大容量循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

黃 中，楊 娟，車得福

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大容量循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

黃 中1，楊 娟2，車得福1

（1.西安交通大學(xué)多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049； 2.中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技服務(wù)中心，北京 100038）

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術(shù)手段，也是我國火力發(fā)電的重要組成部分。截至2018年底，我國100 MW（410 t/h）以上等級的大容量CFB鍋爐累計(jì)投產(chǎn)440臺、總裝機(jī)容量超過82.3 GW，CFB鍋爐的單機(jī)容量、裝機(jī)規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。本文介紹了我國CFB鍋爐發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了應(yīng)用領(lǐng)域、主力機(jī)型、機(jī)組分布及近年來的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并從容量參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、國際應(yīng)用、運(yùn)行靈活性和燃料適應(yīng)性等方面對我國CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

CFB鍋爐；裝機(jī)規(guī)模；主力機(jī)型；燃料適應(yīng)性；供電煤耗；廠用電率；污染物排放

自1996年內(nèi)江高壩電廠成套設(shè)備引進(jìn)的100 MW循環(huán)流化床（CFB）鍋爐投產(chǎn)以來，大容量CFB鍋爐在我國已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用了二十多年[1-3]。作為潔凈煤技術(shù)最為重要的組成部分[4-5]，CFB鍋爐為低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用，以及我國電力節(jié)能環(huán)保發(fā)揮了重要作用[6-7]。

通過消化吸收和自主研發(fā)，我國工程技術(shù)人員將CFB鍋爐的蒸汽參數(shù)從高壓、超高壓、亞臨界提升到了超臨界，并實(shí)現(xiàn)了自主知識產(chǎn)權(quán)的100、135、300、600 MW等級和350 MW等級大容量CFB鍋爐批量投運(yùn)[8-11]。目前，我國CFB鍋爐的單機(jī)容量、裝機(jī)規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性均達(dá)到世界領(lǐng)先水平[12]。

1 CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展

1979年首臺CFB鍋爐在芬蘭Pihlava投入運(yùn)行，因其燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、污染物控制成本低等優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。1985年，世界首臺再熱式CFB鍋爐在德國Duisburg投入商業(yè)運(yùn)行，其大型化步伐開始加快，作為一種新型燃燒設(shè)備，CFB鍋爐被公認(rèn)為煤炭燃燒技術(shù)的重大革新[13]。為此，趙長遂、馮俊凱、徐智勇等[14-16]先后撰文詳細(xì)介紹這一技術(shù)，并對其在我國的大型化應(yīng)用給予期望。

1987年，中國電機(jī)工程學(xué)會在北京主持召開了CFB鍋爐研討會，研究加快國內(nèi)CFB鍋爐發(fā)展、成套設(shè)備引進(jìn)的可行性，形成了我國發(fā)展CFB鍋爐的初步意見，提出可以引進(jìn)一臺國外成熟、容量為100 MW等級的CFB鍋爐，安裝在四川省燃用高硫煤，從而推動(dòng)了這項(xiàng)新技術(shù)在我國的發(fā)展[17]。1992年，四川省電力局與Ahlstrom公司（后被Foster Wheeler公司收購）簽訂了購買協(xié)議；1994年，內(nèi)江高壩項(xiàng)目開工建設(shè)；1996年，機(jī)組通過72 h試運(yùn)行[18]。盡管這臺鍋爐投產(chǎn)初期在燃燒效率、冷渣器、風(fēng)機(jī)等方面存在一些技術(shù)問題，但整體成功，為我國發(fā)展大容量CFB鍋爐積累了經(jīng)驗(yàn)[19]。

2000年前后，為加快中國大容量CFB鍋爐的發(fā)展，以東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司（東鍋）、哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（哈鍋）和上海鍋爐廠有限公司（上鍋）為代表的中國動(dòng)力裝備制造企業(yè)先是分別向Foster Wheeler公司、EVT公司和ABB-CE公司引進(jìn)了100~135 MW CFB鍋爐技術(shù)，后來又在國家發(fā)展和改革委員會的組織下，與國內(nèi)主要的電力設(shè)計(jì)院聯(lián)合引進(jìn)了Alstom公司的300 MW CFB鍋爐技術(shù)[20-22]。在西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）、中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司、中國科學(xué)院工程熱物理研究所（中科院工熱所）、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等國內(nèi)科研單位的不懈努力下，自主技術(shù)的大容量CFB鍋爐也相繼投運(yùn)[23-25]。2013年4月，世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐在四川白馬電廠投運(yùn)；2015年9月，世界首臺350 MW超臨界CFB鍋爐在山西國金電廠投運(yùn)[26]。我國CFB鍋爐大型化的標(biāo)志性機(jī)組見表1。

我國大容量CFB鍋爐技術(shù)發(fā)展過程中，不僅產(chǎn)生了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，更重要的是形成了完備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和檢修體系。中國知網(wǎng)和中國專利公告檢索分析結(jié)果顯示：高峰時(shí)中國在CFB鍋爐技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表的期刊論文近600余篇、授權(quán)專利超過400項(xiàng)，期刊論文發(fā)表數(shù)量及各類專利授權(quán)數(shù)量如圖1所示。

表1 CFB鍋爐大型化標(biāo)志性機(jī)組

Tab.1 The milestone of large-scale CFB boilers

注：標(biāo)注“*”的鍋爐帶有外置換熱器。

圖1 期刊論文發(fā)表及專利授權(quán)情況

我國CFB鍋爐技術(shù)在與引進(jìn)技術(shù)競爭的過程中逐步壯大，主要的動(dòng)力裝備制造企業(yè)均具備了大容量CFB鍋爐的設(shè)計(jì)制造能力，自主技術(shù)占據(jù)了國內(nèi)95%以上的市場。其中，東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司、哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司和上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的CFB鍋爐占到全部大容量CFB鍋爐的83.3%。各動(dòng)力裝備制造企業(yè)鍋爐生產(chǎn)情況如圖2所示。

圖2 動(dòng)力裝備制造企業(yè)鍋爐生產(chǎn)情況

2 CFB鍋爐技術(shù)應(yīng)用

截至2018年底，我國已投產(chǎn)100 MW（410 t/h）以上等級CFB鍋爐440臺、總裝機(jī)容量超過82.3 GW，中國華能集團(tuán)有限公司、中國華電集團(tuán)有限公司等電力企業(yè)，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司等煤炭企業(yè)均裝備有大容量CFB鍋爐，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋電力及熱力供應(yīng)、低熱值燃料消納、化工氯堿、石油石化、有色冶金、造紙紡織等行業(yè)，具體應(yīng)用領(lǐng)域如圖3所示。

圖3 CFB鍋爐技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 主力機(jī)型

目前，我國大容量CFB鍋爐的主力機(jī)型是 135 MW等級和300 MW等級，這兩種機(jī)型占總裝機(jī)容量的73.2%、總裝機(jī)臺數(shù)的73.8%，但超臨界等級占比已超過10%（圖4）?？紤]到全國范圍內(nèi)還有50多臺350 MW和660 MW超臨界機(jī)組將會陸續(xù)投產(chǎn)，因此超臨界參數(shù)等級有望成為未來的主力機(jī)型。

圖4 機(jī)組等級情況

2.2 機(jī)組分布

國內(nèi)共有105個(gè)地級以上城市安裝有大容量CFB鍋爐（圖5），華北、華東和華南地區(qū)的大容量CFB鍋爐裝機(jī)數(shù)量最多，內(nèi)蒙古、山西、廣東、山東、遼寧占據(jù)國內(nèi)大容量CFB鍋爐裝機(jī)的前五位（表2）。

表2 分地區(qū)投產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

Tab.2 The regional production statistics for CFB boiler

圖5 CFB鍋爐分省投產(chǎn)情況

3 CFB鍋爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.1 可靠性

CFB鍋爐燃燒方式與煤粉鍋爐有著很大差別，燃用的又多是發(fā)熱量低、灰分高的劣質(zhì)煤，早期由于運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)有限導(dǎo)致機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)較高。2004年，對30臺100~135 MW CFB鍋爐的統(tǒng)計(jì)顯示，每年非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)達(dá)5.61次/臺，鍋爐平均連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為74天，最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為139天，最短連續(xù)運(yùn)行時(shí)間僅為33天[27]。

隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，中國大容量CFB鍋爐運(yùn)行的可靠性顯著提高。2017年，對81臺100~300 MW CFB鍋爐的統(tǒng)計(jì)顯示，每年非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)已經(jīng)降至0.37次/臺，其中135 MW為0.26次/臺，300 MW為0.46次/臺，與同等級煤粉鍋爐接近[28]。隨著運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的積累以及先進(jìn)防磨技術(shù)的推廣使用，CFB鍋爐的連續(xù)運(yùn)行紀(jì)錄不斷刷新：廣東寶麗華電力有限公司梅縣荷樹園電廠5號機(jī)組（300 MW機(jī)組）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到434天，神華億利能源有限責(zé)任公司1號機(jī)組（200 MW機(jī)組）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到341天，神東熱電公司上灣電廠1號機(jī)組（150 MW機(jī)組）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到384天，淮南礦業(yè)集團(tuán)電力有限責(zé)任公司潘三電廠1號機(jī)組（135 MW機(jī)組）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到311天。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

供電煤耗和廠用電率是表征CFB鍋爐經(jīng)濟(jì)性水平的主要技術(shù)指標(biāo)。受燃料特性影響，CFB鍋爐固體未完全燃燒熱損失、灰渣物理顯熱損失較大，加之燃燒過程中大量物料處于懸浮狀態(tài)，需要克服布風(fēng)及分離裝置的阻力，因此其供電煤耗、廠用電率較高。但隨著設(shè)計(jì)理念的提升，新投產(chǎn)的CFB鍋爐供電煤耗、廠用電率顯著下降，部分采用流態(tài)重構(gòu)技術(shù)的300 MW CFB鍋爐甚至可以將廠用電率降至4%左右，基本與同等級煤粉鍋爐相當(dāng)[29]。2013—2017年我國典型CFB鍋爐供電煤耗及廠用電率數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

3.3 環(huán)保性

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223）對CFB鍋爐粉塵、SO2和NO排放質(zhì)量濃度做出了明確規(guī)定（圖8）。粉塵方面，CFB鍋爐與煤粉鍋爐并無特別顯著的差異，早期CFB鍋爐主要使用靜電除塵器，但部分煤種爐內(nèi)添加石灰石脫硫后會對飛灰比電阻產(chǎn)生較大影響，因此也有一些CFB鍋爐使用電袋復(fù)合除塵器。后期受環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高的影響，大部分CFB鍋爐使用布袋除塵器[30]。

圖6 2013—2017年典型CFB鍋爐供電煤耗數(shù)據(jù)

圖7 2013—2017年典型CFB鍋爐廠用電率數(shù)據(jù)

圖8 SO2和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)變遷

SO2方面，排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為400 mg/m3以上時(shí)，CFB鍋爐主要采用爐內(nèi)添加石灰石脫硫的技術(shù)路線，鈣硫摩爾比一般為1~2，環(huán)保成本相對較低；排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為200~400 mg/m3時(shí)，爐內(nèi)添加石灰石脫硫的鈣硫摩爾比一般需要升至2~4；排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)低于200 mg/m3時(shí)，一般采用爐內(nèi)添加石灰石脫硫和爐外脫硫相結(jié)合的技術(shù)路線，爐外脫硫多采用半干法脫硫工藝，也有少部分采用濕法脫硫工藝[31-32]。

NO控制方面，GB 13223—2003對于不同煤種、不同時(shí)段的NO排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)，CFB鍋爐均可滿足；GB 13223—2011對于在役鍋爐要求的NO排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)（200 mg/m3），大部分CFB鍋爐也可滿足；對于新建鍋爐（100 mg/m3）及重點(diǎn)地區(qū) （50 mg/m3）則可采用選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)[33]。實(shí)踐表明，SNCR技術(shù)應(yīng)用于CFB鍋爐時(shí)的脫硝效率一般可以達(dá)到60%~85%，是目前的主流技術(shù)，僅有個(gè)別CFB鍋爐選用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)或SNCR/SCR聯(lián)合技術(shù)[34]。

由于《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組排放達(dá)到燃機(jī)排放限值，即粉塵、SO2和NO排放質(zhì)量濃度分別小于10、35、50 mg/m3[35]。目前廣東、河北、山西、福建等省份已陸續(xù)完成了其行政區(qū)劃內(nèi)大容量CFB鍋爐的超低排放改造，最早改造的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已超過4年[36]。結(jié)果表明，CFB鍋爐完全具備實(shí)現(xiàn)超低排放的能力，且改造周期短，投入的環(huán)保成本和運(yùn)行費(fèi)用也相對較低[37-38]。

4 CFB鍋爐技術(shù)展望

4.1 參數(shù)等級

大容量、高參數(shù)可以最大限度降低CFB鍋爐的能耗水平，目前我國已經(jīng)投產(chǎn)的CFB鍋爐最大容量為600 MW，對應(yīng)的蒸汽參數(shù)為25.7 MPa/603 ℃/603 ℃。2019年初，國家能源局已將陜西彬長和貴州威赫兩個(gè)項(xiàng)目列入國家能源科技重大示范工程，預(yù)期蒸汽參數(shù)29.4 MPa/605 ℃/623 ℃的660 MW高效超超臨界CFB發(fā)電項(xiàng)目很快將轉(zhuǎn)入工程建設(shè)階段。以陜西彬長項(xiàng)目為例，其作為國家科技重大專項(xiàng)“超超臨界CFB鍋爐技術(shù)研發(fā)與示范”的依托工程，其鍋爐設(shè)計(jì)熱效率為93.5%、廠用電率為4.72%，供電煤耗小于290 g/(kW·h)，SO2、NO和粉塵的排放質(zhì)量濃度分別小于35、50、5 mg/m3，建成后將成為世界上排放和能耗水平最低、容量和效率最高的CFB鍋爐。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，我國在CFB鍋爐技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)制訂了20余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)編制規(guī)劃，未來還將有20項(xiàng)左右的CFB鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（含國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)）頒布實(shí)施，這些將為電力建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)計(jì)優(yōu)化、檢修維護(hù)、節(jié)能減排等工作提供更為全面的標(biāo)準(zhǔn)支撐。我國現(xiàn)行CFB鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

4.3 國際應(yīng)用

我國在CFB鍋爐領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、運(yùn)行維護(hù)水平不斷提高，不僅積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀工程技術(shù)人員。我國不僅是CFB鍋爐最大的商業(yè)市場，也成為了CFB鍋爐技術(shù)的主要出口國。我國動(dòng)力裝備制造企業(yè)先后為境外21個(gè)國家和地區(qū)制造供貨大容量CFB鍋爐83臺，總?cè)萘窟_(dá)到11.9 GW，其中相當(dāng)數(shù)量的CFB鍋爐出口至“一帶一路”沿線國家（如越南、印度尼西亞、菲律賓、印度、土耳其等）。對于這些國家而言，CFB鍋爐燃料適應(yīng)性好、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢突出，中國取得的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供其借鑒。

4.4 運(yùn)行靈活性和燃料適應(yīng)性

CFB鍋爐爐膛內(nèi)大量熾熱的床料有利于煤的穩(wěn)定燃燒，因此其煤種適應(yīng)性以及低負(fù)荷運(yùn)行能力較強(qiáng)，部分CFB鍋爐甚至可以在25%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，非常適合作為深度調(diào)峰機(jī)組。為提高可再生能源的消納利用量，我國正在發(fā)掘燃煤機(jī)組的深度調(diào)峰能力，到2020年，將有220 GW煤電機(jī)組獲得靈活性提升，預(yù)計(jì)CFB鍋爐將在這一過程中發(fā)揮積極作用。

表3 現(xiàn)行CFB鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

Tab.3 The current standards of CFB boiler in China

我國煤炭資源的分布和差異隨地域不同變化極大，很多電廠需要使用偏離設(shè)計(jì)煤種的燃料，以煤粉鍋爐濕法脫硫效率95%計(jì)算，為滿足SO2排放質(zhì)量濃度小于35 mg/m3的要求，入爐煤的含硫量不宜大于0.45%。CFB鍋爐爐內(nèi)添加石灰石的計(jì)算脫硫效率一般可達(dá)80%~90%[39]，配合爐外脫硫，其在燃料選擇方面更為靈活。此外，隨著原煤洗選比例的提高，每年預(yù)計(jì)將有6億~8億t的劣質(zhì)燃料需要利用，我國也正在依托現(xiàn)役燃煤電廠示范燃煤與農(nóng)林廢棄殘余物耦合發(fā)電項(xiàng)目、燃煤與污泥耦合發(fā)電項(xiàng)目，這些都為CFB鍋爐提供了大量可以預(yù)期的應(yīng)用場景。

5 結(jié) 語

CFB鍋爐是低熱值燃料、難燃煤種清潔高效利用的主要技術(shù)手段，近些年在我國得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性顯著提高，對優(yōu)化我國電力結(jié)構(gòu)、提高煤炭資源利用效率以及降低污染物排放做出了重要貢獻(xiàn)。

盡管煤炭在我國一次能源中的比例已經(jīng)降至60%以下，但以煤為主的能源格局還要維持相當(dāng)長的時(shí)間，研發(fā)應(yīng)用具有更高參數(shù)、更低排放、更佳經(jīng)濟(jì)性的CFB鍋爐是發(fā)展的大勢所趨。我國在CFB鍋爐設(shè)計(jì)制造、安裝使用、維護(hù)管理方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，可以為CFB鍋爐技術(shù)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極作用。

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Application and development status of large-scale CFB boilers

HUANG Zhong1, YANG Juan2, CHE Defu1

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Scientific and Technical Service Center, China Electricity Council, Beijing 100038, China)

Circulating fluidized bed (CFB) boiler is the main technical mean for clean and efficient utilization of low calorific value fuel and hard-to-burn coal, and is also an important part of thermal power generation in China. By the end of 2018, a total number of 440 large-scale CFB boilers with capacity of above 100 MW (410 t/h) had been put into operation in China, and the total installed capacity had exceeded 82.3 GW. The unit capacity, installed scale and technological advancement of CFB boilers have reached the world's leading level. This paper introduces the development history and application status of CFB boilers in China, and analyzes the application fields, main models, unit distribution, major technical and economic indicators in recent years. Moreover, from the perspective of capacity parameter, technology standard system, international application, operational flexibility, fuel adaptability and so on, the development of CFB boiler technology in China is forecasted.

CFB boiler, installed capacity, main unit type, fuel adaptability, coal consumption rate of power supply, auxiliary power consumption rate, pollutant emission

Beijing Science and Technology New Star Program (XX2018033)

黃中(1983—)，男，博士研究生，正高級工程師，主要研究方向?yàn)闊崃ο到y(tǒng)綜合優(yōu)化及CFB鍋爐技術(shù)，13636706755@163.com。

TK229.6

A

10.19666/j.rlfd.201903025

黃中, 楊娟, 車得福. 大容量循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 1-8. HUANG Zhong, YANG Juan, CHE Defu. Application and development status of large-scale CFB boilers[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 1-8.

2019-03-15

北京市科技新星計(jì)劃項(xiàng)目(XX20180033)

車得福(1962—)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事熱能動(dòng)力工程科研及教學(xué)工作，dfche@mail.xjtu.edu.cn。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）