淺談電站鍋爐的發(fā)展及趨勢(shì)

摘要：隨著全球氣候變暖，環(huán)境污染嚴(yán)重，走低碳發(fā)展道路成為過(guò)街社會(huì)共同的呼聲，目前我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭仍占相當(dāng)大的比重，而電站鍋爐是最大的耗煤設(shè)備。節(jié)能和環(huán)保成為電站鍋爐發(fā)展的指向標(biāo)。因此電站鍋爐向大容量高參數(shù)、低污染物燃燒技術(shù)、潔凈煤發(fā)電技術(shù)等方向不斷發(fā)展。進(jìn)一步提高電廠能源利用效率，減少NOX、SOX等污染物的排放。

關(guān)鍵字：電站鍋爐；發(fā)展；環(huán)保

一、前言

作為火電機(jī)組的三大主要設(shè)備之一，鍋爐的發(fā)展一直備受關(guān)注。最初，電廠采用火管鍋爐。這種鍋爐容量小，壓力低，效率低，適應(yīng)不了電廠對(duì)動(dòng)力日益增長(zhǎng)的需求，因而被水管鍋爐代替。水管鍋爐經(jīng)歷了由直水管向彎水管形式的發(fā)展。后者與中參數(shù)機(jī)組配套，是電廠鍋爐發(fā)展史上的一大進(jìn)步。

中國(guó)在50年代前不能制造電廠鍋爐。1953年成立了第一家鍋爐廠（上海鍋爐廠），1955年生產(chǎn)了第一臺(tái)中國(guó)自行制造的中壓鏈條鍋爐，蒸發(fā)量為40噸/時(shí)。1958年哈爾濱鍋爐廠試制成230噸/時(shí)的高壓電廠鍋爐。80年代末已能制造1000噸/時(shí)的垂直上升管直流鍋爐，以及為300MW機(jī)組和600MW機(jī)組配套的電廠鍋爐。截止2007年底，我國(guó)的發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到713290MW，居世界第二位，僅次于美國(guó)。其中火電554420MW占77.73%。而據(jù)中國(guó)電力技術(shù)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，到2011年底全國(guó)電力總裝機(jī)容量約為10.5億千瓦，火電約為7.6億千瓦，占72.3%。火電仍是我國(guó)電力的最主要主力軍。因此化石燃料仍被大量消耗，而且需求會(huì)越來(lái)越大。

目前節(jié)能減排成為世界發(fā)展的重要課題。隨著化石資源的日益短缺，溫室效應(yīng)等污染問題的不斷加劇，對(duì)電站鍋爐提出了新的要求，主要是從節(jié)能和環(huán)保這兩個(gè)方面。

節(jié)能問題：世界范圍內(nèi)普遍存在燃料價(jià)格上漲和供應(yīng)不足問題，發(fā)達(dá)國(guó)家的煤礦已開采多年，現(xiàn)在只能開采更深、難度更大的礦層，但大部分依靠海外進(jìn)口，使得煤炭?jī)r(jià)格上漲。我國(guó)是煤炭開采大國(guó)，但同樣開采速度趕不上工業(yè)的需求量，煤炭供應(yīng)短缺。這就要求電站鍋爐能更好地利用燃料，提高發(fā)電效率。

環(huán)保問題：現(xiàn)在低碳成為全球共同的口號(hào)和愿望，既要發(fā)展又不破壞環(huán)境，給我們帶來(lái)新的困難，這就要求改善煤炭燃燒技術(shù)，不斷研發(fā)新的燃燒技術(shù)，降低氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、碳氧化物（CO、CO2）碳?xì)浠衔铮℉C）和粉塵的產(chǎn)生和排放。因此脫硫、脫硝技術(shù)也成為電站鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)。

二、電站鍋爐的發(fā)展方向

電站鍋爐緊緊圍繞節(jié)能和環(huán)保這兩大主題不斷發(fā)展：一是節(jié)約能源，提高燃料利用率；二是減少污染物的排放，保護(hù)環(huán)境，積極開發(fā)低碳技術(shù)。主要的方向有：采用大容量高參數(shù)的機(jī)組；優(yōu)化燃燒技術(shù)，采用低污染的燃燒技術(shù)；新型潔凈煤發(fā)電技術(shù)等。

（一）采用大容量、高參數(shù)機(jī)組。提高鍋爐的蒸汽壓力和溫度是提高熱電轉(zhuǎn)換效率的有效方法，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用新一代超臨界和超超臨界機(jī)組，熱效率將提高10%，節(jié)煤近25%，一臺(tái)1000MW的超臨界機(jī)組，一年就可以節(jié)煤約70萬(wàn)噸。2.1.1國(guó)外的發(fā)展情況

從20世紀(jì)50年代開始，以美國(guó)、德國(guó)為代表，就開始采用超超臨界機(jī)組，但由于可靠性問題，從60年代后期開始，美國(guó)將其參數(shù)降至常規(guī)超臨界。直到80年代，美國(guó)超臨界機(jī)組參數(shù)基本穩(wěn)定在這個(gè)水平，伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，材料科學(xué)的提高和對(duì)電廠水化學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，可靠性問題得到解決。

英國(guó)計(jì)劃到2020年，蒸汽溫度為650～700℃，循環(huán)效率為50%～55%。歐盟則提出Thermie 700計(jì)劃：蒸汽壓力37.5MPa，主蒸汽溫度700℃，再熱蒸汽溫度700℃，效率55%（海水冷卻）或52%（冷卻塔），CO2排放減低15%，到2014年完成。美國(guó)的“760℃”計(jì)劃則是在目前現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)不太多的技術(shù)改進(jìn)工作，將超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度提高到760℃的水平，從而大大提高超超臨界機(jī)組的效率，使電廠的效率達(dá)到52-55%。

1、國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況。上世紀(jì)90年代，我國(guó)超臨界機(jī)組主要依賴進(jìn)口，發(fā)展了22臺(tái)超臨界機(jī)組。目前600MW的超臨界機(jī)組已逐漸成為主力軍，而國(guó)產(chǎn)化的600MW超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)基本為25.4MPa/571℃。已投產(chǎn)的1000MW的機(jī)組有玉環(huán)電廠、鄒縣電廠、外高橋電廠、汕頭電廠等。我國(guó)已進(jìn)入超超臨界機(jī)組快速發(fā)展的時(shí)期。預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)總裝機(jī)容量將達(dá)到950GW，火電機(jī)組占60%以上。

2、超（超）臨界技術(shù)面臨的問題

（1）材料問題。發(fā)展大容量、高參數(shù)機(jī)組面臨最大的問題就是材料問題，所使用的材料必須耐高溫高壓。

（2）制造安裝問題。現(xiàn)在超臨界機(jī)組普遍采用內(nèi)螺紋垂直管屏型水冷壁結(jié)構(gòu)，但由于容量超大，為確保水循環(huán)可靠所需的內(nèi)螺紋管的管徑將相應(yīng)增加，才有利于水循環(huán)的安全。另外，對(duì)于采用超（超）臨界的機(jī)組，一般的焊接技術(shù)很難滿足其要求。這就會(huì)造成制造、安裝等方面的問題。

（3）經(jīng)濟(jì)問題。超（超）臨界機(jī)組，體積龐大，用料量大，而且必須采用昂貴的材料，造成了初投資巨大。

雖然，超（超）臨界機(jī)組仍存在許多技術(shù)難關(guān)，但其在節(jié)能減排方面相比常規(guī)火電有著明顯優(yōu)勢(shì)。因此它將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。

（二）低污染燃燒技術(shù)。低污染燃燒技術(shù)主要包括低NOX燃燒技術(shù)、爐內(nèi)加鈣固硫、循環(huán)流化床鍋爐等。目標(biāo)是在不配備尾部煙氣凈化裝置的情況下，減少NOX、SOX的排放，在燃料燃燒過(guò)程中實(shí)現(xiàn)脫硝、脫硫。

1、低NOX燃燒技術(shù)。按照NOX的生成方式可分為熱力型NOX、快速型NOX和燃料型NOX三種。低NOX燃燒技術(shù)主要包括低氧燃燒、分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)、采用低NOX燃燒器等。

（1）低氧燃燒方法，通過(guò)降低過(guò)量空氣系數(shù)，從而減小NO的生成。但此方法會(huì)造成燃燒不充分，爐內(nèi)結(jié)渣和腐蝕等問題。

（2）煙氣再循環(huán)。在空氣預(yù)熱器前抽取10%～20%的低溫?zé)煔猓瑢⑵渑c空氣混合后在進(jìn)入爐內(nèi)，降低了高溫火焰溫度和氧氣濃度，形成富燃料氛圍，可使NOX排放量降低50%左右。

（3）低NOX燃燒器。低NOX燃燒器分為階段型、混合促進(jìn)型、分割火焰型和自身煙氣再循環(huán)型。其技術(shù)應(yīng)用較好的有：CE公司的LNCFS燃燒器、三菱重工的PM燃燒器、美國(guó)的BM公司的DRB-XCL型及DRB-Airejet型燃燒器和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的復(fù)合分級(jí)低氮燃燒技術(shù)等。NOX排放量可降低30%～60%。

2、爐內(nèi)加鈣固硫。這是一種經(jīng)濟(jì)的爐內(nèi)煙氣脫硫方法，在鍋爐內(nèi)加入氫氧化鈣，使其與SO2反應(yīng)生成硫酸鈣：

其最佳反應(yīng)溫度在800～850℃，所以一般在高溫過(guò)熱器煙氣出口處噴入氫氧化鈣。

3、循環(huán)流化床鍋爐。由于循環(huán)流化床（CFB）具有低污染物排放，適應(yīng)燃料種類廣泛，燃燒利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，近20、30年CFB技術(shù)分得到了快速發(fā)展，我國(guó)已有大批電站采用CFB鍋爐。目前CFB正往大容量、超臨界、高潔凈方向前進(jìn)。波蘭Lagisza電廠采用了Foster Wheeler公司研發(fā)CFB鍋爐，容量達(dá)到460MW。而由西班牙Endesa Generacio電力公司、Foster Wheeler公司等6家公司開展了CFB800（800MW，30MPa/600℃/620℃）的研究。這種CFB鍋爐結(jié)合了超臨界和循環(huán)流化床鍋爐兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的前景。另外CFB鍋爐向深度脫硝和脫硫方向不斷研發(fā)，進(jìn)一步降低污染物的排放。CFB鍋爐還可以以其為技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)展整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（IGCC）、增壓循環(huán)流化床系統(tǒng)（PCFBC），實(shí)現(xiàn)與其他能源或原材料加工系統(tǒng)整合從事能源的高效利用。

（三）新型潔凈煤發(fā)電技術(shù)。近年來(lái)潔凈煤發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，這方面技術(shù)有蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)（GTCC）、整體煤氣化蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)（IGCC）、熱電冷多聯(lián)產(chǎn)、以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。

IGCC技術(shù)是將煤先制成水煤漿，以高壓水煤漿泵將其噴入液態(tài)排渣氣化爐中，從高壓制氧設(shè)備送來(lái)的氧氣也同時(shí)噴入氣化爐中，在過(guò)量空氣系數(shù)遠(yuǎn)低于1的情況下是煤部分燃燒、氣化。煤氣經(jīng)過(guò)清洗、除塵、脫硫后送入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒、發(fā)電、排出的廢氣進(jìn)入廢熱鍋爐，所產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽輪機(jī)發(fā)電。它具有發(fā)電效率高、污染物少、節(jié)水、低碳排放等特點(diǎn)。目前IGCC也朝大容量高參數(shù)方向發(fā)展。而且把燃煤發(fā)電和煤化工結(jié)合，形成以煤氣化為基礎(chǔ)的煤化工、液體燃料、氫氣和高效潔凈發(fā)電系統(tǒng)為一體的真正意義上的多聯(lián)產(chǎn)的“綠色煤電”技術(shù)。

而我國(guó)的在發(fā)展IGCC過(guò)程中主要面臨：一，某些關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)滯后，沒有形成可靠的原創(chuàng)性技術(shù)；二，集成創(chuàng)新成果有待提升；三，缺少示范工程帶頭。需加大力度驚醒研發(fā)利用。

因此我國(guó)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)加大了研發(fā)利用的力度。

三、結(jié)論

全球?qū)Α暗吞忌睢钡钠谕鷣?lái)愈強(qiáng)烈，對(duì)于電站鍋爐來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排已是擺在其面前不得不解決的問題。“十二五”規(guī)劃中我國(guó)制定了更加嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，而且要加快能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在目前還是以煤炭為主要能源的情況下，不斷發(fā)展新型潔凈燃燒技術(shù)、潔凈燃燒以及節(jié)能型鍋爐，才能更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的雙重目標(biāo)。