循環流化床鍋爐與煤粉爐的比較

摘 要：目前，循環流化床燃燒系統已經發展到一個相當高的水平，其對于城市垃圾和農村秸稈的回收利用有著重要的意義。本文從燃燒特點、水冷壁、運行費用等方面對循環流化床鍋爐和煤粉鍋爐進行了簡要的比較。

關鍵詞：循環流化床鍋爐；煤粉爐；水冷壁；運行費用

1 引言

中國每年生產的糧食為4.9億噸，秸稈產量為12億噸左右，假設有40%的秸稈被用于發電，電站效率為26%，則每年可節約相當于發電消耗的標準煤的1.16%；中國現有城市660多座，每座城市每年生產的垃圾數量巨大，若將其用于流化床鍋爐發電，相當于燃煤量的0.05%左右。農業生產產生的秸稈等副產品、城市生活和生產垃圾都可以作為循環流化床鍋爐的燃料用于民用生活、工業生產中的工藝用蒸汽、熱水或者電力生產。

2 概述

煤粉爐(PCB)是將煤粉(粒徑約75μm)與空氣的混合物在爐膛中進行懸浮燃燒，燃燒產生的煙氣與飛灰顆粒形成濃度很小的氣固兩相流以氣力輸送的形式流向尾部煙道。煤粉鍋爐的廠用電率低。

循環流化床鍋爐(CFBB)是用高壓空氣將粒徑約為1～8nm的燃料和循環灰顆粒流態化，從而形成密相區、稀相區、氣力輸送區三個燃燒放熱的區域。從爐膛排出的煙氣中有濃度很高的燃料和循環灰顆粒，經過高溫分離器以后，大部分燃料和循環灰顆粒被分離下來，進入回料閥，然后由回料風送回爐膛循環再燃。循環流化床鍋爐的優點有：燃料適應性廣，燃燒效率高，可燃用幾乎所有種類的煤種及各種低熱值、高灰分或高水分的矸石、石油焦、工農業垃圾及城市垃圾，污染物排放量低，截面熱強度高，燃料制備系統相對簡單，灰渣綜合利用性能好等。其缺點是塵量較大不易處理、廠用電率高、操作復雜困難等。

3 PCB與CFBB的比較

3.1 燃燒特點

煤粉鍋爐爐膛溫度為1500℃左右，煤粉顆粒粒徑約為60～80μm，煤粉顆粒燃盡時間約需1.8～2.5s，單只煤粉燃燒器的功率可以達到很大。煤粉鍋爐的NOx和SOx的排放量都很高，需要采用專門的尾部煙氣脫硝裝置和尾部煙氣脫硫裝置進行煙氣凈化。煤粉鍋爐的飛灰份額為90%～95%。

循環流化床鍋爐的密相區溫度為880～900℃左右，燃料顆粒粒徑約為1～10mm，燃料顆粒可以進行反復循環與燃燒，但是單只布風板的面積有限，因此循環流化床鍋爐在容量擴大方面受到限制。由于燃燒溫度比較低，NOx排放量較低，可在爐膛內同時進行脫硫和燃燒，飛灰份額一般在51%～63%之間。循環流化床鍋爐具有廣泛的煤種適應性，但是對于已投入運行的某一臺CFB鍋爐而言，其不能燃用一切固體燃料。

3.2 爐膛熱負荷分布規律

煤粉鍋爐的煙氣溫度在垂直方向上隨著鍋爐高度的升高，經歷了快速上升、在燃燒器上方區域達到了最大值、然后逐漸下降的過程。在水平方向上，煤粉鍋爐的熱負荷分布也是不均勻的。因此煤粉鍋爐水冷壁的工質一側容易發生熱負荷偏大、傳熱惡化和超溫爆管事故。

循環流化床鍋爐爐膛的熱負荷在垂直方向上沿著爐膛高度經歷了從高到低的緩慢降低過程，在水平方向上鍋爐熱負荷也分布均勻。因此循環流化床鍋爐水冷壁的工質一側不容易發生傳熱惡化、超溫爆管。

3.3 爐側蓄熱能力

煤粉鍋爐的爐側煙氣流動速度較快，蓄熱能力有限，而且爐側煙氣對由負荷變化引起的溫度變化的反應速度要比鍋側工質慢得多。

循環流化床鍋爐爐煙氣側的床料量較大，蓄熱能力較強，不能忽略鍋爐負荷變化時床料溫度變化的吸收作用，即鍋爐負荷提高，床料釋放熱量；鍋爐負荷降低，床料吸收熱量。

3.4 水冷壁

3.4.1 水冷壁沾污、結渣情況

動力煤的灰分的變形溫度DT一般在1100～1150℃之間。煤粉爐的爐膛煙氣最高溫度可以達到1500～1600℃，超過了灰分的DT，因此，會有灰分經過熔化、揮發、凝結，最后在水冷壁管的外壁上形成沾污層。如果灰分的DT很低，發生了缺氧燃燒或敷設衛燃帶的方式不合理，可能造成水冷壁、分隔屏等部位的嚴重結渣。

循環流化床的燃燒溫度為850～910℃，低于灰分的DT，因此，灰分不會在循環流化床鍋爐水冷壁表面形成堅固的沾污層，基本上不結渣。但是，在密相區的耐火材料層的外壁會發生結渣現象。而且，如果脫硫劑中含有較高的K2O、Na2O或者其他堿金屬的氧化物，會使密相區甚至水冷壁發生嚴重結渣，有時會導致排渣不暢的故障。

3.4.2 水冷壁爆管

環流化床鍋爐水冷壁工質側和煙氣側溫度分布都很均勻，爆管的原因是床料顆粒對水冷壁金屬的磨損。

煤粉鍋爐水冷壁的工質側溫度分布情況如下：臨界壓力以下鍋爐，均勻；超臨界鍋爐，工質溫度逐漸上升。煙氣側溫度分布情況：爐膛垂直方向，溫度從低到高再到低；爐膛水平方向也不均勻。因此煤粉鍋爐可能因熱負荷不均勻引起的傳熱惡化造成水冷壁爆管。

3.4.3 水冷壁的高溫腐蝕

煤粉鍋爐爐膛溫度較高，高溫腐蝕速度較快。而且，煤粉爐的脫硫工藝是尾部煙道煙氣脫硫，因此爐膛的二氧化硫濃度較高，高溫腐蝕速度較快。

循環流化床鍋爐爐膛溫度較低，基本上不發生高溫腐蝕。并且，循環流化床鍋爐的脫硫工藝是燃燒過程中脫硫，即在爐膛內，燃燒煤粒的同時將石灰石顆粒投入爐膛內進行脫硫反應。因此，循環流化床鍋爐爐膛的二氧化硫濃度較低，高溫腐蝕速度較慢。

3.5 運行費用

調研結果表明，PC鍋爐機組在安裝SCR脫硝裝置以后，由于要消耗大量的尿素和燃油，并且其使用的催化劑大約每4年需更換一次，因此不算催化劑所帶來的二次污染，電廠增加的發電成本約0.01元/ kW?h。對于一臺300MW機組，假定其每年滿發時間為5000 h，那么每年的運行成本將增加約1500萬元。

粗略相比，CFB鍋爐的供電煤耗比PC鍋爐多出16.71G/kW?h，相當于每年多消耗2.5萬噸標準煤，因此與上述PC鍋爐增加的成本相比，如果標準煤的價格在600元/t以上，則PC鍋爐在運行成本上有優勢，反之則CFB鍋爐機組有優勢。如果我們利用煤矸石作為原料進行發電的話，那么CFB鍋爐組就占有優勢。

不僅如此，PC鍋爐脫硝裝置所更換下來的催化劑如果處理不當還會造成較大的二次污染，而且尿素生產過程中還要消耗大量的能源。理論計算表明，每生產1t氨氣，需要消耗的能量為20.93GJ，但在我國由于技術工藝水平比較低，每合成1t氨氣能耗高達40GJ(折合1365.1kg標煤)以上，而且合成氨過程中主要消耗的是優質燃料天然氣。

綜合看來，CFBB與PCB相比，300MW級CFB鍋爐機組能耗高于同級別PC鍋爐，但如果綜合考慮劣質燃料利用以及污染物減排，其在經濟性上和PC鍋爐是有可能相當的。故將循環流化床鍋爐技術應用到煤矸石燃燒發電上有PC鍋爐不可替代的優勢，同時成本上和PC鍋爐水平相當。

目前，循環流化床燃燒系統已經發展到一個相當高的水平，燃燒效率高達98%～99%。借助添加石灰石進行爐內脫硫，效果可達90%以上，負荷調節能力可達1∶3到1∶4，在系統完備的條件下，可實現負荷調節速率約5% /分。其實際運行的工作可靠性超過90%，在投資和運行費用方面，也要較一般的帶有尾氣脫硫裝置的煤粉爐便宜得多。

參考文獻：

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