超临界循环流化床锅炉技术特点与发展前景分析

孔 宇，文 端，张小勇

(华东电力设计院发电工程管理部，上海 200063)

循环流化床锅炉具有燃料适应性广、负荷调节比大、污染物排放量低、运行稳定等技术优点，是目前国际公认的商业化程度最好的洁净煤发电技术.目前，循环流化床燃烧(Circulating Fluidized Bed，CFB)锅炉技术正在向大容量和超临界方向发展，世界上第一台460 MW超临界CFB锅炉已经在波兰Lagisza电厂投入商业运行，我国第一台600 MW超临界CFB锅炉也已经在四川白马电厂开始建造.

超临界CFB锅炉综合了超临界蒸汽循环高效率和CFB清洁燃烧的优点，具有良好的应用前景，是下一代CFB技术的发展方向.

本文对国内、外超临界CFB锅炉的研发现状和技术特点进行了介绍，并对超临界CFB锅炉的发展前景进行了分析.

1 超临界CFB锅炉的特点

由于超临界和CFB均为成熟技术，将二者相结合其技术风险并不大.与煤粉炉相比，在CFB锅炉上采用超临界技术还有如下优势[1].

(1)炉膛内温度较低 由于CFB锅炉炉膛内的温度约850℃，比常规煤粉炉的炉膛温度低得多，从而降低了对水冷壁冷却能力的要求.另外，由于CFB锅炉炉膛内的温度水平低于一般煤的灰熔点，水冷壁上基本不会积灰结渣，从而保证了水冷壁的吸热能力.因此，超临界CFB锅炉在锅炉防结焦、金属壁温控制，以及金属材料的选择上具备一定优势.

(2)水动力更稳定 CFB锅炉炉膛内的固体浓度和传热系数在炉膛底部最大，且随着炉膛高度的增加而逐渐减小，其热流最大值出现在炉膛底部附近.而工质温度恰恰相反，温度最低的工质恰好在热流最高处.这种特性使水冷壁不会超温，因此在CFB锅炉中发生传热恶化的概率比煤粉炉小得多.对比超临界煤粉锅炉，CFB锅炉炉膛热流率的分布更有利于超临界CFB锅炉水冷壁水动力的稳定.

(3)吸热更均匀 峰值热流率区是发生管道过热的最不安全的区域.煤粉炉沿炉膛高度的热流率分布非常不均匀，在炉膛中部燃烧器区域的热流率大大高于炉膛上部和下部的热流率.对比超临界煤粉锅炉.由于CFB锅炉炉内有大量循环物料存在，炉膛内的温度沿炉膛高度方向更均匀，因此水冷壁沿炉膛高度方向的吸热也更均匀.CFB锅炉炉膛所具有的这些特性使其更适合与超临界循环相结合.

但是超临界CFB锅炉毕竟是一种全新技术，因此在锅炉设计上需要对如下问题加强研究.

(1)由于超临界流化床锅炉没有汽包，并且管子直径相对较小，当厂用电失电时锅炉蓄水量不足容易导致水冷壁过热.在进行锅炉设计时需给予充分考虑.

(2)超临界流化床锅炉的炉膛高度接近50 m，其受热面布置有别于亚临界CFB锅炉及超临界煤粉锅炉，因此上部受热面的传热及气固两相流流场也是研究的重点之一.

(3)相比于超临界煤粉锅炉，CFB锅炉给煤口的给煤量具有随机性，因此在超临界CFB锅炉的设计中必须考虑其对炉内热负荷分布的影响.

2 国外超临界CFB锅炉的发展现状和技术特点

2.1 FOSTER Wheeler公司的超临界CFB锅炉

FOSTER Wheeler公司超临界CFB锅炉的研发走在了世界的前列.1999年提出了超临界CFB锅炉的设计方案，2001年公布了超临界CFB锅炉的可行性研究报告，2002年 12月与波兰Poludniowy Koncern Energetyczny(PKE)电力公司签订了在波兰Lagisza电厂建造1台460 MW超临界CFB锅炉的合同.460 MW超临界CFB锅炉见图1，2009年6月该机组投入商业运行.

图1 波兰Lagisza电厂460 MW超临界CFB锅炉

Lagisza电厂460 MW超临界CFB锅炉采用单炉膛结构，8个方形水冷紧凑型分离器布置在炉膛两侧，分离器下接8个整体式流化床热交换器(INTREX)，其分离器和INTREX均由膜式壁构成，与炉膛构成紧凑式布置.

水冷壁采用西门子专利的本生型垂直管圈技术，炉膛底部水冷壁为光管，以降低流动阻力，中间和上部水冷壁采用内螺纹管，以防止低负荷时产生传热恶化.蒸汽系统包括4级过热器、2级再热器，其中:1级和2级过热器分别位于炉膛顶棚和炉膛上部，3级过热器为分离器膜式壁，4级过热器位于INTREX中;1级再热器位于尾部竖井中，末级再热器位于INTREX中.主蒸汽温度通过两级喷水和控制煤水比进行调节，再热蒸汽温度通过蒸汽旁路和进入INTREX灰流量的比例进行调节[2].另外，该机组还设有烟气余热回收系统，将排烟温度降低到85℃来提高机组效率.换热器位于引风机后的烟道上，以水为介质回收烟气热量用于加热空气.该机组设计参数见表1.

表1 Lagisza电厂460 MW超临界CFB主要设计参数

2.2 ALSTOM公司的超临界CFB锅炉

ALSTOM公司于2000年完成了600 MW超临界CFB锅炉的方案研究和设计工作，其主要设计特点是:锅炉采用单炉膛、双布风板的“裤衩腿”型式，炉膛截面积为306 m2，炉膛左右两侧各布置3个冷却式旋风分离器和外置式换热器，每组3个旋风分离器配置1个蒸汽冷却的出口烟道.

3 国内超临界CFB锅炉的发展现状和技术特点

我国超临界CFB锅炉的研究起步较早，清华大学1997年就开始了超临界CFB锅炉方案设计中关键问题的初步研究，这与国际上的研究几乎同步[3].丰富的CFB锅炉设计制造、安装调试和运行经验为我国开发大容量、超临界CFB锅炉奠定了基础.哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、上海锅炉厂、清华大学、西安热工研究院、浙江大学、中国科学院等制造厂家和科研机构都对大容量、超临界CFB锅炉基础问题进行了深入的研究，取得了丰硕的成果.3大锅炉厂以国家863计划和四川白马示范电站项目为依托，均已完成了600 MW超临界CFB锅炉的方案设计并通过了专家评审.目前，四川白马示范电站项目正处于建设阶段，标志着我国CFB锅炉已经进入了超临界时代.

3.1 哈尔滨锅炉厂600 MW超临界CFB锅炉

哈尔滨锅炉厂600 MW 超临界CFB锅炉[4]采用单炉膛、双布风板的“裤衩腿”型式，蒸发受热面采用垂直管圈一次上升膜式水冷壁结构.采用双布风板结构可保证2次风的穿透性，有效降低锅炉灰渣含碳量，但对两个支腿的床压及风量控制要求较高.

采用水冷布风板，大直径钟罩式风帽，炉膛内布置有中隔墙水冷壁和低温屏式过热器.在炉膛上部左右两侧各布置有3个内径为9.3 m的高效绝热旋风分离器.在炉膛下部对称布置6个外置式换热器，靠近炉前的2个外置式换热器内布置高温再热器，用于调节再热蒸汽温度，中间的2个外置式换热器布置低温过热器，靠近炉后的2个外置式换热器布置中温过热器.布置过热器的外置式换热器主要用来调节床温.

尾部对流烟道中依次布置高温过热器、低温再热器和省煤器，最后进入回转式空气预热器.过热蒸汽温度由煤水比和3级喷水减温来进行调节，再热蒸汽温度由布置高温再热器的2台外置式换热器调节，同时还设有事故喷水.

3.2 东方锅炉厂600 MW超临界CFB锅炉

东方锅炉厂自主研发的600 MW超临界CFB锅炉[5]为单炉膛、H型布置、平衡通风、一次中间再热直流炉.采用外置式换热器调整床温及再热蒸汽温度，并利用高温汽冷旋风分离器进行气固分离.锅炉整体呈左右对称布置，其总体布置如图2所示.

图2 东方锅炉厂600 MW超临界CFB锅炉

锅炉由3部分组成，第1部分有主循环回路，包括炉膛、汽冷旋风分离器、回料器、外置式换热器、冷渣器，以及2次风系统等;第2部分有尾部烟道，包括低温再热器、低温过热器和省煤器;第3部分为单独布置的回转式空气预热器.

由于炉膛内灰的浓度较高，为避免磨损，水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，下炉膛采用优化的内螺纹管，上炉膛采用光管.上下炉膛之间通过过渡集箱过渡，保证炉膛上下压力均衡，减小不平衡.炉膛底部采用“裤衩型”将下炉膛一分为二，炉膛中间为单面曝光中隔墙水冷壁，布风板下方是由水冷壁弯制成的水冷等压风室.燃料从布置在6个回料器上的给煤口送入炉膛.每台锅炉设置4个床下点火风道，每个床下点火风道配有2个油燃烧器.炉膛下部还设有床上助燃油枪，用于锅炉启动点火和低负荷稳燃.另外，有8台滚筒冷渣器分两组布置在炉膛两侧，6台汽冷旋风分离器布置在炉膛两侧的钢架副跨内.

3.3 上海锅炉厂600 MW超临界CFB锅炉

上海锅炉厂600 MW 超临界CFB锅炉[6]为单炉膛单床、露天布置、全钢架悬吊结构.锅炉炉顶采用全封闭结构，整个水冷壁沿炉膛高度方向分为上、中、下3段，水冷壁采用外径为32 m的光管及内螺纹管.炉膛上部布置32片扩展蒸发受热面.采用内嵌逆流柱型风帽和水冷布风板等压风室.在主循环回路上，6个直径9.2 m的蜗壳式高温绝热旋风分离器被分为两组，分布在炉膛两侧.每个分离器下对应一个外置式换热器，其中2台布置低温过热器，2台布置中温过热器，2台布置高温再热器.采用非机械式的U型自平衡返料器，料位具有自平衡能力，同时又防止烟气反串.炉后布置一台4分仓回转式空气预热器.后烟井内依次布置有高温过热器、低温再热器和2级省煤器，2级省煤器下布置有4组由护板包围的1级省煤器.

4 超临界CFB锅炉的发展前景

超临界CFB锅炉技术综合了超临界蒸汽循环高效率和CFB清洁燃烧的优点，具有良好的发展前景.

(1)超临界CFB锅炉在参数和容量上与煤粉炉更接近 煤粉炉作为目前发展最为成熟的炉型，已经发展到超超临界参数，单机容量也达到了1 000 MW，发电效率达到了45%以上，由于具有高参数、大容量和高效率的技术优势，是目前燃煤电站锅炉的首选炉型.与其相比，CFB锅炉在参数和单机容量上仍有一些差距，例如300 MW级亚临界CFB机组的发电效率仅41%，效率相对较低，影响了CFB锅炉的应用.但随着超临界CFB锅炉技术的出现，机组发电效率提高到了43%以上，单机容量也达到了600 MW等级，缩小了与煤粉炉的差距，目前800 MW级超超临界CFB锅炉技术也在研发中.因此，在不久的将来，CFB锅炉在参数和容量上有望与煤粉炉达到同一水平，这也将有助于提高CFB锅炉的市场占有率.

(2)超临界CFB锅炉在污染物排放控制上优于煤粉炉 煤粉炉主要通过设置尾部烟气脱硫设施来控制SO2排放.随着国家环保标准的提高，煤粉炉的煤种适用范围也受到了更多的限制，根据最新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，SO2的排放限值为100 mg/Nm3，重点地区更是达到了50 mg/Nm3.目前，石灰石-石膏湿法脱硫的设计效率为95%，按此估算入炉煤的含硫量限值分别约为0.9%和0.45%.而CFB锅炉可以通过炉内喷石灰石脱硫+尾部烟气脱硫实现两级脱硫，炉内脱硫效率一般可达80% ～90%，尾部烟气脱硫如果采用石灰石-石膏湿法脱硫，效率也可达到95%，两级脱硫的综合脱硫效率达到99%以上.但随着我国煤炭需求量的逐年增加和煤炭储量的减少，电煤市场呈现出越来越紧张的局势，高硫煤所占的比例也将越来越大，这也有助于提高CFB锅炉的市场占有率.

(3)超临界CFB锅炉在煤种适用范围上优于煤粉炉 燃料适应性广是CFB锅炉的一大优势，这是由CFB锅炉的燃烧方式决定的，CFB锅炉除了能够燃烧适用于煤粉炉的烟煤、无烟煤、褐煤等煤种外，还能够燃用煤粉炉无法燃用的高硫、高灰、低热值的煤矸石等劣质煤，也可以掺烧生物质燃料等，因此具有广阔的发展空间.

5 结语

综上所述，中国作为世界上最大的发展中国家，其能源消耗居世界第二位，且一次能源消耗以煤为主，其中50% ～60%的煤用来发电，成为污染物排放的主要来源.发展洁净煤发电技术，提高燃煤电厂的发电效率，从而降低污染物排放，是我国重要的能源战略.因此，超临界CFB锅炉技术作为高效的洁净煤发电技术，综合了超临界和CFB两者的优点，必将具有良好的发展前景.

[1]吕俊复.超临界CFB锅炉水冷壁热负荷及水动力研究[M].北京:清华大学出版社，2004:35-40.

[2]毛健雄.超(超)临界循环流化床直流锅炉技术的发展[J].电力建设，2010(1):1-6.

[3]高新宇，李振宇.600 MW超临界循环流化床锅炉国产化可行性分析[J].锅炉制造，2007(2):28-30.

[4]张缦，别如山，王凤君，等.超临界循环流化床锅炉技术特点比较[J].热能动力工程，2009(3):271-276.

[5]聂立，王鹏，彭雷，等.600 MW超临界循环流化床锅炉的设计[J].动力工程，2008(5):701-706.

[6]吕清刚，宋国良，高子瑜，等.自主研发600 MW超临界循环流化床锅炉技术[R].北京:中国科学院工程热物理研究所，2007:39.