循环流化床锅炉的发展及其应用前景

72中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南循环流化床锅炉的发展及其应用前景蒋敏华，肖平（西安热工研究院，陕西西安710032）DEVELOPMENTOFCFBBOILERINCHINAANDITSPROSPECTJIANGMinhua，XIAOPing（ThermalPowerResearchInstitute,80XingqingRd,Xian,710032China）ABSTRACT:WiththeincreasingapplicationofCFBboilerinChinaandthecontinuousenlargementofunitcapacity,someissueshavebeenexposedandneedtobesolved.Thispaperpresentsthemajorissuesnowfacedandsomeproposalstodealwiththem.ThefutureapplicationofCFBboilerisalsodiscussed.KEYWORDS:Circulatingfluidizedbed(CFB)；Scaleup；Prospect摘要：循环流化床（CFB）锅炉在中国的应用日益广泛，单台容量不断增大，发展过程中亦暴露出一些亟待解决的问题。本文对目前CFB锅炉发展过程中面临的主要问题进行了总结，提出了解决CFB锅炉存在问题的途径，并分析了CFB锅炉的应用前景。关键词：循环流化床（CFB）锅炉；大型化；应用前景1CFB锅炉的发展趋势图1西安热工研究院开发的100MWCFB锅炉(分宜电厂)作为较为成熟的清洁煤发电技术之一，循环流化床（CFB）锅炉在中国的应用日益广泛，单台容量不断增大。以江西分宜电厂100MWCFB锅炉为标志，中国具备了自主设计制造100MW容量等级CFB锅炉的能力。该炉由西安热工研究院和哈尔滨锅炉厂联合开发，于2003年6月投入商业运行，图为该锅炉的外景。运行实绩表明，该炉的运行性能不低于引进或采用引进技术生产的同容量CFB锅炉。近年还投运了一批采用引进技术生产的100～150MW的CFB锅炉，运行状况参差不齐。为加速CFB锅炉在我国的应用，我国主要的生产厂家正在引进200～350MWCFB锅炉设计制造技术。同时，我国正由电力公司和科研机构牵头自主开发200～300MWCFB锅炉，并进行研制600MW超临界CFB锅炉的可行性研究。中国CFB锅炉正在加速走向大型化，参见图。已已经经成成5500MM国国产产已已经经110000MM数数十十台台订订货货，，引引进进技技术术生生产112255MM产220000MM当当前前的的发发展展未未来来的的目目标标330000MM660000MMWW超超图2我国CFB锅炉发展之路中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集732CFB锅炉发展中需要解决的问题虽然CFB锅炉在中国的发展和应用较快，但在发展过程中亦暴露出一些亟待解决的问题。这些问题的解决得好，将有力地推动CFB锅炉的进一步发展，反之则将阻碍其发展。2.1CFB锅炉运行中暴露的问题目前，我国投运的100MW及以上容量的CFB锅炉，在运行中暴露出一些共性的问题，主要包括：(1)飞灰含碳量高如果CFB锅炉燃烧系统设置合理，运行调整良好，其底渣含碳量通常很低（2%），而飞灰可燃物含量则较难控制，尤其是对于难燃煤种。即使是对于易燃煤种，在低负荷运行时，由于床温降低（有时甚至在700~750℃运行），飞灰可燃物含量也会很高。目前，国内在运的50MW及以上容量的CFB锅炉，绝大部分飞灰含碳量在10%以上，对于有些燃用劣质燃料或采用非常规分离方式（非圆形旋风分离器）的CFB锅炉，飞灰含碳量高甚至高达20%～40%。物料循环分离系统设计不合理是一种原因，但设计运行中床温普遍偏低是另一重要因素，试验研究表明，炉膛温度每升高10℃，飞灰可燃物含量可降低~0.7%，锅炉燃烧效率可提高~0.5%。(2)局部磨损严重应当说，磨损问题是CFB锅炉甚至第一代流化床——鼓泡床发展过程中面临的首要问题。在我国，经过多年小容量CFB锅炉的大量实践（有数百台之多投运），大面积的磨损问题已经基本得到解决。而在发展大容量CFB锅炉的过程中，相当部分投运的CFB锅炉再次出现局部磨损，更主要的原因在于，小容量CFB锅炉上获得的经验在大容量CFB锅炉的设计中没有得到很好的利用。这一方面是由于对经验的系统总结不够，另一方面是中小锅炉厂在小容量CFB锅炉上获得了经验，而发展大容量CFB锅炉是大的锅炉制造厂，是CFB锅炉设计制造的新加入者，没有多少经验，走点弯路是必然的。(3)达不到出力或汽温汽压参数目前投运的相当部分100MW级CFB锅炉存在达不到出力或汽温汽压参数偏低的问题。部分是由于设计不当造成的（主要是受热面布置不合理），还有一部分是由于冷渣器或其它辅机存在问题所致。4.排渣控制不畅及冷渣器冷却能力不足排渣控制不畅及冷渣器冷却能力不足是目前投运的100MW级CFB锅炉普遍存在的问题，相当部分直接影响到锅炉的正常运行。这些利用引进技术生产的CFB锅炉，一般都采用了风水联合冷却的流化床式冷渣器。但由于国内CFB锅炉燃用的煤种普遍灰份含量高，且该型冷渣器设计中存在问题，因此难以实现根据运行需要很好连续控制排出渣量的要求。由西安热工研究院和哈尔滨锅炉厂开发投运的江西分宜电厂100MWCFB锅炉配套了由西安热工研究院研制的专利技术流化床式冷渣器，经过完善，目前已经能很好满足锅炉运行的要求，在国内大型CFB锅炉中，采用流化床式冷渣器首次取得了满意的运行效果。2.2厂用电率过高目前，国内投运的100MW级CFB锅炉，厂用电率普遍在8%以上，相较煤粉炉，厂用电率仍然高出不少。由于CFB锅炉布风板、分离器结构以及炉内料层的存在，烟风阻力较煤粉炉高，通风电耗也相应较高。但CFB锅炉没有煤粉磨制系统，燃料制备系统电耗相对较低，两相冲抵，CFB锅炉厂用电率当不致高出煤粉炉的水平很多。目前，布风板阻力设计过高，是造成厂用电率偏高的直接原因。从理论上讲，布风板阻力大于总阻力的30%，床内流动和燃烧的稳定是可以保证的，国内中小型CFB锅炉的实践也证明了这一点。而目前从国外引进的大多数CFB锅炉，为了确保CFB锅炉流化及燃烧的稳定性，布风板阻力设计较高，如内江100MWCFB锅炉之布风板阻力~8000Pa。因此，应通过对合理布风板阻力的研究，降低通风电耗，从而降低CFB锅炉的厂用电率。2.3N2O的排放CFB锅炉低温燃烧带来N2O的排放的升高，是人们普遍关心的问题，对CFB锅炉今后能否大发展有着重要影响。西安热工研究院在1MWth大型CFB试验台和实际CFB锅炉上对NOx和N2O的排放进行了试验研究。试验表明，NOx和N2O的排放随温度的变化呈相反的趋势，而从NOx+N2O总的排放情况来看，表现为随温度的升高逐渐下降的趋势，当炉膛温度850℃时，N2O排放150ppm（6%O2）。而通过对一台100MWCFB锅炉的试验测试表明，当炉膛温度850℃时，N2O排放70ppm（6%O2），当控制床温～900℃时，N2O排放仅有～74中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南30ppm（6%O2），影响已经相当小。如错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。所示。图31MWth大型CFB试验台试烧NOx和N2O的排放情况图4实际CFB锅炉的NOx和N2O排放情况因此，随着CFB锅炉的大型化的发展，将可通过选择合适的床温，控制N2O的排放到很低的水平。2.4大型化带来的问题大型化是CFB锅炉发展的必然趋势。大型化过程中，会带来很多相应需要研究的问题。例如，锅炉容量增大后的炉型和炉膛结构形式问题，炉膛尺寸的增大后给煤在炉膛内的横向扩散、二次风在炉内的穿透以及保证炉膛中心的O2浓度问题。旋风分离器放大过程中也有一定的风险。外置热交换器是CFB锅炉的一个关键部件，随着锅炉容量的增大和参数的提高，炉内需要布置更大比例的过热、再热受热面，而同时炉膛比表面积相对减小。因此，对于200MW以下容量等级CFB锅炉，可以选择不采用外置热交换器结构而在炉内布置屏式受热面（Pyroflow型）或采用外置热交换器（Lurgi型EHE及FW型INTREX）设计结构。西安热工研究院的研究表明，对于200MW~300MW级CFB锅炉，如果不带外置热交换器，炉内受热面布置将比较困难，即使勉强布置也将对今后运行的可靠性埋下隐患；而对于更大容量（如600MW级超临界）CFB锅炉，则必须采用外置热交换器。采用外置换热器，锅炉的受热面布置更加合理方便，增加了床温和汽温的调节手段，可以达到更高的运行性能。因此，在200MW及以上级CFB锅炉中，采用外置热交换器是总的发展趋势。我国已经投入实用的CFB锅炉技术，都是不带外置热交换器的技术。因此，外置热交换器的研制，是我国CFB锅炉大型化发展中的关键。目前，西安热工研究院与哈尔滨锅炉厂正在合作进行200MWCFB锅炉的研制。该炉型结构中，拟采用西安热工研究院的专利技术——紧凑式分流回灰换热器。该外置热交换器采用气动控制而非国外常规机械控制原理进行循环物料的分流和控制，结构将更加紧凑，运行检修方便，故障率将降低，并可有效降低外置热交换器的成本。2.5脱硫达不到排放要求CFB锅炉通过炉内加入石灰石脱硫，是其很大的一个优势。但应当明确的是，较之尾部烟气洗涤脱硫（FGD），CFB锅炉的脱硫效率仍然偏低，Ca/S摩尔比较高。因此，并非所有的燃料，都适于采用CFB锅炉进行脱硫燃烧。这可能是造成目前部分运行CFB锅炉脱硫达不到排放要求的原因之一。此外，实际运行床温偏离脱硫最佳区域温度、石灰石系统配置和运行状况不佳也是导致脱硫达不到排放要求的另一些原因。3解决CFB锅炉存在问题的途径针对CFB锅炉存在问题，需要从下述方面进行深入研究加以解决。3.1CFB锅炉及其辅助系统本身的完善化首先，必须认识到，国内大批投运的100MW级CFB锅炉运行中存在的问题，并非CFB锅炉固有的问题或不可克服的问题，更多是由于设计和运行的不合理所致。通过对CFB锅炉及其辅助系统的完善化，并努力提高锅炉运行水平，绝大多数问题是可以解决的。解决这些问题，对于CFB锅炉继续向大型化迈进是必要的，不应当成为其发展的障碍。对某些运行不佳的锅炉，需要进行改造甚至大的改造，包括对于引进国外技术生产的CFB锅炉。3.2研究CFB锅炉床体稳定性及燃烧特性通风电耗偏高是CFB锅炉的厂用电率高的原因。要降低通风电耗，需要降低烟风系统主要是布风板的设计阻力，这需要研究阻力降低对布风的均匀性、床体稳定性和燃烧特性产生的影响。3.3研究CFB锅炉的灰循环及排灰系统大型CFB锅炉今后求得较好发展，燃用高灰份中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集75劣质燃料是其一个重要发展方向。灰循环对于大型CFB锅炉的运行性能有决定性的作用，直接影响到锅炉的燃烧、传热、脱硫等多方面的基本性能。在燃用高灰份煤种时，锅炉循环灰量增加，以往的CFB锅炉均没有设置循环灰排放系统，只能通过增加底渣的排放来满足锅炉灰循环的要求，这将影响到炉内物料的级配构成及床体稳定性，从而对锅炉燃烧、脱硫和传热均造成不利影响。需要研究采用循环灰排放控制系统的原则和方法，研究所排放的循环灰在现代大型CFB机组的处置和利用方式（如用于锅炉启动床料等）和具体实施方案。3.4研究大型CFB锅炉的给煤、供风系统及炉膛内煤、氧的扩散模式CFB锅炉大型化后，由于炉膛截面扩大，特别是对于采用集中前墙给煤的方式，给煤能否满足锅炉燃烧脱硫的需要，以及会对锅炉燃烧、脱硫造成多大程度的影响等，都应当进行深入研究，为锅炉给煤点的布置、炉膛下部以致锅炉整体结构的布置等提供依据。炉膛截面扩大，对氧的扩散与分布也会有相当大的影响。因此，需要对锅炉供风方式及氧扩散模型进行研究，尤其是一、二