600 MW无烟煤超临界锅炉选型分析

孙献斌

(中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市100098)

600 MW无烟煤超临界锅炉选型分析

孙献斌

(中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市100098)

为了更好地解决燃用无烟煤锅炉在选型时遇到的煤的着火、稳定燃烧和燃尽等技术问题，结合实际工程应用，对600 MW超临界W型火焰锅炉和超临界循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉的炉型及运行性能进行了分析与比较。研究结果表明，W型火焰锅炉燃用无烟煤时燃烧性能好，但炉膛出口NOx浓度较高，同时受热面高温腐蚀问题也不容忽视;CFB锅炉燃用无烟煤时燃烧稳定、炉膛出口NOx浓度小，但燃尽性能有待提高。建议600 MW无烟煤超临界锅炉应优先选择超临界CFB锅炉，并通过合理技术途径提高其燃尽性能。

超临界锅炉;锅炉选型;W型火焰锅炉;超临界循环流化床(CFB)锅炉;稳定燃烧;无烟煤

0 引言

无烟煤属低挥发份、难以着火和燃尽的煤种，我国西南地区的无烟煤还具有高硫份的特点。我国火电厂燃用的无烟煤约占全国发电用煤的3%～4%，加上低挥发份贫煤可达10%左右。长期以来，如何使电站锅炉安全、经济地燃烧无烟煤等难燃煤种，一直是电力工业需要解决的技术难题。在实际工程应用时，合理选择锅炉炉型成为一个重要的工程技术问题，需要对燃用无烟煤时锅炉的着火、稳定燃烧、燃尽以及NOx排放特性等技术问题进行综合分析研究。

目前，能够较好地燃烧无烟煤等难燃煤种(干燥无灰基挥发份≤15%)的锅炉炉型主要有W型火焰锅炉和循环流化床(circulating fluidized bed，CFB)锅炉。W型火焰锅炉针对低挥发分煤种，由于炉膛下部为带有卫燃带的拱式结构而增加了火焰的行程，有利于燃料的着火和燃尽，近几年也成功地从亚临界参数发展为超临界参数［1-6］。CFB锅炉具有燃料适应性广的特点，在燃用无烟煤等难燃煤种时，由于其密相区高浓度床层具有较大的蓄热能力，进入密相区的煤颗粒能够稳定着火和燃烧［8］，因此，近年来国内也有一些300 MW的亚临界CFB锅炉燃用无烟煤等难燃煤种，取得了良好的运行效果，燃用贫煤的600 MW超临界CFB锅炉也在四川白马示范电站投入运行。

本文结合实际工程应用情况，对600 MW超临界W型火焰锅炉和超临界CFB锅炉的炉型及运行性能进行分析与比较，以期为燃用无烟煤等难燃煤种的锅炉选型提供技术依据。

1 煤质特性与炉型的比较

对于无烟煤等难燃煤种采用W型火焰锅炉可以解决其着火和燃烧稳定性问题，其最低不投油稳燃负荷可达到锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的45%，典型的W型火焰锅炉及燃烧方式如图1所示。

自2009年以来，国产600 MW超临界W型火焰锅炉共有16台投入运行，其实际运行情况表明，在解决了初期出现的水冷壁拉裂等技术问题后，国内大型锅炉制造厂已掌握了基于垂直管圈低质量流速技术的超临界W型火焰锅炉设计制造技术，技术上趋于成熟。表1是已运行的几台600 MW级超临界W型火焰锅炉的主要运行性能参数。从表1可知，W型火焰锅炉燃烧无烟煤的锅炉热效率一般为91.4%左右，但W型火焰锅炉实际运行过程中存在NOx排放值高(约1 000 mg/m3)的问题，近2年虽有在炉拱上部的水冷壁上设置上层燃尽风，使NOx排放值降低至714 mg/m3左右［3］，但在一定程度上又影响了其飞灰的燃尽效果，有待研究解决。

由于难燃煤种的挥发份低，为解决煤粉的燃烬问题，W型火焰锅炉通常需要提高煤粉细度，使煤粉细度R90控制在6%以内，因此制粉系统电耗相对较高，厂用电率达到约7%。值得注意的是，W型火焰锅炉随着超临界锅炉蒸汽温度提高，管壁金属温度随之提高，除了水冷壁高温腐蚀会加剧之外，高温过热器、再热器管壁温度会达到600℃以上，进入快速腐蚀区域。锅炉参数越高，高温腐蚀发生的几率就越大，腐蚀也越严重。而循环流化床锅炉由于向炉内加入石灰石进行脱硫，因此，在受热面区域不会产生高温腐蚀和低温腐蚀现象。

我国在“十一五”期间自主开发研制了600 MW CFB锅炉，首台该型号锅炉安装在白马CFB示范电站，锅炉结构如图2所示，锅炉运行性能参数见表2。

白马CFB示范电站600 MW超临界CFB锅炉实际运行表明，该炉型在燃用难燃贫煤时，技术性能稳定，具有燃烧效率高、SO2及NOx排放值低等优点，厂用电率为6.52%，也低于W型火焰锅炉。目前，国内虽然尚未有燃用无烟煤600 MW超临界CFB锅炉投入运行，但从江西分宜发电厂330 MW CFB锅炉、广东宝丽华电厂300 MW CFB锅炉、福建龙岩电厂300MW CFB锅炉的运行实绩看，大型CFB锅炉燃用无烟煤时的燃烧稳定性优于W型火焰锅炉，最低不投油稳燃负荷可低至30%BMCR，SO2及NOx排放值也更容易达到更为严格的国家排放标准［9］。

图3给出了几种炉型的水冷壁热流密度的比较［7-13］，CFB锅炉的热流密度沿炉膛高度分布较为均匀，且其值小于煤粉锅炉和W型火焰锅炉的0.5倍，热流密度较高区域对应于工质温度最低的炉膛下部，可避免水冷壁管内出现膜态沸腾和蒸干现象。较低的热流密度允许CFB锅炉采用低质量流速(500～700 kg/(m2·s))和制造工艺简单的一次上升垂直管圈构成炉膛水冷壁。较均匀的热流密度分布还有利于减小水冷壁管子之间的壁温差，避免如W型火焰锅炉水冷壁出现的拉裂现象。因此，从水冷壁的安全性而言，CFB锅炉采用超临界参数水冷壁是合适的。

2 高温型CFB锅炉无烟煤燃烧技术

为进一步提高无烟煤CFB锅炉的燃烧效率，国家“十二五”科技支撑计划“CFB锅炉燃用难燃煤种的研究”课题通过试验研究，提出了高温型CFB锅炉的设计思想，即在传统CFB锅炉基础上，将CFB锅炉炉膛温度提高到920℃以上，以提高无烟煤燃尽率。在热功率1 MW CFB燃烧试验台上对3种典型的无烟煤(阳泉煤、阳城煤、龙岩煤)进行了高温型CFB燃烧试验研究，得到了图4所示的燃尽特性曲线，随着燃烧温度的提高，无烟煤的飞灰可燃物含量明显下降。燃烧温度提高到970℃时，试验煤种飞灰含碳量可较燃烧温度890℃时降低5.79%～9.09%，相应燃烧效率提高1.54%～3.58%。1 050℃条件下燃烧无烟煤，能够保证运行的安全稳定，不会发生结焦现象。

在试验研究的基础上，设计了高温型600 MW超临界CFB锅炉的整体布置方案，见图5。该锅炉采用6个旋风分离器，分2组布置在炉膛两侧，设有6台高温型外置床。炉膛设计床温为950～970℃，因为在这一温度范围内NOx+N2O的排放值最小，同时使燃烧效率得到提高，锅炉热效率较W型火焰锅炉提高约1%。由于提高床温后炉膛出口NOx的排放量会相应增加至约450 mg/m3，需要在炉膛出口处设置相对较为简单的选择性非催化还原脱硝系统，但并不需要采用造价较高的选择性催化还原脱硝系统。表3给出了高温型600 MW超临界CFB锅炉主要设计参数。

3 结论

(1)W型火焰锅炉燃用无烟煤时燃烧性能优于煤粉锅炉，技术较为成熟，但炉膛出口NOx浓度较高;同时燃用中、高硫无烟煤时受热面的高温腐蚀也限制了该炉型向更高的超临界参数方向发展。

(2)CFB锅炉具有适于燃用包括无烟煤在内的各种燃料、不投油最低稳燃负荷低的特点，辅之以选择性非催化还原脱硝技术，在提高燃烧效率、稳定燃烧和污染物排放等方面具有优势，可作为无烟煤锅炉的优先选择。

(3)针对无烟煤燃烧效率低的技术问题，应开发高温型CFB锅炉技术，通过提高热循环回路的运行温度，提高锅炉的燃烧效率。

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［2］薛宁，白少林，相大光.W火焰炉低负荷稳燃问题的数值模拟研究［J］.热力发电，2003，32(11):27-31.

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［7］王为术，朱晓静，毕勤成，等.超临界W火焰锅炉垂直锅炉水冷壁低质量流速条件下热敏感性研究研究［J］.中国电机工程学报，2010，30(20):15-21.

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［12］孙献斌，李志伟，时正海，等.自主研发600 MW超临界CFB锅炉的设计研究［J］.中国电力，2009，42(11):11-15.

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(编辑:蒋毅恒)

Selection Analysis of 600 MW Supercritical Anthracite-Fired Boiler

SUN Xianbin
(Huaneng Clean Energy Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100098，China)

In order to better solve the technical problems during the selection of anthracite-fired boiler such as ignition，stable combustion and burnout，the configuration and operation performance were analyzed and compared between 600 MW supercritical W shaped flame boiler and supercritical circulating fluidized bed(CFB)boiler combined with practical engineering application.The research results show that，W shaped flame boiler has good combustion performance when burning anthracite，but has higher concentration of NOxat furnace outlet，and high temperature corrosion problems of heating surface cannot be ignored.However，the NOxconcentration at furnace outlet is relatively low and the combustion is stable for anthracite-fired CFB boiler，but the burning performance needs to be improved.It is suggested that supercritical CFB boiler should be preferred option for 600 MW anthracite-fired supercritical boilers，and it is necessary to improve the burning performance through reasonable technical way.

supercritical boiler;boiler type-selection;W shaped flame boiler;supercritical circulating fluidized bed (CFB)boiler;stable combustion;anthracite coal

TM 621.2

A

1000－7229(2014)01－0074－04

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.014［HT］

国家“十二五”科技支撑计划重大项目(2012BAA02B02)。

2013-08-16

2013-09-27

孙献斌(1963)，男，工学硕士，研究员，院首席科学家，从事循环流化床锅炉及清洁煤发电技术研究，E-mail:sunxianbin@hnceri.com。