超（超）臨界循環流化床直流鍋爐技術的發展

毛健雄

（清華大學熱能工程系，北京市，100084）

0 引言

循環流化床（circulating fluidized bed，CFB）技術已發展成為實用化最成功的潔凈煤燃燒技術之一，正在向大型化的方向迅速發展[1-16]。以自然循環為基礎的亞臨界循環流化床鍋爐技術，已達到了電站鍋爐的容量水平。目前，我國已成為世界上循環流化床鍋爐臺數最多、總裝機容量最大和發展速度最快的國家。到2008年底，全國已投運的CFB鍋爐已超過3 000臺，總容量達6.7 GW，占全國煤電裝機總容量的11.61%。其中，容量為100～200MW的CFB鍋爐超過100臺，已投運的300MW CFB鍋爐15臺，在建的300MW CFB鍋爐64臺，加上已經立項的工程，我國300MW等級亞臨界CFB鍋爐工程項目已經超過100臺。當前，在火電行業面臨二氧化碳減排的巨大壓力下，循環流化床鍋爐也必須走高效率的超臨界、超超臨界蒸汽參數的發展道路。

1 超臨界CFB鍋爐的特點

超臨界蒸汽參數運行的鍋爐必須采用直流鍋爐。目前，直流鍋爐蒸發受熱面所面臨的主要安全問題有：一是要最大限度地降低管壁溫度的峰值，避免偏離核態沸騰而爆管；二是要限制相鄰水冷壁管的溫差，以防止由于熱應力而導致管斷裂。因此，在直流鍋爐設計中，采取了許多措施以防止上述問題的出現。現在流行的直流鍋爐主要采用高質量流率和螺旋盤管技術，前者是為了避免偏離核態沸騰管壁超溫而爆管，后者是為了保證管道的均勻吸熱，防止熱應力的出現。由于爐膛內固體顆粒流態化運動會沖刷磨損管道，因此，循環流化床鍋爐不能采用螺旋盤管技術，而只能采用垂直管的爐膛蒸發受熱面。現在有3種垂直管直流鍋爐技術，即：（1）早期的高質量流率多通道直流鍋爐，由于其不能變壓運行，現在已不再采用；（2）高質量流率的蘇爾壽型直管技術；（3）低質量流率的本生垂直管直流鍋爐技術，該技術是西門子公司近期開發出的最先進的直流鍋爐技術。和當前大多超超臨界煤粉爐采用的螺旋盤管直流鍋爐技術比較，本生低質量流率的垂直管直流鍋爐技術有許多優點，如表1、2、3所示。表1為本生垂直管和螺旋盤管水冷壁流動特性的比較；表2為垂直管和螺旋盤管水冷壁安裝工作量的比較；表3則為本生垂直管和螺旋盤管直流鍋爐建造和運行成本的比較。

表1 本生垂直管和螺旋盤管水冷壁流動特性的比較Tab.1 Comparison of flow character between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall

表2 垂直管和螺旋盤管水冷壁安裝工作量的比較Tab.2 Comparison of installation work for water wall between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall

表3 本生垂直管和螺旋盤管直流鍋爐建造和運行成本的比較Tab.3 Comparison of construction and operation cost between Benson vertical tube water wall and spiral tube water wall once-through boiler

現在國內外開發超臨界循環流化床鍋爐時，多半采用西門子公司開發的本生垂直管直流鍋爐技術，該技術具有以下特點：（1）采用優化的內螺紋管，以有效地對管道進行冷卻；（2）內螺紋管可采用低質量流率，從而使直流鍋爐具有自然循環的特性，以限制管間的溫差；（3）爐膛水冷壁管為單上升流通道，大大減少了互聯管；（4）采用標準、簡單的垂直管支撐；（5）蒸發受熱面和過熱器能夠進行全變壓運行；（6）蒸發受熱面阻力小，可節省輔機電耗。

從表2和表3可以看出，超臨界循環流化床鍋爐采用本生垂直管直流鍋爐技術，其制造、安裝比煤粉爐采用的螺旋盤管要簡單得多；另外，超臨界循環流化床鍋爐可以采用低質量流率運行，因而大大降低了運行的流動阻力，從而降低了給水泵的電耗。

與螺旋盤管的超臨界煤粉爐相比，超臨界CFB直流鍋爐具有以下優點：（1）采用低質量流速本生垂直管技術，使得水冷壁的流動阻力減小，從而減少了給水泵的電耗，因而降低了電廠的凈熱耗。（2）超臨界CFB直流鍋爐爐膛的熱流率較低，而且具有均勻的燃燒溫度和均勻的熱流分布，因而鍋爐管道對過熱超溫并不敏感。（3）燃料的靈活性是CFB鍋爐的固有特性，它對燃料成分的變化不敏感。在許多情況下，即使是同一煤礦的煤種，其熱值、灰分和水分含量等均可能有很大的不同，這些燃料成分的變化并不會影響CFB鍋爐的燃燒溫度。因此，CFB鍋爐更適合于與生物質混燒，以進一步降低二氧化碳排放。（4）無須采用煙氣凈化設備而具有較低的二氧化硫和氮氧化物排放能力。因此，無論從經濟性、可靠性、燃料適應性還是低排放特性，CFB技術更適合于超臨界蒸汽參數的直流鍋爐。

2 460MW超臨界CFB鍋爐的設計及運行特性

波蘭Lagisza電廠460MW超臨界CFB鍋爐（以下簡稱“Lagisza鍋爐”）由Foster Wheeler公司供貨，是目前世界上已投入商業運行中容量最大的CFB鍋爐。工程實行項目總承包制，供貨范圍包括CFB鍋爐島、鍋爐輔機、煙氣余熱回收系統、鍋爐房及基礎。該工程于2002年12月簽訂合同，2005年12月完成基本過程設計，2006年1月開始建造，2009年3月投入調試運行，2009年6月移交商業運行。電廠的設計供電效率為43.3%（凈出力為430MW）。圖1為波蘭Lagisza電廠景觀圖，圖2、3分別為Lagisza鍋爐的三維立體圖、剖面圖。

表4為Lagisza鍋爐和其他大容量亞臨界CFB鍋爐爐膛尺寸的比較。對使用的燃料和石灰石進行分析，以預測循環床料的顆粒尺寸分布、溫度分布和傳熱系數，從而得到爐膛的斷面尺寸為27.6m×10.6m，爐膛高度為48.0m，該尺寸只比其他已在運行的大型緊湊型整體式設計的CFB鍋爐尺寸稍大一些。

圖1 波蘭Lagisza電廠景觀圖Fig.1 View of Lagisza Power Plant in Poland

圖2 Lagisza鍋爐三維立體圖Fig.2 Lagisza boiler 3-D stereogram

圖3 Lagisza鍋爐剖面圖Fig.3 Lagisza boiler profile

表4 Lagisza鍋爐和其他大容量亞臨界CFB鍋爐爐膛尺寸的比較Tab.4 Comparison of furnace size between Lagisza boiler and other large sub-critical CFB boilers

Lagisza鍋爐的汽水系統見圖4。干蒸汽從汽水分離器出來以后進入爐膛頂棚的第1段過熱器，然后依次進入作為支持管的過熱器和對流段過熱器I(SH-I)。過熱器II(SH-II)位于固體床料濃度低的上爐膛，其下端采取防磨保護措施。蒸汽經過過熱器II后，進入構成過熱器III(SH-III)的8個平行的固體床料分離器。該分離器為膜式壁結構，上面覆蓋有薄層高導熱系數的防磨耐火材料。過熱器IV(SH-IV)為末級過熱器，位于分離器下兩側墻的整體式換熱器(INTREX)中。主蒸汽溫度由2級噴水減溫控制；再熱蒸汽溫度通過蒸汽側旁路進行調節。鍋爐跟隨汽輪機進行滑壓運行，因此，在低負荷(小于75%)時，主蒸汽壓力低于臨界壓力(22.1 MPa)，但在高負荷時，鍋爐在超臨界壓力下運行。

圖4 Lagisza鍋爐的汽水系統Fig.4 Lagisza boiler steam-water system

表5為Lagisza鍋爐的設計和運行煤種，表6為該鍋爐不同負荷下的實際燃燒效率，表7是該鍋爐的設計和實測的性能參數。從表5～7可見，Lagisza鍋爐具有良好的燃料靈活性和運行性能。由表7可知，該CFB鍋爐的運行性能數據非常接近設計參數，說明該鍋爐設計所采用的過程模型和設計方法是正確的，其仿真性能和對鍋爐性能的預測是準確的。Lagisza鍋爐具有良好的動態特性，能夠滿足電網的運行要求，其成功運行還證明了該大容量CFB鍋爐的機械設計和大型爐膛和旋風分離器的設計是成功的。

表5 Lagisza鍋爐的設計和實際運行煤種Tab.5 Lagisza boiler design and actual coals

Lagisza鍋爐的設計特點有：（1）本生直管蒸發受熱面，膜式壁采用光管水冷壁；（2）爐內全高度蒸發受熱面管屏采用內螺紋管；（3）采用冷卻式緊湊型固體顆粒分離器；（4）采用整體式流化床換熱器；（5）爐膛頂篷處于初級過熱器回路中；（6）緊湊型固體分離器處于第3級過熱器回路中；（7）整體式流化床換熱器處于末級過熱器/再熱器回路中；（8）采用串聯布置尾部受熱面；（9）采用回轉式空氣預熱器；（10）采用靜電除塵器；（11） 采用水冷絞龍底灰冷灰器；（12）采用床上啟動燃燒器；（13）本生鍋爐啟動系統；（14）采用排煙熱回收系統，可將排煙溫度降低至85 ℃(提高效率 0.8%)。

表6 Lagisza鍋爐不同負荷下的實際燃燒效率Tab.6 Actual combustion efficiency under different boiler loads for Lagisza boiler %

表7 Lagisza鍋爐的設計和運行實測性能參數Tab.7 Design and operation performance data for Lagisza boiler

3 超超臨界CFB直流鍋爐的研究設計

循環流化床鍋爐技術發展的必然趨勢是在超臨界CFB鍋爐的基礎上發展超超臨界CFB鍋爐。早在2005年，美國和歐洲相繼開展了超超臨界CFB直流鍋爐的研究開發。美國能源部和美國Foster Wheeler公司合作制定了參數分別為400MW/31.1MPa/593℃/593℃、800MW/31.1 MPa/593℃/593℃、800MW/37.5 MPa/700℃/720℃超超臨界CFB鍋爐的研發計劃。西班牙 Endesa Generación電力公司、Foster Wheeler公司等6家公司開展了CFB800（800MW，30 MPa/600℃/620℃）的研究，研究內容包括蒸汽循環的優化、CFB800鍋爐的詳細設計、超超臨界直流蒸發受熱面的詳細設計、鍋爐排放性能的優化、超超臨界CFB電廠動力學特性的研究、經濟可行性分析等。

Foster Wheeler公司的800MW超超臨界CFB直流鍋爐技術的開發工作分2個方案進行：（1）開發蒸汽參數為30 MPa/600℃/620℃的常規超超臨界CFB鍋爐，計劃于2009年底開發出可進入市場的容量為800MW常規超超臨界CFB直流鍋爐；（2）開發蒸汽參數為35 MPa/700℃/720℃的先進超超臨界CFB鍋爐，該方案的長遠目標是開發出最先進蒸汽參數的超超臨界CFB直流鍋爐，其凈效率為53%。同時，將先進高參數的超臨界CFB直流鍋爐用于混燒生物質，以進一步降低二氧化碳排放。

第1方案的研發工作的內容包括設計工具和設計軟件模擬方法的開發和具體的工程設計：（1）超超臨界CFB鍋爐的一維和三維數學模型；（2）INTREX模型；（3）流體數學模型；（4）動態模型；（5）排放模型。在此基礎上進行800MW超超臨界CFB鍋爐的初步設計，包括概念設計、性能設計、系統設計、布置設計和結構設計，同時進行中間試驗和現場試驗以驗證數學模型。表8為800MW超超臨界CFB鍋爐的設計煤種；表9為800MW超超臨界CFB鍋爐的設計參數；表10為800MW超超臨界CFB鍋爐的設計經濟性參數；圖5為800MW超超臨界CFB鍋爐的三維立體圖。

表8 800MW超超臨界CFB鍋爐的設計煤種Tab.8 800MW USC CFB boiler design coal

表9 800MW超超臨界CFB鍋爐的設計參數Tab.9 800MW USC CFB boiler design parameters

表10 800MW超超臨界CFB鍋爐的設計經濟性參數Tab.10 Comparison ofdesign economicalparametersbetween option 1 and option 2 for800 MWUSC CFB boiler

圖5 800MW超超臨界CFB鍋爐的三維立體圖Fig.5 800MW USC CFB boiler 3-D stereogram

圖6 為Foster Wheeler公司設計的800MW（30 MPa/600℃/620℃）超超臨界CFB鍋爐。鍋爐采用模塊式放大原則進行設計，與Lagisza鍋爐的爐膛尺寸相比，CFB800鍋爐在爐膛深度和高度上相差并不大，主要是在爐膛的寬度上進行了放大。對于800MW超超臨界CFB鍋爐，方案設計采用8個緊湊型分離器和8個疊加的整體式換熱器，上一級整體式換熱器單元中布置末級過熱器SH-IV，下一級整體式換熱器單元中布置中間過熱器SH-III和末級再熱器RH-II，從分離器分離下來的固體床料先進入上一級整體式換熱器單元，然后再下行進入串聯的下一級整體式換熱器單元。在上一級和下一級之間的下爐墻上有狹縫形開口，可使下爐膛內的熱床料從爐內進入下一級整體式換熱器單元，以增強下一級換熱器單元的傳熱；同時，上一級和下一級整體式換熱器單元均布置有溢流旁路，以控制整體式換熱器單元的料床高度。

圖6 800MW超超臨界CFB鍋爐示意圖Fig.6 800MW USC CFB boiler sketch

表11為800MW超超臨界CFB鍋爐的管道和集箱材料的選擇。如前所述，與超臨界煤粉爐相比，CFB鍋爐的爐膛內熱流率和溫度分布要優越得多，因此，僅CFB鍋爐高溫過熱器和再熱器采用TP347HFG、Super304H，末級過熱器的連接集箱和主蒸汽管采用X11CrMoWVNb911，其他部分可以采用常規的材料。正在研發的800MW CFB技術將最先進的循環流化床技術和最先進的超臨界直流鍋爐技術（本生垂直管直流鍋爐技術）進行了很好的結合，可使循環流化床技術達到超超臨界參數CFB機組需要的容量，并可達到先進超超臨界煤粉爐AD700項目53%的凈效率。這一先進的循環流化床技術，除了在發電效率上能夠與最先進的超超臨界煤粉爐相比較外，它還具有比煤粉爐更優越的燃料的靈活性和不用煙氣處理就能達到低的SO2和NOx排放特性，并在應對氣候變化的挑戰中可大大降低CO2的排放，并為將來的接近CO2接近零排放打下基礎。

表11 800MW超超臨界CFB鍋爐的管子和集箱材料的選擇Tab.11 Material selection of boiler tube and header for 800MW USC CFB boiler

4 CO2近零排放的超臨界CFB鍋爐的研發

Foster Wheeler公司正在研發600/800MW超臨界燃煤CFB鍋爐的富氧燃燒（Oxy-Fuel)碳捕獲和埋存（carbon capture and storage,CCS）技術，其目的是實現燃煤CFB鍋爐CO2近零排放。該系統的特點是：（1）適用于新設計的CFB鍋爐和原有CFB鍋爐改造。（2）預期富氧燃燒捕獲CO2的CFB鍋爐技術的投資與IGCC或燃燒后捕獲CO2的CCS系統相當或更低。（3）由于其系統簡單，預期其可靠性要比IGCC的CCS系統好得多。（4）富氧燃燒捕獲CO2的CFB鍋爐技術仍然具有CFB技術燃料靈活性的優點。（5）由于該技術是在原有燃煤蒸汽發電技術的基礎上發展的二氧化碳捕獲技術，帶有傳統鍋爐系統和可靠性高的特點，因而預期它容易被市場所接受。（6）由于該技術既能夠在空氣燃燒工況下運行，也能在富氧燃燒工況下運行，因而可保護電廠抵御CO2市場的風險。火電廠的設計可按照上述2種運行方式分階段進行：首先設計成按照空氣燃燒方式運行，但預留按照富氧燃燒方式運行所需設備，如空氣分離裝置、煙氣再循環系統和二氧化碳凈化系統等，待國家頒布二氧化碳減排法規及碳市場形成時，再決定是否將系統轉換成按照富氧燃燒捕獲二氧化碳的方式運行。富氧燃燒捕獲CO2的CFB鍋爐（圖7）的研發正處于中間試驗階段，計劃于2015年進行工程示范。

圖7 Foster Wheeler公司正在研發的600/800MW超超臨界富氧燃燒燃煤CFB鍋爐Fig.7 Oxyfuel system for 600/800MW USC CFB boiler under Foster Wheeler's development

5 結論

波蘭Lagisza電廠投產的世界上第1臺460MW超臨界CFB直流鍋爐是一個里程碑，它突出地表明了CFB技術已進入了其發展的一個嶄新階段。在面對氣候變化和全球變暖的巨大挑戰面前，CFB作為一種燃煤鍋爐技術，它不僅是低二氧化硫和低NOx排放，而且應該也是低二氧化碳排放的，因此它必須不斷發展才能適應形勢的要求，相信800MW超超臨界CFB鍋爐和CFB-CCS技術的研發成功也必定會成為CFB技術發展的又一個新的里程碑。只有不斷迎接新的挑戰，不斷進行技術創新，才能使CFB技術不斷登上新的高度，成為在燃煤電站鍋爐技術中能夠與煤粉爐并駕齊驅的先進燃煤發電技術。

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