600 MW無(wú)煙煤超臨界鍋爐選型分析

孫獻(xiàn)斌

(中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市100098)

600 MW無(wú)煙煤超臨界鍋爐選型分析

孫獻(xiàn)斌

(中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京市100098)

為了更好地解決燃用無(wú)煙煤鍋爐在選型時(shí)遇到的煤的著火、穩(wěn)定燃燒和燃盡等技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)600 MW超臨界W型火焰鍋爐和超臨界循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐的爐型及運(yùn)行性能進(jìn)行了分析與比較。研究結(jié)果表明，W型火焰鍋爐燃用無(wú)煙煤時(shí)燃燒性能好，但爐膛出口NOx濃度較高，同時(shí)受熱面高溫腐蝕問(wèn)題也不容忽視;CFB鍋爐燃用無(wú)煙煤時(shí)燃燒穩(wěn)定、爐膛出口NOx濃度小，但燃盡性能有待提高。建議600 MW無(wú)煙煤超臨界鍋爐應(yīng)優(yōu)先選擇超臨界CFB鍋爐，并通過(guò)合理技術(shù)途徑提高其燃盡性能。

超臨界鍋爐;鍋爐選型;W型火焰鍋爐;超臨界循環(huán)流化床(CFB)鍋爐;穩(wěn)定燃燒;無(wú)煙煤

0 引言

無(wú)煙煤屬低揮發(fā)份、難以著火和燃盡的煤種，我國(guó)西南地區(qū)的無(wú)煙煤還具有高硫份的特點(diǎn)。我國(guó)火電廠燃用的無(wú)煙煤約占全國(guó)發(fā)電用煤的3%～4%，加上低揮發(fā)份貧煤可達(dá)10%左右。長(zhǎng)期以來(lái)，如何使電站鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)地燃燒無(wú)煙煤等難燃煤種，一直是電力工業(yè)需要解決的技術(shù)難題。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，合理選擇鍋爐爐型成為一個(gè)重要的工程技術(shù)問(wèn)題，需要對(duì)燃用無(wú)煙煤時(shí)鍋爐的著火、穩(wěn)定燃燒、燃盡以及NOx排放特性等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行綜合分析研究。

目前，能夠較好地燃燒無(wú)煙煤等難燃煤種(干燥無(wú)灰基揮發(fā)份≤15%)的鍋爐爐型主要有W型火焰鍋爐和循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)鍋爐。W型火焰鍋爐針對(duì)低揮發(fā)分煤種，由于爐膛下部為帶有衛(wèi)燃帶的拱式結(jié)構(gòu)而增加了火焰的行程，有利于燃料的著火和燃盡，近幾年也成功地從亞臨界參數(shù)發(fā)展為超臨界參數(shù)［1-6］。CFB鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，在燃用無(wú)煙煤等難燃煤種時(shí)，由于其密相區(qū)高濃度床層具有較大的蓄熱能力，進(jìn)入密相區(qū)的煤顆粒能夠穩(wěn)定著火和燃燒［8］，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有一些300 MW的亞臨界CFB鍋爐燃用無(wú)煙煤等難燃煤種，取得了良好的運(yùn)行效果，燃用貧煤的600 MW超臨界CFB鍋爐也在四川白馬示范電站投入運(yùn)行。

本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，對(duì)600 MW超臨界W型火焰鍋爐和超臨界CFB鍋爐的爐型及運(yùn)行性能進(jìn)行分析與比較，以期為燃用無(wú)煙煤等難燃煤種的鍋爐選型提供技術(shù)依據(jù)。

1 煤質(zhì)特性與爐型的比較

對(duì)于無(wú)煙煤等難燃煤種采用W型火焰鍋爐可以解決其著火和燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題，其最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)到鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)的45%，典型的W型火焰鍋爐及燃燒方式如圖1所示。

自2009年以來(lái)，國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界W型火焰鍋爐共有16臺(tái)投入運(yùn)行，其實(shí)際運(yùn)行情況表明，在解決了初期出現(xiàn)的水冷壁拉裂等技術(shù)問(wèn)題后，國(guó)內(nèi)大型鍋爐制造廠已掌握了基于垂直管圈低質(zhì)量流速技術(shù)的超臨界W型火焰鍋爐設(shè)計(jì)制造技術(shù)，技術(shù)上趨于成熟。表1是已運(yùn)行的幾臺(tái)600 MW級(jí)超臨界W型火焰鍋爐的主要運(yùn)行性能參數(shù)。從表1可知，W型火焰鍋爐燃燒無(wú)煙煤的鍋爐熱效率一般為91.4%左右，但W型火焰鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在NOx排放值高(約1 000 mg/m3)的問(wèn)題，近2年雖有在爐拱上部的水冷壁上設(shè)置上層燃盡風(fēng)，使NOx排放值降低至714 mg/m3左右［3］，但在一定程度上又影響了其飛灰的燃盡效果，有待研究解決。

由于難燃煤種的揮發(fā)份低，為解決煤粉的燃燼問(wèn)題，W型火焰鍋爐通常需要提高煤粉細(xì)度，使煤粉細(xì)度R90控制在6%以內(nèi)，因此制粉系統(tǒng)電耗相對(duì)較高，廠用電率達(dá)到約7%。值得注意的是，W型火焰鍋爐隨著超臨界鍋爐蒸汽溫度提高，管壁金屬溫度隨之提高，除了水冷壁高溫腐蝕會(huì)加劇之外，高溫過(guò)熱器、再熱器管壁溫度會(huì)達(dá)到600℃以上，進(jìn)入快速腐蝕區(qū)域。鍋爐參數(shù)越高，高溫腐蝕發(fā)生的幾率就越大，腐蝕也越嚴(yán)重。而循環(huán)流化床鍋爐由于向爐內(nèi)加入石灰石進(jìn)行脫硫，因此，在受熱面區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕和低溫腐蝕現(xiàn)象。

我國(guó)在“十一五”期間自主開(kāi)發(fā)研制了600 MW CFB鍋爐，首臺(tái)該型號(hào)鍋爐安裝在白馬CFB示范電站，鍋爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，鍋爐運(yùn)行性能參數(shù)見(jiàn)表2。

白馬CFB示范電站600 MW超臨界CFB鍋爐實(shí)際運(yùn)行表明，該爐型在燃用難燃貧煤時(shí)，技術(shù)性能穩(wěn)定，具有燃燒效率高、SO2及NOx排放值低等優(yōu)點(diǎn)，廠用電率為6.52%，也低于W型火焰鍋爐。目前，國(guó)內(nèi)雖然尚未有燃用無(wú)煙煤600 MW超臨界CFB鍋爐投入運(yùn)行，但從江西分宜發(fā)電廠330 MW CFB鍋爐、廣東寶麗華電廠300 MW CFB鍋爐、福建龍巖電廠300MW CFB鍋爐的運(yùn)行實(shí)績(jī)看，大型CFB鍋爐燃用無(wú)煙煤時(shí)的燃燒穩(wěn)定性優(yōu)于W型火焰鍋爐，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可低至30%BMCR，SO2及NOx排放值也更容易達(dá)到更為嚴(yán)格的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)［9］。

圖3給出了幾種爐型的水冷壁熱流密度的比較［7-13］，CFB鍋爐的熱流密度沿爐膛高度分布較為均勻，且其值小于煤粉鍋爐和W型火焰鍋爐的0.5倍，熱流密度較高區(qū)域?qū)?yīng)于工質(zhì)溫度最低的爐膛下部，可避免水冷壁管內(nèi)出現(xiàn)膜態(tài)沸騰和蒸干現(xiàn)象。較低的熱流密度允許CFB鍋爐采用低質(zhì)量流速(500～700 kg/(m2·s))和制造工藝簡(jiǎn)單的一次上升垂直管圈構(gòu)成爐膛水冷壁。較均勻的熱流密度分布還有利于減小水冷壁管子之間的壁溫差，避免如W型火焰鍋爐水冷壁出現(xiàn)的拉裂現(xiàn)象。因此，從水冷壁的安全性而言，CFB鍋爐采用超臨界參數(shù)水冷壁是合適的。

2 高溫型CFB鍋爐無(wú)煙煤燃燒技術(shù)

為進(jìn)一步提高無(wú)煙煤CFB鍋爐的燃燒效率，國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃“CFB鍋爐燃用難燃煤種的研究”課題通過(guò)試驗(yàn)研究，提出了高溫型CFB鍋爐的設(shè)計(jì)思想，即在傳統(tǒng)CFB鍋爐基礎(chǔ)上，將CFB鍋爐爐膛溫度提高到920℃以上，以提高無(wú)煙煤燃盡率。在熱功率1 MW CFB燃燒試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)3種典型的無(wú)煙煤(陽(yáng)泉煤、陽(yáng)城煤、龍巖煤)進(jìn)行了高溫型CFB燃燒試驗(yàn)研究，得到了圖4所示的燃盡特性曲線，隨著燃燒溫度的提高，無(wú)煙煤的飛灰可燃物含量明顯下降。燃燒溫度提高到970℃時(shí)，試驗(yàn)煤種飛灰含碳量可較燃燒溫度890℃時(shí)降低5.79%～9.09%，相應(yīng)燃燒效率提高1.54%～3.58%。1 050℃條件下燃燒無(wú)煙煤，能夠保證運(yùn)行的安全穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象。

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了高溫型600 MW超臨界CFB鍋爐的整體布置方案，見(jiàn)圖5。該鍋爐采用6個(gè)旋風(fēng)分離器，分2組布置在爐膛兩側(cè)，設(shè)有6臺(tái)高溫型外置床。爐膛設(shè)計(jì)床溫為950～970℃，因?yàn)樵谶@一溫度范圍內(nèi)NOx+N2O的排放值最小，同時(shí)使燃燒效率得到提高，鍋爐熱效率較W型火焰鍋爐提高約1%。由于提高床溫后爐膛出口NOx的排放量會(huì)相應(yīng)增加至約450 mg/m3，需要在爐膛出口處設(shè)置相對(duì)較為簡(jiǎn)單的選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)，但并不需要采用造價(jià)較高的選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)。表3給出了高溫型600 MW超臨界CFB鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 結(jié)論

(1)W型火焰鍋爐燃用無(wú)煙煤時(shí)燃燒性能優(yōu)于煤粉鍋爐，技術(shù)較為成熟，但爐膛出口NOx濃度較高;同時(shí)燃用中、高硫無(wú)煙煤時(shí)受熱面的高溫腐蝕也限制了該爐型向更高的超臨界參數(shù)方向發(fā)展。

(2)CFB鍋爐具有適于燃用包括無(wú)煙煤在內(nèi)的各種燃料、不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷低的特點(diǎn)，輔之以選擇性非催化還原脫硝技術(shù)，在提高燃燒效率、穩(wěn)定燃燒和污染物排放等方面具有優(yōu)勢(shì)，可作為無(wú)煙煤鍋爐的優(yōu)先選擇。

(3)針對(duì)無(wú)煙煤燃燒效率低的技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)開(kāi)發(fā)高溫型CFB鍋爐技術(shù)，通過(guò)提高熱循環(huán)回路的運(yùn)行溫度，提高鍋爐的燃燒效率。

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(編輯:蔣毅恒)

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］

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2012BAA02B02)。

2013-08-16

2013-09-27

孫獻(xiàn)斌(1963)，男，工學(xué)碩士，研究員，院首席科學(xué)家，從事循環(huán)流化床鍋爐及清潔煤發(fā)電技術(shù)研究，E-mail:sunxianbin@hnceri.com。