循环流化床锅炉的发展与展望孙志宽

1、循环流化床锅炉的发展与展望国网能源开发有限公司 胡昌华 孙志宽 张文清一循环流化床锅炉的发展与现状循环流化床（CFB）锅炉是近三十年发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术。在短短的三十年间，流化床技术得到了飞速发展，由最初的鼓泡流化床发展到了循环流化床，其应用也由小型锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型电站锅炉。1.国外循环流化床的发展新一代的循环流化床真正得到应用始于七十年代末八十年代初。1979年，芬兰奥斯龙（Ahlsltrom）公司开发的世界首台20t/h商用循环流化床锅炉投入运行。1982年，德国鲁奇（Lurgi）公司开发的世界上首台用于产汽与供热的循环流化床（84MWth）建成投运,循环流

2、化床技术开始迅速发展，随着法国Stein公司制造，安装在法国Gardanne电厂的250MW循环流化床锅炉，安装在波兰Turow电厂的235MW循环流化床锅炉以及安装在韩国Tonghan电厂的220MW 循环流化床锅炉的相继投运，波兰Lagisza的460MW超临界参数CFB锅炉正在安装，预计2009年投产。该台超临界锅炉机组在效率和煤的经济利用方面属世界领先水平，排放方面完全满足欧盟大型燃煤电厂排放指导性标准的要求。锅炉燃用热值为，硫的质量分数为和灰分为的烟煤，其煤耗可比常规汽包锅炉低，机组效率将达到。循环流化床技术已经向高参数，大容量迈出了步伐。2.我国循环流化床的发展我国对流化床的研究是

3、开展得比较早的，自1964年以来，在鼓泡床燃用劣质燃料方面有相当的发展。在循环流化床锅炉的研究方面，虽然起步较晚，但发展非常迅速。与国内各科研院所配合，如中科院工程热物理所、清华大学、浙江大学、华中理工大学、西安交通大学和西安热工研究院等，各锅炉制造厂先后开发出20t/h、35t/h、65t/h、75t/h、130t/h及220t/h等中、小型循环流化床锅炉，通过多年的发展，我国在中、小型循环流化床技术方面已经相当成熟，但在大型化循环流化床锅炉研究方面，与先进国家还有相当的差距。为此，国家于1996年引进原芬兰奥斯龙公司410t/h常压循环流化床锅炉在四川内江高坝电厂建成全国第一个100MW等

4、级的循环流化床锅炉示范电站。在引进消化吸收410t/h循环流化床锅炉技术的基础上，我国实现了循环流化床技术向大型化的突破，相继开发出具有自主知识产权的100MW、135MW、150MW及200MW等级的循环流化床锅炉，并在全国范围内大量投运。2003年，根据中国洁净煤技术“九五计划”和2010年发展纲要，采用技贸结合引进大型循环流化床锅炉技术的依托工程，引进法国ALSTOM公司一台1025t/h的常压循环流化床锅炉及相应的关键设备，配套一台国产300MW汽轮发电机组在四川白马建设的一个全国大型循环流化床示范电站。在引进消化吸收白马300MW循环流化床锅炉技术的基础上，三大锅炉厂（东锅、上锅和哈

5、锅）设计制造的国产化300MW循环流化床锅炉机组目前已经投运12台（云南开远、小龙潭、巡检司各2台；秦皇岛2台，内蒙古蒙西电厂2台；广东宝丽华2台），正在制造、安装的已有近70台。我国再次实现了循环流化床技术从100MW等级到300MW等级的成功跨跃。因此加快对引进技术的消化吸收，走大型化CFB国产化之路，减少对国外技术的的依赖，是我国流化床技术发展的方向。目前，我国已经在300MW循环流化床技术的基础上，开始了600MW循环流化床锅炉的自主研发，成立了600MW循环流化床研发专家组，白马600MW循环流化床锅炉示范工程已经取得国家发改委批复，正开展前期工作和初步设计，计划2010年投产。3.

6、世界上流行的CFB锅炉的主要型式世界上流行的CFB锅炉的最主要型式有四种，其特点分别如下：= 1 * GB3、鲁奇（Lurgi）型CFB锅炉其特点是带有外置热交换器、高温旋风分离器、高循环倍率，炉膛内部不布置除水冷壁以外的辐射式受热面（如屏式过热器），而在外置式换热器EHE中大量布置了过热器和再热器受热面。= 2 * GB3、奥斯龙（Ahlsltrom）型CFB锅炉其特点是不带有外置式热交换器、高温旋风分离器、高循环倍率、炉膛内部布置少量除水冷壁外的辐射式受热面（如屏式过热器）。= 3 * GB3、德国巴伯考型CFB锅炉其特点是不带有外置式热交换器、中温旋风分离器、较低的循环倍率、炉膛顶部布置

7、大量除水冷壁以外的辐射式受热面（如屏式过热器、再热器、省煤器）。= 4 * GB3、美国福斯特惠勒FW公司的CFB锅炉其主要技术特点采用蒸汽冷却式旋风分离器，大型的CFB锅炉还布置有外置式热交换器。它的外置式热交换器称着INTREX EHE，其特点是同时利用了很大一部分内循环灰和外置分离器料腿分离下来的外循环灰两部分作为调温手段，形成标志性特点。总的来说，CFB锅炉的发展较常规锅炉的发展慢，目前世界上已投运的CFB锅炉机组最大容量为300MW等级亚临界机组，最大容量的订货业绩是FW公司已中标制造的波兰Lagisza的460MW超临界参数CFB锅炉，这是世界上第一台也是目前世界最大的超临界CFB

8、锅炉。4.循环流化床技术的脱硫原理循环流化床锅炉炉内石灰石干法脱硫，即是将喷入炉膛的CaCO3高温煅烧分解成CaO，与烟气中的SO2发生反应，生成硫酸钙，从而达到脱硫的目的。石灰石脱硫过程主要分以下三个步骤来完成：（1）石灰石的煅烧分解CaCO3 = CaO + CO2 - 178 kj/mol（2）硫的析出和氧化S + O2 = SO2SO2 + 1/2 O2 = SO3燃料煤中的硫可以分为有机硫、黄铁矿硫两大部分，也含有少量硫酸盐硫。有关实验表明，煤在被加热并被燃烧的过程中，SO2的析出呈现出明显的阶段性。对SO2析出影响最大的因数是床温和过剩空气系数。实验表明：SO2析出率随着床温的升高

9、而单调增加：过剩空气系数越大，区域氧浓度越高，SO2析出也越多。因此，单从提高SO2的析出率而言，燃烧温度越高，过剩空气系数越大，则脱硫效率就越高。（3）硫酸盐的生成CaO + SO2 + 1/2 O2 = CaSO4+ 500 kj/mol实验研究表明：燃烧温若小于800时，脱硫反应的速率很低，从而引起床料中石灰石捕获SO2的效果降低，难以达到有效脱硫；相反，当燃烧温度过高(920)时，虽然反应速率很高，但脱硫效率反而会下降，原因是：温度过高，会引起石灰石颗粒的表面孔隙过早堵塞，而内孔物质未得到充分利用；同时，温度过高时，颗粒表面会产生局部低氧和还原气氛，使已经生成的CaSO4，重新分解为C

10、aO并释放出SO2，从而降低脱硫剂的利用率。因此就脱硫效果而言，存在一最佳脱硫温度。尽管这一最佳温度还受到脱硫剂品种、粒径、煅烧条件等诸多条件的限制，但目前比较公认的最佳反应温度为850900之间。二循环流化床锅炉的特点国际上普遍认可的洁净煤发电技术主要包括增压循环流化床（PFBC）、整体煤气化联合循环（IGCC）、常压循环流化床（CFB）技术。其中，常压循环流化床发电技术是国际上公认的商业化程度最好的成熟技术，这种技术是八十年代发展起来的一种新型洁净煤燃烧技术，它为处理高硫煤和劣质煤及满足严格的大气排放标准带来了美好的前景。循环流化床洁净煤燃烧技术具以下优点：1）.燃料适应性广由于循环流化床

11、锅炉采用的是循环燃烧技术，在炉膛、旋风分离器、虹吸密封回路进行循环的床料（辅助床料沙、脱硫用的石灰石、燃煤及燃烧后的煤灰等）的热容量是相当大的，而新加入的燃料按重量比仅占整个循环床料的5%7%，加入后随着循环的进行会迅速被加热到着火温度而燃烧并释放热量，同时在循环过程中由于颗粒之间的相互碰撞，燃料颗粒会破碎成细小的颗粒，这样更利于燃料的燃尽。所以循环流化床锅炉几乎可以燃用一切种类的燃料并达到很高的燃烧效率。其中包括高灰分、高水分、低热值的劣质燃料，如泥煤、褐煤、油页岩、炉渣、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、煤矿的煤矸石等以及难于点燃和燃尽的低挥发分燃料，如贫煤、无烟煤、石油焦和焦岩等。因煤质变化对锅

12、炉燃烧及带负荷影响较小，有利于电网的安全稳定运行，对劣质煤资源的利用具有深远的意义。2）.负荷调节性能好，负荷调节幅度大循环流化床锅炉在运行中负荷的调节范围可从100%30%，在30%的负荷时不需要投油助燃，燃烧十分稳定。该优点十分利于电网的调峰，对水电资源十分丰富的电网有着重要意义。3）.环保指标优越循环流化床锅炉正常运行时床温控制在850950，同时根据燃煤特性以一定的Ca/S向炉内加入石灰石粉作为脱硫剂，在燃烧的过程中脱去燃烧生成的SO2，而石灰石粉在850950范围内脱硫效率最高，所以循环流化床锅炉采用850950燃烧温度可以达到较高的脱硫效率。同时循环流化床在850950燃烧温度下能

13、有效地抑制热反应型NOx的生成，再加上采用了分级燃烧方式送入二次风，又有效地控制了燃料型NOx的生成。循环流化床洁净煤燃烧技术的污染控制成本是很有竞争力的，是已经为世界各国公认的较为成熟而最有前途的洁净煤燃烧技术。三四川白马300MW循环流化床示范工程概况四川白马1300MW循环流化床示范工程是根据中国洁净煤技术“九五计划”和2010年发展纲要，采用技贸结合引进大型循环流化床（简称CFB）锅炉技术的依托工程，引进一台1025t/h的常压循环流化床锅炉及相应的关键设备，配套一台国产300MW汽轮发电机组在四川白马建设的一个全国大型循环流化床示范电站。1025t/h常压循环流化床锅炉由法国ALST

14、OM公司设计供货，300MW汽轮发电机组分别由东方汽轮机厂和东方电机厂供货。引进制造技术的接收方为三大锅炉厂，系统设计接收方为中国电力工程咨询公司（电规总院）和六大设计院。工程于2003年5月15日正式开工，2005年12月30日首次并网，2006年4月17日完成168小时满负荷试运后正式投入商业运行。机组经过2006年、2007年2次B级检修，以及2008年的A级检修，机组目前设备健康状况较好，运行稳定。四循环流化床锅炉的环保性能及运行情况1. 100MW等级循环流化床机组的环保特性根据全国电力行业CFB协作网2005年CFB机组竞赛数据统计，参赛电厂44家，参赛机组79台， 其中135MW

15、级机组38台，50MW级机组41台，135MW级机组SO2排放平均值为406.4272mg/m3,NOX排放平均值123.1917mg/m3,脱硫率平均为84.688（纯凝机组）和86.104（供热机组） 。根据全国电力行业CFB协作网2006年CFB机组竞赛数据统计，参赛电厂36家，参赛机组60台，其中135MW级机组42台，100MW级机组18台，SO2排放平均值为241.8mg/m3,NOX排放平均值102.09mg/m3,脱硫率平均为87.35（纯凝机组）和89.45（供热机组）。2.300MW等级循环流化床机组的环保特性= 1 * GB3白马300MW循环流化床机组的环保特性根据白马

16、300MW循环流化床锅炉的实际运行情况，设计煤种灰份35.27，低位发热量18495KJ/Kg，现在使用的煤种有些已经远远偏离设计煤种，灰份最高有56，低位发热量最低11000 KJ/Kg左右，且煤中搀杂有约10左右的石头和矸石。2006年全年燃煤平均灰分44.75%,平均低位发热量16037.37KJ/Kg；2007年上半年燃煤平均灰分45.8%,平均低位发热量14692.03KJ/Kg，2008年13月，燃煤平均热值为11900KJ/Kg，灰分达56。，但锅炉炉内流化状况依然较好，汽温、汽压也能达到要求，充分证明了循环流化床锅炉对煤种的适应性。循环流化床锅炉具有很好的脱硫能力，它通过在炉内

17、掺烧一部分石灰石，能有效的减少二氧化硫的排放量。而常规煤粉炉为降低二氧化硫排放，需增加烟气净化系统，但投资大，运行费用高。本工程在燃用硫分为2.93的高硫煤时，SO2排放量仅为0.809t/h，比常规锅炉减少了7.281 t/h。西安热工研究院和四川电力试验研究院于2007年4月进行的机组环保性能考核试验结果SO2排放量仅为0.651t/h，排放浓度560mg/Nm3,此时Ca/S为1.74，脱硫效率为94.72。 循环流化床锅炉采用低温、分段燃烧技术，床内温度控制在890左右，低于生成热力型NOx所需要的温度。环保监测数据表明排放浓度在50-100 mg/Nm3,仅为常规锅炉的10左右，而且

18、几乎没有任何脱硝运营成本。 西安热工研究院和四川电力试验研究院于2007年4月进行的机组环保性能考核试验结果NOx排放量0.1397 t/h，排放浓度为81 mg/Nm3。按照年发电小时4600小时计，年排放量为642.62吨，大大低于常规锅炉NOx排放量。= 2 * GB3国产化循环流化床锅炉环保排放情况根据我们收资了解的情况云南开远电厂、秦皇岛电厂各2台300MW循环流化床锅炉机组SO2排放浓度长期在200mg/Nm3以内,脱硫效率可达95和98。= 3 * GB3法国普罗旺斯电厂250MW循环流化床锅炉在Ca/S为2.5时脱硫率已达99。过去中小型循环流化床机组脱硫效率一般在90以下，一

19、些专家学者质疑循环流化床的发展，而如今循环流化床机组实际运行证明了大型循环流化床锅炉的脱硫效率完全可以满足越来越严格的环保排放要求。3.300MW等级循环流化床机组的运行情况由于煤质的差异，各地循环流化床锅炉运行情况有所差异，但从整体情况看基本上都能够实现长期安全稳定运行，如山东江泉实业135MW循环流化床锅炉连续运行达300天，白马300MW循环流化床锅炉最长连续运行达155天，秦皇岛电厂300MW循环流化床锅炉最长连续运行达200天，云南开远电厂300MW循环流化床锅炉最长连续运行达293天五循环流化床锅炉的发展展望循环流化床锅炉洁净煤燃烧技术是目前商业化程度比较好的洁净煤燃烧技术。现状，亚临界CFB电站锅炉无论在容量、效率和可用率方面均已达到基本上和煤粉炉相比的水平，如何实现超临界蒸汽循环和CFB燃烧技术的结合，在解决环保排放的同时又能达到较高的发电效率，是CFB燃烧技术下一步发展的主要方向。以法国ALSTOM公司和美国FW公司为代表的大型循环流化床锅炉设计、制造商已经设计出600MW超临界循环流化床锅炉方案，但目前没有订货业绩。我国高度重视超临界CFB锅炉的发展，先后在两个国家科技攻关项目中资助相关的前期研究，跟踪国际上的最新发展动态。在2002年