循环流化床锅炉的技术特点

文/肖 峰 王冬福 李柄顺 上海锅炉厂有限公司（200245）

肖峰 （1968年～），男，1993年毕业于西安交通大学锅炉专业，上海锅炉厂有限公司副总工程师，教授级高工

1 前言

上海锅炉厂有限公司是国内较早从事流化床技术研究的单位之一，自20世纪70年代开始研究鼓泡床流化床，对沸腾床炉内传热、埋管的传热、防磨、布风以及启动点火进行了大量研究，并针对湖南溢阳35t/h燃烧煤矸石的鼓泡床流化床进行了科技攻关，获得国家科技进步二等奖，该锅炉从1983年投入运行至今，状况良好，为我国尝试利用鼓泡床流化床燃烧废弃的矸石燃料发电进行了前沿性探索，在以后的研究过程中，为广大用户提供了75t/h、130t/h鼓泡床流化床锅炉，如广东阳山电厂、鸡西煤矿物局等一批带百叶窗分离技术的130t/h BFB锅炉，在当时都是世界上较大容量的BFB锅炉。20世纪80年代后期，由于带简易分离技术的BFB锅炉燃烧效率低，不容易大型化等因素，上海锅炉厂停止了该技术的研究。直到20世纪90年代中期，上海锅炉厂对高温旋风分离技术的循环流化床锅炉技术进行新一轮的研究，1995年开始与中国科学院工程热物理研究所、日本三井造船联合开发了75t/h、130t/h以及220t/h等级的CFB锅炉产品，并承担了窑街矿物局煤矸石发电厂130t/hCFB的开发设计，并获得国家原经贸委示新产品开发二等奖，130t/h CFB锅炉的开发成功加速了上海锅炉厂循环流化床锅炉技术的发展。为了满足大型循环流化床锅炉用户的需求，上锅2001年引进了美国ABB-CE （现为Alstom公司美国部）公司50~200MW带中间再热循环流化床锅炉岛技术，这次CFB锅炉岛的技术引进使我们从循环流化床锅炉的设计、工艺、制造、安装、运行调试、系统配置各方面技术都得到了提升，我国目前CFB锅炉普遍使用的耐磨材料热烟气烘炉技术就是通过这次技术引进在国内推广运用的。

2003年上海锅炉厂引进了法国Alstom公司200~350MW循环流化床技术。

2008年开始，上海锅炉厂有限公司在引进技术的消化、吸收的基础上进行二次创新，开发300MW等级以上超临界CFB锅炉。自主开发的广东云浮300MW CFB锅炉于2010年6月成功运行，其优良的综合性能、高的可靠性能，为我公司大型循环流化床锅炉的开发奠定了基础。

2 循环流化床锅炉业绩

在循环流化床锅炉技术的发展过程中，从深层次挖掘循环流化床锅炉燃烧技术的优势，根据循环流化床锅炉的技术特点，对煤矸石、褐煤以及常规PC炉无法利用的燃料进行研究，在开发CFB锅炉系列产品的过程中，有针对性地对一些特殊燃料和有特殊要求的工程进行了开发。

上锅于1997年开发出了130t/h等级燃烧矸石的CFB锅炉，1999年开发了220t/h等级的CFB锅炉，2001年开发出了一批燃烧矸石、烟煤、无烟煤的135~150MW等级CFB锅炉，燃烧矸石的150MW CFB有：山西格瑞特电厂480t/h CFB、河北唐山开滦矿物局480t/h CFB，设计燃烧烟煤的有：山东济宁电厂、山东运河电厂和里彦电厂，山东运河电厂是按照烟煤设计的，该电厂于2005年开始100%燃烧无烟煤，效果良好。按燃烧无烟煤设计的电厂有：河南豫联电厂和广东梅县电厂。

随着电力行业的蓬勃发展，上海锅炉厂有限公司在大力发展600~1000MW等级超（超）临界常规大型电站锅炉的同时，也在大力发展燃烧特殊燃料和一些特殊要求的工业锅炉，主要是针对造纸和石化行业，这些行业的主要特点是：锅炉容量小、燃烧的燃料杂、锅炉稳定运行要求高、锅炉负荷变化大，并且大都采用母管制运行等一些特点，我们开发了一系列掺烧石油焦、纸浆和工业淤泥的循环流化床锅炉，主要有：苏州工业园区金华盛纸业400t/h掺烧纸浆的CFB锅炉，上海金山石化掺烧石油焦的620t/h CFB锅炉，出口印尼芭拉旺670t/h燃烧高水分、低热值褐煤的CFB锅炉，辽宁华锦化工410t/h掺烧石油焦的CFB锅炉和镇海炼化410t/h掺烧石油焦的CFB锅炉，最近我们又在为广东纸厂设计了混烧煤、工业淤泥、脱墨污泥、工业废气的350t/h CFB锅炉。

表1 上锅CFB锅炉业绩

2 济宁运河发电有限公司（2台） 山东 烟煤/无烟煤 2003 3 山东华能济宁电厂（2台） 山东 烟煤 2003 4 东莞东糖集团有限公司（2台） 广东 贫煤 2004 5 河南豫联（2台） 河南 无烟煤 2004 6 广东梅县B厂（2台） 广东 无烟煤 2004 7 江西景德镇发电有限责任公司（1台） 江西 烟煤 2005 8 山东众泰发电有限公司（4台） 山东 烟煤 2007 9 朔州市格瑞特实业有限公司（2台） 山西 煤矸石 2008 7 唐山开滦东方发电（2台） 河北 烟煤 2009 8 印度金德（10台） 印度 劣质烟煤 2010 200MWe 等级1 金山石化（1台） 上海 石油焦+煤 2007 2 印尼巴拉旺（1台） 印尼 劣质烟煤 2008 3 神华亿利电厂（4台） 内蒙 煤矸石 2007 4 山西耀光（2台） 山西 煤矸石 安装中300MWe 等级1 云南小龙潭发电厂三期（2台） 云南 褐煤 2006 2 北方联合电力有限责任公司蒙西电厂（2台） 内蒙 煤矸石 2007 3 山西平朔（2台） 山西 煤矸石 2007 4 辽宁调兵山（2台） 辽宁 煤矸石 2009 5 广东云浮电厂（2台） 广东 烟煤 2010 6 京能朔州右玉发电厂（2台） 山西 煤矸石 设计中7 上海电气集团股份有限公司蒙能杭锦旗（2台） 内蒙 煤矸石 设计中8 山阴煤矸石电厂（2台） 山西 煤矸石 设计中9 山西长治欣隆煤矸石电厂（2台） 山西 煤矸石 设计中10 贵州盘江电厂 贵州 煤+煤泥 设计中

3 大型循环流化床锅炉技术特点

上海锅炉厂循环流化床锅炉技术在多次技术引进和国内技术合作的基础上，通过最近10余年来的快速发展，已经形成了完善的技术体系，逐步形成循环流化床锅炉技术特点，这些特点主要表现在：

3.1 总体布置

锅炉在总体布置上从50MW到600MW超临界CFB锅炉均采用“M”型布置，对于200MW以下容量的CFB锅炉，推荐采用炉前给煤，对于汽包锅炉，汽包布置在炉膛和旋风分离器之间，采用水冷旋风分离器，水冷系统的下降管和水冷分离器下降管均布置在炉膛和旋风分离器之间，炉前不布置下降管路，以便于炉前给煤系统的布置。炉膛、旋风分离器和尾部对流烟道均悬吊在炉顶钢架上，整体悬吊（见图1）。

图1 330MW总体布置

图2 炉屏结构

超高参数带再热器的循环流化床锅炉采用传统的尾部双烟道结构，再热器受热面布置在对流烟道的前烟道内，通过双烟道档板来调节再热蒸汽的温度。

3.2 炉内受热面的布置

循环流化床锅炉炉内屏式受热面采用“U”型布置方式，蒸汽通过屏式受热面后首先沿膜式屏下降流动，通过中间混合集箱后再上升，这样布置便于降低每片屏管子之间温差，防止管屏扭曲变形，屏的结构如图2所示，为了减少不同屏之间的温差，每一级受热面屏采用集中布置，不采用交叉布置的方式，这样布置的目的是尽量使每一级受热面在炉内有一个均匀的炉内温度场，即使在炉内左右侧温度存在偏差的情况下，同一级受热面的不同屏之间吸热均匀，减少屏间热偏差。

针对锅炉参数的不同，注重炉内受热面与尾部对流受热面的匹配，对于超高参数的循环流化床锅炉，由于过热器吸热随着参数的提高而增加，在设计上要求过热器受热面辐射吸热量与对流吸热量良好的匹配，保证过热器受热面在锅炉各种负荷下平稳的温度特性。在亚临界300MW以上的锅炉， CFB锅炉采用高温级、中温级过热器以屏的形式布置在炉内。实践证明在云浮300MW CFB工程上，过热器各级受热面在各种负荷下有着平稳的汽温、壁温特性，过热器喷水量小，受热面安全且炉内屏式受热面壁温偏差非常小，屏式受热面无变形。

3.3 炉内防磨

炉膛过渡区的磨损一直是循环流化床的一大难题，为此进行长期的研究，并得出涡流是造成过渡区域光管磨损的主要原因，提出了防止过渡区域涡流对水冷壁磨损的措施，如图3-2所示，该结构下部采用防磨浇注料主动形成一个台阶，其作用是利用该结构产生一个涡流区，控制涡流产生在倾斜台阶的耐磨层区域，避免上部光管的磨损。

图3 过渡区防磨结构

该技术在广东云浮300MW循环流化床锅炉上使用，过渡区没有采取其他防护措施，通过将近3个多月的运行，效果令人满意。

3.4 新型风帽的使用

循环流化床流化风帽的结构形式直接影响到流化床锅炉物料流化质量，影响到锅炉运行、燃烧、炉膛磨损和安全经济运行。循环流化床锅炉风帽形式和种类繁多，但运行效果不尽人意，运行过程中或发生磨损、或漏床料、或堵塞、或风帽的阻力特性不佳等影响锅炉的均匀流化，使用周期也不佳，定期更换率高。为了达到防磨性能好，布风板阻力适中，又能够保证大型循环流化床大床面布风均匀的要求，开发出了如图4所示的大直径T型钟罩风帽。

图4 大直径T型钟罩风帽

这种风帽有着向下倾斜的喷嘴，可以避免喷口对吹而造成风帽之间的磨损，同时风帽内有节流小喷口可以防止底渣返窜。另一个特点是采用大直径喷口，风帽之间的节距大，300MW CFB锅炉风帽的数量在960个左右，减轻了工地安装和运行维护的工作量。

3.5 采用床上启动点火方式

CFB锅炉启动点火方式的选取，目前国内普遍认同床上床下联合点火启动方式。但随着锅炉容量的增大，炉膛布风板面积也越来越大，单只点火油枪的出力基本上要求每只点火器的出力在2t/h以上。根据我们对大型循环流化床锅炉点火方式的研究，采用床上点火方式是经济合理的，在300MW容量等级CFB配置8只出力为2~3t/h的床上点火油枪，每只油枪均设有高能点火器、火焰检测器和冷却装置，这样配置的优点有：

（1）在循环流化床锅炉技术的发展过程中，采用怎样的启动点火方式一直是从事循环流化床锅炉工作者所研究和争论的话题，总结目前循环流化床锅炉启动点火方式有3种：床下点火、床上点火和床上床下联合点火。究竟采用何种点火方式是安全可靠、经济合理的，还需要根据锅炉的容量、煤种以及工程情况来进行选取，不能一概而论。

目前我国循环流化床锅炉数量多，超过3000余台，就容量来说大都是中小容量的锅炉，在点火方式上几乎都采用床下启动点火的方式，如图5所示。

图5 床下风道点火

这种点火启动方式简单、锅炉热力用率比较高。由于一次风进口风道和点火风室的结构采用分叉进入的方式，为了避免一次风进口对点火燃烧器在启动过程中的影响，在一次风进口管道上装有调节档板门，其目的是在启动过程中满足通过启动燃烧器出口的压力大于一次风进口的压力，使点火燃烧器产生的烟气与一次风快速、均匀的混合。避免局部高温损坏点火燃烧风道，点火风道烧损的事故在我国时有发生，另外为了点火更加安全可靠，有些锅炉在点火配风上配有点火增压风机，这种配置国外炉型上用得比较多，集中在锅炉容量较小的CFB锅炉上，这是因为小容量的油枪雾化效果容易得到保证，只要设计合理，点火安全性能够保证。

（2）床上启动点火方式，这种点火方式是点火油枪安装在布风板以上2~3.5m的高度，油枪向下倾斜布置（图6），点火油枪火焰和热量直接射入流化膨胀后的密相床层，热量通过辐射和对流的方式加热床料，而床下点火是通过油枪加热风，热风通过对流的方式再加热床料，按照传热原理床上点火是直接、高效的。床上点火只要床料粒度和床层料位合适，热利用率是非常高的，目前我国一些小容量的CFB锅炉，由于运行的料位低，只有3~5kPa的料位，因此采用床上点火启动热利用率普遍较低。

图6 床上油枪点火

在点火前期由于对床上点火加热床料的理论和经验掌握程度不够，热利用率偏低，造成启动点火用油偏高，经过研究，在前期存在以下问题：

（a）启动时料为偏低，启动一段时间后，炉内存料量少，密相区膨胀高度不够，造成热利用率低。

（b）床上油枪刚度不够，火焰在受到一次流化风的影响后，火焰向下燃烧的长度短，有时火焰直接往上，影响床料吸热。

（c）一次风过大，使火焰上偏，同时一次风量大，热利用率低。

在300MW CFB锅炉自主开发设计中，经过设计优化，使用效果良好。

（3）床上床下联合点火方式，目前300MWe CFB锅炉均采用这种启动方式，如引进型300MWe CFB和其他自主型，这种方式是风道内布置启动点火燃烧器，由于锅炉容量大，油枪出力大，风道不能采用分叉布置，点火油枪布置在风道内，一次风通过油枪，床上再布置有床枪，床枪不配点火器和火检，床枪布置高度低，基本上在布风板上1m左右，当床温超过某一设定温度后直接向炉内喷入油。风道布置见图7。

图7 床下风道燃烧器点火

这种点火方式不管是在点火启动阶段还是正常运行阶段一次流化风全部经过点火风道燃烧器的配风装置，造成一次风压损，该压损一般有500~1000Pa，增加了一次风机运行电耗。

随着锅炉的大型化发展，必须采用大出力的床下风道点火燃烧器，增加了点火风室烧损的风险。

在开发300MWe CFB锅炉的过程中，要作到风道点火器风室在正常运行时阻力降小于500Pa是比较困难的。

根据对CFB锅炉启动点火方式的研究，300MWe CFB锅炉采用床上点火是经济安全的，因此决定在300MWe CFB锅炉上推广运用。

由于300MWe等大型CFB锅炉，为了得到均匀的炉膛温度和高的燃烧效率，运行的床层料位在8~11kPa的范围内，料位高。在启动的过程中，密相床膨胀后料位高，因此床上点火，热量直接从床层的下部送入，热利用率高，300MWe每次启动点火用油量一般在35~45t/h范围内，如果是高挥发份的煤，每次冷态启动用油量小于30t/h。采用床下、床上联合点火，估计用油量与床上点火差别不大。

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首先假设床下点火比床上点火节油一倍，既每次点火启动节油15t来计算，每吨油市场价6000元/t，每次启动节约9万元，由于床下点火造成风机运行压头升高，按目前能够作到的最高要求500Pa来进行计算，假设一次风机2台，每台电动机功率为4000kW，风机运行压力为18kPa，风机电耗简单假设与PV相关，一次风机由于点火风道阻力降500Pa所多消耗的电能为222kW，电厂按照上网电价计算，与47天成本相当。

床上点火比床下点火省油。这是因为床下点火是油枪首先燃烧加热一次风，点火后风室的温度基本上控制在800℃以下，甚至更低，考虑到风室耐磨耐火材料的安全性，同时也要考虑到热烟气对风帽寿命的影响。然后依靠热烟气加热床料，热烟气和床层物料之间的热交换主要是以对流换热为主，换热系数小，烟气通过床层后，大部分的热量被烟气带走。

床上点火火焰延伸到膨胀的床料中间，火焰温度高，热量直接以辐射的方式把热量传递给床料，火焰温度高，传热强度高，热利用率高，利于快速提升床温。

3.6 前后墙联合给煤

对于大型循环流化床锅炉的给煤系统的选取，要根据工程燃煤情况和工程所处的地理条件来定，对于燃烧低热值的燃料，锅炉燃料消耗量大，同时对于300MW以上的CFB锅炉，炉膛宽度较大，每台炉给煤口的数量多，在实际运行过程中由于各种因数的影响，每个给煤口给入的燃料量偏差非常大，为了降低给煤对炉膛燃烧的影响，推荐采用前后墙联合给料，另外对于南方多雨湿度高的地区，给料系统容易发生堵煤现象，在这种情况下也推荐采用前后墙联合给煤。

对于大型循环流化床锅炉来说，前后联合给料，虽然在系统设计上较为复杂，但联合给煤利于循环流化床锅炉的燃烧、脱硫和脱销。

在300MW以上的CFB锅炉，推荐采用以下给料系统（图8）。

图8 前后墙联合给煤

在300~330MW等级燃烧煤矸石的CFB锅炉给料系统设计上，采用炉前6点、炉后3个回料器各2点，既后墙6点联合给料，前后墙各50%的给料量，在设计上即使发生堵煤也能够通过其他给料口来调节床温的均匀性，假设给料仓1和2堵煤，可以通过增加输料线5的给料量了调节，提高锅炉在发生堵煤工况下安全性和给煤调节的灵活性。

3.7 水(汽)冷旋风分离器

对于亚临界参数以下的汽包炉，可采用水冷旋风分离器，超临界参数以上CFB锅炉采用蒸汽冷却式高温旋风分离器，这是因为采用水冷旋风分离器有以下优点：

（1）减少耐磨耐火材料的使用量，提高锅炉启停性能；

（2）便于降低分离器外表面温度，降低散热损失；

（3）水冷旋风分离器内介质依靠自然循环驱动，不增加汽水阻力降；

（4）过热器系统回路简单，过热器系统阻力降易于控制，过热器系统温度偏差小。

3.8 两级联合冷渣技术

我国循环流化床大都燃烧低热值的劣质煤，燃料中灰和硫的含量高，基本上采用炉内脱硫，锅炉飞灰和底渣量大，底渣蓄热损失大，高的在2%以上，因此底渣蓄热的回收利用将成为制约CFB锅炉经济运行的重要因素，虽然有些冷却水利用冷凝水，吸收底渣蓄热后再回到汽机岛的低加前，从热平衡角度来看，底渣蓄热已被系统回收，但实际上会造成汽轮机排汽量增加，大量的热量排入大气，从能量的转换和利用角度来看，这部分热量很少被利用。推荐采用两级底渣冷却技术，设计思想如下：

(1) 底渣高温段蓄热由高温级底渣冷却装置冷却，蓄热直接由锅炉回收，提高锅炉热效率；

(2) 底渣冷却到一定温度后再进入第二级冷渣系统；该技术已在330MW CFB燃烧矸石的工程上得到推广运用(图9)。

图9 膜式壁移动床冷渣器

锅炉两级冷渣，高温底渣进入直接用炉膛水冷壁形成的膜式壁密闭腔体，腔体内布置低温省煤器受热面，底渣以低速移动的方式自上而下流过省煤器受热面，经过冷却以后的底渣在进入下一级机械式冷渣器，由于底渣进入下一级机械式冷渣器时渣温低，提高了下一级冷渣器的可靠性。

3.9 新型返料技术

保证大型循环流化床锅炉具有良好的流化质量需要从多方面考虑，目前更多的是关心风帽的结构形式、风帽的自身阻力，风室的结构以及一次风进风方式等，往往忽略布风板上部密相区内物料的运动和扩散情况，实际运行中布风板上部密相区沿宽度、深度方向的压力波动是非常严重的，这对风帽漏灰、风帽磨损以及炉膛内不均匀性磨损影响较大，研究表明，密相区的压力波动是不可避免的，实验还研究出压力波动的频率为约为0.2Hz，也就是说压力在5s内波动一次，上部压力的波动会造成风帽风量的波动，风帽风量的波动引发细灰反窜，压力波动幅度越大，越容易造成风帽漏灰和磨损，因此尽量降低密相区床压波动的幅度是我们在设计细节中要精心考虑的，而影响该波动幅度的主要结构因数有：给煤口给入的煤对密相区的冲击，回料器返料口返料量造成的冲击，二次风喷入也会造成冲击，合理布置给煤口的数量、给煤口的高度以及二次风喷口合理配风都能够起到降低床压波动的作用，在这些影响因数中，返料管由于返料量远远大于给煤量和风量，由此对床压局部波动的影响是最大的。在通常的设计中，返料管的进口采用圆形结构，返料时大量的循环物料高速从圆形口的底部集中进入炉膛，扩散性能差，而在300MWeCFB锅炉上，采用了上圆下方的专利结构（图10），该返料结构下表面是平面，在平面进口处布置播散风，使循环物料进入炉膛时有较好的扩散性能，减轻物料对密相区的冲击，另外，上圆下方的返料管结构，在设计中提高了返料口距离布风板的高度，便于物料扩散。

图10 返料管上圆下方结构

3.10 四分仓回转式空气预热器

根据循环流化床锅炉的经验，在200MW等级以上的CFB锅炉中采用四分仓回转式空气预热器，这是因为与管式空气预热器相比较，回转式空气预热器具有如下优点：

（1）空气侧和烟气侧阻力降低，对于回转式空气预热器，一、二次风侧的空气阻力降在800~1000Pa，烟气侧在700~900Pa，具有阻力小的特点。管式空气预热器，特别是大容量锅炉的管式空气预热器，体积大，烟气和空气的流程长，烟空气的阻力降大，一般都在1200Pa以上，空气侧甚至超过1500Pa，因此造成锅炉辅机电耗量大。

（2）管式空气预热器维护困难，由于管式空气预热器对硫腐蚀敏感，一旦出现腐蚀，会造成漏风量大，无法维修。一般在锅炉投运的前期，管式空气预热器漏风量小，但在运行过程中漏风量会越来越严重，无法控制。对于大尺寸的管式空气预热器，由于每个管组中沿烟气流程的每排管子温度差异，造成管板变形，管板与管子焊缝拉裂等情况，造成漏风。回转式空气预热器的漏风在使用期限内比较稳定，并可利用自动跟踪系统进行调节，维护方便。硫酸腐蚀不会影响漏风。

（3）回转式空气预热器占地面积小，检修维护方便，随着循环流化床锅炉的广泛运用，四分仓回转式空气预热器的密封技术趋于成熟，漏风率也逐台降低，特别是一二次风的压头要远低于引进机组，回转式空气预热器的漏风明显降低，能够保证在6%以下。

4 小结

通过研究，上锅循环流化床在防止和减轻炉内磨损，降低蒸汽侧和烟风侧压降，降低受热面壁温偏差，底渣热量回收以及启动点火的经济和安全等方面都提出了解决措施和方法，使循环流化床锅炉具有磨损轻、流化质量高、热效率高、锅炉受热面壁温偏差小、锅炉电耗低以及启动点火系统经济安全可靠等特点，为提高循环流化床锅炉可靠、安全、经济运行提供了技术保障，这些新技术已经在自主开发的一批300~330MW CFB锅炉得到了实施，在广东云浮300MW CFB锅炉成功运行以后得到验证并取得了良好的效果。这为开发大型超临界CFB锅炉提供了技术保障。