清洁能源技术--循环流化床(CFB)电站锅炉

作者：蒋敏华 张敏

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 引言 西部大开发是我国的又一重大经济发展战略，这对于扩大内需、推动国民经济持续增长、促进各地区协调发展等都具有十分重要的意义，受到国内外注目，各方纷纷提出许多有针对性的建议，其中有一点是大家十分关注的，这就是在加强西部基础设施建设的同时必须注重对于生态环境的保护。 我国电力生产所燃用的煤炭还会在未来很多年中保持其在一次能源供应中的中心地位。作为一个地域广阔的煤电大国，我国电力燃煤的含硫量分布很不均匀，其中约有50％为中、高硫煤(Sar>1％)，燃煤发电时排放的二氧化硫、氮氧化物等有害气体对环境造成的污染日趋加重。目前，我国燃煤机组容量达3亿千瓦，年约排放S02 1400万吨(约占全国S02总排放量的1／3)、NOx600万吨，将进一步破坏人类赖以生存的大气环境，成为电力工业和国民经济可持续发展的重要问题之一。 常压循环流化床(CFB)锅炉由于其高效低污染、煤种适应性好、调负荷能力强、造价相对便宜、技术相对容易掌握等特点，已成为目前最为实际的煤清洁燃烧技术之一，得到了较快的发展。国内外应用实践表明，与常规煤粉锅炉相比，采用这种技术可使燃煤电站锅炉排烟中S02和N0x等有害气体含量减少80％一90％左右，可有效减轻燃煤发电对于大气环境的污染。 随着西部大开发建设的进程和需要，在条件适合的地方发展和采用循环流化床锅炉技术是推动我国西部地区电力工业--这一传统产业--优化升级的重要举措之一，将对我国西部地区国民经济的发展和生态环境的保护均起到积极的作用。 1．循环流化床(CFB)锅炉技术介绍 循环流化床锅炉热效率与常规煤粉炉相当，同时由于采用低温分级燃烧和向炉膛内给入石灰石，可在燃烧过程中方便地脱除含硫燃料产生的S02，并抑制Nox生成量，使其具有高效低污染、燃料适应性广等突出特点。 1．1 基本设备 循环流化床锅炉包括本体设备和辅助系统两部分。 ·本体 循环流化床锅炉本体由炉膛及布风装置、循环灰分离器、回料阀、尾部受热面竖井烟道及可以加置的外置式循环灰换热器组成。其中炉膛由膜式水冷壁构成，底部为布风板。炉膛下部锥段(浓相区)用耐火防磨材料覆盖，并依燃烧工艺要求开设二次风口、 循环灰回灰口(给煤及石灰石通常与循环灰一并入炉)、排底渣(粗灰)口以及点火启动油燃烧器等孔口。上部直段炉膛四壁为水冷壁受热面。炉膛出口与循环灰分离器入口相连，分 离器出口则与布置过热器、省煤器和空预器等对流受热面的尾部竖井连接。为平衡炉膛换热量，可在炉膛内或灰循环回路中另布置部分受热面。炉膛下部外置底渣冷却处理系统。为提高燃烧效率，有时采用飞灰再循环技术，将尾部除尘器收集的飞灰气力回送至炉膛底部复燃。炉膛出口处、分离器及回料系统内壁面也大都覆盖耐火防磨材料。锅炉本体多采 用钢架悬吊和支承相结合的方式固定。 除因燃烧工艺要求，在部分受热面的布置上有所差异外，循环流化床锅炉汽水系统的工作原理及功能与常规煤粉炉相同。由于循环床锅炉自身蓄热量大，采用汽包炉更为安全和经济。 ·辅助系统 辅助系统的性能直接影响循环流化床锅炉的可靠性和经济性。主要辅助系统罗列如下。（1）风烟系统 锅炉采用平衡通风方式，特点是风机压头要求较高，一、二次风机的压头分别达18KPa和12KPa左右。（2）煤制备系统 比常规制粉系统简单，一般需采用两级锤击式破碎机和防沾堵能力强的筛子(如圆盘筛)。（3）石灰石制备系统 两级制备，第一级多为锤击式破碎机，第二级可用低速棒式磨或钢球磨。（4）灰渣处理系统 从各灰斗收集的飞灰可用浓相气力输送方式送至飞灰仓；底渣经冷渣器或水冷绞龙冷却后送至底渣仓。（5）燃油点火启动系统 常采用床下热烟发生炉和床上燃烧器联合加热的方式，加床料至煤的着火温度，设计燃油热功率相当于锅炉额定热功率的30％或略高些。（6）热控系统 比煤粉炉热控系统多了床温、床压、S0z排放等回路控制系统。 1．2 技术流派 目前，世界上循环流化床锅炉的主要炉型为：德国Lurgi型、芬兰Pyroflow型、美国FW型、德国Circofluid型和内循环型。 Lurgi型 炉膛布置膜式水冷壁受热面，采用工作温度与炉膛燃烧温度(～870℃)相近的高温型旋风分离器，循环灰回路上布置炉外灰换热器(EHE)，关键部件为控制EHE进灰量的锥型阀。目前，此型锅炉的最大容量等级为250Mwe，由法国Stein公司制造。美国ABB--CE公司也基于此技术，完成了330MW锅炉机组的设计。 Pyrorlow型 采用绝热高温型旋风分离器，膜式壁炉膛内布置抗磨的Ω管屏或翼墙式受热面。回灰系统采用分叉式自平衡U型回料阀，部分冷烟气再循环，目前的最大容量等级为230Mwe，由美国FW公司及其分包商制造。 FW型 采用汽冷高温型旋风分离器，整体式INTREX换热器，目前单炉的最大容量等级为120Mwe，由美国FW公司制造。 Circofluid型 炉膛运行气速相对较低，半塔式布置，炉膛上部布置过热器和高温省煤器受热面，炉膛出口温度约为450℃，因而采用体积较小，耐温及防磨要求较低的中温型旋风分离器。该炉型目前单炉的最大容量等级为80Mwe，由德国Babcock公司生产。 1．3主要技术性能 依燃用煤种不同，循环流化床锅炉燃烧效率约为97％～99%，锅炉热效率约为90％一 91％，蒸汽参数已达亚临界：投石灰石Ca／S分子比为2：2时的脱硫效率≥90%；排烟中NOx 含量≤200mg／m3(标态干烟气，O2＝6％)。循环流化床锅炉具有优良的低负荷(30%MCR)助运行能力，适合电网负荷调峰。 2． 国内外CFB锅炉的发展和应用 自1979年热功率为15MW的首台商业化循环流化床锅炉在芬兰Pihlava投运以来，循环流化床锅炉得到较快发展。目前，世界上已有约30台发电功率≥100MWe的循环流化床锅炉在商业运行。1995年，迄今容量最大的法国Gardanne电厂250MWe循环流化床锅炉(Lurgi型)投入运行。 由于早期开发CFB锅炉技术的初衷不同，国内外发展CFB锅炉技术的目的有较大的差别。国外工业国家侧重于用流化床燃烧方式减少S02和NOx的排放，减轻大气污染，进而较快地应用于电站锅炉，以满足其严格的环境保护法规，容量和技术的水平提高均较快。而我国在60年代开发研究第一代鼓泡流化床锅炉的主要目的是燃用低质煤或洗矸。自80年代中期，我国在积累鼓泡床锅炉经验的基础上开始进行循环床锅炉的研究开发，主要目的之一是提高燃用低质煤的效率。先后有一批35-75t／h容量等级的循环床锅炉投入运行，但总体上讲，尚处于初级阶段，已投入工业运行的一些炉型有待完善。 为了吸收和借鉴国外CFB锅炉的先进技术和成功经验，加快我国电力工业应用CFB锅炉技术的步伐，在1987年，电力工业部热工研究院通过研究论证，提出引进国外先进设备，建立我国100MW CFB锅炉示范电站的建议。通过示范电站的实践和相关的消化吸收研究工作，较全面的了解这种技术在电力生产中的实际应用情况，不仅可验证大型CFB电站锅炉的技术经济性和环保性能，为我国电力工业采用煤清洁燃烧技术决策提供参考依据，而且可为国内研制100MW及更大容量级CFB电站锅炉提供宝贵的技术资料和借鉴经验。引进示范工程建在我国重点高硫煤地区之一的四川省，100MW CFB锻炉发电机组安装在四川内江发电总厂高坝发电厂。引进的这台锅炉为芬兰FW公司生产的具有世界先进水平的“Pyroflow型”CFB锅炉，1996年5月18日首次试投煤运行；1996年6月26日23：05实现燃煤72小时连续运行，同年9月移交试生产：1998年元月通过性能考核验收。 内江100MW CFB示范锅炉自1996年投运以来，总体运行情况良好，特别是高效低排放的特点、良好的调峰性能和稳定的低负荷运行能力得到了充分的体现，对我国循环流化床锅炉产业的发展起到了积极的示范和推动作用。 为了充分发挥内江100MW CFB锅炉引进机组的示范作用，国家电力公司热工研究院、四川电力试验研究院等国内科研单位对引进的100MW CFB锅炉进行了系统的消化吸收试验研究工作，取得了大量的研究成果，并在研究分析国外34台发电功率≥100MW CFB锅炉技术特性的基础上，先后由热工研究院编写完成了约20万字的“大型循环流化床锅炉技术”专著及“消化吸收内江电厂100MW CFB锅炉技术的试验研究”和“100MW CFB锅炉机组系统、辅机及配套系统的开发研制”两个课题、共计约60万字的技术研究报告。内江100MW CFB锅炉示范工程的建立和消化吸收研究课题的完成，积极的推动了我国CFB锅炉技术进步，为国产CFB锅炉及辅助配套系统设备的研制提供了可以实际应用的大量技术数据和技术资料，为大型CFB电站锅炉的产业化发展和实际应用打下了坚实的基础。 经过十多年的研究和实践，国内一批技术实力雄厚、多年从事CFB锅炉技术开发研究的科研院所和高校，已拥有一定的试验设施和试验研究手段，已具备较强的CFB锅炉技术开发能力。国家电力公司热工研究院结合国内实际工程，已进行了CFB锅炉设计、改造、调试、性能考核及多项试验研究。在国内自行开发研制和吸收国外先进技术的基础上，积累了大量的CFB锅炉技术研究成果和实际经验，与国内锅炉制造厂家合作，已生产出了具有自主知识产权的50MW等级CFB锅炉，并已具备设计100MW等级CFB电站锅炉的能力，目前正在研制具有自主知识产权的100MW等级和125MW级CFB电站锅炉，并拟在消化吸收国外先进技术的基础上，与国内研究、制造单位合作，有所创新地自行研制300MW等级的CFB电站锅炉。 据不完全统计，我国已投运或在建的蒸发量为75T／H以上的CFB锅炉达350多台，其中75T／H CFB锅炉有320台；220T／H级的CFB锅炉约有20台；410T／H级的CFB锅炉约有10台以上，CFB锅炉总台数为世界第一。具有国内自主知识产权的国产220T／H级CFB锅炉已投入运行，第一台国产4lOT／HCFB锅炉已选点建在江西分宜电厂。 目前，我国已投运或在建的CFB锅炉多用于热电厂或大型厂矿企业的自备电站，随着我国CFB锅炉的技术进步和容量等级的提升，国产CFB锅炉将逐步在我国电力生产和环境保护中发挥积极的作用。 国内各主要锅炉生产厂家均很重视CFB锅炉产业的发展。近年来，这些制造部门通过与国内研究单位及国外公司合作，已生产出数百台容量等级从35T/H到4l0T/H的CFB锅炉，在CFB锅炉的设计、制造方面取得了丰富的经验。CFB锅炉除需配备高温分离器、回料阀、布风板等部件而不同于常规煤粉炉外，锅炉的构造和加工方法基本相同，并且这些特殊部件国内也能制作。从加工角度来说，我国已具备制造和提供≤100Mw容量等级CFB电站锅炉的能力。 3. CFB锅炉在西部大开发中的应用前景 环境保护是我国的基本国策之一，西部大开发建设中的生态环境保护势在必行。在新建火力发电站时，应充分采取措施减轻火力发电站对于生态环境的影响，如：减轻电站锅炉排烟对于大气环境的影响等。采用CFB锅炉可在付出代价相对较小的前提下满足国家环保标准中对于SO2、NOx有害气体的排放要求，减轻燃煤电站对大气环境的污染，可切实有效地保护西部生态环境，为西部地区提供新的清洁电源。 西部地区动力煤炭资源丰富，几乎包括从无烟煤到褐煤的所有煤种。而这些煤种中有的是高硫高灰煤；有的挥发份很低；有的挥发份高但灰熔点极低，在常规煤粉锅炉上燃用时常出现：S02排放浓度高；燃烧不稳、易灭火放炮：低负荷性能差；燃烧器喷口周围及炉膛内容易结焦、受热面容易积灰等问题。此外，为达到国家“火电厂大气污染物排放标准”中对于S02排放量的要求指标，多数常规煤粉锅炉需配备价格昂贵的尾部烟气脱琉装置。目前，国内大型煤粉电站锅炉配套的烟气脱硫装置多为从国外进口或采用国外技术制造。采用CFB锅炉不仅可一并解决上述问题，而且还可使火电厂燃煤锅炉排烟中的另一种污染物--NOx气体的排放量减少80％一90％，有效减轻锅炉排烟对大气环境的污染。 由于有脱硫功能，CFB锅炉的初投资和建成后的运行费用要稍高于常规煤粉锅炉，但明显低于配备尾部烟气脱硫装置的煤粉锅炉 因此，在西部地区新建电厂、老厂改造、城市集中供热、电网调负荷(CFB锅炉可以30％一40％MCR稳定运行，不需助燃油)等项目中，应积极采用CFB锅炉技术，以便合理利用西部地区的高硫份、高灰份、低挥发份、低灰熔点劣质煤资源。在为西部地区提供新电源的同时，保护人类赖以生存的生态环境。 作者简介： 蒋敏华，男，40岁，教授级高级工程师。l982年毕业于浙江大学热能工程系，1989年毕业于西安交通大学研究生院，获工学硕士学位。主要从事循环流化床燃烧技术的开发及工程化的研究工作。现任国家电力公司热工研究院副院长。 (end)

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