超臨界循環流化床鍋爐技術特點與發展前景分析

孔 宇，文 端，張小勇

(華東電力設計院發電工程管理部，上海 200063)

循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣、負荷調節比大、污染物排放量低、運行穩定等技術優點，是目前國際公認的商業化程度最好的潔凈煤發電技術.目前，循環流化床燃燒(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐技術正在向大容量和超臨界方向發展，世界上第一臺460 MW超臨界CFB鍋爐已經在波蘭Lagisza電廠投入商業運行，我國第一臺600 MW超臨界CFB鍋爐也已經在四川白馬電廠開始建造.

超臨界CFB鍋爐綜合了超臨界蒸汽循環高效率和CFB清潔燃燒的優點，具有良好的應用前景，是下一代CFB技術的發展方向.

本文對國內、外超臨界CFB鍋爐的研發現狀和技術特點進行了介紹，并對超臨界CFB鍋爐的發展前景進行了分析.

1 超臨界CFB鍋爐的特點

由于超臨界和CFB均為成熟技術，將二者相結合其技術風險并不大.與煤粉爐相比，在CFB鍋爐上采用超臨界技術還有如下優勢[1].

(1)爐膛內溫度較低 由于CFB鍋爐爐膛內的溫度約850℃，比常規煤粉爐的爐膛溫度低得多，從而降低了對水冷壁冷卻能力的要求.另外，由于CFB鍋爐爐膛內的溫度水平低于一般煤的灰熔點，水冷壁上基本不會積灰結渣，從而保證了水冷壁的吸熱能力.因此，超臨界CFB鍋爐在鍋爐防結焦、金屬壁溫控制，以及金屬材料的選擇上具備一定優勢.

(2)水動力更穩定 CFB鍋爐爐膛內的固體濃度和傳熱系數在爐膛底部最大，且隨著爐膛高度的增加而逐漸減小，其熱流最大值出現在爐膛底部附近.而工質溫度恰恰相反，溫度最低的工質恰好在熱流最高處.這種特性使水冷壁不會超溫，因此在CFB鍋爐中發生傳熱惡化的概率比煤粉爐小得多.對比超臨界煤粉鍋爐，CFB鍋爐爐膛熱流率的分布更有利于超臨界CFB鍋爐水冷壁水動力的穩定.

(3)吸熱更均勻 峰值熱流率區是發生管道過熱的最不安全的區域.煤粉爐沿爐膛高度的熱流率分布非常不均勻，在爐膛中部燃燒器區域的熱流率大大高于爐膛上部和下部的熱流率.對比超臨界煤粉鍋爐.由于CFB鍋爐爐內有大量循環物料存在，爐膛內的溫度沿爐膛高度方向更均勻，因此水冷壁沿爐膛高度方向的吸熱也更均勻.CFB鍋爐爐膛所具有的這些特性使其更適合與超臨界循環相結合.

但是超臨界CFB鍋爐畢竟是一種全新技術，因此在鍋爐設計上需要對如下問題加強研究.

(1)由于超臨界流化床鍋爐沒有汽包，并且管子直徑相對較小，當廠用電失電時鍋爐蓄水量不足容易導致水冷壁過熱.在進行鍋爐設計時需給予充分考慮.

(2)超臨界流化床鍋爐的爐膛高度接近50 m，其受熱面布置有別于亞臨界CFB鍋爐及超臨界煤粉鍋爐，因此上部受熱面的傳熱及氣固兩相流流場也是研究的重點之一.

(3)相比于超臨界煤粉鍋爐，CFB鍋爐給煤口的給煤量具有隨機性，因此在超臨界CFB鍋爐的設計中必須考慮其對爐內熱負荷分布的影響.

2 國外超臨界CFB鍋爐的發展現狀和技術特點

2.1 FOSTER Wheeler公司的超臨界CFB鍋爐

FOSTER Wheeler公司超臨界CFB鍋爐的研發走在了世界的前列.1999年提出了超臨界CFB鍋爐的設計方案，2001年公布了超臨界CFB鍋爐的可行性研究報告，2002年 12月與波蘭Poludniowy Koncern Energetyczny(PKE)電力公司簽訂了在波蘭Lagisza電廠建造1臺460 MW超臨界CFB鍋爐的合同.460 MW超臨界CFB鍋爐見圖1，2009年6月該機組投入商業運行.

圖1 波蘭Lagisza電廠460 MW超臨界CFB鍋爐

Lagisza電廠460 MW超臨界CFB鍋爐采用單爐膛結構，8個方形水冷緊湊型分離器布置在爐膛兩側，分離器下接8個整體式流化床熱交換器(INTREX)，其分離器和INTREX均由膜式壁構成，與爐膛構成緊湊式布置.

水冷壁采用西門子專利的本生型垂直管圈技術，爐膛底部水冷壁為光管，以降低流動阻力，中間和上部水冷壁采用內螺紋管，以防止低負荷時產生傳熱惡化.蒸汽系統包括4級過熱器、2級再熱器，其中:1級和2級過熱器分別位于爐膛頂棚和爐膛上部，3級過熱器為分離器膜式壁，4級過熱器位于INTREX中;1級再熱器位于尾部豎井中，末級再熱器位于INTREX中.主蒸汽溫度通過兩級噴水和控制煤水比進行調節，再熱蒸汽溫度通過蒸汽旁路和進入INTREX灰流量的比例進行調節[2].另外，該機組還設有煙氣余熱回收系統，將排煙溫度降低到85℃來提高機組效率.換熱器位于引風機后的煙道上，以水為介質回收煙氣熱量用于加熱空氣.該機組設計參數見表1.

表1 Lagisza電廠460 MW超臨界CFB主要設計參數

2.2 ALSTOM公司的超臨界CFB鍋爐

ALSTOM公司于2000年完成了600 MW超臨界CFB鍋爐的方案研究和設計工作，其主要設計特點是:鍋爐采用單爐膛、雙布風板的“褲衩腿”型式，爐膛截面積為306 m2，爐膛左右兩側各布置3個冷卻式旋風分離器和外置式換熱器，每組3個旋風分離器配置1個蒸汽冷卻的出口煙道.

3 國內超臨界CFB鍋爐的發展現狀和技術特點

我國超臨界CFB鍋爐的研究起步較早，清華大學1997年就開始了超臨界CFB鍋爐方案設計中關鍵問題的初步研究，這與國際上的研究幾乎同步[3].豐富的CFB鍋爐設計制造、安裝調試和運行經驗為我國開發大容量、超臨界CFB鍋爐奠定了基礎.哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠、清華大學、西安熱工研究院、浙江大學、中國科學院等制造廠家和科研機構都對大容量、超臨界CFB鍋爐基礎問題進行了深入的研究，取得了豐碩的成果.3大鍋爐廠以國家863計劃和四川白馬示范電站項目為依托，均已完成了600 MW超臨界CFB鍋爐的方案設計并通過了專家評審.目前，四川白馬示范電站項目正處于建設階段，標志著我國CFB鍋爐已經進入了超臨界時代.

3.1 哈爾濱鍋爐廠600 MW超臨界CFB鍋爐

哈爾濱鍋爐廠600 MW 超臨界CFB鍋爐[4]采用單爐膛、雙布風板的“褲衩腿”型式，蒸發受熱面采用垂直管圈一次上升膜式水冷壁結構.采用雙布風板結構可保證2次風的穿透性，有效降低鍋爐灰渣含碳量，但對兩個支腿的床壓及風量控制要求較高.

采用水冷布風板，大直徑鐘罩式風帽，爐膛內布置有中隔墻水冷壁和低溫屏式過熱器.在爐膛上部左右兩側各布置有3個內徑為9.3 m的高效絕熱旋風分離器.在爐膛下部對稱布置6個外置式換熱器，靠近爐前的2個外置式換熱器內布置高溫再熱器，用于調節再熱蒸汽溫度，中間的2個外置式換熱器布置低溫過熱器，靠近爐后的2個外置式換熱器布置中溫過熱器.布置過熱器的外置式換熱器主要用來調節床溫.

尾部對流煙道中依次布置高溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，最后進入回轉式空氣預熱器.過熱蒸汽溫度由煤水比和3級噴水減溫來進行調節，再熱蒸汽溫度由布置高溫再熱器的2臺外置式換熱器調節，同時還設有事故噴水.

3.2 東方鍋爐廠600 MW超臨界CFB鍋爐

東方鍋爐廠自主研發的600 MW超臨界CFB鍋爐[5]為單爐膛、H型布置、平衡通風、一次中間再熱直流爐.采用外置式換熱器調整床溫及再熱蒸汽溫度，并利用高溫汽冷旋風分離器進行氣固分離.鍋爐整體呈左右對稱布置，其總體布置如圖2所示.

圖2 東方鍋爐廠600 MW超臨界CFB鍋爐

鍋爐由3部分組成，第1部分有主循環回路，包括爐膛、汽冷旋風分離器、回料器、外置式換熱器、冷渣器，以及2次風系統等;第2部分有尾部煙道，包括低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器;第3部分為單獨布置的回轉式空氣預熱器.

由于爐膛內灰的濃度較高，為避免磨損，水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，下爐膛采用優化的內螺紋管，上爐膛采用光管.上下爐膛之間通過過渡集箱過渡，保證爐膛上下壓力均衡，減小不平衡.爐膛底部采用“褲衩型”將下爐膛一分為二，爐膛中間為單面曝光中隔墻水冷壁，布風板下方是由水冷壁彎制成的水冷等壓風室.燃料從布置在6個回料器上的給煤口送入爐膛.每臺鍋爐設置4個床下點火風道，每個床下點火風道配有2個油燃燒器.爐膛下部還設有床上助燃油槍，用于鍋爐啟動點火和低負荷穩燃.另外，有8臺滾筒冷渣器分兩組布置在爐膛兩側，6臺汽冷旋風分離器布置在爐膛兩側的鋼架副跨內.

3.3 上海鍋爐廠600 MW超臨界CFB鍋爐

上海鍋爐廠600 MW 超臨界CFB鍋爐[6]為單爐膛單床、露天布置、全鋼架懸吊結構.鍋爐爐頂采用全封閉結構，整個水冷壁沿爐膛高度方向分為上、中、下3段，水冷壁采用外徑為32 m的光管及內螺紋管.爐膛上部布置32片擴展蒸發受熱面.采用內嵌逆流柱型風帽和水冷布風板等壓風室.在主循環回路上，6個直徑9.2 m的蝸殼式高溫絕熱旋風分離器被分為兩組，分布在爐膛兩側.每個分離器下對應一個外置式換熱器，其中2臺布置低溫過熱器，2臺布置中溫過熱器，2臺布置高溫再熱器.采用非機械式的U型自平衡返料器，料位具有自平衡能力，同時又防止煙氣反串.爐后布置一臺4分倉回轉式空氣預熱器.后煙井內依次布置有高溫過熱器、低溫再熱器和2級省煤器，2級省煤器下布置有4組由護板包圍的1級省煤器.

4 超臨界CFB鍋爐的發展前景

超臨界CFB鍋爐技術綜合了超臨界蒸汽循環高效率和CFB清潔燃燒的優點，具有良好的發展前景.

(1)超臨界CFB鍋爐在參數和容量上與煤粉爐更接近 煤粉爐作為目前發展最為成熟的爐型，已經發展到超超臨界參數，單機容量也達到了1 000 MW，發電效率達到了45%以上，由于具有高參數、大容量和高效率的技術優勢，是目前燃煤電站鍋爐的首選爐型.與其相比，CFB鍋爐在參數和單機容量上仍有一些差距，例如300 MW級亞臨界CFB機組的發電效率僅41%，效率相對較低，影響了CFB鍋爐的應用.但隨著超臨界CFB鍋爐技術的出現，機組發電效率提高到了43%以上，單機容量也達到了600 MW等級，縮小了與煤粉爐的差距，目前800 MW級超超臨界CFB鍋爐技術也在研發中.因此，在不久的將來，CFB鍋爐在參數和容量上有望與煤粉爐達到同一水平，這也將有助于提高CFB鍋爐的市場占有率.

(2)超臨界CFB鍋爐在污染物排放控制上優于煤粉爐 煤粉爐主要通過設置尾部煙氣脫硫設施來控制SO2排放.隨著國家環保標準的提高，煤粉爐的煤種適用范圍也受到了更多的限制，根據最新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，SO2的排放限值為100 mg/Nm3，重點地區更是達到了50 mg/Nm3.目前，石灰石-石膏濕法脫硫的設計效率為95%，按此估算入爐煤的含硫量限值分別約為0.9%和0.45%.而CFB鍋爐可以通過爐內噴石灰石脫硫+尾部煙氣脫硫實現兩級脫硫，爐內脫硫效率一般可達80% ～90%，尾部煙氣脫硫如果采用石灰石-石膏濕法脫硫，效率也可達到95%，兩級脫硫的綜合脫硫效率達到99%以上.但隨著我國煤炭需求量的逐年增加和煤炭儲量的減少，電煤市場呈現出越來越緊張的局勢，高硫煤所占的比例也將越來越大，這也有助于提高CFB鍋爐的市場占有率.

(3)超臨界CFB鍋爐在煤種適用范圍上優于煤粉爐 燃料適應性廣是CFB鍋爐的一大優勢，這是由CFB鍋爐的燃燒方式決定的，CFB鍋爐除了能夠燃燒適用于煤粉爐的煙煤、無煙煤、褐煤等煤種外，還能夠燃用煤粉爐無法燃用的高硫、高灰、低熱值的煤矸石等劣質煤，也可以摻燒生物質燃料等，因此具有廣闊的發展空間.

5 結語

綜上所述，中國作為世界上最大的發展中國家，其能源消耗居世界第二位，且一次能源消耗以煤為主，其中50% ～60%的煤用來發電，成為污染物排放的主要來源.發展潔凈煤發電技術，提高燃煤電廠的發電效率，從而降低污染物排放，是我國重要的能源戰略.因此，超臨界CFB鍋爐技術作為高效的潔凈煤發電技術，綜合了超臨界和CFB兩者的優點，必將具有良好的發展前景.

[1]呂俊復.超臨界CFB鍋爐水冷壁熱負荷及水動力研究[M].北京:清華大學出版社，2004:35-40.

[2]毛健雄.超(超)臨界循環流化床直流鍋爐技術的發展[J].電力建設，2010(1):1-6.

[3]高新宇，李振宇.600 MW超臨界循環流化床鍋爐國產化可行性分析[J].鍋爐制造，2007(2):28-30.

[4]張縵，別如山，王鳳君，等.超臨界循環流化床鍋爐技術特點比較[J].熱能動力工程，2009(3):271-276.

[5]聶立，王鵬，彭雷，等.600 MW超臨界循環流化床鍋爐的設計[J].動力工程，2008(5):701-706.

[6]呂清剛，宋國良，高子瑜，等.自主研發600 MW超臨界循環流化床鍋爐技術[R].北京:中國科學院工程熱物理研究所，2007:39.