱硫剂的加入方式
压力条件下煤和添加剂（脱硫剂）的加入是PFBC-CC即增压流化床需要解决的关键技术之一，常用的煤和脱硫剂的添加方法有2种，即干法加料和湿法加料｡目前多采用煤的湿法加料技术，该加料技术是将煤破碎､筛选后按一定级配和一定比例的水直接混合制成水煤膏（Coal-WaterPaste），再利用成熟的泵送技术，通过管道输送，经喷嘴雾化后送入压力流化床内，此少量的水分对系统燃烧效率的影响幅度很小，只有0.2%，对于含灰量和含硫量较低的煤，湿法加料甚至优于干法｡
2系统流程简介
2.1运行原理及流程
增压流化床联合循环（PFBC-CC）发电技术的工作原理是：经过加压至0.6MPa~1.6MPa的空气，通过布风板进入燃烧室，从而使床层内不同粒度的颗粒状床料处于悬浮状态，空气和加入的煤进行激烈的燃烧反应，床层温度在785℃~980℃范围内，燃烧产生的烟气中所含的SO2和加入流化床内的石灰石（白云石）反应生成CaSO4（该反应可除去烟气中90%左右的SO2），燃烧产生的部分热量，通过安置在流化床内的埋管和水冷壁，使流经受热面的水或者空气得到加热，经加热的空气或者蒸汽，通过透平膨胀做功发电，离开燃烧室的加压燃气，经过高温除尘以后，进入燃气轮机膨胀做功，驱动空气透平压缩机使空气增压，使多余的功也发电，向外输送电力，该发电过程是由燃气和蒸汽两部分系统组成的，称之为燃气-蒸汽联合循环发电，同时由于煤在流化床内的燃烧温度仅为900℃左右，只有燃料中的氮转化成NOx，空气中的氮很少转化成NOx，所以增压流化床燃烧过程中NOx和SO2的排放都能得到很好的控制｡其基本系统见图1所示｡
1-压气机；2-燃气轮机；3-增压锅炉；4-汽轮机；5-给水加热器；6-凝汽器；7-给水泵；8-烟气净化设备；9-发电机
2.2压循环流化床联合循环优点
增压循环流化床联合循环具有许多技术和运行上的优点：烟气出口温度较高（同鼓泡流化床相比），燃气轮机的功率和效率较高；增压循环流化床锅炉分级燃烧和未燃尽碳造成的还原性气氛，使NOx排放量更低，可以在不增加其他脱氨装置（如SNCR）的情况下满足NOx排放要求，同时流化床内物料的循环，提高了脱硫剂的使用率；增压循环流化床锅炉可以通过调节一二次风配比改变炉膛传热进行负荷调节，且保温物料量和耐火防磨材料用量较少，负荷调节速度较快，启､停时间短；增压循环流化床密相区内无沉浸受热面（增压鼓泡流化床所必须的），大大降低受热面的磨损；床内采用屏式受热面，检修方便；增压循环流化床具有较高的面积热负荷，所占空间小，对于给定的电厂容量，增压循环流化床的压力壳直径小于增压鼓泡流化床；增压循环流化床内的风和煤粉混合更加强烈，给煤点少，同时床内设置床料处理系统进行床温控制，简化了给煤及物料系统，减少了压力壳尺寸｡[4]
2.3存在的问题
燃煤增压流化床联合循环的研究与发展仍面临一些有待于解决的棘手问题，主要有：受热面的磨蚀；N2O的排放量较高；高温除尘，粉尘排放的有效控制；燃料的处理与输送；高温高压灰渣的排放与能量回收；燃气轮机叶片的磨蚀及耐高温性能，以及容量和参数的提高受到限制｡
3键设备及功能
3.1压流化床锅炉
增压流化床锅炉是PFBC-CC系统的核心装置，它要同时为蒸汽轮机和烟气轮机提供额定参数的过热蒸汽和高温､高压烟气｡增压循环流化床锅炉主体结构由压力壳及位于压力壳内的流化床燃烧室､旋风分离器､回料器等组成｡增压流化床锅炉运行时采用增压燃烧技术，同时控制燃烧温度，使燃料在增压与低温环境下燃烧，最大限度地降低NOx排放，以满足愈加苛刻的环保要求｡最小流化速度是流态化操作的最低速度，是流化床设计运行的重要参数之一，因而是该领域长期以来主要的研究对象[6]｡
3.2气轮机
目前PFBC-CC机组的燃气轮机结构笨重，叶片需特殊处理，投资较大。由于使用PFBC-CC发电的燃机种类少，对PFBC锅炉的容量也造成了一定程度的限制。因此，目前应对此类设备的研究给予更充分的重视，对燃气轮机防磨、防腐、气动与热力设计、辅系加强等环境进行重点研究，并将此类燃气轮机的研究成果尽可能应用到国民经济的其他领域，以促进共同发展。
3.3效除尘装置
如果过滤式高温烟气除尘器能够高效稳定运行，使得烟气中含尘量能够达到10mg/m3以下，则PFBC-CC机组的燃气轮机就可以使用目前的普通燃机，届时，电站的投资将大幅下降，燃气轮机使用寿命将得以提高，这对提高此技术的市场竞争力，将起到至关重要的作用。同时，该技术的成熟，对我国其他领域技术的发展，如IGCC等，也具有至关重要的作用。
3.4法脱硫的雾化喷嘴
水煤膏（coalwaterpaste，简称CWP）雾化喷嘴是增压流化床燃烧湿法给料系统中一个关键的设备。水煤膏在压力床内的雾化分散性能直接决定其在床内的着火､混合､燃烧和燃尽，雾化分散效果越好，雾化粒度越均匀，越有利于流化床内颗粒的混合､着火和燃烧。世界各国都将CWP喷射器作为PFBC湿法给料技术的一个重要研究内容，并根据各自的工程实际设计了不同结构的雾化喷嘴，重点研究了水煤膏在流化床内的燃烧特性｡
4展趋势
4.1压循环流化床锅炉代替增压鼓泡流化床锅炉
目前实际运行的电站大部分采用的是增压鼓泡流化床，然而增压循环流化床锅炉因取消了受热面埋管，增加了自由空间的受热面，取消床料储罐和料层控制装置而增加分离器和回料器，投资基本没有增加；炉膛内温度分布均匀且在炉膛的下部没有布置受热面，在满负荷至低负荷（40%）的范围内均可以维持炉膛出口烟温的设计值；锅炉炉膛容积热强度和截面热强度高；采用分级配风方式，床层的过量空气系数在0.16~0.17，使NOx进一步降低；负荷调节性能好。总体上，增压循环流化床锅炉的环保性能和燃烧效率均优于增压鼓泡床锅炉，在部分负荷运行下更为显著[1]。
4.2第二代增压流化床联合循环
增压流化床联合循环的研究开发已经成型，但在技术上仍存在其局限性｡为了克服增压流化床燃煤联合循环动力装置中燃气轮机入口温度较低（850~920℃）的问题，提出了第二代增压循环流化床联合循环发电技术，第二代系统主要增压了一个增压气化装置，将原煤分解为煤气和焦炭，焦炭送入增压流化床燃烧锅炉作为原料，经过净化的煤气被送入燃气轮机的前置式燃烧室，与来自增压流化床燃烧锅炉的热烟气混合并提高温度后送入燃气轮机做功发电，第二代增压流化床联合循环的效率相对第一代系统提高15%~20%（从第一代的39%~41%提高到44%~47%）｡增压流化床联合循环前置燃烧室的高温燃烧可以有效降低CO，N2O和碳氢化合物的排放｡因此，第二代增压流化床联合循环具有更优良的环保性能[1]。
4.3有待加强的基础性试验研究工作
第二代PFBC-CC方案的关键技术是：1）研制流化床式的炭化炉或部分气化炉；2）研究高温条件下的除尘技术；3）顶置燃烧室内低热值煤气的燃烧技术｡目前，第二代PFBC技术在以美国的FOS-TERWHEELER公司为代表的多国已经进行研制和开发[9]。
具体来说，应该继续加强相关的应用基础研究充分利用建成的PFBC-CC中试电站，发挥其试验研究基地作用，进行相应基础性试验研究工作：取得典型煤种的燃烧特性数据；锅炉燃烧､传热､流动等基础数据，埋管寿命试验；增压流化床的新炉型，提高燃烧效率的新技术；提高脱硫效率和脱硫剂利用率；喷氨以及其他降低NOx排放的技术开发；高温高压气固物料两相流动特性､测量控制以及处理技术；高温烟气净化技术，如陶瓷过滤器除尘技术等；联合循环系统的动态特性､计算机仿真､协调控制以及自动保护等；燃煤燃气轮机的防磨､防腐､防积灰及叶片涂层的寿命试验；灰渣直接掺制水泥和其他高附加值利用的工业试验[8]。
参考文献
[1]王彦彦,盛金贵,霍志红,等.增压流化床燃煤联合循环技术特点及环保特性[J].电力科学与工程,2010(06):38-43.
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[3]施爱阳,章名耀,李乾军,等.增压喷动流化床煤部分气化与脱硫效率的试验研究[J].能源研究与利用,2006(04):17-20.
[4]姜殿香.大型增压循环流化床联合循环技术特点及发展趋势[J].锅炉制造,2007(01):28-29.
[5]李全胜,张维洁.PFBC增压流化床锅炉简介[J].电站系统工程,2002(01):17-18.
[6]李皓宇,阎维平,王春波,等.增压流化床热态临界流化速度的实验研究[J].中国电机工程学报,2011(32):8-15.
[7]周一工.第二代增压流化床联合循环系统的研究:2004'中国西安锅炉节能环保技术交流研讨会,中国陕西西安,2004[C].
[8]蔡宁生,章名耀.PFBC-CC发电技术的进展及创新发展[J].东南大学学报(自然科学版),2002(03):437-442.
[9]王珩,赵凤茹.国内外增压流化床联合循环电站的特点和分析[J].黑龙江电力,2001(01):26-33.
作者简介
田华娟（1982—）女，工程师，从事火力发电厂工艺系统及管道设计工作。