孔 宇，文 端，張小勇

(華東電力設(shè)計(jì)院發(fā)電工程管理部，上海 200063)

循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大、污染物排放量低、運(yùn)行穩(wěn)定等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是目前國際公認(rèn)的商業(yè)化程度最好的潔凈煤發(fā)電技術(shù).目前，循環(huán)流化床燃燒(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐技術(shù)正在向大容量和超臨界方向發(fā)展，世界上第一臺460 MW超臨界CFB鍋爐已經(jīng)在波蘭Lagisza電廠投入商業(yè)運(yùn)行，我國第一臺600 MW超臨界CFB鍋爐也已經(jīng)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(huán)高效率和CFB清潔燃燒的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景，是下一代CFB技術(shù)的發(fā)展方向.

本文對國內(nèi)、外超臨界CFB鍋爐的研發(fā)現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對超臨界CFB鍋爐的發(fā)展前景進(jìn)行了分析.

1 超臨界CFB鍋爐的特點(diǎn)

由于超臨界和CFB均為成熟技術(shù)，將二者相結(jié)合其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)并不大.與煤粉爐相比，在CFB鍋爐上采用超臨界技術(shù)還有如下優(yōu)勢[1].

(1)爐膛內(nèi)溫度較低 由于CFB鍋爐爐膛內(nèi)的溫度約850℃，比常規(guī)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(nèi)的溫度水平低于一般煤的灰熔點(diǎn)，水冷壁上基本不會積灰結(jié)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(jié)焦、金屬壁溫控制，以及金屬材料的選擇上具備一定優(yōu)勢.

(2)水動力更穩(wěn)定 CFB鍋爐爐膛內(nèi)的固體濃度和傳熱系數(shù)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(xiàn)在爐膛底部附近.而工質(zhì)溫度恰恰相反，溫度最低的工質(zhì)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(fā)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(wěn)定.

(3)吸熱更均勻 峰值熱流率區(qū)是發(fā)生管道過熱的最不安全的區(qū)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(qū)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(nèi)有大量循環(huán)物料存在，爐膛內(nèi)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(huán)相結(jié)合.

但是超臨界CFB鍋爐畢竟是一種全新技術(shù)，因此在鍋爐設(shè)計(jì)上需要對如下問題加強(qiáng)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(dāng)廠用電失電時(shí)鍋爐蓄水量不足容易導(dǎo)致水冷壁過熱.在進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)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(jī)性，因此在超臨界CFB鍋爐的設(shè)計(jì)中必須考慮其對爐內(nèi)熱負(fù)荷分布的影響.

2 國外超臨界CFB鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)

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(fā)走在了世界的前列.1999年提出了超臨界CFB鍋爐的設(shè)計(jì)方案，2001年公布了超臨界CFB鍋爐的可行性研究報(bào)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(jī)組投入商業(yè)運(yùn)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(jié)構(gòu)，8個(gè)方形水冷緊湊型分離器布置在爐膛兩側(cè)，分離器下接8個(gè)整體式流化床熱交換器(INTREX)，其分離器和INTREX均由膜式壁構(gòu)成，與爐膛構(gòu)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(shù)，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(nèi)螺紋管，以防止低負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生傳熱惡化.蒸汽系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，再熱蒸汽溫度通過蒸汽旁路和進(jìn)入INTREX灰流量的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)[2].另外，該機(jī)組還設(shè)有煙氣余熱回收系統(tǒng)，將排煙溫度降低到85℃來提高機(jī)組效率.換熱器位于引風(fēng)機(jī)后的煙道上，以水為介質(zhì)回收煙氣熱量用于加熱空氣.該機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

表1 Lagisza電廠460 MW超臨界CFB主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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(shè)計(jì)工作，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:鍋爐采用單爐膛、雙布風(fēng)板的“褲衩腿”型式，爐膛截面積為306 m2，爐膛左右兩側(cè)各布置3個(gè)冷卻式旋風(fēng)分離器和外置式換熱器，每組3個(gè)旋風(fēng)分離器配置1個(gè)蒸汽冷卻的出口煙道.

3 國內(nèi)超臨界CFB鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)

我國超臨界CFB鍋爐的研究起步較早，清華大學(xué)1997年就開始了超臨界CFB鍋爐方案設(shè)計(jì)中關(guān)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(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為我國開發(fā)大容量、超臨界CFB鍋爐奠定了基礎(chǔ).哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠、清華大學(xué)、西安熱工研究院、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院等制造廠家和科研機(jī)構(gòu)都對大容量、超臨界CFB鍋爐基礎(chǔ)問題進(jìn)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(jì)劃和四川白馬示范電站項(xiàng)目為依托，均已完成了600 MW超臨界CFB鍋爐的方案設(shè)計(jì)并通過了專家評審.目前，四川白馬示范電站項(xiàng)目正處于建設(shè)階段，標(biāo)志著我國CFB鍋爐已經(jīng)進(jìn)入了超臨界時(shí)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(fēng)板的“褲衩腿”型式，蒸發(fā)受熱面采用垂直管圈一次上升膜式水冷壁結(jié)構(gòu).采用雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)可保證2次風(fēng)的穿透性，有效降低鍋爐灰渣含碳量，但對兩個(gè)支腿的床壓及風(fēng)量控制要求較高.

采用水冷布風(fēng)板，大直徑鐘罩式風(fēng)帽，爐膛內(nèi)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(cè)各布置有3個(gè)內(nèi)徑為9.3 m的高效絕熱旋風(fēng)分離器.在爐膛下部對稱布置6個(gè)外置式換熱器，靠近爐前的2個(gè)外置式換熱器內(nèi)布置高溫再熱器，用于調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度，中間的2個(gè)外置式換熱器布置低溫過熱器，靠近爐后的2個(gè)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(diào)節(jié)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(jìn)入回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器.過熱蒸汽溫度由煤水比和3級噴水減溫來進(jìn)行調(diào)節(jié)，再熱蒸汽溫度由布置高溫再熱器的2臺外置式換熱器調(diào)節(jié)，同時(shí)還設(shè)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(fā)的600 MW超臨界CFB鍋爐[5]為單爐膛、H型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱直流爐.采用外置式換熱器調(diào)整床溫及再熱蒸汽溫度，并利用高溫汽冷旋風(fēng)分離器進(jìn)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(huán)回路，包括爐膛、汽冷旋風(fēng)分離器、回料器、外置式換熱器、冷渣器，以及2次風(fēng)系統(tǒng)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(dú)布置的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器.

由于爐膛內(nèi)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(yōu)化的內(nèi)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(fēng)板下方是由水冷壁彎制成的水冷等壓風(fēng)室.燃料從布置在6個(gè)回料器上的給煤口送入爐膛.每臺鍋爐設(shè)置4個(gè)床下點(diǎn)火風(fēng)道，每個(gè)床下點(diǎn)火風(fēng)道配有2個(gè)油燃燒器.爐膛下部還設(shè)有床上助燃油槍，用于鍋爐啟動點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)燃.另外，有8臺滾筒冷渣器分兩組布置在爐膛兩側(cè)，6臺汽冷旋風(fēng)分離器布置在爐膛兩側(cè)的鋼架副跨內(nèi).

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(jié)構(gòu).鍋爐爐頂采用全封閉結(jié)構(gòu)，整個(gè)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(nèi)螺紋管.爐膛上部布置32片擴(kuò)展蒸發(fā)受熱面.采用內(nèi)嵌逆流柱型風(fēng)帽和水冷布風(fēng)板等壓風(fēng)室.在主循環(huán)回路上，6個(gè)直徑9.2 m的蝸殼式高溫絕熱旋風(fēng)分離器被分為兩組，分布在爐膛兩側(cè).每個(gè)分離器下對應(yīng)一個(gè)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(jī)械式的U型自平衡返料器，料位具有自平衡能力，同時(shí)又防止煙氣反串.爐后布置一臺4分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器.后煙井內(nèi)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(hù)板包圍的1級省煤器.

4 超臨界CFB鍋爐的發(fā)展前景

超臨界CFB鍋爐技術(shù)綜合了超臨界蒸汽循環(huán)高效率和CFB清潔燃燒的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景.

(1)超臨界CFB鍋爐在參數(shù)和容量上與煤粉爐更接近 煤粉爐作為目前發(fā)展最為成熟的爐型，已經(jīng)發(fā)展到超超臨界參數(shù)，單機(jī)容量也達(dá)到了1 000 MW，發(fā)電效率達(dá)到了45%以上，由于具有高參數(shù)、大容量和高效率的技術(shù)優(yōu)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(shù)和單機(jī)容量上仍有一些差距，例如300 MW級亞臨界CFB機(jī)組的發(fā)電效率僅41%，效率相對較低，影響了CFB鍋爐的應(yīng)用.但隨著超臨界CFB鍋爐技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)組發(fā)電效率提高到了43%以上，單機(jī)容量也達(dá)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(shù)也在研發(fā)中.因此，在不久的將來，CFB鍋爐在參數(shù)和容量上有望與煤粉爐達(dá)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(yōu)于煤粉爐 煤粉爐主要通過設(shè)置尾部煙氣脫硫設(shè)施來控制SO2排放.隨著國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，煤粉爐的煤種適用范圍也受到了更多的限制，根據(jù)最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)，SO2的排放限值為100 mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)更是達(dá)到了50 mg/Nm3.目前，石灰石-石膏濕法脫硫的設(shè)計(jì)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(nèi)噴石灰石脫硫+尾部煙氣脫硫?qū)崿F(xiàn)兩級脫硫，爐內(nèi)脫硫效率一般可達(dá)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(dá)到95%，兩級脫硫的綜合脫硫效率達(dá)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(xiàn)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(yōu)于煤粉爐 燃料適應(yīng)性廣是CFB鍋爐的一大優(yōu)勢，這是由CFB鍋爐的燃燒方式?jīng)Q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(zhì)煤，也可以摻燒生物質(zhì)燃料等，因此具有廣闊的發(fā)展空間.

5 結(jié)語

綜上所述，中國作為世界上最大的發(fā)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(fā)電，成為污染物排放的主要來源.發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)，提高燃煤電廠的發(fā)電效率，從而降低污染物排放，是我國重要的能源戰(zhàn)略.因此，超臨界CFB鍋爐技術(shù)作為高效的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，綜合了超臨界和CFB兩者的優(yōu)點(diǎn)，必將具有良好的發(fā)展前景.

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