超（超）临界循环流化床直流锅炉技术的发展

毛健雄

（清华大学热能工程系，北京市，100084）

0 引言

循环流化床（circulating fluidized bed，CFB）技术已发展成为实用化最成功的洁净煤燃烧技术之一，正在向大型化的方向迅速发展[1-16]。以自然循环为基础的亚临界循环流化床锅炉技术，已达到了电站锅炉的容量水平。目前，我国已成为世界上循环流化床锅炉台数最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家。到2008年底，全国已投运的CFB锅炉已超过3 000台，总容量达6.7 GW，占全国煤电装机总容量的11.61%。其中，容量为100～200MW的CFB锅炉超过100台，已投运的300MW CFB锅炉15台，在建的300MW CFB锅炉64台，加上已经立项的工程，我国300MW等级亚临界CFB锅炉工程项目已经超过100台。当前，在火电行业面临二氧化碳减排的巨大压力下，循环流化床锅炉也必须走高效率的超临界、超超临界蒸汽参数的发展道路。

1 超临界CFB锅炉的特点

超临界蒸汽参数运行的锅炉必须采用直流锅炉。目前，直流锅炉蒸发受热面所面临的主要安全问题有：一是要最大限度地降低管壁温度的峰值，避免偏离核态沸腾而爆管；二是要限制相邻水冷壁管的温差，以防止由于热应力而导致管断裂。因此，在直流锅炉设计中，采取了许多措施以防止上述问题的出现。现在流行的直流锅炉主要采用高质量流率和螺旋盘管技术，前者是为了避免偏离核态沸腾管壁超温而爆管，后者是为了保证管道的均匀吸热，防止热应力的出现。由于炉膛内固体颗粒流态化运动会冲刷磨损管道，因此，循环流化床锅炉不能采用螺旋盘管技术，而只能采用垂直管的炉膛蒸发受热面。现在有3种垂直管直流锅炉技术，即：（1）早期的高质量流率多通道直流锅炉，由于其不能变压运行，现在已不再采用；（2）高质量流率的苏尔寿型直管技术；（3）低质量流率的本生垂直管直流锅炉技术，该技术是西门子公司近期开发出的最先进的直流锅炉技术。和当前大多超超临界煤粉炉采用的螺旋盘管直流锅炉技术比较，本生低质量流率的垂直管直流锅炉技术有许多优点，如表1、2、3所示。表1为本生垂直管和螺旋盘管水冷壁流动特性的比较；表2为垂直管和螺旋盘管水冷壁安装工作量的比较；表3则为本生垂直管和螺旋盘管直流锅炉建造和运行成本的比较。

表1 本生垂直管和螺旋盘管水冷壁流动特性的比较Tab.1 Comparison of flow character between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall

表2 垂直管和螺旋盘管水冷壁安装工作量的比较Tab.2 Comparison of installation work for water wall between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall

表3 本生垂直管和螺旋盘管直流锅炉建造和运行成本的比较Tab.3 Comparison of construction and operation cost between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall once-through boiler

现在国内外开发超临界循环流化床锅炉时，多半采用西门子公司开发的本生垂直管直流锅炉技术，该技术具有以下特点：（1）采用优化的内螺纹管，以有效地对管道进行冷却；（2）内螺纹管可采用低质量流率，从而使直流锅炉具有自然循环的特性，以限制管间的温差；（3）炉膛水冷壁管为单上升流通道，大大减少了互联管；（4）采用标准、简单的垂直管支撑；（5）蒸发受热面和过热器能够进行全变压运行；（6）蒸发受热面阻力小，可节省辅机电耗。

从表2和表3可以看出，超临界循环流化床锅炉采用本生垂直管直流锅炉技术，其制造、安装比煤粉炉采用的螺旋盘管要简单得多；另外，超临界循环流化床锅炉可以采用低质量流率运行，因而大大降低了运行的流动阻力，从而降低了给水泵的电耗。

与螺旋盘管的超临界煤粉炉相比，超临界CFB直流锅炉具有以下优点：（1）采用低质量流速本生垂直管技术，使得水冷壁的流动阻力减小，从而减少了给水泵的电耗，因而降低了电厂的净热耗。（2）超临界CFB直流锅炉炉膛的热流率较低，而且具有均匀的燃烧温度和均匀的热流分布，因而锅炉管道对过热超温并不敏感。（3）燃料的灵活性是CFB锅炉的固有特性，它对燃料成分的变化不敏感。在许多情况下，即使是同一煤矿的煤种，其热值、灰分和水分含量等均可能有很大的不同，这些燃料成分的变化并不会影响CFB锅炉的燃烧温度。因此，CFB锅炉更适合于与生物质混烧，以进一步降低二氧化碳排放。（4）无须采用烟气净化设备而具有较低的二氧化硫和氮氧化物排放能力。因此，无论从经济性、可靠性、燃料适应性还是低排放特性，CFB技术更适合于超临界蒸汽参数的直流锅炉。

2 460MW超临界CFB锅炉的设计及运行特性

波兰Lagisza电厂460MW超临界CFB锅炉（以下简称“Lagisza锅炉”）由Foster Wheeler公司供货，是目前世界上已投入商业运行中容量最大的CFB锅炉。工程实行项目总承包制，供货范围包括CFB锅炉岛、锅炉辅机、烟气余热回收系统、锅炉房及基础。该工程于2002年12月签订合同，2005年12月完成基本过程设计，2006年1月开始建造，2009年3月投入调试运行，2009年6月移交商业运行。电厂的设计供电效率为43.3%（净出力为430MW）。图1为波兰Lagisza电厂景观图，图2、3分别为Lagisza锅炉的三维立体图、剖面图。

表4为Lagisza锅炉和其他大容量亚临界CFB锅炉炉膛尺寸的比较。对使用的燃料和石灰石进行分析，以预测循环床料的颗粒尺寸分布、温度分布和传热系数，从而得到炉膛的断面尺寸为27.6m×10.6m，炉膛高度为48.0m，该尺寸只比其他已在运行的大型紧凑型整体式设计的CFB锅炉尺寸稍大一些。

图1 波兰Lagisza电厂景观图Fig.1 View of Lagisza Power Plant in Poland

图2 Lagisza锅炉三维立体图Fig.2 Lagisza boiler 3-D stereogram

图3 Lagisza锅炉剖面图Fig.3 Lagisza boiler profile

表4 Lagisza锅炉和其他大容量亚临界CFB锅炉炉膛尺寸的比较Tab.4 Comparison of furnace size between Lagisza boiler and other large sub-critical CFB boilers

Lagisza锅炉的汽水系统见图4。干蒸汽从汽水分离器出来以后进入炉膛顶棚的第1段过热器，然后依次进入作为支持管的过热器和对流段过热器I(SH-I)。过热器II(SH-II)位于固体床料浓度低的上炉膛，其下端采取防磨保护措施。蒸汽经过过热器II后，进入构成过热器III(SH-III)的8个平行的固体床料分离器。该分离器为膜式壁结构，上面覆盖有薄层高导热系数的防磨耐火材料。过热器IV(SH-IV)为末级过热器，位于分离器下两侧墙的整体式换热器(INTREX)中。主蒸汽温度由2级喷水减温控制；再热蒸汽温度通过蒸汽侧旁路进行调节。锅炉跟随汽轮机进行滑压运行，因此，在低负荷(小于75%)时，主蒸汽压力低于临界压力(22.1 MPa)，但在高负荷时，锅炉在超临界压力下运行。

图4 Lagisza锅炉的汽水系统Fig.4 Lagisza boiler steam-water system

表5为Lagisza锅炉的设计和运行煤种，表6为该锅炉不同负荷下的实际燃烧效率，表7是该锅炉的设计和实测的性能参数。从表5～7可见，Lagisza锅炉具有良好的燃料灵活性和运行性能。由表7可知，该CFB锅炉的运行性能数据非常接近设计参数，说明该锅炉设计所采用的过程模型和设计方法是正确的，其仿真性能和对锅炉性能的预测是准确的。Lagisza锅炉具有良好的动态特性，能够满足电网的运行要求，其成功运行还证明了该大容量CFB锅炉的机械设计和大型炉膛和旋风分离器的设计是成功的。

表5 Lagisza锅炉的设计和实际运行煤种Tab.5 Lagisza boiler design and actual coals

Lagisza锅炉的设计特点有：（1）本生直管蒸发受热面，膜式壁采用光管水冷壁；（2）炉内全高度蒸发受热面管屏采用内螺纹管；（3）采用冷却式紧凑型固体颗粒分离器；（4）采用整体式流化床换热器；（5）炉膛顶篷处于初级过热器回路中；（6）紧凑型固体分离器处于第3级过热器回路中；（7）整体式流化床换热器处于末级过热器/再热器回路中；（8）采用串联布置尾部受热面；（9）采用回转式空气预热器；（10）采用静电除尘器；（11） 采用水冷绞龙底灰冷灰器；（12）采用床上启动燃烧器；（13）本生锅炉启动系统；（14）采用排烟热回收系统，可将排烟温度降低至85 ℃(提高效率 0.8%)。

表6 Lagisza锅炉不同负荷下的实际燃烧效率Tab.6 Actual combustion efficiency under different boiler loads for Lagisza boiler %

表7 Lagisza锅炉的设计和运行实测性能参数Tab.7 Design and operation performance data for Lagisza boiler

3 超超临界CFB直流锅炉的研究设计

循环流化床锅炉技术发展的必然趋势是在超临界CFB锅炉的基础上发展超超临界CFB锅炉。早在2005年，美国和欧洲相继开展了超超临界CFB直流锅炉的研究开发。美国能源部和美国Foster Wheeler公司合作制定了参数分别为400MW/31.1MPa/593℃/593℃、800MW/31.1 MPa/593℃/593℃、800MW/37.5 MPa/700℃/720℃超超临界CFB锅炉的研发计划。西班牙 Endesa Generación电力公司、Foster Wheeler公司等6家公司开展了CFB800（800MW，30 MPa/600℃/620℃）的研究，研究内容包括蒸汽循环的优化、CFB800锅炉的详细设计、超超临界直流蒸发受热面的详细设计、锅炉排放性能的优化、超超临界CFB电厂动力学特性的研究、经济可行性分析等。

Foster Wheeler公司的800MW超超临界CFB直流锅炉技术的开发工作分2个方案进行：（1）开发蒸汽参数为30 MPa/600℃/620℃的常规超超临界CFB锅炉，计划于2009年底开发出可进入市场的容量为800MW常规超超临界CFB直流锅炉；（2）开发蒸汽参数为35 MPa/700℃/720℃的先进超超临界CFB锅炉，该方案的长远目标是开发出最先进蒸汽参数的超超临界CFB直流锅炉，其净效率为53%。同时，将先进高参数的超临界CFB直流锅炉用于混烧生物质，以进一步降低二氧化碳排放。

第1方案的研发工作的内容包括设计工具和设计软件模拟方法的开发和具体的工程设计：（1）超超临界CFB锅炉的一维和三维数学模型；（2）INTREX模型；（3）流体数学模型；（4）动态模型；（5）排放模型。在此基础上进行800MW超超临界CFB锅炉的初步设计，包括概念设计、性能设计、系统设计、布置设计和结构设计，同时进行中间试验和现场试验以验证数学模型。表8为800MW超超临界CFB锅炉的设计煤种；表9为800MW超超临界CFB锅炉的设计参数；表10为800MW超超临界CFB锅炉的设计经济性参数；图5为800MW超超临界CFB锅炉的三维立体图。

表8 800MW超超临界CFB锅炉的设计煤种Tab.8 800MW USC CFB boiler design coal

表9 800MW超超临界CFB锅炉的设计参数Tab.9 800MW USC CFB boiler design parameters

表10 800MW超超临界CFB锅炉的设计经济性参数Tab.10 Comparison ofdesign economicalparametersbetween option 1 and option 2 for800 MWUSC CFB boiler

图5 800MW超超临界CFB锅炉的三维立体图Fig.5 800MW USC CFB boiler 3-D stereogram

图6 为Foster Wheeler公司设计的800MW（30 MPa/600℃/620℃）超超临界CFB锅炉。锅炉采用模块式放大原则进行设计，与Lagisza锅炉的炉膛尺寸相比，CFB800锅炉在炉膛深度和高度上相差并不大，主要是在炉膛的宽度上进行了放大。对于800MW超超临界CFB锅炉，方案设计采用8个紧凑型分离器和8个叠加的整体式换热器，上一级整体式换热器单元中布置末级过热器SH-IV，下一级整体式换热器单元中布置中间过热器SH-III和末级再热器RH-II，从分离器分离下来的固体床料先进入上一级整体式换热器单元，然后再下行进入串联的下一级整体式换热器单元。在上一级和下一级之间的下炉墙上有狭缝形开口，可使下炉膛内的热床料从炉内进入下一级整体式换热器单元，以增强下一级换热器单元的传热；同时，上一级和下一级整体式换热器单元均布置有溢流旁路，以控制整体式换热器单元的料床高度。

图6 800MW超超临界CFB锅炉示意图Fig.6 800MW USC CFB boiler sketch

表11为800MW超超临界CFB锅炉的管道和集箱材料的选择。如前所述，与超临界煤粉炉相比，CFB锅炉的炉膛内热流率和温度分布要优越得多，因此，仅CFB锅炉高温过热器和再热器采用TP347HFG、Super304H，末级过热器的连接集箱和主蒸汽管采用X11CrMoWVNb911，其他部分可以采用常规的材料。正在研发的800MW CFB技术将最先进的循环流化床技术和最先进的超临界直流锅炉技术（本生垂直管直流锅炉技术）进行了很好的结合，可使循环流化床技术达到超超临界参数CFB机组需要的容量，并可达到先进超超临界煤粉炉AD700项目53%的净效率。这一先进的循环流化床技术，除了在发电效率上能够与最先进的超超临界煤粉炉相比较外，它还具有比煤粉炉更优越的燃料的灵活性和不用烟气处理就能达到低的SO2和NOx排放特性，并在应对气候变化的挑战中可大大降低CO2的排放，并为将来的接近CO2接近零排放打下基础。

表11 800MW超超临界CFB锅炉的管子和集箱材料的选择Tab.11 Material selection of boiler tube and header for 800MW USC CFB boiler

4 CO2近零排放的超临界CFB锅炉的研发

Foster Wheeler公司正在研发600/800MW超临界燃煤CFB锅炉的富氧燃烧（Oxy-Fuel)碳捕获和埋存（carbon capture and storage,CCS）技术，其目的是实现燃煤CFB锅炉CO2近零排放。该系统的特点是：（1）适用于新设计的CFB锅炉和原有CFB锅炉改造。（2）预期富氧燃烧捕获CO2的CFB锅炉技术的投资与IGCC或燃烧后捕获CO2的CCS系统相当或更低。（3）由于其系统简单，预期其可靠性要比IGCC的CCS系统好得多。（4）富氧燃烧捕获CO2的CFB锅炉技术仍然具有CFB技术燃料灵活性的优点。（5）由于该技术是在原有燃煤蒸汽发电技术的基础上发展的二氧化碳捕获技术，带有传统锅炉系统和可靠性高的特点，因而预期它容易被市场所接受。（6）由于该技术既能够在空气燃烧工况下运行，也能在富氧燃烧工况下运行，因而可保护电厂抵御CO2市场的风险。火电厂的设计可按照上述2种运行方式分阶段进行：首先设计成按照空气燃烧方式运行，但预留按照富氧燃烧方式运行所需设备，如空气分离装置、烟气再循环系统和二氧化碳净化系统等，待国家颁布二氧化碳减排法规及碳市场形成时，再决定是否将系统转换成按照富氧燃烧捕获二氧化碳的方式运行。富氧燃烧捕获CO2的CFB锅炉（图7）的研发正处于中间试验阶段，计划于2015年进行工程示范。

图7 Foster Wheeler公司正在研发的600/800MW超超临界富氧燃烧燃煤CFB锅炉Fig.7 Oxyfuel system for 600/800MW USC CFB boiler under Foster Wheeler's development

5 结论

波兰Lagisza电厂投产的世界上第1台460MW超临界CFB直流锅炉是一个里程碑，它突出地表明了CFB技术已进入了其发展的一个崭新阶段。在面对气候变化和全球变暖的巨大挑战面前，CFB作为一种燃煤锅炉技术，它不仅是低二氧化硫和低NOx排放，而且应该也是低二氧化碳排放的，因此它必须不断发展才能适应形势的要求，相信800MW超超临界CFB锅炉和CFB-CCS技术的研发成功也必定会成为CFB技术发展的又一个新的里程碑。只有不断迎接新的挑战，不断进行技术创新，才能使CFB技术不断登上新的高度，成为在燃煤电站锅炉技术中能够与煤粉炉并驾齐驱的先进燃煤发电技术。

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