循環流化床鍋爐技術的現狀及發展前景

韓成

摘 要：本文首選簡要介紹了循環流化床鍋爐的原理和工藝特點，系統的總結了循環流化床鍋爐的發展歷史，以及目前我國循環流化床使用過程中所面臨的問題，最后從數學模型研究、實時監控系統、全局控制與細節控制、仿真模擬系統、實時故障檢測系統和全程啟動熱工自動控制系統等六個方面對循環流化床鍋爐的發展前景進行了展望，以希望對我國循環流化床鍋爐高效、節能和環保的應用提供參考。

關鍵詞：循環流化床鍋爐；現狀；前景

我國經濟年平均增長率為9.7%，是目前世界上發展最快的國家之一，對以煤炭為主的能源供應提出更高的要求，為了使能源和環境實現可持續發展，我們要通過合理科學的手段，發展清潔高效的燃燒技術。循環流化床技術是新一代高效潔凈燃煤技術，在國際上迅速推廣。

一、循環流化床鍋爐的特點及原理

循環流化床燃燒技術是一種不僅可適應不同的燃料，還可使燃料高效燃燒并且減少污染物排放濃度的潔凈燃燒技術。循環流化床鍋爐簡稱CFB（CirculatingFluidized Bed Boiler），鍋爐中燃料和脫硫劑被粉碎成細顆粒，通過氣流被輸送通過爐膛，同時有一部分顆粒返回爐膛，保證爐內溫度均勻分布，這樣多次循環往復，燃料和脫硫劑反復進行低溫燃燒和脫硫反應，具有高效的脫硫效果，降低了氮氧化物的排放，并且燃料達到高效燃燒，生成的灰渣也有利于綜合利用。

典型的循環流化床鍋爐由爐膛、氣固分離器、固體物料再循環設備、外置熱交換器、和對流煙道組成。燃燒室是循環流化床鍋爐的主體。燃料和脫硫劑（石灰石）破碎成細粒，通過給料機送入爐膛，爐膛底部送入一次風，從側墻送入二次風，在一次風和二次風的作用下送入顆粒呈流化態，加劇燃燒強度，同時也有大量沒有燃燒完全的燃料隨氣流被帶出，經氣固分離器分離，通過物料再循環設備返回爐膛，形成一個床料循環，如此往復，直至燃料完全燃燒，煙氣在對流煙道進行熱交換，通過除塵器排入大氣。

循環流化床鍋爐與普通鍋爐相比有很多優點：燃料適應性好，循環流化床鍋爐中燃料呈流化態，固體和氣體完全充分混合，有利于充分燃燒也可以使再次循環的物料與之混合，迅速達到燃燒狀態，即使難燃燒的燃料也可以充分燃燒，因此，各種質量和品種的煤都可以使用，并且無需使用任何輔助燃料助燃；燃燒效率高，由于特殊的流體動力特征，氣固混合充分，燃料循環燃燒加大了其在爐膛的停留時間，都有助于燃料高效燃燒；污染物排放量低，循環流化床鍋爐是低溫燃燒，溫度一般控制在850℃-950℃，二次風使燃料和脫硫劑均勻混合，對脫硫反應有促進作用，并且可以抑制氮氧化物的生成，其他污染物排放也較低；負荷調節操作靈活，循環流化床鍋爐的負荷調節操作簡單，只需調節燃料給入量，送風量和物料循環量，調節范圍特別大，一般可由30%到110%，負荷調節速度也非常快，達到每分鐘4%；廢棄物灰渣易于綜合利用，經燃燒后產生的灰渣含碳量低，適合做建筑材料的原料；投資和運行費用低于配置脫硫裝置的鍋爐。循環流化床鍋爐也有不少缺點：能耗大，一次送風風壓高，耗電量大；再循環系統和兩次送風布置相對復雜；高溫分離器和飛灰回送器有體積較大的耐火材料內砌體，冷熱慣性大，給支撐和快速啟停帶來了困難；自動控制系統、設備系統配套仍不完善，需進一步研究。

二、國內外現狀

循環流化床用于實際應用在八十年代初，在國外倍受推崇，廣泛應用于電力、供熱、化工等行業中。1979年芬蘭奧斯龍公司開發的世界首臺20t/h商用循環流化鍋爐投入運行，此后循環流化床鍋爐技術發展很快，并且由中小型發展成容量越來越大的大型循環流化床鍋爐，大型流化床鍋爐大量使用于電站，其中最大的于1995年投入法國電運行，采用魯奇（Lurgi）技木的250MW 700h/t循環流化床鍋爐。國外主要研究和制造循環流化床鍋爐的公司，2009年在波蘭南部的瓦基莎（Lagisza）電廠，世界上首臺460MW超臨界循環流化床鍋爐投入運行，制造商為美國FW公司。目前國外中小型循環流化床技術已經相當成熟，大型循環流化床技術也在逐漸成熟，可以適應各種用戶的需求。

1965年，我國建成第一臺以油頁巖為燃料的工業流化床鍋爐。此后，循環流化床鍋爐很快在全國得到推廣。上個世紀八十年代后循環流化床鍋爐技術發展很快，不在局限于中小型工業鍋爐，在1995年12月國內第一座410t/h高溫高壓循環流化床鍋爐示范電站在四川內江高壩發電廠成功投運。截止到2009年，我國安裝的大、中、小型循環流化床鍋爐總量為世界第一，達到3000臺，總容量約72870MW，其中有27臺容量為300

MW級，在這27臺大型循環流化床鍋爐中有17臺采用引進技術設計制造，絕大多數為容量為75曲的循環流化床鍋爐。目前在四川白馬電廠正在投建世界上最大容量的600MW超臨界循環流化床鍋爐。由此可見，不管是在國外還是在國內，循環流化床鍋爐技術尤其是大型循環流化床技術將會得到更大發展。約60%的循環流化床鍋爐系統在設計、制造、安裝、調試、運行和維護等多方面出現問題，嚴重威脅到操作人員和運行環境的安全性和運行經濟性問題。隨著環境保護力度逐漸加大，煙氣脫硫技術不斷成熟，所需成本不斷降低，循環流化床鍋爐的脫硫優勢正在逐漸消失，應把重點放在研究提高燃燒效率和投資運行成本上來。把握循環流化床鍋爐運行規律，確定最佳運行參數，減輕機組損耗，穩定蒸汽溫度和壓力，提高燃燒效率對循環流化床鍋爐穩定、經濟運行有重要意義。

三、發展前景

鑒于循環流化床的高效、潔凈和低污染的優勢，該技術一直在全世界范圍內受到廣泛重視。可以預見，在未來幾十年內，循環流化床仍將是我國燃煤技術的生力軍。因此，大力研發循環流化床技術及其智能控制系統是一項迫在眉睫的戰略任務。綜合我國目前循環流化床發展特點，目前迫切需要發展適合我國國情的整體循環流化床鍋爐熱工的自動化控制系統。同時，循環流化床鍋爐被控對象的建模也是一個非常復雜的問題，至今都沒有一個適用性較廣的數學模型。

因此，筆者認為在未來我國發展循環流化床技術方面，應著重從以下幾個方面進行：（1）完善循環流化床鍋爐數學模型，并對該模型進行定量化設計；（2）深入研究循環流化床鍋爐脫硝和脫硫數學模型的研究，以加強循環流化床鍋爐對環境污染的實時監控；（3）深入研究循環流化床整體的控制規律和控制策略，以更為高效的實現對循環流化床的跟蹤控制；（4）深入研究可以實現全局最優化的多變量控制的熱工自動化控制系統，實現對循環流化床全局統籌的優化控制；（4）大力研發循環流化床鍋爐的實時仿真與模擬培訓系統；（5）大力研發循環流化床鍋爐的監控與操作系統以及循環流化床的故障診斷專家系統；（6）大力研發循環流化床鍋爐機組全程啟動熱工自動控制系統。同時，循環流化床鍋爐是一個系統的工程，在大力發展循環流化床鍋爐的過程中，應該統籌研究上述各種策略的相互匹配，以實現循環流化床在我國高效、節能和環保的應用。不容置疑的是，隨著我國科學技術的飛速發展，隨著國家對循環流化床鍋爐研發的加大投入，隨著功能更為強大、更高可靠性自動控制設備的不斷推出，隨著成熟專家系統算法的不斷完善，我國循環流化床鍋爐的整體設計必將在原來基礎上不斷實現鍋爐的最佳工況運行，從而實現最優化的經濟效益、環境效率和社會效益。

參考文獻：

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