循環(huán)流化床鍋爐與煤粉鍋爐之選擇

(中國能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省電力設(shè)計(jì)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(huán)流化床鍋爐兩種選擇，在火電廠中煤粉爐屬于常規(guī)爐型，應(yīng)用時(shí)間和范圍特別廣，它具有燃燒迅速、完全、容量大、效率高、適應(yīng)煤種廣，便于控制調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但是近年來在國際上發(fā)展起來的新一代高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)的新爐型即循環(huán)流化床鍋爐，其主要特點(diǎn)在于燃料和脫硫劑經(jīng)多次循環(huán)、反復(fù)地進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，爐內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，具有燃料適應(yīng)性好、燃燒效率高、氣體污染物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、飛灰和爐渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。目前, 循環(huán)流化床鍋爐有一邊倒的趨勢, 循環(huán)流化床鍋爐真有壓倒優(yōu)勢嗎?通過對煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐在環(huán)境保護(hù)、投資成本、運(yùn)行費(fèi)用和供熱安全方面比較，選用何種爐型，還須根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放要求并綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)擇優(yōu)用之。

1 循環(huán)流化床鍋爐相比煤粉鍋爐的優(yōu)勢

1.1 對燃料適應(yīng)性特別好

循環(huán)流化床鍋爐通過分離器及返料閥組成飛灰再循環(huán)系統(tǒng)，煤質(zhì)的燃燒產(chǎn)生的飛灰循環(huán)量大小的改變可調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)的吸熱量及床料溫度，只要燃料燃燒產(chǎn)生的熱值大于把燃料本身及燃燒所需空氣加熱到穩(wěn)定溫度(850～950 ℃)所需的熱量，這種煤就可在流化床內(nèi)穩(wěn)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(zhì)燃料。對于燃料煤質(zhì)量供給不穩(wěn)定的企業(yè)是一種比較好選擇。 而煤粉爐對煤質(zhì)的要求較高，燃用熱值過低的煤種容易發(fā)生燃燒不穩(wěn)定，鍋爐滅火等事故。

1.2 燃料系統(tǒng)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(tǒng)大為簡化。所以，循環(huán)流化床鍋爐本體造價(jià)高于同容量的煤粉爐，省去了復(fù)雜的制粉系統(tǒng)，整體投資含土建略高于煤粉爐。

1.3 負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)性能好

煤粉鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍通常在50%～110%，在低負(fù)荷時(shí)煤粉爐需投油槍進(jìn)行助燃；而循環(huán)流化床鍋爐由于爐內(nèi)有大量床料，蓄熱能力強(qiáng)，采用了飛灰再循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)范圍要比煤粉爐寬得多，一般為30%～110%，負(fù)荷調(diào)節(jié)速率可達(dá)(5～10)B-MCR/min。

1.4 燃燒污染物排放低

向循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)加入脫硫劑(石灰石或白云石粉)，可以脫去燃燒過程中產(chǎn)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(huán)流化床鍋爐在燒高硫煤時(shí)有較大的成本優(yōu)勢。循環(huán)流化床鍋爐最佳的燃燒溫度在850～950 ℃，在這個(gè)范圍適合脫硝反應(yīng)，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(qiáng)度大，爐內(nèi)傳熱能力強(qiáng)

由于循環(huán)流化床鍋爐采用飛灰再循環(huán)系統(tǒng)，燃燒熱強(qiáng)度比較高。流化床爐內(nèi)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(nèi)氣固兩相混合物對水冷壁的傳熱系數(shù)比煤粉鍋爐爐膛的輻射傳熱系數(shù)大得多。與煤粉爐相比較，可大幅節(jié)省受熱面的金屬耗量。

1.6 給煤點(diǎn)數(shù)量少，布置簡單

循環(huán)流化床鍋爐橫向混合特性較好，給煤點(diǎn)較煤粉爐少，給煤點(diǎn)的減少簡化了給煤裝置的布置，使給煤點(diǎn)不易結(jié)焦，運(yùn)行可靠。

1.7 易于實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的灰渣不會(huì)軟化和黏結(jié)，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(huán)流化床相比煤粉爐優(yōu)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(huán)流化床鍋爐，其保證效率一般為88%。

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

3 環(huán)境保護(hù)要求方面比較

根據(jù)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(huán)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(huán)流化床鍋爐的優(yōu)勢大大降低。

經(jīng)計(jì)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(tǒng)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(yīng)不小于86%。

若選用循環(huán)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(tǒng)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(huán)流化床鍋爐，都需設(shè)置布袋除塵器(兩種方案采用的除塵器效率不同，但設(shè)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(huán)流化床鍋爐無優(yōu)勢。

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

4 投資成本比較

4.1 燃燒系統(tǒng)

4.1.1 循環(huán)流化床鍋爐方案

燃燒系統(tǒng)投資分解約為：循環(huán)流化床鍋爐4 200萬元、風(fēng)機(jī)828萬元(包括電動(dòng)機(jī)等)、其它輔機(jī)451萬元(包括給煤機(jī)、定、連排、冷卻水泵等)、六道300萬元，合計(jì)5 779萬元。

4.1.2 煤粉爐方案

燃燒系統(tǒng)投資分解約為：煤粉鍋爐3 800萬元、風(fēng)機(jī)374萬元(包括電動(dòng)機(jī)等)、其它輔機(jī)1 273萬元(包括磨煤機(jī)、給煤機(jī)、定、連排、冷卻水泵等)，六道500萬元，合計(jì)5 947萬元。

4.2 輸煤系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐比煤粉爐的輸煤系統(tǒng)多設(shè)一級細(xì)粒篩分破碎設(shè)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(tǒng)

煤粉爐除灰系統(tǒng)建筑工程費(fèi)用73萬元，設(shè)備購置費(fèi)用290萬元，安裝工程費(fèi)用192萬元。

循環(huán)流化床鍋爐除灰系統(tǒng)建筑工程費(fèi)用230萬元，設(shè)備購置費(fèi)用299萬元，安裝工程費(fèi)用85萬元。

合計(jì)投資煤粉爐為555萬元，循環(huán)流化床鍋爐為614萬元。

4.4 廠房投資

因廠房變化循環(huán)流化床鍋爐比煤粉爐投資預(yù)增加約570萬元。

4.5 脫硝系統(tǒng)

4.5.1 煤粉爐方案

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

4.5.2 循環(huán)流化床方案

脫硝系統(tǒng)選用SNCR/SCR 混合脫硝技術(shù)，投資800萬元。

4.6 投資差異

循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐投資對比表見表1。

表1 循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐投資對比

通過上述經(jīng)濟(jì)的比較，煤粉爐投資低于流化床爐約691萬元。

5 運(yùn)行費(fèi)用對比

5.1 燃料費(fèi)用

煤粉爐設(shè)計(jì)入爐煤收到基低位發(fā)熱量16 MJ/kg，折標(biāo)煤19.59萬t；循環(huán)流化床鍋爐主要燃料低位發(fā)熱量約為12.545 MJ/kg，折標(biāo)煤20.2萬t。按照2017年循環(huán)流化床標(biāo)煤單價(jià)450元/t和煤粉爐標(biāo)煤單價(jià)736元/t計(jì)算，循環(huán)流化床鍋爐年可降低燃煤采購費(fèi)用5 328萬元，運(yùn)行成本降低巨大。

5.2 廠用電耗電量對經(jīng)濟(jì)性的影響

輔機(jī)耗電率是影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)之一。煤粉鍋爐輔機(jī)主要包括引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、磨煤機(jī)；流化床爐輔機(jī)主要包括引風(fēng)機(jī)、U閥風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)。由于循環(huán)流化床鍋爐采用循環(huán)流化燃燒方式，因此布風(fēng)板、床料以及旋風(fēng)分離器等都會(huì)對煙氣流動(dòng)產(chǎn)生很大的阻力，則必然會(huì)使風(fēng)機(jī)的壓頭增高。在設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)系統(tǒng)阻力以及風(fēng)機(jī)的壓頭往往被放大。根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果，( 煤粉鍋爐的廠用電率約為7%左右，循環(huán)流化床鍋爐的廠用電率約為10%) 左右，按照年發(fā)電量3.71億kWh計(jì)算，循環(huán)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(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)0.374元計(jì)算，煤粉爐可增加售電收入416.3萬元。

5.3 脫硝劑費(fèi)用

為了達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)選用選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR)，設(shè)計(jì)年耗用尿素387 t/h，按尿素單價(jià)1 700元/t計(jì)算，年消耗尿素費(fèi)用65.79萬元。

如選用循環(huán)流化床鍋爐脫硝系統(tǒng)選用SNCR/SCR 混合脫硝技術(shù)，設(shè)計(jì)年耗用尿素434 t/h，按尿素單價(jià)1 700元/t計(jì)算，年消耗尿素費(fèi)用73.78萬元。

煤粉爐SCR比循環(huán)流化床SNCR/SCR 混合脫硝技術(shù)年耗脫硝費(fèi)用少7.99萬元。

5.4 循環(huán)硫化床防磨費(fèi)用

澆注料每年維護(hù)和修理費(fèi)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(tǒng)每年25萬元；輸煤落煤口每年20萬元；空預(yù)器每年40萬元。合計(jì)每年需要循環(huán)硫化床防磨費(fèi)用270萬元。

5.5 運(yùn)行費(fèi)用總差異

循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐運(yùn)行費(fèi)用對比表見表2。

表2 循環(huán)流化床鍋爐與煤粉爐運(yùn)行費(fèi)用對比

通過上述比較，煤粉爐運(yùn)行費(fèi)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(huán)流化床鍋爐經(jīng)過近幾年長足的發(fā)展，已經(jīng)在電力行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，在鍋爐運(yùn)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(yùn)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(huán)流化床鍋爐受檢修工藝(澆注料)、檢修后的烘爐( 熱養(yǎng)生)等因素制約，通常檢修周期約168 h，循環(huán)流化床過長的檢修周期嚴(yán)重影響冬季供熱的安全性，給以供熱為主的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組帶來了很高供熱風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生長時(shí)間供熱事故將造成嚴(yán)重的社會(huì)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(lián)產(chǎn)機(jī)組鍋爐的選擇上煤粉鍋爐還是具有一定的優(yōu)勢。

7 政策因素

劣質(zhì)煤的大量使用和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，既不經(jīng)濟(jì)、不節(jié)能，也不環(huán)保，不符合我國轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的要求。依據(jù)《商品煤質(zhì)量管理暫行辦法》，設(shè)定遠(yuǎn)距離運(yùn)距為600 km。

關(guān)于以600 km作為遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)姆纸缦奘强紤]到目前我國85%以上煤炭是通過鐵路運(yùn)輸，全國平均鐵路運(yùn)距在600 km。為了避免低質(zhì)煤遠(yuǎn)距離調(diào)運(yùn)的大幅增長，提高煤炭運(yùn)輸效率，減輕運(yùn)輸壓力，減少優(yōu)質(zhì)能源長距離運(yùn)輸?shù)唾|(zhì)能源的現(xiàn)狀，提高我國煤炭利用和運(yùn)輸?shù)目傮w效率，并考慮到低質(zhì)煤炭的消費(fèi)半徑，設(shè)定遠(yuǎn)距離運(yùn)距為600 開km。

8 結(jié)束語

可見，煤價(jià)對熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的收益影響巨大，然而國家對燃用劣質(zhì)煤制定了暫行辦法，故熱電廠鍋爐選型,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放要求并綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇采用循環(huán)流化床鍋爐或煤粉爐。