中國循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展：從低壓到超臨界

上海電氣電站集團副總工程師 周一工

前言

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，中國循環(huán)流化床鍋爐不僅在技術(shù)上有了長足的進步，而且在容量和參數(shù)等級上一直穩(wěn)步提高。大致上講，我國循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的發(fā)展可分為以下幾個時期：二十世紀六十年代末至八十年代初為鼓泡床沸騰爐時期，八十年代中期以后進入循環(huán)流化床鍋爐時期。其中：二十世紀八十年代中期為低壓發(fā)展時期，典型容量為10t/h、20t/h，典型參數(shù)為1.25MPa/400℃；二十世紀八十年代后期為中壓發(fā)展時期，典型容量為35t/h、75t/h，典型參數(shù)為3.82MPa/450℃；二十世紀九十年代初期為中壓完善化時期，典型容量為75t/h、130t/h（25MW），典型參數(shù)仍為3.82MPa/450℃；二十世紀九十年代中期為高壓發(fā)展時期，典型容量為140t/h（30MW）、220t/h（50MW），典型參數(shù)為9.8MPa/540℃；二十世紀九十年代后期為高壓大型化時期，典型容量為410t/h（100MW），典型參數(shù)仍為9.8MPa/540℃；二十一世紀頭十年初期為超高壓中間再熱發(fā)展時期，典型容量為440t/h（135MW），典型參數(shù)為13.7MPa/540/540℃；二十一世紀頭十年中期為亞臨界發(fā)展時期，典型容量為1025t/h（300MW），典型參數(shù)為17.4MPa/540/540℃。

預計二十一世紀頭十年后期將進入超臨界發(fā)展時期，典型容量將為1900t/h（600MW），典型參數(shù)為26.2MPa/566/566℃。

循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)特點

循環(huán)流化床鍋爐是從鼓泡床沸騰爐發(fā)展而來的一種新型燃煤鍋爐技術(shù)，它的工作原理是：將煤破碎成0~10mm的顆粒后送入爐膛，同時爐膛內(nèi)存有大量床料（爐渣或石英砂），由爐膛下部配風，使燃料在床料中呈“流態(tài)化”燃燒，并在爐膛出口或過熱器后部安裝氣固分離器（一般均采用旋風分離器），將分離下來的固體顆粒通過回送裝置再次送入爐膛燃燒。

循環(huán)流化床鍋爐的運行特點是燃料隨床料在爐內(nèi)多次循環(huán)，這為燃料提供了足夠的燃燼時間，使飛灰含碳量下降。對于燃用高熱值燃料，運行良好的循環(huán)流化床鍋爐來說，燃燒效率可達98~99%，相當于煤粉燃燒鍋爐的燃燒效率。

循環(huán)流化床鍋爐具有良好的燃料適應性，一般燃燒方式難以正常燃燒的石煤、煤矸石、泥煤、油頁巖、低熱值無煙煤以及各種工農(nóng)業(yè)垃圾等劣質(zhì)燃料都可在循環(huán)流化床鍋爐中有效燃燒。由于其物料循環(huán)量是可調(diào)節(jié)的，所以循環(huán)流化床鍋爐具有良好的負荷調(diào)節(jié)性能和低負荷運行性能，能適應調(diào)峰機組的要求。同時，循環(huán)流化床鍋爐具有優(yōu)越的環(huán)保性能。循環(huán)流化床鍋爐作為一種新型高效低污染燃煤技術(shù)，在國內(nèi)外已得到廣泛應用。回顧循環(huán)流化床鍋爐在我國的發(fā)展歷程，分析循環(huán)流化床鍋爐在我國獲得發(fā)展的內(nèi)在原因，對探索我國循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展道路是非常重要的。

循環(huán)流化床鍋爐在國外的發(fā)展

循環(huán)流化床工藝的歷史可追溯到二十世紀二、三十年代的一些實驗臺研究成果，隨后，循環(huán)流化床工藝在化學工業(yè)和冶金工業(yè)上得到了廣泛應用。將循環(huán)流化床工藝應用于煤燃燒設(shè)備的設(shè)想最早產(chǎn)生于二十世紀六十年代，十多年后，芬蘭奧斯龍（Ahlstrom）公司的20t/h循環(huán)流化床鍋爐（1979年）和德國魯奇（Lurgi）公司的50t/h循環(huán)流化床鍋爐（1981年）相繼投運，標志著作為煤燃燒設(shè)備的循環(huán)流化床鍋爐誕生了。

在隨后的二十多年中，循環(huán)流化床鍋爐因其燃料適應性廣（可燃用幾乎所有的煤種以及石油焦、油頁巖等特殊燃料，甚至工、農(nóng)業(yè)垃圾和城市垃圾）、低NOX排放（通過低溫燃燒和分級送風，NOX排放僅為煤粉燃燒鍋爐的1/3~1/4，甚至更低）、爐內(nèi)脫硫（低溫燃燒和多次循環(huán)使脫硫劑利用率大大提高，在Ca/S比為1.8~2.5時，脫硫效率可達90%以上，脫硫經(jīng)濟性很好）、負荷調(diào)節(jié)比大（可達4~5:1，不投油最低穩(wěn)燃負荷可達30%BMCR以下）、燃料制備系統(tǒng)簡單（采用兩級破碎，破碎至0~10mm左右即可，不需要磨煤設(shè)備）、灰渣綜合利用性能好（灰渣處于中溫活性區(qū)，可做水泥填料，也可用于稀有金屬的提?。┑葍?yōu)點，表現(xiàn)出了旺盛的生命力，它不僅在中小型鍋爐的商業(yè)競爭中占有了相當?shù)氖袌龇蓊~，并且在技術(shù)日趨成熟的同時，迅速向大型燃煤鍋爐的商業(yè)市場邁進。1995年11月，采用魯奇循環(huán)流化床工藝，由法國通用電氣阿爾斯通斯坦因工業(yè)公司（GASI）設(shè)計、制造的法國普羅旺斯（Provence）電站250MW循環(huán)流化床鍋爐投入商業(yè)運行。普羅旺斯電站的成功投運成為大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展史上的一個里程碑。它不僅解決了循環(huán)流化床鍋爐大型化過程中的很多技術(shù)問題，更重要的是它為循環(huán)流化床鍋爐大型化工作的進一步開展增加了信心，包括制造商的信心和用戶的信心。隨后，世界各主要循環(huán)流化床鍋爐制造商都開始了300~350MW等級的產(chǎn)品開發(fā)工作，目前，阿爾斯通（ALSTOM）公司、福斯特惠勒（Foster Wheeler）公司的300~350MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐均已投運，并開始了更大容量（400~800MW）的超臨界壓力參數(shù)的超大型循環(huán)流化床鍋爐的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作。2003年初，福斯特惠勒公司在波蘭簽訂的460MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的供貨合同，目前，該鍋爐的安裝工作已基本完成。這臺鍋爐的運行狀況將成為世人關(guān)注的下一個焦點。

我國循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展歷程

1. 鼓泡流化床鍋爐的研究開發(fā)

二十世紀六十年代末，我國開始了鼓泡流化床鍋爐（沸騰爐）的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作，從七十年代初起，4t/h、6.5t/h、10t/h、20t/h、35t/h、65t/h、130t/h鼓泡流化床鍋爐相繼投運。至八十年代初，我國投運的鼓泡流化床鍋爐數(shù)量已接近3000臺。在鼓泡流化床鍋爐的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作中，研究者們解決了許多難題，摸索出了許多經(jīng)驗，研究了燃燒特性、傳熱問題、磨損問題、膨脹問題、密封問題、材料選擇，摸清了工藝流程，為后來循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)提供了十分寶貴的經(jīng)驗。

但是，我國鼓泡流化床鍋爐的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作是有教訓需要總結(jié)的。首先，在燃料的定位上，局限在煤矸石、油頁巖等高灰燃料上，這就限制了技術(shù)的進一步發(fā)展，并使磨損問題顯得非常突出；其次，在容量上，除了少數(shù)幾臺130t/h容量外，大量的是小型鍋爐，幾乎沒有考慮過向更大容量等級發(fā)展的問題；第三，在控制上，鼓泡流化床鍋爐的自動控制問題一直沒有引起過重視；第四，在技術(shù)發(fā)展還不成熟時，沒有遵循科學研究的規(guī)律，一哄而上，在暴露出比較多的問題后，又沒有能進行科學的研究和總結(jié)，耐心地找出解決問題的方法和措施，一哄而下。

2. 小型循環(huán)流化床鍋爐的研究開發(fā)

1981年，國家科委下達了“煤的流化床燃燒技術(shù)研究”課題，標志著我國循環(huán)流化床鍋爐的研究和產(chǎn)品開發(fā)工作正式啟動。隨后，中國科學院工程熱物理研究所、清華大學、浙江大學、東南大學、華中理工大學、東北電力學院、西安熱工研究院、哈爾濱工業(yè)大學、上海電站設(shè)備成套設(shè)計研究所等都先后開始進行研究工作。1984年，中國科學院工程熱物理研究所建造了熱功率2.8MW的循環(huán)流化床燃燒試驗裝置，標志著流化床燃燒技術(shù)的研究完成了從理論研究和冷態(tài)試驗研究向熱態(tài)試驗研究的一次飛躍。

八十年代中期起，大批中小型鍋爐制造廠與研究院所合作，進行了循環(huán)流化床鍋爐的產(chǎn)品開發(fā)工作。以下是幾個標志性容量的投運情況：1985年，吉林鍋爐廠在東北電力學院動力系投運了10t/h內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐；1987年，開封鍋爐廠在開封中藥廠投運了10t/h循環(huán)流化床鍋爐；1988年，濟南鍋爐廠在明水化肥廠投運了35t/h循環(huán)流化床鍋爐；1989年，江西鍋爐廠在清華大學熱電廠投運了20t/h循環(huán)流化床鍋爐；1992年，杭州鍋爐廠在浙江省嵊縣發(fā)電廠投運了75t/h循環(huán)流化床鍋爐（以上除兩臺安裝在兩所院校內(nèi)的是采用各自院校的技術(shù)外，其它幾臺均采用中國科學院工程熱物理研究所技術(shù)）。到九十年代中期，投入運行的75t/h以下容量的循環(huán)流化床鍋爐已有近200臺。

這一時期投運的小容量循環(huán)流化床鍋爐也暴露出了很多問題。主要問題是出力不足、主汽溫度低、磨損嚴重、自動化水平低、配套輔機故障率高等。后經(jīng)過“完善化工程”，解決了一些問題，提高了機組可用率，但是75t/h以下容量循環(huán)流化床鍋爐的總體技術(shù)水平仍然沒有達到理想的效果。

這一時期循環(huán)流化床鍋爐的總體技術(shù)水平之所以徘徊不前，主要有兩個原因：一是盡管有多家研究單位從事循環(huán)流化床鍋爐的研究工作，但缺乏統(tǒng)一的組織、管理和分工，研究工作在同一水平上不斷重復，缺乏深層次開發(fā)的能力；二是研究工作和產(chǎn)品開發(fā)沒有能有機地結(jié)合起來，大多數(shù)研究成果不能直接甚至間接為產(chǎn)品開發(fā)服務。

3. 中等容量循環(huán)流化床鍋爐的研究開發(fā)

九十年代中期，我國三大鍋爐制造企業(yè)（上海鍋爐廠有限公司、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司、東方鍋爐（集團）股份有限公司）分別在前期技術(shù)積累的基礎(chǔ)上引進國外技術(shù)或與國外合作生產(chǎn)了220t/h循環(huán)流化床鍋爐，并與九十年代中后期成功投運。具有代表性的機組有：東方鍋爐（集團）股份有限公司生產(chǎn)的浙江寧波中華紙業(yè)公司220t/h循環(huán)流化床鍋爐，哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產(chǎn)的浙江協(xié)聯(lián)熱電有限公司220t/h循環(huán)流化床鍋爐，上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的重慶愛溪電廠220t/h循環(huán)流化床鍋爐。這些機組盡管在投運初期都存在一些問題，但經(jīng)過不斷調(diào)試和改進運行方式，大多基本達到了設(shè)計要求，更為重要的是，這些機組的成功投運整體提升了我國循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)水平，使循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)在中等容量燃煤鍋爐商業(yè)市場的競爭中站住了腳跟。

九十年代中后期，有一件事對我國循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，就是四川高壩電廠410t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐的成功投運。高壩電廠410t/h循環(huán)流化床鍋爐是購買原芬蘭奧斯龍公司的產(chǎn)品，燃用西南地區(qū)無煙煤。這臺鍋爐的成功投運一方面證明了在我國運行較大容量循環(huán)流化床鍋爐是可行的，另一方面也證明了循環(huán)流化床鍋爐可以適應我國無煙煤的燃燒特點。

九十年代末期，隨著我國對環(huán)境問題的日益重視，以及電力工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大批老機組面臨技術(shù)改造的具體情況，國家產(chǎn)業(yè)政策向循環(huán)流化床鍋爐傾斜，循環(huán)流化床鍋爐得到了很好的發(fā)展機遇。1999年起，以河北保定電廠450t/h、石家莊電廠410t/h循環(huán)流化床鍋爐公開招標為起點，100MW高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐開始進入國內(nèi)市場；2000年起，以河南開封電廠、新鄉(xiāng)電廠440t/h循環(huán)流化床鍋爐公開招標為起點，135~150MW超高壓中間再熱循環(huán)流化床鍋爐開始進入國內(nèi)市場。為適應這樣的發(fā)展形勢，哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進了德國EVT公司（現(xiàn)阿爾斯通公司德國部）的135MW循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，上海鍋爐廠有限公司引進了阿爾斯通公司美國部（原ABB-CE公司）的135MW循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，東方鍋爐（集團）股份有限公司也在原來引進福斯特惠勒公司100MW高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的基礎(chǔ)上自行開發(fā)了135MW超高壓中間再熱循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)。同時，無錫鍋爐廠、濟南鍋爐廠、武漢鍋爐廠等中型鍋爐制造企業(yè)也開始涉足135~150MW超高壓中間再熱循環(huán)流化床鍋爐市場?，F(xiàn)已投運的100MW高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐四十多臺，已投運的135~150MW超高壓中間再熱循環(huán)流化床鍋爐一百臺以上。

從投運的情況看，以華能濟寧電廠2臺440t/h中間再熱的循環(huán)流化床鍋爐為例，該機組2002年3月開工，2003年6月21日，鍋爐首次整套啟動，2003年7月4日－11日順利完成168小時滿負荷試運行考核，鍋爐各個部分的運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)吻合，達到預期要求。在168小時運行期間，鍋爐完全斷油燃煤，主保護投入率100%，主要儀表投入率100%，平均負荷率98%，最高瞬時負荷150MW。

華能濟寧電廠運行數(shù)據(jù)表明：鍋爐負荷、過熱蒸汽溫度和壓力、再熱蒸汽溫度和壓力、噴水量、爐膛溫度和排煙溫度等性能指標全部達到設(shè)計值，不投油穩(wěn)燃負荷低于30%B-MCR，冷渣器運轉(zhuǎn)正常，飛灰含碳量僅4.24%（合同要求小于8%）。尤其值得一提的是，機組自動化投用率為100%，實現(xiàn)了全過程自動控制。外方調(diào)試人員對此給予極高評價，認為即使與國際上同類型機組相比，這些產(chǎn)品的總體性能和質(zhì)量指標也是最好的，達到國際領(lǐng)先水平。

4. 亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的研究開發(fā)

1997年，原國家計委牽頭，原電力部、原機械部共同參與四川高壩發(fā)電總廠白馬電廠300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備采購、技貿(mào)結(jié)合工作。在購買300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的同時，引進200~350MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計、制造技術(shù)。

經(jīng)過多年的談判，法國ALSTOM公司中標，并與2003年3月簽定了設(shè)備采購和技術(shù)引進合同。上海鍋爐廠有限公司、哈爾濱鍋爐廠有限責任公司、東方鍋爐（集團）股份有限公司同時參與了技術(shù)引進，并于2004年7月完成技術(shù)培訓工作。同時，電力設(shè)計規(guī)劃院與華東電力設(shè)計院、東北電力設(shè)計院、西北電力設(shè)計院、西南電力設(shè)計院、中南電力設(shè)計院、華北電力設(shè)計院一起進行了鍋爐島設(shè)計的技術(shù)引進，并同期完成技術(shù)培訓工作。

白馬電廠300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐已與2006年初投產(chǎn)發(fā)電，并已通過了性能考核試驗。結(jié)果表明，各項性能參數(shù)完全達到合同要求，具體數(shù)據(jù)如下：

序號 項目 單位 數(shù)值1 鍋爐效率 % 93.29 2 SO2 mg/Nm3 550 3 NOX mg/Nm3 90.74 4 供電煤耗 g/kwh 348.2 5 發(fā)電煤耗 g/kwh 321 6 可用率 % 93.4 7 脫硫效率 % 94.7 8 飛灰可燃物 % ≤4 9 底渣可燃物 % ≤2 10 Ca/S 1.67

目前，三大鍋爐制造企業(yè)已有超過50臺300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的定單，其中云南開遠電廠（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設(shè)計、制造）、云南小龍?zhí)峨姀S、內(nèi)蒙古蒙西電廠（上海鍋爐廠有限公司設(shè)計、制造）、秦皇島電廠（東方鍋爐（集團）股份有限公司設(shè)計、制造）的300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐均已投運，且運行效果總體良好。以最早投運的國產(chǎn)化項目云南開遠電廠為例，從運行狀況看，克服了白馬電廠頻繁發(fā)生的冷渣器出渣不暢、爐內(nèi)翻床等運行故障。從性能考核數(shù)據(jù)看，各項指標達到合同要求，并且不低于白馬電廠的性能，具體數(shù)據(jù)見下表：

序號 項目 單位 數(shù)值1 鍋爐效率 % 93.26 2 SO2 mg/Nm3 395 3 NOX mg/Nm3 139 4 廠用電率 % 8.3 5 脫硫效率 % 94.3 6 飛灰可燃物 % ≤3 7 底渣可燃物 % ≤0.5 8 Ca/S 2.2

5. 超臨界循環(huán)流化床鍋爐的前期研究工作

在300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐成功開發(fā)的同時，600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的研究工作已經(jīng)起步。早在“十五”期間，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）就將超臨界循環(huán)流化床鍋爐列入了研究課題，進行了一部分可行性研究和概念設(shè)計工作。隨著300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐的成功投運，超臨界循環(huán)流化床鍋爐的產(chǎn)品開發(fā)工作正式啟動，目前，科技部已將“超臨界循環(huán)流化床”列入“十一五”國家科技支撐計劃，國家發(fā)改委也將于“十一五”期間啟動600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐示范工程。清華大學、西安熱工研究院、中國科學院工程熱物理研究所等多個科研院所參與了600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的研究課題，且三大鍋爐制造企業(yè)均已完成了600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)設(shè)計方案。

循環(huán)流化床鍋爐在我國得以發(fā)展的原因

二十多年來，循環(huán)流化床鍋爐在我國能得到較快的發(fā)展，究其原因，主要與我國煤資源及動力用煤特點、我國燃煤污染狀況以及循環(huán)流化床鍋爐在燃燒及環(huán)保上的優(yōu)勢有關(guān)。

1. 我國煤資源及動力用煤的基本情況

在一次能源中，我國煤炭資源最為豐富，探明的保有量已超過10，000億噸，居世界第三位，估計在地下深1500米以內(nèi)的煤炭資源總量約40，000億噸。在保有的煤炭儲量中，煙煤占70%以上，褐煤占14%，無煙煤占14%。我國探明的石油資源為70多億噸，其中可采儲量僅16億噸，已探明的天然氣資源3130億立方米。煤炭占我國化石燃料總儲量的95%以上。豐富的煤炭資源和我國歷史、經(jīng)濟等方面的條件相結(jié)合，形成了我國能源結(jié)構(gòu)中以煤為主的格局。并且，在今后相當長的時間內(nèi)，這種以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會有大的變化。

我國煤炭的一個重要特點是高硫煤占相當比例，含硫量大于1%的高硫煤占25%以上。從地理情況看，自北向南煤的含硫量呈逐漸增高的趨勢，高硫煤主要分布在四川、貴州、廣西、山東、陜西等省區(qū)。高硫煤分布的另一個特點是隨著礦井向深層的開采，含硫量越往下越高。

全國燃煤發(fā)電的用煤量占煤炭總產(chǎn)量的60%以上，所以燃用高硫煤是不可避免的。全國30%以上的發(fā)電用煤是高硫煤。

2. 燃用高硫煤的危害

高硫煤燃燒導致大量SO2排放。SO2是大氣污染的重要元素之一。SO2的污染屬于低濃度、長期污染的性質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境是一種慢性、疊加性的長期危害。SO2對人類健康有很大影響，它通過呼吸系統(tǒng)進入人體，引起或加重呼吸器官的疾病，甚至導致死亡。

SO2還是形成酸雨的重要組成部分?？赡芤鹩晁峄奈镔|(zhì)有硫化物類、氮化物類及氯化物類。我國酸雨以硫酸為主，占80%以上，帶有大氣SO2污染的明顯特征。西南地區(qū)是我國燃用高硫煤的主要地區(qū)，也是我國的主要酸雨分布區(qū)。

酸雨被稱為“空中死神”，它對水生生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、建筑物和材料、人體健康等方面均有危害。在聯(lián)合國系統(tǒng)中期環(huán)境方案中，酸雨被列為“最重大關(guān)健問題”之一。

我國酸雨的分布具有明顯的區(qū)域性，主要分布在長江以南，以主要工業(yè)城市為中心，形成幾個酸雨區(qū)：以重慶、貴陽為代表的西南酸雨區(qū)（這一地區(qū)是我國酸雨最嚴重的地區(qū)，也是酸雨出現(xiàn)的高頻區(qū)，中心部分的PH年均值曾達到為4.3）；以柳州、廣州為代表的華南酸雨區(qū)；以長沙、南昌為代表的華中酸雨區(qū)；以福州、廈門為代表的沿海酸雨區(qū)；以杭州、溫州為代表的滬杭酸雨區(qū)；以青島為中心的膠東半島酸雨區(qū)。

近年來，燃煤電廠SO2的年排放量不斷增長，其排放量占全國總排放量三分之一以上。要控制我國酸雨的發(fā)展，就必須實現(xiàn)燃煤電廠脫硫和SO2排放總量控制。如果SO2的排放處于失控狀況，則酸雨趨勢將會惡化。

3. NOX的排放和危害

NOX也是燃煤電站排放的主要污染物。煤燃燒生成的NOX主要是NO（占NOX總數(shù)的95%左右）和NO2（占N0X總數(shù)的5%左右），另外，還有少量的N2O、N2O3、N2O4和N2O5。N0X對人類和環(huán)境的危害是相當大的。

3.1 毒性大

NO和NO2都是有毒氣體，NO2毒性更大，是NO的4~5倍。它們很容易和血液中的血色素結(jié)合，使血液缺氧，引起中樞神輕麻痹癥。NO2還對呼吸器官粘膜有強烈的刺激作用，引起肺氣腫和肺癌。此外，NO2對人體的心臟、肝臟、腎臟和造血組織等都造成損害。

3.2 破壞臭氧層

在臭氧層中存在以下反應：

即在有NO存在時，O3不斷變成O2，使臭氧越來越少，從而減弱了對紫外光幅射的屏蔽作用，對地面生成造成危害。

3.3 形成光化學煙霧和酸雨

NO2在陽光照射下會和大氣中的其它污染物發(fā)生一系列連鎖反應，形成毒性很大的光化學煙霧。另外，NOX與SO2和粉塵共存，在粉塵中重金屬元素的催化作用下，可生成毒性很大的硝酸或硝酸鹽氣溶液，形成酸雨。

3.4 煤粉燃燒鍋爐解決污染物排放問題在技術(shù)上和經(jīng)濟上的局限性

煤粉燃燒鍋爐也采取了很多措施，試圖降低SO2和NOX的排放，主要有煤粉燃燒的低NOX燃燒器、爐內(nèi)噴鈣脫硫和尾部煙氣脫硫、脫硝技術(shù)。

3.4.1 低NOX煤粉燃燒器

低NOX煤粉燃燒器有很多種，主要有以一次風濃淡分離為主要特征的WR燃燒器、PM燃燒器和以控制一、二次風混合為特征的同心反切圓燃燒系統(tǒng)等。其宗旨是控制燃燒溫度以減少熱力型NOX生成和分級燃燒以減少燃料型NOX生成。

目前，燃用煙煤的低NOX煤粉燃燒器可控制NOX排放至400~600mg/Nm3（盡管一些研究報告的數(shù)據(jù)更低些，但實爐測試的數(shù)據(jù)基本處于這一范圍），并可保證較高的燃燒效率（99%左右）。

但是，低NOX煤粉燃燒器在無煙煤燃燒上有很大的局限性，因為無煙煤著火困難，所以在燃燒器設(shè)計上必須以滿足盡快著火為第一準則，而這與控制NOX生成在本質(zhì)上是矛盾的。目前，無煙煤煤粉燃燒器的NOX排放大都在1100mg/Nm3左右，仍不能滿足環(huán)?？刂埔蟆?/p>

3.4.2 煤粉燃燒的爐內(nèi)噴鈣脫硫

煤粉燃燒的爐內(nèi)噴鈣脫硫是將CaO或Ca(OH)2在適當?shù)臏囟葏^(qū)域（900℃左右）噴入爐內(nèi)，與SO2反應，生成CaSO4，以達到脫硫的目的。它的系統(tǒng)簡單，設(shè)備投資較少，但脫硫效率不高，在Ca/S比為2~3.5時，脫硫效率僅50%左右。

因為爐內(nèi)噴鈣的脫硫效率不高，在工業(yè)應用上也還存在一些技術(shù)問題，所以應用得不多。從發(fā)展看，它不能滿足逐漸提高的排放控制要求，生存空間將越來越小。

3.4.3 煤粉燃燒鍋爐的尾部煙氣脫硫、脫硝技術(shù)

尾部煙氣脫硫（FGD）是將煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中的SO2用化學方法吸收。尾部煙氣脫硫有干式、半干式和濕式三類，很多種工藝流程，脫硫劑有NaOH、KOH、CaO、Ca(OH)2、Na2CO3及海水等多種。根據(jù)工藝流程的不同，它們的設(shè)備投資、運行費用、脫硫效率、適用規(guī)格有所不同。濕式脫硫效率最高，可將SO2排放控制在200mg/Nm3以下，但投資也最大。

尾部煙氣脫硫是一種實用化、工業(yè)化脫硫方式，在發(fā)達國家已有比較廣泛的應用。我國在新建機組上已全面推廣應用。但總的來說，其設(shè)備投資巨大，運行費用高。

煙氣脫硝有選擇性催化還原（SCR）和非選擇性催化還原（SNCR）兩大類，其原理是加氨（NH3）使NOX還原，生成N2。煙氣脫硝技術(shù)可使NOX排放控制在100mg/Nm3以下，但其價格昂貴，發(fā)電成本高。我國在這方面的工作剛剛起步。

另外，還有煙氣同時脫硫脫硝的電子束法，具稱它能同時去除SO2和NOX，無排水，副產(chǎn)品可用作農(nóng)業(yè)用化肥 [(NH4)2SO4，NH4NO3]。目前該產(chǎn)品還處于試驗論證階段，要進入工業(yè)化應用還有很長的路要走，經(jīng)濟性問題也有待進一步驗證。

4.3.5 循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)優(yōu)勢

在環(huán)保性能方面，循環(huán)流化床鍋爐因其是低溫燃燒（燃燒溫度850~900℃），且有較大的二次風率（40~50%），所以對降低NOX的排放非常有利，NOX排放一般均可降至250mg/Nm3以下。

同時，循環(huán)流化床鍋爐可向爐內(nèi)加入石灰石脫硫。非常有利的是，爐內(nèi)脫硫反應的最佳溫度（825~850℃）正好與燃燒溫度基本相同，并且，石灰石隨床料多次循環(huán)，提高了利用率。在Ca/S比為1.8~2.5時，脫硫效率可達90%以上。

因此，循環(huán)流化床鍋爐是一種有發(fā)展前途的燃煤鍋爐型式，它在燃煤鍋爐的商業(yè)競爭中占有一席之地是必然的。

我國循環(huán)流化床鍋爐的市場分析

從我國電力發(fā)展的總量分析，從2007年到2020年間，平均每年要新增火電裝機容量2600~2800萬千瓦。我國含硫量大于1%的高硫煤占25%以上，也就是說，在每年新增火電裝機容量中有近700萬千瓦的燃料為高硫煤。與煤粉燃燒鍋爐尾部煙氣脫硫相比，循環(huán)流化床鍋爐在脫硫經(jīng)濟性和脫硫能力的綜合性能上占有優(yōu)勢。以燃用高硫煤的機組有75%選擇循環(huán)流化床鍋爐計算，2007年到2020年的十五年間每年將有500萬千瓦以上的大型循環(huán)流化床鍋爐的市場。

另一方面，目前我國燃用無煙煤的煤粉鍋爐的NOX排放為1100mg/Nm3左右，尚不能滿足排放控制要求，而燃用無煙煤的大型循環(huán)流化床鍋爐NOX排放可控制在150mg/Nm3以下。隨著環(huán)保標準執(zhí)行力度的加大，大型循環(huán)流化床鍋爐在燃用無煙煤的電站鍋爐中也會占領(lǐng)部分市場。

目前大量新機組是建于煤礦附近的坑口電廠，燃料以洗煤廠副產(chǎn)品洗中煤、煤矸石、洗煤泥為主，由于燃料的特殊性，循環(huán)流化床鍋爐幾乎是它們唯一的選擇。

煉油行業(yè)的副產(chǎn)品石油焦、煤化工行業(yè)的煤制油油渣、氮肥行業(yè)的造氣爐渣都是循環(huán)流化床鍋爐的燃料，且只能在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒，這也是循環(huán)流化床鍋爐的一部分市場。

由于循環(huán)流化床鍋爐能夠解決我國燃煤鍋爐存在的包括環(huán)境問題在內(nèi)的諸多現(xiàn)實問題，中國已成為循環(huán)流化床鍋爐最大的商業(yè)市場。

超臨界循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)可行性

循環(huán)流化床鍋爐是否適用超臨界蒸汽參數(shù)的問題，學術(shù)界長期存在爭論。反對者認為，對超臨界鍋爐來說，就水冷壁安全性而言，本生型螺旋管圈是最好的選擇，這一結(jié)構(gòu)適合于煤粉爐但不適合于循環(huán)流化床鍋爐，因為螺旋管圈結(jié)構(gòu)在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)磨損會相當嚴重。

但是，在使用垂直管水冷壁能解決水動力安全性的前提下（采用西門子技術(shù)的低循環(huán)倍率的本生型垂直管水冷壁就能較好地解決水動力安全性問題），與煤粉爐相比，循環(huán)流化床鍋爐還是有一些更適合超臨界參數(shù)的特性：

由于循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)的溫度比煤粉爐低得多，因此爐膛內(nèi)的熱流比煤粉爐低。在超臨界直流鍋爐中，由于工質(zhì)的質(zhì)量流量較低而溫度卻很高，水冷壁的冷卻能力是一個重大問題，而循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)較低的熱流密度降低了對水冷壁冷卻能力的要求。

循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)固體濃度和傳熱系數(shù)在爐膛底部最大，隨爐膛高度的增加而逐漸減小，所以熱流曲線的最大值出現(xiàn)在爐膛底部附近。這個特性可以使爐膛內(nèi)高熱流密度區(qū)域剛好處于工質(zhì)溫度最低的爐膛下部區(qū)域，從而避免了煤粉爐爐膛內(nèi)熱流曲線的峰值位于工質(zhì)溫度較高的爐膛上部區(qū)域這一矛盾。因此，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)熱流分布曲線比較有利于水冷壁金屬溫度的控制。

循環(huán)流化床鍋爐的低溫燃燒使得爐膛內(nèi)的溫度水平低于一般煤灰的灰熔點，再加上爐膛內(nèi)較高的固體顆粒濃度，所以水冷壁上基本沒有積灰結(jié)渣，保證了水冷壁的吸熱能力。

發(fā)展超臨界循環(huán)流化床鍋爐應注意的幾個問題

1. 發(fā)展速度不宜過快

進入二十一世紀以來，我國在引進技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上先后發(fā)展了600MW超臨界、660MW超超臨界、1000MW超超臨界煤粉爐機組和300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐機組，且發(fā)展速度極其迅猛，往往是第一臺尚未投運就已跟進了幾十臺的定單，客觀上也沒有發(fā)生重大的、顛覆性的技術(shù)問題。但是，這種發(fā)展模式不適用于超臨界循環(huán)流化床鍋爐。

應該看到，以上提及的這些機組所用的爐型在國外都是成熟的技術(shù)并已有較多的使用業(yè)績，我們是在引進技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計、制造的，且第一臺產(chǎn)品大多以外方設(shè)計為主，甚至有些第一臺產(chǎn)品的性能都是由外方保證的，因此可以說基本不存在大的技術(shù)風險。

然而，600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)情況有所不同，目前全世界僅有一臺定單且還沒有正式投運，爐型的技術(shù)特點與國內(nèi)正在自主開發(fā)的爐型也有很大不同，可以借鑒的直接經(jīng)驗有限，因此自主開發(fā)的技術(shù)風險不可低估。我們認為比較適宜的做法是先上一小批（3~4臺）示范機組，在示范機組投運經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上再較大規(guī)模地投入商業(yè)市場。

2. 示范機組的燃料選擇

長期以來，循環(huán)流化床鍋爐一直被認為能夠適應多種燃料，尤其是劣質(zhì)燃料，事實基本也是如此，“十一五”前期國家核準的大批煤矸石、洗煤泥坑口電站基本都采用300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐。從運行情況看，以內(nèi)蒙古蒙西電廠（燃用3000大卡/公斤以下的煤矸石，已投運近一年）為例，它的各項性能指標與燃用無煙煤的白馬電廠和燃用褐煤的開遠電廠、小龍?zhí)峨姀S基本接近，也沒有發(fā)生嚴重的磨損問題。

但是，即使對循環(huán)流化床鍋爐而言，燃用高灰份劣質(zhì)燃料仍然容易帶來諸多運行問題，尤其是容量進一步放大至600MW等級，床面積進一步放大，容易造成流化質(zhì)量不好和布風板局部串風，同時，磨損也會加劇。劣質(zhì)燃料所帶來的問題與容量放大所帶來的問題疊加，可能會帶來預想不到的技術(shù)風險。在開發(fā)600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐時，在示范機組的燃料選擇上，應選擇技術(shù)風險較小的較高熱值的燃料（熱值最好在4500大卡/公斤以上）。只有這樣才能最大限度地降低示范機組的技術(shù)風險。

與此同時，在技術(shù)開發(fā)中仍然應堅持循環(huán)流化床鍋爐燃用劣質(zhì)燃料的方向，在設(shè)計中要考慮煤矸石等劣質(zhì)燃料的特殊問題，在今后示范機組的運行中可進行煤矸石摻燒實驗，并在逐步提高摻燒比例的基礎(chǔ)上總結(jié)研究600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐燃用劣質(zhì)燃料的技術(shù)措施。

3. 應重視特殊技術(shù)問題的研究

從300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐到600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，決不是簡單的放大，其中有一些特殊的技術(shù)問題需要花大力氣進行攻關(guān)，只有將600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的特殊技術(shù)問題一一解決了，產(chǎn)品開發(fā)工作才能得到可靠保證。這些特殊的技術(shù)問題主要包括：

3.1 爐膛高度的合理選擇

對于煤粉爐來說，爐膛內(nèi)的氣固兩相流體處于氣力輸送狀態(tài)，因此增加爐膛高度基本不受技術(shù)性因素的制約，換言之，制約增加爐膛高度的主要是非技術(shù)性因素，如鍋爐造價等。

循環(huán)流化床鍋爐的情況有所不同，爐膛內(nèi)的氣固兩相流體呈流態(tài)化狀態(tài)，爐膛高度受制于氣體對固體顆粒的攜帶能力。因此，一定存在一個爐膛“極限高度”，即超過這一高度后被煙氣攜帶出爐膛的顆粒濃度不能滿足外循環(huán)所需的最小顆粒循環(huán)量，導致回料器、外置式換熱器對床溫及再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)性能喪失。當然，“極限高度”并不是一個定值，它與一次風機壓頭、布風板阻力、流化速度、爐膛截面積甚至煤的折算灰份等諸多因素密切相關(guān)。

事實上，在循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展的過程中一直存在對爐膛“極限高度”的認識。在開發(fā)小型循環(huán)流化床鍋爐（50MW以下）時，普遍認為“極限高度”不應超過30米，工程設(shè)計中應以28米左右為宜；在開發(fā)中型循環(huán)流化床鍋爐（100~150MW）時，認為“極限高度”不應超過35米，工程設(shè)計中應以34米左右為宜；在開發(fā)大型循環(huán)流化床鍋爐（300MW等級）時，認為“極限高度”不應超過40米，工程設(shè)計中應以37米左右為宜。

在產(chǎn)品大型化過程中對“極限高度”數(shù)值的不斷突破是以大量試驗研究為基礎(chǔ)，同時也是以一次風機壓頭的不斷提高為代價的。

由于超臨界汽水工況的特殊性，目前600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的幾種方案設(shè)計中爐膛高度為50~60米，個別方案的爐膛高度甚至超過60米。

現(xiàn)在的問題是，由于在產(chǎn)品大型化過程中“極限高度”不斷被突破，很多設(shè)計者的頭腦中已經(jīng)淡化了“極限高度”的概念，這是非常危險的。在以前“極限高度”被突破的研究和實踐中，發(fā)達國家循環(huán)流化床鍋爐研究者和制造商一直走在我們前面，所以前面提到的這些突破性工作都是別人做的，我們只是借鑒了別人成功的經(jīng)驗。而600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐沒有國外成熟的經(jīng)驗可以借鑒，我們需要對這一問題進行自主研究。

在“極限高度”不斷被提高的情況下，可能我們正在逼近真正的極限。

3.2 床面積放大后的布風均勻性問題

隨著循環(huán)流化床鍋爐容量的不斷增大，布風均勻性越來越成為問題。為保證大容量循環(huán)流化床鍋爐的布風均勻，往往提高布風板和風帽的阻力，從而導致一次風機壓頭增加，廠用電耗增大。

600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的布風板面積在300MW循環(huán)流化床鍋爐基礎(chǔ)上又增加了一倍，布風均勻性的風險進一步加大了。

在300MW循環(huán)流化床鍋爐開發(fā)研究初期，為防止布風板面積增加帶來的風險，采用了分叉型雙爐膛設(shè)計，在分叉型雙爐膛設(shè)計取得一定運行經(jīng)驗后，又開發(fā)了單爐膛設(shè)計。

采用分叉型雙爐膛的300MW循環(huán)流化床鍋爐因床面積較小，對600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐參考意義不大；采用單爐膛的300MW循環(huán)流化床鍋爐盡管與采用分叉型雙爐膛的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐床面積比較接近，可提供一定的參考依據(jù)，但分叉型雙爐膛設(shè)計中特有的雙床偶合問題（即所謂“翻床”事故）在床面積放大后會出現(xiàn)什么新的情況還需要認真研究。

國內(nèi)單爐膛300MW循環(huán)流化床鍋爐尚處于設(shè)計、制造階段，其布風設(shè)計尚沒有運行驗證。

單爐膛600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計方案也在醞釀之中，但這一方案布風均勻性問題更加復雜。

3.3 二次風穿透能力問題

隨著容量的增大，循環(huán)流化床鍋爐二次風穿透能力也越來越成為一個問題。

由于爐膛下部固體顆粒濃度極高，二次風穿透能力一直是循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計中的一個關(guān)注點。在向大型化發(fā)展的過程中，二次風系統(tǒng)的設(shè)計不斷被改進，從密布的高風速二次風噴口逐步向大動量二次風噴口演化。

與布風均勻性問題相似，分叉型雙爐膛的300MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計本身就回避了爐膛放大后的二次風穿透能力問題。采用分叉型雙爐膛的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐需要從單爐膛300MW循環(huán)流化床鍋爐中尋找技術(shù)參照，而單爐膛300MW循環(huán)流化床鍋爐目前尚無運行經(jīng)驗。

同樣，單爐膛600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐就二次風穿透能力面臨的技術(shù)問題難度更大。

從技術(shù)角度講，需要研究的問題是，大動量二次風噴口的極限，即當二次風出口動量進一步增加時，是否會發(fā)生二次風穿透能力不再隨二次風出口動量增加而增加（或二次風穿透能力的增加變得非常緩慢）的情況，以及如果發(fā)生這一情況，極限點如何確定？另一個需要研究的問題是，加大二次風噴口動量使二次風噴口數(shù)量減少，二次風沿爐膛壁面方向分布的均勻性成為一個新的問題。二次風沿爐膛壁面方向橫向擴散能力的研究變得不可缺少。

3.4 分離器放大后的分離效率及阻力

由于目前國內(nèi)的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)方案均采用高溫旋風分離器，因此本文對分離器技術(shù)的討論局限于高溫旋風分離器。

固體顆粒在旋風分離器中受到的離心力與分離器直徑成反比，因此，直徑的增加會降低旋風分離器的分離效率，而高分離效率對提高燃燒效率、保證燃燒穩(wěn)定性、減少污染氣體排放都是非常重要的。

與爐膛高度問題相似，在循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展過程中，一直存在對高溫旋風分離器“極限直徑”的認識。二十年前，循環(huán)流化床鍋爐從小型向中型（50MW）過渡時，認為高溫旋風分離器的“極限直徑”為6米左右；十五年前，循環(huán)流化床鍋爐從中型向大中型（100~135MW）過渡時，認為高溫旋風分離器的“極限直徑”為7米左右；十年前，在循環(huán)流化床鍋爐從大中型向大型（250~300MW）過渡時，認為高溫旋風分離器的“極限直徑”為8米左右，在到目前為止的工程實際應用中，旋風分離器直徑最大到8.5米。

同樣，在產(chǎn)品大型化過程中對“極限直徑”數(shù)值的不斷突破是以大量試驗研究為基礎(chǔ)的，也是以結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化為保證的。這些研究和優(yōu)化工作一直是發(fā)達國家循環(huán)流化床鍋爐研究者和制造商將原創(chuàng)性工作做在前面，而我們只是在引進技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷驗證和應用這些技術(shù)突破。

目前600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐的幾種方案設(shè)計中旋風分離器直徑大多大于9米，有些方案中直徑甚至達到10米左右，但我們尚沒有對直徑放大的可行性和技術(shù)保證進行系統(tǒng)的、全面的研究工作。

在“極限直徑”不斷被增大的情況下，可能我們正在逼近真正的極限。

3.5 沿爐膛寬度及高度方向的熱負荷分布

長期以來，對循環(huán)流化床鍋爐沿爐膛寬度方向的熱負荷分布的認識只是定性的“均勻”二字。確實，與煤粉爐相比，它燃燒器區(qū)（給煤點）的局部熱負荷峰值較小，角部效應也不大，尤其以前所做的亞臨界壓力以下的循環(huán)流化床鍋爐汽水系統(tǒng)均采用自然循環(huán)，爐膛水冷壁管子內(nèi)汽水流量分布的均勻性對熱負荷變化不敏感，因此，對于亞臨界壓力以下的循環(huán)流化床鍋爐來說，確實不需要對沿爐膛寬度方向的熱負荷分布進行深入研究，定性地理解“均勻”就可以了。正是由于以上原因，對循環(huán)流化床鍋爐沿爐膛寬度方向的熱負荷分布基本沒有做過認真仔細的分析研究。

但是，超臨界循環(huán)流化床鍋爐汽水系統(tǒng)必須采用直流方案，水動力工況就大大不同了，任何局部的熱負荷變化都可能造成水動力的危險工況和傳熱惡化。循環(huán)流化床鍋爐沿爐膛寬度方向的熱負荷分布只是相對的“均勻”而不是絕對的“均勻”，給煤口、回料口、二次風口、爐膛擴展受熱面布置方式、爐內(nèi)測點的分布情況以及運行方式的不同都會造成局部熱負荷的變化，從而影響水動力安全性。

同樣，沿爐膛高度方向的熱負荷分布也不是按定性分析所理解的下高上低的平滑曲線，二次風口的高度及層數(shù)、爐膛擴展受熱面布置位置等都會影響熱負荷的分布。

[1]周一工，循環(huán)流化床鍋爐在中國的發(fā)展與問題，上海電力，2005(4)

[2]周一工，循環(huán)流化床鍋爐鍋爐的一些重要設(shè)計原則，工廠動力，2006(4)

[3]呂俊復等，600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，動力工程，2007(4)

[4]Kalle Nuortimo，采用超臨界參數(shù)的循環(huán)流化床，電力建設(shè)，2006(3)

[5]于龍等，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究與展望，熱能動力工程，2004(4)

[6]辛建等，發(fā)展超臨界循環(huán)流化床的討論，熱能動力工程，2002(5)

[7]呂俊復等，超臨界循環(huán)流化床鍋爐的可行性，鍋爐制造，2002(11)

[8]楊海瑞等，超臨界循環(huán)流化床鍋爐的最新進展，鍋爐技術(shù)，2005(9)

[9]尹剛等，超臨界CFB鍋爐的發(fā)展趨勢與技術(shù)特點探討，電站系統(tǒng)工程，2007(2)