黃 中，楊 娟，車得福

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大容量循環(huán)流化床鍋爐技術發(fā)展應用現(xiàn)狀

黃 中1，楊 娟2，車得福1

（1.西安交通大學多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049； 2.中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技服務中心，北京 100038）

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術手段，也是我國火力發(fā)電的重要組成部分。截至2018年底，我國100 MW（410 t/h）以上等級的大容量CFB鍋爐累計投產440臺、總裝機容量超過82.3 GW，CFB鍋爐的單機容量、裝機規(guī)模、技術先進性均達到世界領先水平。本文介紹了我國CFB鍋爐發(fā)展歷程和應用現(xiàn)狀，分析了應用領域、主力機型、機組分布及近年來的主要技術經濟性指標，并從容量參數(shù)、標準體系、國際應用、運行靈活性和燃料適應性等方面對我國CFB鍋爐技術發(fā)展進行了展望。

CFB鍋爐；裝機規(guī)模；主力機型；燃料適應性；供電煤耗；廠用電率；污染物排放

自1996年內江高壩電廠成套設備引進的100 MW循環(huán)流化床（CFB）鍋爐投產以來，大容量CFB鍋爐在我國已經發(fā)展應用了二十多年[1-3]。作為潔凈煤技術最為重要的組成部分[4-5]，CFB鍋爐為低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用，以及我國電力節(jié)能環(huán)保發(fā)揮了重要作用[6-7]。

通過消化吸收和自主研發(fā)，我國工程技術人員將CFB鍋爐的蒸汽參數(shù)從高壓、超高壓、亞臨界提升到了超臨界，并實現(xiàn)了自主知識產權的100、135、300、600 MW等級和350 MW等級大容量CFB鍋爐批量投運[8-11]。目前，我國CFB鍋爐的單機容量、裝機規(guī)模、技術先進性均達到世界領先水平[12]。

1 CFB鍋爐技術發(fā)展

1979年首臺CFB鍋爐在芬蘭Pihlava投入運行，因其燃料適應性廣、負荷調節(jié)范圍大、污染物控制成本低等優(yōu)勢，在世界范圍內引起了廣泛關注。1985年，世界首臺再熱式CFB鍋爐在德國Duisburg投入商業(yè)運行，其大型化步伐開始加快，作為一種新型燃燒設備，CFB鍋爐被公認為煤炭燃燒技術的重大革新[13]。為此，趙長遂、馮俊凱、徐智勇等[14-16]先后撰文詳細介紹這一技術，并對其在我國的大型化應用給予期望。

1987年，中國電機工程學會在北京主持召開了CFB鍋爐研討會，研究加快國內CFB鍋爐發(fā)展、成套設備引進的可行性，形成了我國發(fā)展CFB鍋爐的初步意見，提出可以引進一臺國外成熟、容量為100 MW等級的CFB鍋爐，安裝在四川省燃用高硫煤，從而推動了這項新技術在我國的發(fā)展[17]。1992年，四川省電力局與Ahlstrom公司（后被Foster Wheeler公司收購）簽訂了購買協(xié)議；1994年，內江高壩項目開工建設；1996年，機組通過72 h試運行[18]。盡管這臺鍋爐投產初期在燃燒效率、冷渣器、風機等方面存在一些技術問題，但整體成功，為我國發(fā)展大容量CFB鍋爐積累了經驗[19]。

2000年前后，為加快中國大容量CFB鍋爐的發(fā)展，以東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司（東鍋）、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司（哈鍋）和上海鍋爐廠有限公司（上鍋）為代表的中國動力裝備制造企業(yè)先是分別向Foster Wheeler公司、EVT公司和ABB-CE公司引進了100~135 MW CFB鍋爐技術，后來又在國家發(fā)展和改革委員會的組織下，與國內主要的電力設計院聯(lián)合引進了Alstom公司的300 MW CFB鍋爐技術[20-22]。在西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）、中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司、中國科學院工程熱物理研究所（中科院工熱所）、清華大學、浙江大學等國內科研單位的不懈努力下，自主技術的大容量CFB鍋爐也相繼投運[23-25]。2013年4月，世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐在四川白馬電廠投運；2015年9月，世界首臺350 MW超臨界CFB鍋爐在山西國金電廠投運[26]。我國CFB鍋爐大型化的標志性機組見表1。

我國大容量CFB鍋爐技術發(fā)展過程中，不僅產生了先進的設計理念，更重要的是形成了完備的設計、制造、安裝、運行和檢修體系。中國知網和中國專利公告檢索分析結果顯示：高峰時中國在CFB鍋爐技術領域發(fā)表的期刊論文近600余篇、授權專利超過400項，期刊論文發(fā)表數(shù)量及各類專利授權數(shù)量如圖1所示。

表1 CFB鍋爐大型化標志性機組

Tab.1 The milestone of large-scale CFB boilers

注：標注“*”的鍋爐帶有外置換熱器。

圖1 期刊論文發(fā)表及專利授權情況

我國CFB鍋爐技術在與引進技術競爭的過程中逐步壯大，主要的動力裝備制造企業(yè)均具備了大容量CFB鍋爐的設計制造能力，自主技術占據(jù)了國內95%以上的市場。其中，東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司和上海鍋爐廠有限公司生產的CFB鍋爐占到全部大容量CFB鍋爐的83.3%。各動力裝備制造企業(yè)鍋爐生產情況如圖2所示。

圖2 動力裝備制造企業(yè)鍋爐生產情況

2 CFB鍋爐技術應用

截至2018年底，我國已投產100 MW（410 t/h）以上等級CFB鍋爐440臺、總裝機容量超過82.3 GW，中國華能集團有限公司、中國華電集團有限公司等電力企業(yè)，國家能源投資集團有限責任公司等煤炭企業(yè)均裝備有大容量CFB鍋爐，應用領域涵蓋電力及熱力供應、低熱值燃料消納、化工氯堿、石油石化、有色冶金、造紙紡織等行業(yè)，具體應用領域如圖3所示。

圖3 CFB鍋爐技術應用領域

2.1 主力機型

目前，我國大容量CFB鍋爐的主力機型是 135 MW等級和300 MW等級，這兩種機型占總裝機容量的73.2%、總裝機臺數(shù)的73.8%，但超臨界等級占比已超過10%（圖4）?？紤]到全國范圍內還有50多臺350 MW和660 MW超臨界機組將會陸續(xù)投產，因此超臨界參數(shù)等級有望成為未來的主力機型。

圖4 機組等級情況

2.2 機組分布

國內共有105個地級以上城市安裝有大容量CFB鍋爐（圖5），華北、華東和華南地區(qū)的大容量CFB鍋爐裝機數(shù)量最多，內蒙古、山西、廣東、山東、遼寧占據(jù)國內大容量CFB鍋爐裝機的前五位（表2）。

表2 分地區(qū)投產統(tǒng)計

Tab.2 The regional production statistics for CFB boiler

圖5 CFB鍋爐分省投產情況

3 CFB鍋爐主要技術經濟性指標

3.1 可靠性

CFB鍋爐燃燒方式與煤粉鍋爐有著很大差別，燃用的又多是發(fā)熱量低、灰分高的劣質煤，早期由于運行維護經驗有限導致機組的非計劃停運次數(shù)較高。2004年，對30臺100~135 MW CFB鍋爐的統(tǒng)計顯示，每年非計劃停運次數(shù)達5.61次/臺，鍋爐平均連續(xù)運行時間為74天，最長連續(xù)運行時間為139天，最短連續(xù)運行時間僅為33天[27]。

隨著技術發(fā)展進步，中國大容量CFB鍋爐運行的可靠性顯著提高。2017年，對81臺100~300 MW CFB鍋爐的統(tǒng)計顯示，每年非計劃停運次數(shù)已經降至0.37次/臺，其中135 MW為0.26次/臺，300 MW為0.46次/臺，與同等級煤粉鍋爐接近[28]。隨著運行維護經驗的積累以及先進防磨技術的推廣使用，CFB鍋爐的連續(xù)運行紀錄不斷刷新：廣東寶麗華電力有限公司梅縣荷樹園電廠5號機組（300 MW機組）連續(xù)運行時間達到434天，神華億利能源有限責任公司1號機組（200 MW機組）連續(xù)運行時間達到341天，神東熱電公司上灣電廠1號機組（150 MW機組）連續(xù)運行時間達到384天，淮南礦業(yè)集團電力有限責任公司潘三電廠1號機組（135 MW機組）連續(xù)運行時間達到311天。

3.2 經濟性

供電煤耗和廠用電率是表征CFB鍋爐經濟性水平的主要技術指標。受燃料特性影響，CFB鍋爐固體未完全燃燒熱損失、灰渣物理顯熱損失較大，加之燃燒過程中大量物料處于懸浮狀態(tài)，需要克服布風及分離裝置的阻力，因此其供電煤耗、廠用電率較高。但隨著設計理念的提升，新投產的CFB鍋爐供電煤耗、廠用電率顯著下降，部分采用流態(tài)重構技術的300 MW CFB鍋爐甚至可以將廠用電率降至4%左右，基本與同等級煤粉鍋爐相當[29]。2013—2017年我國典型CFB鍋爐供電煤耗及廠用電率數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

3.3 環(huán)保性

《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223）對CFB鍋爐粉塵、SO2和NO排放質量濃度做出了明確規(guī)定（圖8）。粉塵方面，CFB鍋爐與煤粉鍋爐并無特別顯著的差異，早期CFB鍋爐主要使用靜電除塵器，但部分煤種爐內添加石灰石脫硫后會對飛灰比電阻產生較大影響，因此也有一些CFB鍋爐使用電袋復合除塵器。后期受環(huán)保標準提高的影響，大部分CFB鍋爐使用布袋除塵器[30]。

圖6 2013—2017年典型CFB鍋爐供電煤耗數(shù)據(jù)

圖7 2013—2017年典型CFB鍋爐廠用電率數(shù)據(jù)

圖8 SO2和NOx排放標準變遷

SO2方面，排放質量濃度標準為400 mg/m3以上時，CFB鍋爐主要采用爐內添加石灰石脫硫的技術路線，鈣硫摩爾比一般為1~2，環(huán)保成本相對較低；排放質量濃度標準為200~400 mg/m3時，爐內添加石灰石脫硫的鈣硫摩爾比一般需要升至2~4；排放質量濃度標準低于200 mg/m3時，一般采用爐內添加石灰石脫硫和爐外脫硫相結合的技術路線，爐外脫硫多采用半干法脫硫工藝，也有少部分采用濕法脫硫工藝[31-32]。

NO控制方面，GB 13223—2003對于不同煤種、不同時段的NO排放質量濃度標準，CFB鍋爐均可滿足；GB 13223—2011對于在役鍋爐要求的NO排放質量濃度標準（200 mg/m3），大部分CFB鍋爐也可滿足；對于新建鍋爐（100 mg/m3）及重點地區(qū) （50 mg/m3）則可采用選擇性非催化還原（SNCR）技術[33]。實踐表明，SNCR技術應用于CFB鍋爐時的脫硝效率一般可以達到60%~85%，是目前的主流技術，僅有個別CFB鍋爐選用選擇性催化還原（SCR）技術或SNCR/SCR聯(lián)合技術[34]。

由于《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》要求新建燃煤發(fā)電機組排放達到燃機排放限值，即粉塵、SO2和NO排放質量濃度分別小于10、35、50 mg/m3[35]。目前廣東、河北、山西、福建等省份已陸續(xù)完成了其行政區(qū)劃內大容量CFB鍋爐的超低排放改造，最早改造的機組運行時間已超過4年[36]。結果表明，CFB鍋爐完全具備實現(xiàn)超低排放的能力，且改造周期短，投入的環(huán)保成本和運行費用也相對較低[37-38]。

4 CFB鍋爐技術展望

4.1 參數(shù)等級

大容量、高參數(shù)可以最大限度降低CFB鍋爐的能耗水平，目前我國已經投產的CFB鍋爐最大容量為600 MW，對應的蒸汽參數(shù)為25.7 MPa/603 ℃/603 ℃。2019年初，國家能源局已將陜西彬長和貴州威赫兩個項目列入國家能源科技重大示范工程，預期蒸汽參數(shù)29.4 MPa/605 ℃/623 ℃的660 MW高效超超臨界CFB發(fā)電項目很快將轉入工程建設階段。以陜西彬長項目為例，其作為國家科技重大專項“超超臨界CFB鍋爐技術研發(fā)與示范”的依托工程，其鍋爐設計熱效率為93.5%、廠用電率為4.72%，供電煤耗小于290 g/(kW·h)，SO2、NO和粉塵的排放質量濃度分別小于35、50、5 mg/m3，建成后將成為世界上排放和能耗水平最低、容量和效率最高的CFB鍋爐。

4.2 標準體系

目前，我國在CFB鍋爐技術領域已經制訂了20余項標準，根據(jù)編制規(guī)劃，未來還將有20項左右的CFB鍋爐技術標準（含國家標準、行業(yè)標準和團體標準）頒布實施，這些將為電力建設、生產運行、設計優(yōu)化、檢修維護、節(jié)能減排等工作提供更為全面的標準支撐。我國現(xiàn)行CFB鍋爐技術標準見表3。

4.3 國際應用

我國在CFB鍋爐領域的技術研發(fā)、工程設計、設備制造、運行維護水平不斷提高，不僅積累了豐富的實踐經驗，還培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀工程技術人員。我國不僅是CFB鍋爐最大的商業(yè)市場，也成為了CFB鍋爐技術的主要出口國。我國動力裝備制造企業(yè)先后為境外21個國家和地區(qū)制造供貨大容量CFB鍋爐83臺，總容量達到11.9 GW，其中相當數(shù)量的CFB鍋爐出口至“一帶一路”沿線國家（如越南、印度尼西亞、菲律賓、印度、土耳其等）。對于這些國家而言，CFB鍋爐燃料適應性好、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢突出，中國取得的發(fā)展和應用經驗可供其借鑒。

4.4 運行靈活性和燃料適應性

CFB鍋爐爐膛內大量熾熱的床料有利于煤的穩(wěn)定燃燒，因此其煤種適應性以及低負荷運行能力較強，部分CFB鍋爐甚至可以在25%負荷穩(wěn)定運行，非常適合作為深度調峰機組。為提高可再生能源的消納利用量，我國正在發(fā)掘燃煤機組的深度調峰能力，到2020年，將有220 GW煤電機組獲得靈活性提升，預計CFB鍋爐將在這一過程中發(fā)揮積極作用。

表3 現(xiàn)行CFB鍋爐技術標準

Tab.3 The current standards of CFB boiler in China

我國煤炭資源的分布和差異隨地域不同變化極大，很多電廠需要使用偏離設計煤種的燃料，以煤粉鍋爐濕法脫硫效率95%計算，為滿足SO2排放質量濃度小于35 mg/m3的要求，入爐煤的含硫量不宜大于0.45%。CFB鍋爐爐內添加石灰石的計算脫硫效率一般可達80%~90%[39]，配合爐外脫硫，其在燃料選擇方面更為靈活。此外，隨著原煤洗選比例的提高，每年預計將有6億~8億t的劣質燃料需要利用，我國也正在依托現(xiàn)役燃煤電廠示范燃煤與農林廢棄殘余物耦合發(fā)電項目、燃煤與污泥耦合發(fā)電項目，這些都為CFB鍋爐提供了大量可以預期的應用場景。

5 結 語

CFB鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術手段，近些年在我國得到了快速發(fā)展和廣泛應用，可靠性、經濟性和環(huán)保性顯著提高，對優(yōu)化我國電力結構、提高煤炭資源利用效率以及降低污染物排放做出了重要貢獻。

盡管煤炭在我國一次能源中的比例已經降至60%以下，但以煤為主的能源格局還要維持相當長的時間，研發(fā)應用具有更高參數(shù)、更低排放、更佳經濟性的CFB鍋爐是發(fā)展的大勢所趨。我國在CFB鍋爐設計制造、安裝使用、維護管理方面積累了豐富經驗，可以為CFB鍋爐技術可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極作用。

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Application and development status of large-scale CFB boilers

HUANG Zhong1, YANG Juan2, CHE Defu1

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Scientific and Technical Service Center, China Electricity Council, Beijing 100038, China)

Circulating fluidized bed (CFB) boiler is the main technical mean for clean and efficient utilization of low calorific value fuel and hard-to-burn coal, and is also an important part of thermal power generation in China. By the end of 2018, a total number of 440 large-scale CFB boilers with capacity of above 100 MW (410 t/h) had been put into operation in China, and the total installed capacity had exceeded 82.3 GW. The unit capacity, installed scale and technological advancement of CFB boilers have reached the world's leading level. This paper introduces the development history and application status of CFB boilers in China, and analyzes the application fields, main models, unit distribution, major technical and economic indicators in recent years. Moreover, from the perspective of capacity parameter, technology standard system, international application, operational flexibility, fuel adaptability and so on, the development of CFB boiler technology in China is forecasted.

CFB boiler, installed capacity, main unit type, fuel adaptability, coal consumption rate of power supply, auxiliary power consumption rate, pollutant emission

Beijing Science and Technology New Star Program (XX2018033)

黃中(1983—)，男，博士研究生，正高級工程師，主要研究方向為熱力系統(tǒng)綜合優(yōu)化及CFB鍋爐技術，13636706755@163.com。

TK229.6

A

10.19666/j.rlfd.201903025

黃中, 楊娟, 車得福. 大容量循環(huán)流化床鍋爐技術發(fā)展應用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 1-8. HUANG Zhong, YANG Juan, CHE Defu. Application and development status of large-scale CFB boilers[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 1-8.

2019-03-15

北京市科技新星計劃項目(XX20180033)

車得福(1962—)，男，工學博士，教授，博士生導師，主要從事熱能動力工程科研及教學工作，dfche@mail.xjtu.edu.cn。

（責任編輯 馬昕紅）