大容量循环流化床锅炉技术发展应用现状

发布时间：2021-12-17

　　[摘 要]循环流化床(CFB)锅炉是低热值燃料、难燃煤种清洁高效利用的主要技术手段，也是我国火力发电的重要组成部分。截至 2018 年底，我国 100 MW(410 t/h)以上等级的大容量 CFB 锅炉累计投产 440 台、总装机容量超过 82.3 GW，CFB 锅炉的单机容量、装机规模、技术先进性均达到世界领先水平。本文介绍了我国 CFB 锅炉发展历程和应用现状，分析了应用领域、主力机型、机组分布及近年来的主要技术经济性指标，并从容量参数、标准体系、国际应用、运行灵活性和燃料适应性等方面对我国 CFB 锅炉技术发展进行了展望。

　　[关 键 词]CFB 锅炉;装机规模;主力机型;燃料适应性;供电煤耗;厂用电率;污染物排放

　　自1996 年内江高坝电厂成套设备引进的100 MW 循环流化床(CFB)锅炉投产以来，大容量 CFB 锅炉在我国已经发展应用了二十多年[1-3]。作为洁净煤技术最为重要的组成部分[4-5]，CFB 锅炉为低热值燃料、难燃煤种清洁高效利用，以及我国电力节能环保发挥了重要作用[6-7]。

　　通过消化吸收和自主研发，我国工程技术人员将 CFB 锅炉的蒸汽参数从高压、超高压、亚临界提升到了超临界，并实现了自主知识产权的 100、135、 300、600 MW 等级和 350 MW 等级大容量 CFB 锅炉批量投运[8-11]。目前，我国 CFB 锅炉的单机容量、装机规模、技术先进性均达到世界领先水平[12]。

　　1 CFB 锅炉技术发展

　　1979 年首台 CFB 锅炉在芬兰 Pihlava 投入运行，因其燃料适应性广、负荷调节范围大、污染物控制成本低等优势，在世界范围内引起了广泛关注。1985 年，世界首台再热式 CFB 锅炉在德国 Duisburg 投入商业运行，其大型化步伐开始加快，作为一种新型燃烧设备，CFB 锅炉被公认为煤炭燃烧技术的重大革新[13]。为此，赵长遂、冯俊凯、徐智勇等[14-16]先后撰文详细介绍这一技术，并对其在我国的大型化应用给予期望。

　　1987 年，中国电机工程学会在北京主持召开了 CFB 锅炉研讨会，研究加快国内 CFB 锅炉发展、成套设备引进的可行性，形成了我国发展 CFB 锅炉的初步意见，提出可以引进一台国外成熟、容量为 100 MW 等级的 CFB 锅炉，安装在四川省燃用高硫煤，从而推动了这项新技术在我国的发展[17]。1992 年，四川省电力局与 Ahlstrom公司(后被 Foster Wheeler 公司收购)签订了购买协议;1994 年，内江高坝项目开工建设;1996 年，机组通过 72 h 试运行[18]。尽管这台锅炉投产初期在燃烧效率、冷渣器、风机等方面存在一些技术问题，但整体成功，为我国发展大容量 CFB 锅炉积累了经验[19]。

　　2000 年前后，为加快中国大容量 CFB 锅炉的发展，以东方电气集团东方锅炉股份有限公司(东锅)、哈尔滨锅炉厂有限责任公司(哈锅)和上海锅炉厂有限公司(上锅)为代表的中国动力装备制造企业先是分别向 Foster Wheeler 公司、EVT 公司和 ABB-CE 公司引进了 100~135 MW CFB 锅炉技术，后来又在国家发展和改革委员会的组织下，与国内主要的电力设计院联合引进了 Alstom 公司的 300 MW CFB 锅炉技术[20-22]。在西安热工研究院有限公司(西安热工院)、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、中国科学院工程热物理研究所(中科院工热所)、清华大学、浙江大学等国内科研单位的不懈努力下，自主技术的大容量 CFB 锅炉也相继投运[23-25]。 2013 年 4 月，世界首台 600 MW 超临界 CFB 锅炉在四川白马电厂投运;2015 年 9 月，世界首台 350 MW 超临界 CFB 锅炉在山西国金电厂投运[26]。我国 CFB 锅炉大型化的标志性机组见表 1。

　　我国大容量 CFB 锅炉技术发展过程中，不仅产生了先进的设计理念，更重要的是形成了完备的设计、制造、安装、运行和检修体系。中国知网和中国专利公告检索分析结果显示：高峰时中国在 CFB 锅炉技术领域发表的期刊论文近 600 余篇、授权专利超过 400 项，期刊论文发表数量及各类专利授权数量如图 1 所示。

　　我国 CFB 锅炉技术在与引进技术竞争的过程中逐步壮大，主要的动力装备制造企业均具备了大容量 CFB 锅炉的设计制造能力，自主技术占据了国内 95%以上的市场。其中，东方电气集团东方锅炉股份有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司和上海锅炉厂有限公司生产的 CFB 锅炉占到全部大容量 CFB 锅炉的 83.3%。各动力装备制造企业锅炉生产情况如图 2 所示。

　　2 CFB 锅炉技术应用

　　截至 2018 年底，我国已投产 100 MW(410 t/h)以上等级CFB锅炉440台、总装机容量超过82.3 GW，中国华能集团有限公司、中国华电集团有限公司等电力企业，国家能源投资集团有限责任公司等煤炭企业均装备有大容量 CFB 锅炉，应用领域涵盖电力及热力供应、低热值燃料消纳、化工氯碱、石油石化、有色冶金、造纸纺织等行业，具体应用领域如图 3 所示。.

　　2.1 主力机型

　　目前，我国大容量 CFB 锅炉的主力机型是 135 MW 等级和 300 MW 等级，这两种机型占总装机容量的 73.2%、总装机台数的 73.8%，但超临界等级占比已超过 10%(图 4)。考虑到全国范围内还有 50 多台 350 MW 和 660 MW 超临界机组将会陆续投产，因此超临界参数等级有望成为未来的主力机型。

　　2.2 机组分布

　　国内共有 105 个地级以上城市安装有大容量 CFB 锅炉(图 5)，华北、华东和华南地区的大容量 CFB 锅炉装机数量最多，内蒙古、山西、广东、山东、辽宁占据国内大容量 CFB 锅炉装机的前五位(表 2)。

　　3 CFB 锅炉主要技术经济性指标

　　3.1 可靠性

　　CFB 锅炉燃烧方式与煤粉锅炉有着很大差别，燃用的又多是发热量低、灰分高的劣质煤，早期由于运行维护经验有限导致机组的非计划停运次数较高。2004 年，对 30 台 100~135 MW CFB 锅炉的统计显示，每年非计划停运次数达 5.61 次/台，锅炉平均连续运行时间为 74 天，最长连续运行时间为 139 天，最短连续运行时间仅为 33 天[27]。

　　随着技术发展进步，中国大容量 CFB 锅炉运行的可靠性显著提高。2017 年，对 81 台 100~300 MW CFB 锅炉的统计显示，每年非计划停运次数已经降至 0.37 次/台，其中 135 MW 为 0.26 次/台，300 MW 为 0.46 次/台，与同等级煤粉锅炉接近[28]。随着运行维护经验的积累以及先进防磨技术的推广使用， CFB 锅炉的连续运行纪录不断刷新：广东宝丽华电力有限公司梅县荷树园电厂 5 号机组(300 MW 机组)连续运行时间达到 434 天，神华亿利能源有限责任公司 1 号机组(200 MW 机组)连续运行时间达到 341 天，神东热电公司上湾电厂 1 号机组(150 MW 机组)连续运行时间达到 384 天，淮南矿业集团电力有限责任公司潘三电厂 1 号机组(135 MW 机组)连续运行时间达到 311 天。

　　3.2 经济性

　　供电煤耗和厂用电率是表征 CFB 锅炉经济性水平的主要技术指标。受燃料特性影响，CFB 锅炉固体未完全燃烧热损失、灰渣物理显热损失较大，加之燃烧过程中大量物料处于悬浮状态，需要克服布风及分离装置的阻力，因此其供电煤耗、厂用电率较高。但随着设计理念的提升，新投产的 CFB 锅炉供电煤耗、厂用电率显著下降，部分采用流态重构技术的 300 MW CFB 锅炉甚至可以将厂用电率降至 4%左右，基本与同等级煤粉锅炉相当[29]。2013 —2017 年我国典型 CFB 锅炉供电煤耗及厂用电率数据如图 6、图 7 所示。

　　3.3 环保性

　　《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223)对 CFB 锅炉粉尘、SO2和 NOx排放质量浓度做出了明确规定(图 8)。粉尘方面，CFB 锅炉与煤粉锅炉并无特别显著的差异，早期 CFB 锅炉主要使用静电除尘器，但部分煤种炉内添加石灰石脱硫后会对飞灰比电阻产生较大影响，因此也有一些 CFB 锅炉使用电袋复合除尘器。后期受环保标准提高的影响，大部分 CFB 锅炉使用布袋除尘器[30]。

　　SO2方面，排放质量浓度标准为 400 mg/m3 以上时，CFB 锅炉主要采用炉内添加石灰石脱硫的技术路线，钙硫摩尔比一般为 1~2，环保成本相对较低;排放质量浓度标准为 200~400 mg/m3 时，炉内添加石灰石脱硫的钙硫摩尔比一般需要升至 2~4;排放质量浓度标准低于 200 mg/m3 时，一般采用炉内添加石灰石脱硫和炉外脱硫相结合的技术路线，炉外脱硫多采用半干法脱硫工艺，也有少部分采用湿法脱硫工艺[31-32]。

　　NOx控制方面，GB 13223—2003 对于不同煤种、不同时段的 NOx排放质量浓度标准，CFB 锅炉均可满足;GB 13223—2011 对于在役锅炉要求的 NOx排放质量浓度标准(200 mg/m3)，大部分 CFB 锅炉也可满足;对于新建锅炉(100 mg/m3)及重点地区(50 mg/m3)则可采用选择性非催化还原(SNCR)技术[33]。实践表明，SNCR 技术应用于 CFB 锅炉时的脱硝效率一般可以达到 60%~85%，是目前的主流技术，仅有个别 CFB 锅炉选用选择性催化还原(SCR)技术或 SNCR/SCR 联合技术[34]。

　　由于《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020 年)》要求新建燃煤发电机组排放达到燃机排放限值，即粉尘、SO2和 NOx排放质量浓度分别小于 10、35、50 mg/m3[35]。目前广东、河北、山西、福建等省份已陆续完成了其行政区划内大容量 CFB 锅炉的超低排放改造，最早改造的机组运行时间已超过 4 年[36]。结果表明，CFB 锅炉完全具备实现超低排放的能力，且改造周期短，投入的环保成本和运行费用也相对较低[37-38]。

　　4 CFB 锅炉技术展望

　　4.1 参数等级

　　大容量、高参数可以最大限度降低 CFB 锅炉的能耗水平，目前我国已经投产的 CFB 锅炉最大容量为 600 MW，对应的蒸汽参数为 25.7 MPa/603 ℃/603 ℃。 2019 年初，国家能源局已将陕西彬长和贵州威赫两个项目列入国家能源科技重大示范工程，预期蒸汽参数 29.4 MPa/605 ℃/623 ℃的 660 MW 高效超超临界 CFB 发电项目很快将转入工程建设阶段。以陕西彬长项目为例，其作为国家科技重大专项“超超临界 CFB 锅炉技术研发与示范”的依托工程，其锅炉设计热效率为 93.5%、厂用电率为 4.72%，供电煤耗小于 290 g/(kW·h)，SO2、NOx和粉尘的排放质量浓度分别小于 35、50、5 mg/m3，建成后将成为世界上排放和能耗水平最低、容量和效率最高的 CFB 锅炉。

　　4.2 标准体系

　　目前，我国在 CFB 锅炉技术领域已经制订了 20 余项标准，根据编制规划，未来还将有 20 项左右的 CFB 锅炉技术标准(含国家标准、行业标准和团体标准)颁布实施，这些将为电力建设、生产运行、设计优化、检修维护、节能减排等工作提供更为全面的标准支撑。我国现行 CFB 锅炉技术标准见表 3。

　　4.3 国际应用

　　我国在 CFB 锅炉领域的技术研发、工程设计、设备制造、运行维护水平不断提高，不仅积累了丰富的实践经验，还培养了一大批优秀工程技术人员。我国不仅是 CFB 锅炉最大的商业市场，也成为了 CFB 锅炉技术的主要出口国。我国动力装备制造企业先后为境外 21 个国家和地区制造供货大容量 CFB 锅炉 83 台，总容量达到 11.9 GW，其中相当数量的 CFB 锅炉出口至“一带一路”沿线国家(如越南、印度尼西亚、菲律宾、印度、土耳其等)。对于这些国家而言，CFB 锅炉燃料适应性好、节能环保优势突出，中国取得的发展和应用经验可供其借鉴。

　　4.4 运行灵活性和燃料适应性

　　CFB 锅炉炉膛内大量炽热的床料有利于煤的稳定燃烧，因此其煤种适应性以及低负荷运行能力较强，部分 CFB 锅炉甚至可以在 25%负荷稳定运行，非常适合作为深度调峰机组。为提高可再生能源的消纳利用量，我国正在发掘燃煤机组的深度调峰能力，到 2020 年，将有 220 GW 煤电机组获得灵活性提升，预计 CFB 锅炉将在这一过程中发挥积极作用。

　　我国煤炭资源的分布和差异随地域不同变化极大，很多电厂需要使用偏离设计煤种的燃料，以煤粉锅炉湿法脱硫效率 95%计算，为满足 SO2 排放质量浓度小于 35 mg/m3 的要求，入炉煤的含硫量不宜大于 0.45%。CFB 锅炉炉内添加石灰石的计算脱硫效率一般可达 80%~90%[39]，配合炉外脱硫，其在燃料选择方面更为灵活。此外，随着原煤洗选比例的提高，每年预计将有 6 亿~8 亿 t 的劣质燃料需要利用，我国也正在依托现役燃煤电厂示范燃煤与农林废弃残余物耦合发电项目、燃煤与污泥耦合发电项目，这些都为 CFB 锅炉提供了大量可以预期的应用场景。

　　5 结 语

　　CFB 锅炉是低热值燃料、难燃煤种清洁高效利用的主要技术手段，近些年在我国得到了快速发展和广泛应用，可靠性、经济性和环保性显著提高，对优化我国电力结构、提高煤炭资源利用效率以及降低污染物排放做出了重要贡献。

　　尽管煤炭在我国一次能源中的比例已经降至 60%以下，但以煤为主的能源格局还要维持相当长的时间，研发应用具有更高参数、更低排放、更佳经济性的 CFB 锅炉是发展的大势所趋。我国在 CFB 锅炉设计制造、安装使用、维护管理方面积累了丰富经验，可以为 CFB 锅炉技术可持续发展发挥积极作用。——论文作者：黄 中 1，杨 娟 2，车得福 1

　　[参 考 文 献]

　　[1] 黄中. 循环流化床锅炉优化改造技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2019: 7-13. HUANG Zhong. Optimization technologies of circulating fluidized bed boiler[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2019: 7-13.

　　[2] 孙献斌, 黄中. 大型循环流化床锅炉技术与工程应用[M]. 2 版. 北京: 中国电力出版社, 2013: 1-15. SUN Xianbin, HUANG Zhong. Large capacity circulating fluidized bed boiler technology and engineering application[M]. 2nd ed. Beijing: China Electric Power Press, 2013: 1-15.

　　[3] 柳凤珍. 内江循环流化床锅炉示范电站工程投产发电[J]. 电力建设, 1996(12): 59. LIU Fengzhen. Neijiang circulating fluidized bed boiler demonstration power station project put into operation[J]. Electric Power Construction, 1996(12): 59.

　　[4] BASU P. Circulating fluidized bed boilers: design, operation and maintenance[M]. Springer International Publishing Switzerland, 2015: 1-18.

　　[5] BOZZUTO C. Clean combustion technologies: a reference book on steam generation and emissions control[M]. 5th ed. Alstom, 2009: 3-45.

　　[6] 全国电力行业 CFB 机组技术交流服务协作网组编. 循环流化床锅炉技术 1000 问[M]. 北京: 中国电力出版社, 2016: 5-10. National Electricity CFB Power Generation Promotion Organization. One thousand questions and answers about CFB boiler[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2016: 5-10.

　　[7] 程乐鸣, 周星龙, 郑成航, 等. 大型循环流化床锅炉的发展[J]. 动力工程, 2008, 28(6): 817-826. CHENG Leming, ZHOU Xinglong, ZHENG Chenghang, et al. Development of large-scale CFB boiler[J]. Journal of Power Engineering, 2008, 28(6): 817-826.

　　[8] 周一工. 中国循环流化床锅炉的发展: 从低压到超临界[J]. 锅炉技术, 2009, 40(2): 22-27. ZHOU Yigong. Development of CFB boiler in China: from low pressure boiler to supercritical boiler[J]. Boiler Technology, 2009, 40(2): 22-27.

　　[9] 李斌, 李建锋, 吕俊复, 等. 我国大型循环流化床锅炉机组运行现状[J]. 锅炉技术, 2012, 43(1): 22-28. LI Bin, LI Jianfeng, LV Junfu, et al. Status of large scale circulating fluidized bed boiler operation in China[J]. Boiler Technology, 2012, 43(1): 22-28.

　　[10]黄中, 潘贵涛, 张品高, 等. 300 MW 大型循环流化床锅炉运行分析与发展建议[J]. 锅炉技术, 2014, 45(6): 35-41.HUANG Zhong, PAN Guitao, ZHANG Pingao, et al. Operating condition and development proposal of 300 MW large-scale circulating fluidized bed boiler[J]. Boiler Technology, 2014, 45(6): 35-41.