循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展概況及前景展望

張德勤

（盤錦市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧沈陽　124010）

循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展概況及前景展望

張德勤

（盤錦市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧沈陽124010）

在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大背景下，循環(huán)流化床鍋爐是一種新型的潔凈燃燒技術(shù)，通過與其他燃燒方式的對比發(fā)現(xiàn)其有：燃燒效率高、變負(fù)荷能力強(qiáng)、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、自用電量低、大氣污染物排飯小等特點。本文深入的介紹了幾種典型的循環(huán)流化床鍋爐，詳細(xì)分析了不同爐型的優(yōu)缺點，指出不同鍋爐制造企業(yè)的技術(shù)流派，挖掘了循環(huán)流化床鍋爐大型化、大容量、高參數(shù)、模塊化的發(fā)展方向。

循環(huán)流化床發(fā)展概況前景展望

1　研究背景

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，縱觀人類社會發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)與更替［1］，［2］，［3］。隨著人類社會能源消費的高速增長，能源對人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的制約和對資源環(huán)境的影響越來越明顯，已成為當(dāng)今國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交關(guān)注的焦點。

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)快速發(fā)展，離不開有力的能源保障，目前我國已成為世界第二大能源生產(chǎn)與消費國、第一大煤炭生產(chǎn)與消費國、第二大石油消費國及石油進(jìn)口國、第二大電力生產(chǎn)國。在經(jīng)濟(jì)全球化深入發(fā)展和我國現(xiàn)代化加快推進(jìn)的大背景下，能源直接關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家安全和民族根本利益。因此，認(rèn)清我國的能源形勢、合理選擇能源發(fā)展戰(zhàn)略及采取有效的政策措施成為十分重要的問題。

我國能源資源總量比較大，其中水能和煤炭較為豐富，蘊藏量分別居世界第1和第3位；而優(yōu)質(zhì)化石能源相對不足，石油和天然氣資源的探明剩余可采儲量目前僅列世界第13和第17位。但由于人口眾多，我國各種能源資源的人均占有量都遠(yuǎn)低于世界平均水平。

在現(xiàn)有的煤燃燒方式中，煤粉燃燒技術(shù)及循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是實現(xiàn)了大型化和商業(yè)化應(yīng)用的潔凈煤燃燒技術(shù)，并大量應(yīng)用于電站鍋爐領(lǐng)域［4］.［5］。煤粉鍋爐由于其爐內(nèi)煤粉可以和空氣充分混合，且煤粉顆粒的比表面積大，在燃燒過程中，煤粉顆?？梢耘c空氣充分混合，其燃燒效率可達(dá)85%以上，熱損失較低；設(shè)備檢修成本低、損壞消耗周期短，極易實現(xiàn)自動化控制；但同時存在諸多問題，如煤粉顆粒吸濕形成塊狀后容易爆燃，爐內(nèi)溫度高容易結(jié)焦，易產(chǎn)生氮氧化物，復(fù)合調(diào)節(jié)性差，煤質(zhì)要求高，鍋爐點火時需要較高的爐膛溫度等問題。相對煤粉鍋爐，流化床鍋爐爐料顆粒尺寸相對較大，由于流化風(fēng)的作用，顆粒在爐膛內(nèi)懸浮燃燒，其燃燒溫度低于煤粉燃燒溫度，一般為800-900℃，氮氧化物生成量低，且尾氣處理效果好。相比其他燃燒方式，有以下幾點優(yōu)勢：

（1）相比層燃鍋爐具有較高的燃燒效率。燃料經(jīng)給料口進(jìn)入循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行燃燒，由于爐膛內(nèi)燃燒溫度較低，部分未燃盡的燃料顆粒隨流化風(fēng)的作用進(jìn)入煤粉燃燒區(qū)，該區(qū)域的溫度較高，燃料顆?？梢缘玫匠浞值娜急M，而煤粉燃燒部分的燃燒效率本身就很高；而在層燃鍋爐中，燃料固定在爐排上，燃燒過程是垂直向下進(jìn)行，燃燒強(qiáng)度低，同時無法保證燃料完全燃盡，其燃燒效率一般在70%左右，嚴(yán)重低于流化床鍋爐的燃燒效率。

（2）燃料適用性強(qiáng)。流化床鍋爐可以穩(wěn)定的燃燒劣質(zhì)煤，而在煤粉鍋爐內(nèi)劣質(zhì)煤很難運行，采用復(fù)合燃燒可以保證在鍋爐下部形成一個穩(wěn)定的熱源，強(qiáng)化劣質(zhì)煤燃燒；同時，傳統(tǒng)煤粉鍋爐的點火方式為先用油、氣或等離子點火，對鍋爐爐膛先行預(yù)熱，當(dāng)達(dá)到煤粉燃燒溫度后再噴入煤粉，而復(fù)合燃燒下部流化床鍋爐熱源作用，使得煤粉鍋爐在點火過程變得相對簡單和經(jīng)濟(jì)。

（3）鍋爐運行變負(fù)荷能力強(qiáng)。按照鍋爐爐膛容積設(shè)計流化床鍋爐負(fù)荷和煤粉鍋爐負(fù)荷比例，本文按照1：9的比例設(shè)計。當(dāng)煤粉鍋爐低負(fù)荷運行時，需要投油穩(wěn)燃，消耗大且運行效率極低，當(dāng)負(fù)荷低于50%時，煤粉鍋爐一般很難運行。而復(fù)合燃燒有效的改善了鍋爐運行負(fù)荷范圍。當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運行時，可先由流化床鍋爐運行，隨著復(fù)合的提高，煤粉鍋爐在投入運行，這樣在保證鍋爐運行效率的前提下，極大的擴(kuò)大了鍋爐運行符合范圍。

（4）大幅降低鍋爐自用電量。一般的煤粉鍋爐前配置磨煤機(jī)，需將煤磨至90μm。磨煤機(jī)一般采用機(jī)械力對煤塊進(jìn)行反復(fù)碾壓，將煤塊進(jìn)行破碎變成煤粉，直到煤粉達(dá)到指定粒度為止。而復(fù)合燃燒中流化床鍋爐對煤粉粒度的要求相對寬松，一般為0-10mm，最大粒徑可達(dá)50mm，這樣可大大降低磨煤機(jī)耗電量，即較大幅度的降低鍋爐自用電量。

（5）有效降低煙氣污染物對大氣的污染。流化床鍋爐可以采用摻燒石灰石、生石灰等脫硫劑的形式，在爐內(nèi)使硫元素與脫硫劑充分反應(yīng)，方便經(jīng)濟(jì)的實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫。同時，由于流化床鍋爐爐內(nèi)較低的燃燒溫度，有效的抑制熱力型氮氧化物的生成。

2　發(fā)展概況

1979年芬蘭的Ah lstrom公司研發(fā)并于芬蘭Pih lava投運了一臺20t/h循環(huán)流化床鍋爐，其標(biāo)志著全球循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)正式商業(yè)化。隨后德國Lurgi公司、德國B&W公司、美國FW公司分別按照市場需求，分別研制了各具特點的循環(huán)流化床鍋爐。近些年，循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)獲得了長足的發(fā)展。目前，在我國1064家鍋爐制造企業(yè)中，有近70%生產(chǎn)流化床鍋爐；其中231家A級鍋爐（含A級鍋爐部件）制造企業(yè)，有近90%生產(chǎn)流化床。

目前，比較典型的循環(huán)流化床鍋爐主要有以下幾種：

（1）以原芬蘭Ah lstrom公司研制的Pyroflow型循環(huán)流化床鍋爐。該爐型是目前世界上運行數(shù)量最多的爐型，采用高循環(huán)倍率和高溫旋風(fēng)分離器，頂部設(shè)置“Ω”型過熱器，回料口底部不設(shè)置物料換熱器；其結(jié)構(gòu)較為簡單。

（2）以德國魯齊公司設(shè)計并冠名的Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐。該爐型在原芬蘭Ah lstrom公司研制的Py roflow型循環(huán)流化床鍋爐基礎(chǔ)上，在旋風(fēng)分離器的回料閥處加裝了外置流化床換熱器，有助于控制火床溫度，強(qiáng)化了爐內(nèi)物料的燃燒和傳熱控制，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜，運行成本較高。

（3）以美國F.W.公司設(shè)計并冠名的F.W.型循環(huán)流化床鍋爐。該爐型融合了上述兩種爐型的成功經(jīng)驗，并應(yīng)用了大量的自主研發(fā)的專利技術(shù)：汽（水）冷分離器，方形分離器以及爐膛一體化成型技術(shù)，INTREX循環(huán)灰換熱器等。

（4）以德國Babcock和VKW公司聯(lián)合開發(fā)的Cirofluid型循環(huán)流化床鍋。該爐型采用中溫分離并設(shè)置兩級分離裝置，其中第二級分離器布置于過熱器后，并在爐膛上部布置部分對流受熱面，降低了鍋爐的生產(chǎn)成本，目前主要應(yīng)用于中低容量的循環(huán)流化床鍋爐。

（5）以美國巴威公司生產(chǎn)并冠名的巴威內(nèi)循環(huán)循環(huán)流化床鍋爐。該爐型采用初級慣性分離和末級旋風(fēng)分離相結(jié)合的方式，其中初級槽型分離器安裝在爐膛出口內(nèi)，使分離出來的飛灰在爐膛內(nèi)實現(xiàn)循環(huán)，這樣降低了分離器的運行負(fù)擔(dān)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

3　前景展望

目前國際上循環(huán)流化床鍋爐正逐步朝著大型化、大容量、高參數(shù)、模塊化方向迅猛發(fā)展。其發(fā)展方向是超臨界參數(shù)循環(huán)流化床鍋

············爐。由于流化床技術(shù)和超臨界技術(shù)都是相對成熟的技術(shù)，兩者結(jié)合形成超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，從環(huán)保和能效上實現(xiàn)雙突破，特別是鍋爐制造企業(yè)以及大專院校已著手開展相關(guān)研究。Stein公司已完成了600MW e超臨界循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計［6］；ABB-CE公司正在積極策劃超臨界循環(huán)流化床鍋爐的示范工程；浙江大學(xué)劉靜等依據(jù)國內(nèi)外循環(huán)流化床取得的成果，給出了1臺600MW e超臨界循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計方案［7］；清華大學(xué)從機(jī)理上對循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了分析，提出“定態(tài)理論”，并通過對電廠發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性研究和超臨界循環(huán)流化床機(jī)組相關(guān)問題的探討，完成了600MWe和800MWe循環(huán)流化床鍋爐的概念設(shè)計及水冷壁水動力、壁溫等設(shè)計計算；FW公司已完成1臺歐洲的460MWe世界醉倒的超臨界循環(huán)流化床鍋爐的制造工作，并已于2005年投產(chǎn)，現(xiàn)運行良好。

超臨界循環(huán)流化床作為下一代循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，已經(jīng)備受重視。目前我國也在積極策劃實施超臨界循環(huán)流化床的示范工程。希望在不久的將來，世界上容量最大、參數(shù)最高的循環(huán)流化床鍋爐將在中國誕生。

［1］Enerdata.Global Energy Statistical Year book2015-Total energy consumption［EB/OL］.

［2］江澤民.對中國能源問題的思考［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（3）：345-359.

［3］賈承造.我國能源前景與能源科技前沿［J］.高校地質(zhì)學(xué)報，2011，17（2）：151-160

［4］駱仲泱，何紅舟，王勤輝，等.循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.熱力發(fā)電，2004，26（6）：761-767.

［5］岳光溪.循環(huán)流化床燃煤技術(shù)在我國的發(fā)展與前景［J］.電力設(shè)備，2008，9（5）：104-106.

［6］Semedard J C，Cauville P，Mom J X.Development of ultra large CFB boiler［A］.Donald W Geiling，Donald L Bonk eds.Proceeding of16th International Conference on FBC［C］.ASME，2001，Nevada，171.

［7］李靜，王勤輝，駱仲泱，等.發(fā)展超零界循環(huán)流化床的討論［J］.熱能動力工程，2002，17（5）：439-441.