超临界循环流化床锅炉技术(转载。学习

超临界循环流化床锅炉技术

毛健雄

清华大学 热能工程系，北京100084

摘要：燃煤火电技术应对气候变化实现二氧化碳减排共有三条可行的技术方案，一是尽可能提高发电效率，降低发电煤耗，从而减少二氧化碳排放；二是煤与生物质混烧，减少发电煤炭的消耗；三是采用二氧化碳捕获和封存技术（CCS）以实现二氧化碳接近零排放。在这三个技术方案中，煤与生物质混烧首先取决于政策，现在中国还没有关于大容量火电厂激励生物质混烧的政策。对于CCS技术，由于其高能耗和高投资，现在全世界还处在研发和示范阶段，在技术、经济和政策等方面还有许多不确定的因素，是几十年以后的事情。因此，当前最可行、经济、可靠的降低二氧化碳排放的技术就是提高效率，走超临界/超超临界技术发展的道路。现在我国煤粉炉的超临界/超超临界技术已经非常成熟，以螺旋盘管直流锅炉技术为代表的1000MWe超超临界机组的供电煤耗已达280gce/kwh。循环流化床（CFB）技术是迄今发展最为成功的清洁煤燃烧发电技术，特别是在中国得到了突出的发展，现在，循环流化床技术在容量上已达600MWe的水平，在蒸汽参数上已达超临界水平，正在追赶着煤粉炉。本文论述了超临界循环流化床技术基本特点，特别重点介绍了世界上第一台超临界循环流化床锅炉的设计和运行的情况，并展望了超超临界和二氧化碳接近零排放循环流化床技术的发展。

关键词：二氧化碳排放，循环流化床， 超临界技术

1前言

中国是目前世界最大的煤炭生产和消费国家，2009年中国煤炭消费量是30.02亿吨。燃煤火电是中国最大的煤炭消费行业，用于火力发电的原煤达16亿吨，占全国煤炭消费总量的53%。根据国务院能源办公室的预测，到2030年，化石燃料占中国一次能源消费的比例为 81%，其中煤炭占52.9%，即使到2050年，化石燃料占一次能源消费的比例仍将为71.5%，其中占煤炭占43.9%。因此，即使到2050年中国煤炭在能源结构中的比例从现在的70%下降到了50%，煤炭仍然是我国能源的主力，而且那时70%以上的煤炭将用于火力发电。现在全世界均面临着应对气候变化减排二氧化碳的挑战，中国现在已是二氧化碳排放的世界第一大国，全国80%以上的二氧化碳排放是来自煤炭的利用，我们正在面临着巨大的国际减排压力。中国的电力装机容量自改革开放以来，得到了史无前例的飞速发展，装机总容量已从1978年的57,120MWe增长到2009年的874,000MWe,30年增长了15倍。 2009年全国总装机容量为874,230MWe,其中煤电占74.60%，预计2010年中国全国总装机容量可望达到960,000MWe。煤炭是中国二氧化碳最大的排放源，而在煤炭的排放中，最大和最集中的排放源是燃煤火电。

中国政府20 09年11月26日宣布减少二氧化碳排放的具体目标：到2020年我国单位国内生产总值的二氧化碳排放要比2005年下降40%-45%，并将此作为国内约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。随着这一碳总量控制指标的制订，我国将正式进入碳总量控制的“低碳时代”。在这一大背景下，作为煤炭的最大消费者和最大的CO₂排放源，如何为实现我国减少二氧化碳排放目标做出贡献，燃煤火电行业肩负着重大的历史使命。

自从1920年代发现流态化现象，七十年代出现第一台循环流化床（CFB）锅炉至今，（CFB）锅炉技术已发展成世界上商业化最成功的洁净煤燃烧技术。由于CFB技术的燃料适应性和低排放的特点，非常适合中国以煤为主的能源结构和煤种多样、煤质复杂、煤种多变和多高硫煤、低质煤和煤矸石的特点，因此，中国的政策是大力推动CFB技术的发展，特别是大容量高参数的CFB技术，至2009年，中国已投运的CFB锅炉已接近3,000台，总容量达 72,870MWe (表1), 超过全世界其它国家的总和。在已订货的 CFB锅炉总容量中，锅炉容量在100MWe 和以上的为162台，其中300MWe等级的76台，其中已投运的300MWeCFB锅炉已超过30台。CFB锅炉机组在中国火力发电的总容量结构中，已日益占有越来越重要的地位，现在中国已成为世界上CFB机组数量最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家。为了适应火电技术高效节能和二氧化碳减排的要求，CFB技术也必需向更高参数和更高效率的超临界方向发展。继2009年在波兰世界上第一台460MWe超临界循环流化床锅炉投产以来，中国也开始在四川白马电厂兴建世界上第一台容量最大的600MWe超临界循环流化床锅炉，并在“十二五”期间规划发展800MWe超超临界循环流化床锅炉技术。

表1 中国CFB锅炉和机组现状统计（2009）

2 超临界循环流化床直流锅炉技术的特点

超临界锅炉是在更高温度和压力的超临界蒸汽参数下工作的，除了它必需采用直流锅炉外，它的蒸发受热面设计的安全性也比亚临界锅炉有更高的要求。直流锅炉蒸发受热面设计的主要要求是：

（1）尽量降低受热面管子金属材料温度的峰值：

a)防止管内流体偏离核态沸腾（ Departure from Nucleate Boiling -DNB)

b)防止管子烧干

（2）限制水冷壁相邻管子间的温差，防止因热应力而断裂，管子的吸热必需要适应热流率的变化。

为了解决上述问题， 已开发出了各种不同的直流锅炉蒸发受热面的结构，其中包括多通道垂直管、孔板垂直管、本生螺旋盘管和本生垂直管技术等，表2是几种直流锅炉技术的比较。

表2 几种直流锅炉技术的比较

现在超临界直流煤粉锅炉主要采用的是螺旋盘管直流锅炉技术，它的主要特点是：

(1)采用高质量流率以有效地冷却管子；

(2)螺旋盘管经过每一面炉墙大大减小管间吸热的不平衡；

(3)单上升流通道大大减少了互联管；

(4)倾斜螺旋盘管不能进行自支撑,需要特殊地支撑系统，结构复杂，增加了制造安装成本；

(5)蒸发受热面和过热器能够进行全变压运行；

(6)螺旋盘管不能用于循环流化床直流锅炉。

循环流化床炉膛内固体床料的流态化运动，由于磨损问题不能采用螺旋盘管的炉膛水冷壁蒸发受热面结构，而必需采用垂直管的水冷壁结构。因此，最新开发出的西门子低质量流率本生（ BENSON）垂直管直流锅炉技术，就成为超临界循环流化床直流锅炉的首选。本生垂直管直流炉膛蒸发受热面的特点是：

(1)采用优化的内螺纹管以有效地冷却管子；

(2)可采用低质量流率使直流锅炉具有自然循环的特性以限制管间的温差；

(3)单上升流通道大大减少了互联管；

(4)标准,简单的垂直管支撑，便于制造和安装；

(5)蒸发受热面和过热器能够进行全变压运行

(6)低质量流率减小蒸发受热面阻力可节省辅机电耗；

(7)可用于超临界CFB直流锅炉。

表3是本生垂直管和螺旋盘管水冷壁流动特性的比较，表4 是本生垂直管与螺旋盘管蒸发受热面的技术性能和经济性的比较：

表3是本生垂直管和螺旋盘管水冷壁流动特性的比较

表4 本生垂直管与螺旋盘管蒸发受热面的技术性能和经济性的比较

由表3和表4可见，采用垂直管低质量流率直流锅炉技术要比螺旋盘管技术有更大的优点，而循环流化床超临界直流锅炉技术，实际上是CFB的燃烧技术和本生垂直管直流锅炉技术的有机结合，它既可充分发挥CFB燃烧技术的优点，即低温燃烧和燃料适应性及低SO₂和NOx排放的优点，同时还发挥了超临界蒸汽参数高效率低CO₂排放的优点。

如果将超临界煤粉直流锅炉和超临界循环流化床直流锅炉进行比较，在炉膛燃烧侧，这两种锅炉也有很大的区别。对于煤粉炉，其燃烧侧炉膛的主要特点是：

（1）高温，不均匀的热流分布和辐射传热；

（2）灰融化会导致结渣；

（3）快速燃烧；

（4）开放式火焰；

（5）高NOx排放, 对于严格的NOx排放要求，需采用SCR系统；

（6）炉膛不能SOx 脱硫，脱硫必需采用FGD系统；

（7）有设计煤种具体要求。

对于循环流化床锅炉，其燃烧侧炉膛的主要特点是：

（1）低温, 均匀的温度和热流率分布；

（2）固体颗粒传热；

（3）燃料燃烧时间长；

（4）没有火焰，不存在结渣问题；

（5）由于低温和分级燃烧，NOx的排放非常低；

（6）炉膛喷入石灰石即可高效脱硫；

（7）燃料灵活性的设计，可容易和生物质混烧。

从燃烧侧炉膛的比较可见，CFB锅炉由于低温燃烧和均匀的炉膛温度和热流分布（图1），加上其低的排放和突出的燃料灵活性，和煤粉炉相比（图2），CFB为超临界锅炉技术提供了最理想的平台。超临界CFB直流锅炉炉膛的主要特点是：

（1）热流率比煤粉炉的低50％以上。由图1可见，CFB锅炉最高热流率发生在下炉膛覆盖了耐火材料的区域，在此处管内流体恰好处于超临界压力的低温状态。

（2）因为CFB炉膛内的热流率很低，因此在满负荷时的垂直管蒸发受热面的质量流率可设计在500－700kg/m²-s的范围，大大低于螺旋盘管煤粉炉必须采用1800kg/m²-s的质量流率。

（3）由于低而均匀的热流率分布，可采用低质量流率使本生直管CFB锅炉具有“自然循环”的特性，使得CFB锅炉蒸发受热面管子和管子间的温差大大降低。

图1 CFB锅炉热流率沿炉膛高度的分布

图2 煤粉炉和CFB热流率沿炉膛高度分布的比较

3 世界上第一台超临界循环流化床直流锅炉

世界上容量最大的第一台460 MWe超临界CFB 锅炉（图3）于2009年3月在波兰PKELagisza电厂正式投入运行。该锅炉由福斯特惠勒公司供货，采用福斯特惠勒的整体式紧凑型CFB炉膛和本生直管蒸发受热面设计。这台460MWe超临界直流锅炉的设计参数见表5，设计燃料见表6。由表6可见，这台锅炉设计时还考虑了要能够燃烧高至50％的洗煤厂的洗矸和混烧10％的生物质燃料，充分体现了CFB锅炉的燃料灵活性。Lagisza超临界CFB电厂的设计净效率为43.3%（低位热值）。

图3 世界上容量最大的第一台460 MWe超临界CFB 锅炉在波兰 Lagisza正式投入运行

表5 波兰 PKE Lagisza电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计参数

表6 波兰 PKE Lagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉的设计燃料

设计要求燃烧高至50％的洗煤厂的洗矸和10％的生物质燃料

这台超临界直流锅炉是福斯特惠勒的紧凑型CFB燃烧系统和西门子本生垂直管低质量流率直流锅炉技术的结合，图4是460MWe超临界CFB直流锅炉的三维立体图，其炉膛深10.6 m、宽度:27.6 m、高度 48 m。

图5和图6分别是设计剖面图和分离器及换热器位置示意图。作为循环流化床关键部件的紧凑型固体分离器共有8个，它们对称平行布置在炉膛的两侧。该分离器高具有而窄的入口设计，可形成均匀的烟气固体流动，避免了高的局部速度，其优点是各个分离器具有相同的高分离效率和非常低的阻力损失。该锅炉总的设计特点是：

（1）炉膛汽水回路

–本生垂直管

–炉膛膜式壁光管水冷壁（Ø38 x 8.0 mm, 质量流率 ~ 600kg/m²s）

–炉内全高度蒸发受热面管屏采用内螺纹管(Ø51 x 8.8 mm, 质量流率~ 600 kg/m²s)

–整体式流化床换热器（INTREX）悬挂在省煤器回路上

（2）炉膛顶篷处于初级过热器回路中

（3）紧凑型固体分离器处于第三级过热器回路中

（4）整体式流化床换热器（INTREX）处于末级过热器 / 再热器回路中

（5）串连布置尾部受热面；

（6）采用回转式空气预热器；

（7）采用静电除尘器；

（8）采用水冷底灰冷灰器；

（9）采用床上启动燃烧器；

（10） 采用本生直流锅炉启动系统；

（11） 采用烟气熱回收系统，可将烟气温度降低至 85^oC(提高效率0.8% )。

图4 460MWe超临界CFB锅炉三维立体图

图5460MWe超临界CFB锅炉剖面图图6 分离器和换热器位置示意图

图7 波兰 PKE Lagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉的汽水系统

图7 所示我为该超临界CFB直流锅炉的汽水系统，由图可见，干蒸汽从汽水分离器出来后进入位于炉膛顶部过热器，然后蒸汽进入过热器的支吊管、尾部包墙管和对流过热器I。过热器II位于上炉膛的床料低浓度区，过热器下端采用防磨保护措施。在过热器II以后，蒸汽被导入由过热器III形成的8个平行的固体床料分离器，这些分离器的壁是由气密的水冷壁鳍片管构成，管子上敷设具有高导热系数的薄层耐火材料。过热器IV是末级过热器，它位于炉膛两侧的4个整体式流化床换热器（INTREX）的一侧中。通过两级喷水减温以及调节燃料给料量来控制主蒸汽的温度。第一级再热器位于对流烟道中，末级再热器和末级过热器一样，位于整体式流化床换热器（INTREX）中。Lagisza电厂按照负荷变化进行滑压运行。

该锅炉自投产以来，运行稳定，调节性能好。表7、8、9 分别为波兰 PKELagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉投运后的初步性能测试结果。一年多的运行说明了：

（1）这一目前世界上容量最大的超临界CFB锅炉良好和稳定的运行，实现了将CFB锅炉的燃烧过程和本生垂直管直流锅炉技术的成功有机结合；

（2）该超临界CFB锅炉的运行性能非常接近设计性能，从而证明了大容量CFB锅炉计算机数学模型和设计工具能够准确地模拟和预测大容量CFB锅炉的实际运行性能；

（3）Łagisza 电厂460Mwe超临界CFB直流锅炉具有良好的动态特性，能够满足电网的运行要求：其步调能力为 30秒内负荷变化率±5%(MCR) (电网频率控制)；负荷变化范围为40%-100%；负荷变化速度为±4%(MCR)/min

（4）锅炉可自动处理下列紧急情况：

- 汽轮机停机

- 一次风机、二次风机、引风机停机

- 高压加热器故障

- 在厂用电中断（给水泵停运）时对蒸发受热面管子的保护

（5）Łagisza 460Mwe超临界CFB直流锅炉证明了该大容量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。

（6）Łagisza460MWeCFB直流锅炉的成功证明了大容量、高参数超临界电站CFB锅炉设计平台的成功，并为今后设计更大容量和更高参数的CFB锅炉提供了可贵的经验。

表7 波兰 PKELagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉的设计和运行实测性能参数

表8 波兰 PKELagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉的运行实测的燃烧效率

表9 波兰 PKE Lagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉的运行实测的排放值

注：* @ 6% O₂,干态

** 该数据为锅炉投运后在初次热平衡试验时所得

***排放限额为波兰国家标准

4 800MWe 超超临界CFB锅炉和富氧燃烧 CFB技术的研发

在波兰 PKELagisza电厂的460MWe超临界CFB直流锅炉建设的后期，欧洲联盟于2005年开始了800MWe超超临界CFB直流锅炉的研发，参加该项目研发计划的机构包括；福斯特惠勒公司、芬兰国家技术研究中心（VTT)、西班牙的EndesaGeneración 电力公司、德国西门子公司、西班牙Rundacion CIRCE 公司和希腊Hellas 研究和技术中心。该800MWe超超临界 CFB直流锅炉技术的开发分两步走的两个方案：

(1) 第一方案蒸汽参数为30MPa/600^oC/620^oC的常规超超临界CFB；计划于2010年开发出容量为800 MWe常规超超临界CFB直流锅炉使之商业化；

(2)第二方案蒸汽参数为35MPa/700^oC/720^oC的先进超超临界CFB,达到和煤粉炉AD700超超临界机组相同的效率目标，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。

表10 800MWe超超临界CFB直流锅炉研发计划的设计参数

800 MWe超超临界CFB锅炉开发计划的第一方案，即常规的超超临界CFB锅炉，其内容包括：概念设计、性能设计、系统设计、布置设计和结构设计。其中包括设计工具和设计软件模拟方法开发，这些软件和方法是：超超临界CFB的1D,3D CFB 模型、整体式换热器INTREX模型、流体数学模型（CFD）和动态模型。计划利用Lagisza超临界CFB电厂的现场试验数据来对模型和设计工具进行验证。按照计划，该项目可望在2010年达到可进行商业化投标的阶段。表10和11是为该方案的设计参数和设计燃料，图6 和图7 分别是800 MWe超超临界 CFB锅炉第一方案的设计图和三维立体图。

表11 800MWe超超临界CFB直流锅炉研发计划的设计燃料

图8 800MWe超超临界CFB锅炉的设计图图9 800 MWe超超临界 CFB的三维立体图

图10 Foster Wheeler 研发的 600/800MWe 超临界/超超临界CFB富氧燃烧技术

为了使超超临界CFB技术在可能达到的最高发电效率的基础上，最终达到二氧化碳接近零排放的目标，并为配合欧盟关于碳捕获和封存（CCS）示范电厂的计划，全世界正在开发的二氧化碳接近零排放（CCS)的技术将用于500 和 800 MWe 的超超临界火电机组（煤粉炉和CFB)。欧盟参与研发超超临界CFB碳捕获项目的有关公司有FosterWheeler, VTT, CANMET, Endesa, PVO和Vattenfall等。图8为 Foster Wheeler研发的 600/800 MWe超临界/超超临界CFB富氧燃烧技系统的示意图。该技术既能以空气燃烧的经济方式运行，也可以富氧燃烧（Oxyfuel）运行，以捕获高浓度CO₂达到大幅度减排二氧化碳的目标。据认为，富氧燃烧（Oxyfuel）方法更适合于循环流化床燃煤锅炉，它的特点和计划为：

◇其灵活的设计具有减缓电厂对捕获二氧化碳的投资的灵活性

◇该技术是火电厂捕获CO₂ 技术中性价比最优的方法，它可使高能耗的二氧化碳分离过程减至最小

◇现在正在进行几种不同方案的设计和中间试验

◇预期容量为500至800 MWe的超超临界CFB的CCS技术，有望在欧盟资助下能够在2012-2014期间在西班牙进行商业化的示范运行。

5 结论

(1)全球气候变化深刻影响着人类生存和发展,是各国共同面临的重大挑战，更是能源工业面临的最大环境压力。中国火电是最大二氧化碳排放源，火电技术必需应对挑战大力解决降低二氧化碳排放问题。

（2）从长远看，燃煤火电技术应对气候变化的挑战的唯一出路，可能就是发展二氧化碳接近零排放的碳捕获和封存技术（ CCS），但二氧化碳接近零排放的CCS技术，能否最终达到大规模推广应用，目前在技术上、经济上和政策上还很不确定，因此，CCS的大规模推广应用，可能还是几十年以后的事。在CCS技术能够真正推广应用和核能及可在生能源成为主导技术之前的一个相当长的时期，最大限度地提高发电效率是当前最主要的火电节能减排的方向。

（3）以超临界/超超临界技术为主导的尽可能提高效率的燃煤发电技术，是目前唯一能够大幅度降低火电二氧化碳排放的最现实、经济、可靠的洁净煤发电技术。循环流化床技术向着超临界/超超临界方向发展是必然的趋势。

（4）世界上第一台460MWe超临界CFB在波兰成功的投产是CFB技术发展的里程碑，它为进一步发展更大容量和更高参数和效率的超临界/超超临界CFB技术打下了基础， 也为中国600MWe超临界CFB工程的建设树立了信心，并将促进在“十二五”期间我国开发800MWe超临界的CFB技术。发展更高效率的超临界/超超临界CFB，使CFB技术不但能够充分发挥其燃料灵活性的优点，而且使其成为名副其实的高效清洁煤燃烧发电技术。

参 考 文献

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作者简介：

毛健雄（1935年生），男，安徽合肥人，大学毕业，荣誉博士学位，清华大学教授， 研究方向：热能工程和清洁煤发电技术。

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