循環流化床鍋爐與煤粉鍋爐之選擇

(中國能源建設集團黑龍江省電力設計院有限公司，哈爾濱 150078)

0 引 言

以440 t/h鍋爐為例，有煤粉爐和循環流化床鍋爐兩種選擇，在火電廠中煤粉爐屬于常規爐型，應用時間和范圍特別廣，它具有燃燒迅速、完全、容量大、效率高、適應煤種廣，便于控制調節等優點。但是近年來在國際上發展起來的新一代高效、低污染的清潔燃燒技術的新爐型即循環流化床鍋爐，其主要特點在于燃料和脫硫劑經多次循環、反復地進行低溫燃燒和脫硫反應，爐內湍流運動強烈，具有燃料適應性好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負荷調節范圍大、飛灰和爐渣可綜合利用等優點。目前, 循環流化床鍋爐有一邊倒的趨勢, 循環流化床鍋爐真有壓倒優勢嗎?通過對煤粉爐和循環流化床鍋爐在環境保護、投資成本、運行費用和供熱安全方面比較，選用何種爐型，還須根據當地環保排放要求并綜合考慮技術經濟指標擇優用之。

1 循環流化床鍋爐相比煤粉鍋爐的優勢

1.1 對燃料適應性特別好

循環流化床鍋爐通過分離器及返料閥組成飛灰再循環系統，煤質的燃燒產生的飛灰循環量大小的改變可調節燃燒室內的吸熱量及床料溫度，只要燃料燃燒產生的熱值大于把燃料本身及燃燒所需空氣加熱到穩定溫度(850～950 ℃)所需的熱量，這種煤就可在流化床內穩定燃燒，因此，各種煤幾乎都可在流化床鍋爐中燃燒，用來燃燒各種劣質燃料。對于燃料煤質量供給不穩定的企業是一種比較好選擇。 而煤粉爐對煤質的要求較高，燃用熱值過低的煤種容易發生燃燒不穩定，鍋爐滅火等事故。

1.2 燃料系統比較簡單

流化床鍋爐是適合于燃用寬篩分燃料(煤粒度要求為粒度范圍0～10 mm，50%切割粒徑d50=2 mm)，燃料的制備破碎系統大為簡化。所以，循環流化床鍋爐本體造價高于同容量的煤粉爐，省去了復雜的制粉系統，整體投資含土建略高于煤粉爐。

1.3 負荷的調節范圍寬，調節性能好

煤粉鍋爐的負荷調節范圍通常在50%～110%，在低負荷時煤粉爐需投油槍進行助燃；而循環流化床鍋爐由于爐內有大量床料，蓄熱能力強，采用了飛灰再循環系統，調節范圍要比煤粉爐寬得多，一般為30%～110%，負荷調節速率可達(5～10)B-MCR/min。

1.4 燃燒污染物排放低

向循環流化床鍋爐內加入脫硫劑(石灰石或白云石粉)，可以脫去燃燒過程中產生的二氧化硫(SO2)。和煤粉爐比較，煤粉爐利用濕法脫硫的成本高，循環流化床鍋爐在燒高硫煤時有較大的成本優勢。循環流化床鍋爐最佳的燃燒溫度在850～950 ℃，在這個范圍適合脫硝反應，NOx生成量明顯減少，排放濃度在100～200 ppm,低于煤粉爐的500～600 ppm。

1.5 燃燒熱強度大，爐內傳熱能力強

由于循環流化床鍋爐采用飛灰再循環系統，燃燒熱強度比較高。流化床爐內傳熱主要是上升煙氣和物料與受熱面的對流換熱和輻射換熱，爐膛內氣固兩相混合物對水冷壁的傳熱系數比煤粉鍋爐爐膛的輻射傳熱系數大得多。與煤粉爐相比較，可大幅節省受熱面的金屬耗量。

1.6 給煤點數量少，布置簡單

循環流化床鍋爐橫向混合特性較好，給煤點較煤粉爐少，給煤點的減少簡化了給煤裝置的布置，使給煤點不易結焦，運行可靠。

1.7 易于實現灰渣的綜合利用

流化床的底渣含碳量一般為1%～3%，飛灰含碳量4%～15%，流化床鍋爐最佳的燃燒溫度在850～950 ℃，與煤粉爐相比較屬中低溫燃燒，產生的灰渣不會軟化和黏結，活性較好，可用作制造水泥的摻和料或者建筑材料，綜合利用前景廣闊。

2 循環流化床相比煤粉爐優勢降低的因素

(1)燃燒效率低。對440 t/h的煤粉鍋爐，其保證效率一般為91%，而燒熱值為12 545 kJ/lg煤的循環流化床鍋爐，其保證效率一般為88%。

(2)在國家原有的環保排放指標要求不高的時期，循環流化床鍋爐可以不用建設或簡化建設脫硫脫硝裝置就能滿足環保排放要求，在這種情況下，立足于燃燒劣質煤且煤質含硫量高，供煤質量不穩定，良好的脫硫、脫硝投資和運行成本，對各種煤質良好的適應性，考慮循環流化床鍋爐是好選擇，在這種情況下，循環流化床鍋爐如果不用上煙氣脫硫脫硝裝置的話，比同等規模的煤粉爐+煙氣脫硫脫硝投資省。但現在隨著國家對環保要求越來越高，循環流化床鍋爐原有的排放指標也不能滿足要求，還需要建設煙氣脫硫、脫硝裝置，那么建設脫硫、脫硝裝置后的循環流化床鍋爐投資就比煤粉爐+煙氣脫硫脫硝要高。

3 環境保護要求方面比較

根據超低排放要求，煙塵排放濃度低于10 mg/m3，SO2排放濃度低于35 mg/m3，NOx排放濃度低于50 mg/m3。若采用循環流化床鍋爐，無法采用工藝較為簡單和潔凈的干法工藝，需采用濕法脫硫，使循環流化床鍋爐的優勢大大降低。

經計算，若選用煤粉爐，則需選擇除塵效率不小于99.98%的除塵器，且石灰石濕法脫硫系統除塵效率需大于50%，脫硫效率不小于97%。脫硝裝置的脫硝效率應不小于86%。

若選用循環流化床鍋爐，則需選擇除塵效率不小于99.96%的除塵器，且石灰石濕法脫硫系統除塵效率需大于50%，脫硫效率不小于96.5%的脫硫裝置，脫硝效率不小于75%的脫硝裝置。

因此，無論選擇煤粉爐或循環流化床鍋爐，都需設置布袋除塵器(兩種方案采用的除塵器效率不同，但設備本體相同，布袋雖有所不同，但差別較小)，并采用石灰石濕法脫硫，才能滿足超低排放要求，循環流化床鍋爐無優勢。

煤粉爐需采用SCR脫硝技術，而循環流化床鍋爐可采用SNCR/SCR 混合脫硝技術，從而減少SCR催化劑層數，減少投資。

4 投資成本比較

4.1 燃燒系統

4.1.1 循環流化床鍋爐方案

燃燒系統投資分解約為：循環流化床鍋爐4 200萬元、風機828萬元(包括電動機等)、其它輔機451萬元(包括給煤機、定、連排、冷卻水泵等)、六道300萬元，合計5 779萬元。

4.1.2 煤粉爐方案

燃燒系統投資分解約為：煤粉鍋爐3 800萬元、風機374萬元(包括電動機等)、其它輔機1 273萬元(包括磨煤機、給煤機、定、連排、冷卻水泵等)，六道500萬元，合計5 947萬元。

4.2 輸煤系統

循環流化床鍋爐比煤粉爐的輸煤系統多設一級細粒篩分破碎設備，入料粒度≤120 mm，出料粒度≤10 mm。投資估算約為430萬元。

4.3 除灰系統

煤粉爐除灰系統建筑工程費用73萬元，設備購置費用290萬元，安裝工程費用192萬元。

循環流化床鍋爐除灰系統建筑工程費用230萬元，設備購置費用299萬元，安裝工程費用85萬元。

合計投資煤粉爐為555萬元，循環流化床鍋爐為614萬元。

4.4 廠房投資

因廠房變化循環流化床鍋爐比煤粉爐投資預增加約570萬元。

4.5 脫硝系統

4.5.1 煤粉爐方案

脫硝系統選用選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR)，投資1 000萬元。

4.5.2 循環流化床方案

脫硝系統選用SNCR/SCR 混合脫硝技術，投資800萬元。

4.6 投資差異

循環流化床鍋爐與煤粉爐投資對比表見表1。

表1 循環流化床鍋爐與煤粉爐投資對比

通過上述經濟的比較，煤粉爐投資低于流化床爐約691萬元。

5 運行費用對比

5.1 燃料費用

煤粉爐設計入爐煤收到基低位發熱量16 MJ/kg，折標煤19.59萬t；循環流化床鍋爐主要燃料低位發熱量約為12.545 MJ/kg，折標煤20.2萬t。按照2017年循環流化床標煤單價450元/t和煤粉爐標煤單價736元/t計算，循環流化床鍋爐年可降低燃煤采購費用5 328萬元，運行成本降低巨大。

5.2 廠用電耗電量對經濟性的影響

輔機耗電率是影響鍋爐經濟性的主要指標之一。煤粉鍋爐輔機主要包括引風機、送風機、排粉機、磨煤機；流化床爐輔機主要包括引風機、U閥風機、二次風機、一次風機。由于循環流化床鍋爐采用循環流化燃燒方式，因此布風板、床料以及旋風分離器等都會對煙氣流動產生很大的阻力，則必然會使風機的壓頭增高。在設計過程中，風系統阻力以及風機的壓頭往往被放大。根據運行統計結果，( 煤粉鍋爐的廠用電率約為7%左右，循環流化床鍋爐的廠用電率約為10%) 左右，按照年發電量3.71億kWh計算，循環流化床鍋爐廠用電耗電量比煤粉鍋爐多1113萬kWh，按2017年黑龍江上網標桿電價0.374元計算，煤粉爐可增加售電收入416.3萬元。

5.3 脫硝劑費用

為了達到超低排放的標準，煤粉鍋爐脫硝系統選用選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR)，設計年耗用尿素387 t/h，按尿素單價1 700元/t計算，年消耗尿素費用65.79萬元。

如選用循環流化床鍋爐脫硝系統選用SNCR/SCR 混合脫硝技術，設計年耗用尿素434 t/h，按尿素單價1 700元/t計算，年消耗尿素費用73.78萬元。

煤粉爐SCR比循環流化床SNCR/SCR 混合脫硝技術年耗脫硝費用少7.99萬元。

5.4 循環硫化床防磨費用

澆注料每年維護和修理費每年70萬元；噴涂爐膛、尾部受熱面吊掛管每年30萬元；防磨瓦，尾部過熱器、再熱器每年25萬元；水冷壁防磨激光熔覆每年25萬元；除渣刮板銷釘每年35萬元；給煤系統每年25萬元；輸煤落煤口每年20萬元；空預器每年40萬元。合計每年需要循環硫化床防磨費用270萬元。

5.5 運行費用總差異

循環流化床鍋爐與煤粉爐運行費用對比表見表2。

表2 循環流化床鍋爐與煤粉爐運行費用對比

通過上述比較，煤粉爐運行費用高于流化床爐約4 634萬元/年。

6 供熱安全性方面比較

循環流化床鍋爐經過近幾年長足的發展，已經在電力行業得到廣泛的應用，在鍋爐運行可靠性、安全性方面有了很大的提高，但是出于鍋爐本身運行的各種因素，還是不盡人意。特別是在檢修周期上，煤粉爐四管等承壓部件損壞的檢修周期約為72 h；而循環流化床鍋爐受檢修工藝(澆注料)、檢修后的烘爐( 熱養生)等因素制約，通常檢修周期約168 h，循環流化床過長的檢修周期嚴重影響冬季供熱的安全性，給以供熱為主的熱電聯產機組帶來了很高供熱風險，一旦發生長時間供熱事故將造成嚴重的社會影響，因此相對于煤粉爐來講其供熱安全性有一定的差距，因此，在熱電聯產機組鍋爐的選擇上煤粉鍋爐還是具有一定的優勢。

7 政策因素

劣質煤的大量使用和遠距離運輸，既不經濟、不節能，也不環保，不符合我國轉變發展方式的要求。依據《商品煤質量管理暫行辦法》，設定遠距離運距為600 km。

關于以600 km作為遠距離運輸的分界限是考慮到目前我國85%以上煤炭是通過鐵路運輸，全國平均鐵路運距在600 km。為了避免低質煤遠距離調運的大幅增長，提高煤炭運輸效率，減輕運輸壓力，減少優質能源長距離運輸低質能源的現狀，提高我國煤炭利用和運輸的總體效率，并考慮到低質煤炭的消費半徑，設定遠距離運距為600 開km。

8 結束語

可見，煤價對熱電聯產項目的收益影響巨大，然而國家對燃用劣質煤制定了暫行辦法，故熱電廠鍋爐選型,應根據當地環保排放要求并綜合考慮技術經濟指標選擇采用循環流化床鍋爐或煤粉爐。