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循環流化床鍋爐技術的現狀及發展前景
摘 要：簡要介紹了國外循環流化床鍋爐技術的發展現狀，重點討論了近年來國內循環流化床鍋爐技術的研究進展，分析指出了循環流化床鍋爐技術的發展趨勢。循環流化床鍋爐未來將朝著大型化超臨界、深度脫硫與脫硝、能源綜合利用等方向發展。目前，我國已掌握150MWe及以下各種容量級循環流化床鍋爐的設計和制造技術，并通過技術引進開始了300MWe容量級CFB鍋爐的生產，未來將大力發展600MWe以上超臨界參數鍋爐技術。
關鍵詞：動力機械工程;循環流化床;鍋爐技術;進展
循環流化床鍋爐(CFB)燃燒技術具有氮氧化物排放低、可實現在燃燒過程中直接脫硫、燃料適應性廣、燃燒效率高和負荷調節范圍大等優勢，已成為當前煤炭潔凈燃燒的首選爐型。時至今日，循環流化床鍋爐技術已發展到一定水平，目前正往大容量、超臨界、高潔凈方向快速前進�？偨Y循環流化床鍋爐技術的最新進展，預測循環流化床鍋爐技術未來的發展方向，對于推動循環流化床鍋爐本身的技術進步、進一步推廣循環流化床鍋爐技術以解決我國當前能源短缺、環境污染嚴重等問題，具有重要的現實意義。
受中國動力工程學會委托，由我們負責撰寫了《循環流化床鍋爐技術的最新進展與展望》一文，并由學會推薦編入中國科協主編的《學科發展藍皮書——2004卷》。本文是在《循環流化床鍋爐技術的最新進展與展望》一文的基礎上整理而成。
1、國外循環流化床鍋爐的發展現狀
國外第一臺商業循環流化床鍋爐由芬蘭的Ahlstrom 公司開發，于1979年在芬蘭Pihlava投運;緊接著于1982年，由Lurgi公司開發的、用于燃燒洗煤廠尾料的1臺84Mwth CFB鍋爐在德國的Leunen投運。1985年9月，世界上第一臺96Mwe再熱式CFB鍋爐在德國杜伊斯堡城市電廠投運并獲得了成功。
近2O、3O年來，CFB鍋爐技術在國外得到了快速發展，在西方國家現有37家公司生產流化床鍋爐，其中就有27家生產CFB鍋爐。經過多年來的發展和整合，目前國外循環床鍋爐的生產主要集中在Foster Wheeler Ahlstrom 公司和Alstom 公司旗下的幾個子公司中。截至2002年底，國外鍋爐廠家已生產CFB鍋爐總容量已超過30000MWe。目前，循環流化床鍋爐的檢驗規程和安全規程已列入美國ASME標準，這是其技術成熟的一個重要標志。
近年來，國外循環流化床鍋爐技術快速地往大型化和高參數方向發展。迄今為止，世界上200MW級的CFB鍋爐總裝機容量已超過5000MW 。其中Alstom 公司為法國Gandanne 電廠制造的25OMwe CFB 鍋爐已于1996 年投運，Fw/Ahlstrom 公司為美國Jacksonville電廠制造的300MWe級CFB鍋爐亦已在2002年內投運。在更高容量方面，Foster—Wheeler公司已于2003年與波蘭電力公司簽訂了生產目前世界上容量最大、也是第一臺460MWe級超I臨界循環流化床鍋爐。該公司同時也獲得了法國電力公司600MWe級超臨界CFB鍋爐的制造合同，并已完成了方案的深度設計。目前，國外100MWe以上容量的循環流化床鍋爐約有6O臺，其中已經投運的有4O余臺。在運行的最大容量循環流化床鍋爐為美國佛羅里達300MWe燃用石油焦的循環流化床鍋爐。另有近10臺200～300 MWe循環流化床鍋爐正在安裝或制造中 。
據統計，國外大型CFB鍋爐(≥100MWe)用戶主要分布在歐美，亞洲(不含中國)僅占約2O 左右。波蘭是國外大型CFB鍋爐的用戶大戶，截至2003年底，波蘭已投運的100MWe級以上CFB鍋爐超過15臺，其CFB鍋爐的爐型、容量、使用燃料等較有代表性。表1列出了波蘭目前運行的100MWe以上CFB鍋爐情況l2j。
由表1可見：波蘭已投運的CFB鍋爐絕大部分是Ahlstrom /F.W 公司設計制造，這從一個側面反映了Foster—Wheeler/Ahlstrom Pyropower公司占有世界CFB鍋爐市場主要份額的情況。目前，國外大型CFB鍋爐的設計生產和運行水平已達一定高度。
從表2可見，Gardanne電廠的實際運行效率和污染排放水平甚至優于設計保證值的要求。這說明國外CFB鍋爐企業已掌握了大型CFB鍋爐的設計制造技術。當然，限于所使用燃料的特殊性，并不是所有已投產的大型CFB鍋爐都運行良好。據報道，于1999年投運、安裝在韓國Tonghae電廠、燃燒當地無煙煤的220MWe級CFB鍋爐在初始運行中尚存在有旋風分離器和回料閥運行溫度高于設計值、飛灰含碳量偏高和燃燒效率達不到設計值等問題 J，后來經過大的整改，包括對旋風分離器進行重新設計改造，這些問題才得到了較好的解決。
2、國內循環流化床鍋爐的進展
2.1 概述我國的循環流化床燃燒技術分為自主開發、國外引進及引進技術的消化吸收三個主要來源。進入上世紀9O年代以來，我國循環流化床鍋爐數量和單臺容量逐年增加。據不完全統計，現有近千臺35～460t/h循環流化床蒸汽鍋爐和熱水鍋爐在運行、安裝、制造或訂貨，平均單機容量從37.4lt/h上升至106.78t/h;參數從中壓、次高壓、高壓發展到超高壓。單臺容量已經發展到670t/h(圖1)。截至2003年，投運臺數已有700多臺。單爐最大容量為465t/h，發電量150MWe。目前，我國已成為世界上循環流化床鍋爐臺數最多和總蒸發量最大的國家，總運行臺數已超過世界其它地區所有循環流化床鍋爐的總和 。
2.2 國內循環流化床鍋爐技術水平現狀與進展近年來，在吸收和消化引進技術的基礎上，我國自主開發的CFB鍋爐水平有了長足進步，并已在一些核心技術上取得了突破。比如，浙江大學率先開發了下排氣旋風分離器循環床鍋爐。此爐型在水平煙道與尾部豎井煙道相連接的換向室中布置下排氣旋風分離器，將水平煙道與尾部豎井煙道整裝為一體，使鍋爐具有典型的“兀”型布置，具有結構緊湊、深度小、易于大型化等優點;清華大學跟蹤國際上出現的水冷方型分離器，成功地開發了具有獨立知識產權的水冷異型分離循環流化床鍋爐，該爐型具有結構緊湊、密封性能好、分離效率高、重量輕、啟動時間短等優點，且也有易于放大和大型化生產的潛力等_5]。目前，國產循環流化床鍋爐在130t/h及以下等級已過關，并完全取代了這個等級的進口鍋爐，占領了國內市場。在220t/h等級上(50MWe)，通過技術引進、消化吸收和自己組織合作開發等方式，如東方鍋爐廠引進國外技術生產、國家電力公司熱工研究院和濟南鍋爐廠的合作、清華大學和無錫鍋爐廠的合作、中科院工程熱物理所與武漢鍋爐廠的合作等。早在上世紀9O年代中期，我國就已開發出了此容量級不同類型的中溫中壓、高溫次高壓和高溫高壓CFB鍋爐。目前，國內已完全掌握了這一容量級CFB鍋爐的制造技術，個別產品甚至出口到發展中國家。據統計，我國這個容量級CFB鍋爐已有5O多臺在運行、另有幾十臺在生產中。在410t/h容量級上(100MWe)：在上世紀9O年代中期，東方鍋爐廠和國家電力公司熱工研究院的合作，引進Ahlstrom公司技術生產了國內第一臺410t/h容量級CFB鍋爐，投運于四川內江;“九五”期間，國家又組織了哈鍋、東鍋、清華大學、浙江大學等單位，共同完成了科技攻關項目“100MWe級循環流化床鍋爐的研制”;經過幾年來的自主開發和消化吸收，目前國內也已掌握了該容量級CFB鍋爐的生產技術并實現了國產化。2002年，由國電熱工研究院和哈爾濱鍋爐廠合作研制的國產第一臺410t/h級循環流化床鍋爐在江西分宜投運，取得了成功。目前，國內這個容量級的CFB鍋爐已有近10臺投入運行，另尚有10臺左右在生產之中;在440～ 480t/h容量級方面(135MW～150MWe)。現在主要由哈鍋、東鍋和上鍋等三大鍋爐企業合作，引進國外技術生產。哈爾濱鍋爐廠利用引進技術生產的135MWe級循環流化床鍋爐于2003年上半年在河南新鄉電廠投運;2004年4月，2臺135MWe循環流化床鍋爐順利地通過了國電熱工研究院進行的性能達標試驗;由上海鍋爐廠有限公司引進技術分包承制的465t/h循環流化床鍋爐(135MWe)已于2003年8月在山東濟寧電廠啟動達到滿負荷并順利通過了168h運行試驗;由東方鍋爐廠消化引進技術生產的135MWe再熱超高壓循環流化床鍋爐也在2003年底在江蘇大屯電廠成功投運;這批鍋爐除了冷渣器系統及磨損存在一些問題外，在負荷、熱效率和脫硫效率等方面均已達到或超過了設計保證值。同時，國家也組織國內有關企業和研究機構在消化吸收引進技術基礎上進行自主開發。其中，由清華大學與哈爾濱鍋爐廠合作完成的440t/h超高壓再熱循環流化床鍋爐(135Mwe)已于2003年7月通過了科技部的驗收。
這是目前國產已投運的最大容量循環流化床鍋爐;由無錫鍋爐廠與中科院合作開發的480t/h(150MWe)CFB鍋爐電廠正在內蒙古烏達電廠建設之中。另外，國內的一些研究機構還參與了該容量級國外循環床鍋爐技術的消化、吸收與開發，如浙江大學作為技術依托機構參與了多項該等級燃用劣質煤的循環流化床電廠建設。這些成果表明，在消化引進技術和結合自己研發經驗的基礎上，我國已基本掌握了這個容量級CFB鍋爐的設計和制造技術。目前，國內三大鍋爐企業(東鍋、哈鍋、上鍋)已投運、生產、和接受訂單擬生產的135MW～150MWe級CFB鍋爐總量已超過100臺。在更大容量方面，國內同樣也走引進技術和自主開發相結合的發展道路。東鍋、哈鍋和上鍋合作，共同引進了Alstom 公司1025t/h(300MWe)容量級CFB鍋爐的制造技術。同時，由哈鍋、國電熱工院等多個單位合作開發的200MWe循環流化床鍋爐已在江西分宜建設之中。目前，上鍋已在生產的300MWe容量級(1025~1065 t/h)CFB鍋爐有3臺，并另有訂單1臺;而哈鍋和東鍋也已分別接受了6臺1025 t/h(300MWe)CFB鍋爐訂單。
由上述可知，從引進到自行設計制造，近年來我國循環流化床鍋爐發展迅速，在循環床鍋爐大型化方面已取得了可喜的發展，與世界水平的差距正在逐步縮小。表3是目前我國已投運的1 00MWe以上CFB鍋爐電廠情況。由表3可見，近年來特別是2002年以來，我國大型CFB鍋爐發展神速，每年以超過1000MWe以上的投運容量在迅速增加。
2.3 目前國內形成的CFB鍋爐主要技術流派與特點目前，我國主要的鍋爐生產廠家有哈爾濱鍋爐廠、東方鍋爐廠、上海鍋爐廠、濟南鍋爐廠、無錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠、四川鍋爐廠、武漢鍋爐廠、南通鍋爐廠等企業。這些企業要么引進國外技術生產、要么與國內研究機構合作開發，其生產的CFB鍋爐的技術特點可歸納如下(表4) j：
3、循環流化床鍋爐技術的發展趨勢
3.1 大型化、超臨界方向發展
3.1.1 可行性國內外專家普遍認為，循環流化床鍋爐未來將朝著大型化、超臨界方向方展。這是因為，一方面，CFB鍋爐由于自身特點而易于大型化 ]：①采用了一級飛灰分離循環燃燒，系統相對簡單，便于大型化。②不論是國外開發的方型分離器，或是國內開發的水冷異型分離器和下排氣旋風分離器，均能與鍋爐本體形成整體形式，結構緊湊，易于大型化。另一方面，循環流化床燃燒技術由于具有以下固有燃燒特性而使它特別適合于與超臨界參數技術結合：
(1)循環流化床鍋爐爐膛內的溫度比常規的煤粉爐低得多，因此爐膛內的熱流要比煤粉鍋爐低。而循環流化床鍋爐爐內較低的熱流密度可降低對水冷壁冷卻能力的要求;
(2)在循環流化床鍋爐爐膛內，固體濃度和傳熱系數在爐膛底部最大，且隨著爐膛高度的增加而逐漸減小，熱流曲線的最大值出現在爐膛底部附近。
這樣，爐膛內高熱流密度區域剛好處于工質溫度最低的爐膛下部區域，避免了煤粉鍋爐爐膛內熱流曲線的峰值位于工質溫度較高的爐膛上部區域這一矛盾。因此，循環流化床鍋爐爐內熱流分布特點也比較有利于水冷壁金屬溫度的控制;
(3)循環流化床鍋爐的低溫燃燒使得爐膛內的溫度水平低于一般煤灰的灰熔點，所以水冷壁上基本沒有積灰結渣，再加上爐膛內有較高的固體顆粒濃度，這能夠保證水冷壁的吸熱能力;
(4)與煤粉爐相比，循環流化床鍋爐爐膛內的溫度沿爐膛高度方向更加均勻，因而工質沿水冷壁高度方向的吸熱也更加均勻，從而有利于控制各段水冷壁的吸熱量。
3.1.2 優勢超臨界循環流化床鍋爐可結合超臨界鍋爐和循環流化床鍋爐兩者的技術優勢，具有運行效率高、煤耗低、污染物排放少等優點。另外，容量的有效放大必將促進循環流化床鍋爐與煤粉鍋爐在全部容量產品上展開競爭。理論上，朗肯循環效率—— 即蒸汽的熱能轉化為電能的效率隨著蒸汽參數的提高而提高，提高鍋爐主蒸汽的壓力和溫度可以提高鍋爐的熱效率。因此超臨界壓力蒸汽循環能夠提高電廠效率，從而減少耗煤量和電廠運行費用。國外研究認為u ，采用超臨界蒸汽參數的循環流化床鍋爐的發電熱效率可以達到43.2 ，這將比目前我國發電廠平均效率高約1 2 ，和傳統的燃氣蒸汽聯合循環發電熱效率相比毫不遜色，卻能大大降低其成本。
目前，300MWe亞臨界參數循環流化床鍋爐國內已通過技術引進在生產之中，而國外甚至已完成了600MWe超臨界CFB鍋爐的深度方案設計。國內外的研究測算認為，600MWe將是未來主力發電機組的最低界限。已投運煤粉爐的生產實踐表明，600MWe超臨界機組與同等級亞臨界機組相比，發電效率可提高約3 ，達到41 ，每千瓦時煤耗可由324g減少到300g，經濟和環保效益明顯。因此，可以預見：今后我國循環流化床鍋爐發展的一個趨勢將是大力發展600MWe以上超臨界參數鍋爐技術。
3.2 深度脫硫與脫硝
3.2.1 深度脫硫深度脫硫是循環流化床鍋爐技術今后發展中需要解決的一個重要問題。這是因為，一方面，我國目前已是世界上擁有CFB鍋爐數量和容量最多的國家，CFB鍋爐脫硫效率的進一步提高將對減少SO。
排放總量產生顯著效果。同時，隨著人們對環境保護問題的El益重視，國家對SO。排放的控制標準已更加嚴格。我國擬執行的新《火電廠污染物排放標準》
已把火電廠SO。最高允許排放濃度由原來的8001200 mg/m。降低到了400 mg/m。，因此今后必將對CFB鍋爐的脫硫技術提出更高要求。這是CFB鍋爐進行深度脫硫的外部動力;還有，也是其中最重要的原因，就是目前循環流化床鍋爐爐內脫硫的優點正受到了挑戰。比如與濕法脫硫相比，循環流化床鍋爐爐內脫硫尚有Ca/S摩爾比高，脫硫效率低等不足。
舉一個例子，為達到90 9/5的脫硫效率，采用循環流化床鍋爐爐內添加石灰石的脫硫方法，鈣硫摩爾比一般需達2.0以上，而采用煙氣濕法脫硫技術，鈣硫摩爾比僅需1.1左右l1 。近年來，隨著濕法脫硫技術的進步，尾部煙氣脫硫的成本已逐步降低。因此，如再考慮爐內添加石灰石脫硫將改變灰渣性質、增加灰渣處理成本、降低灰渣利用價值等因素，那么與煤粉爐+FGD系統相比，循環流化床鍋爐系統在脫硫方面的總體優勢正在減弱，因此需要在技術層面上予以改進。這是CFB鍋爐進行深度脫硫的內在要求。
3.2.2 深度脫硝循環流化床鍋爐自身的低溫燃燒特性和空氣分級供給燃燒方式對抑制氮氧化物生成十分有利，因此其NO 排放量很低，是一般同容量PF鍋爐的25 9/5～20 約為采用先進低氮燃燒技術PF鍋爐的1/2。目前，CFB鍋爐煙氣中的NO 排放濃度大多能控制在300mg/Nm 以下，低于國家規定的排放控制標準。但從長遠看，隨著國家對NO 排放要求的進一步提高，150mg/kg或更低的排放量可能會成為CFB鍋爐的排放控制水平口 。因此，未來CFB鍋爐低污染燃燒的另一方向是深度脫硝。
3.3 能源綜合利用能源綜合利用是循環流化床鍋爐今后發展的另一個重要方向。能源綜合利用包含有3方面內容：其一是以CFB鍋爐為平臺對一些低級能源資源綜合優化利用。目前在這方面做的比較好，已開發出針對于燃燒石油焦、污泥、生物質、垃圾廢棄物等各種類型的CFB鍋爐并取得了成功經驗 副;其二是循環流化床鍋爐與其它能源或原材料加工系統整合從事能源高效利用，這是循環流化床鍋爐技術今后應重點發展的一個方向。目前，以循環流化床鍋爐技術為基礎的IGCC系統、PCFBC系統均已開發成功并已產業化，今后應朝著大型化和優化運行方向發展 ;其三是CFB鍋爐燃燒后產生的灰渣綜合利用。這是CFB鍋爐今后發展中尚待解決的一個難點問題。循環流化床鍋爐運行中由于采用了爐內添加石灰石脫硫技術，不但增加了它的灰渣數量，而且也使它的灰渣與普通煤粉爐產生的灰渣在形態、粒度、化學性質等有很多不同之處，以至于很難用常規的灰渣利用方式對其進行處理。開發研究適合CFB鍋爐脫硫灰渣的處理方式和利用途徑已成為目前國內外關于循環流化床鍋爐未來發展的一個研究熱點 。鑒于鍋爐產生的灰渣數量巨大，人們希望能夠尋找某種在燃燒時就改變灰渣性質的工藝，以便從源頭上杜絕灰渣的產生。循環流化床鍋爐聯產水泥是其中的一個解決方案。圖2描述了l臺以高灰煤為原料(燃料)的CFB鍋爐實現熱、電、水泥三聯產的裝置流程u 。目前，浙江大學在這方面已作了許多前瞻性的探索工作。
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