大容量循环流化床电站锅炉技术的发展.docx

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大容量循环流化床电站锅炉技术的发展

大容量循环流化床电站锅炉技术的发展

作者：

李雄1　陈伟刚2　毛健雄3  

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0　前言

循环流化床锅炉作为一种固体燃料的清洁燃烧技术，自从1980年代开始发展以来，在20多年期间已经取得了巨大的进展，无论从容量上还是从蒸汽参数上看，可以说，循环流化床锅炉已进入大容量高参数的电站锅炉时代。

在发展大容量高参数的循环流化床锅炉的过程中，福斯特惠勒公司起着先锋和领导的作用。

在1990年代，福斯特惠勒的循环流化床锅炉就已发展到250MWe的超高压参数等级，并在1990年代末和2000年代初建成了在波兰Bogatynia的Turow电厂的6台235－262MWe燃煤的循环流化床锅炉和在美国佛罗里达Jacksonville的JEA电厂建成了2台300MWe可100％燃烧煤/石油焦的循环流化床锅炉，并在2002年和波兰的Lagisza电厂签订了提供一台容量为460MWe的超临循环流化床直流锅炉的合同。

所有这些里程碑式的发展成就，标志着循环流化床技术已真正发展到了一个崭新的大容量高参数电站锅炉的时代。

循环流化床技术的关键设备是固体床料分离器。

第一代循环流化床锅炉主要采用的是旋风筒式分离器，它有以厚的耐火材料为衬里的绝热型和用蒸汽或水进行冷却的吸热型两大类。

典型的大容量带有旋风筒型分离器的电站循环流化床锅炉是波兰Turow电厂的1，2和3号炉，其每台锅炉的容量是235MWe以及在美国JEA电厂的2台300MWe循环流化床锅炉。

与此同时，福斯特惠勒从1990年代初开始开发出了第二代带有矩形旋风分离器的紧凑型循环流化床锅炉，这种紧凑型大容量循环流化床电站锅炉的典型代表是波兰Turow电厂的4，5和6号炉,每台锅炉的容量是262MWe。

为了适应电站锅炉对于大容量，高效率，低排放的要求，在上述亚临界自然循环的循环流化床技术发展的基础上，福斯特惠勒又开发出了超临循环流化床直流锅炉技术，在2002年与波兰的PKE电力公司签订提供一台容量为460MWe的超临循环流化床直流锅炉的合同是循环流化床技术发展史上的一个重大里程碑，它标志着循环流化床技术从亚临界跨入超临界的一个起点。

图1　循环流化床锅炉技术发展的历程

图1所示，为近30年来循环流化床锅炉在容量上的发展历程。

图2为以分离器技术发展为标志的几代循环流化床技术的发展。

带有旋风筒型分离器的大容量循环流化床电站锅炉

图3　冷却吸热式旋风筒分离器和不吸热的绝热旋风筒分离器的比较

图3所示为冷却吸热式旋风筒分离器和不吸热的绝热旋风筒分离器的比较。

福斯特惠勒公司已有5台以上容量在200MWe的带有旋风筒型分离器的大容量循环流化床电站锅炉投入运行，其中，最有代表性的是在美国JEA电厂的2′300MWe循环流化床锅炉。

图4所示为美国JEA2′300MWe循环流化床锅炉。

该锅炉的炉膛高度为35m,炉膛宽度为26m,炉膛深度为6.7m，每台锅炉采用3个蒸汽冷却旋风筒分离器，分离器的直径为7.3m。

该两台锅炉分别于2002年5月和7月建成投产的2′300MWe循环流化床锅炉位于美国佛罗里达州Jachsonville的JEA电厂，这是当前世界上已投入运行的容量最大的循环流化床锅炉，该两台锅炉的蒸汽流量分别为906/806t/h（过热/再热），蒸汽温度为540/540oC（过热/再热）。

其设计燃料是要能够100％的燃烧煤和石油焦，或可以任何比例混烧煤和石油焦。

表1所示为该锅炉的设计燃料：

表1美国JEA2′300MWe循环流化床锅炉的设计燃料

图4　美国JEA电厂2×300MWe循环流化床锅炉

表2为该2′300MWe循环流化床锅炉对排放值的要求。

表2美国JEA电厂2×300MWe循环流化床锅炉要求的各项污染物的排放值

JEA电厂的2×300MWe循环流化床锅炉为了能够得到当地环保部门的批准，除了循环流化床本身采用石灰石脱硫外，还采用了第二级烟气洗涤脱硫。

由于该锅炉燃烧的是高硫燃料，要达到如此高的燃烧脱硫效率其采用的钙硫比（Ca/S）为1.77－2.68（取决于不同的燃料混合比），因此，在飞灰中还含有大量未反应的石灰（CaO）。

根据这种情况，在美国有采用二级烟气脱硫的措施。

即在尾部安装喷水活化石灰的反应塔，CaO和水反应生成Ca（OH）2,Ca（OH）2具有极强的反应活性，能够迅速将烟气中剩余的低浓度SO2吸收，从而可进一步降低SO2的排放。

该锅炉在2005年1月测试的SO2排放值是，在空气预热器出口为98.85％，在尾部烟气洗涤塔出口的脱硫效率为99.15％。

即现在的锅炉本身的脱硫效率达到98.85％，而通过对洗涤塔喷水将烟气中飞灰加湿活化可在洗涤塔中脱除0.3％的SO2。

由于该电厂极高的脱硫效率，使其SO2排放大大低于所要求的排放值，因此，电厂进行SO2贸易将其多出的排放指标售出给其它达不到排放要求的电厂而得到经济效益。

表3所示为美国能源部9/04-2/05报告关于JEA电厂2×300MWe循环流化床锅炉实测的有关运行参数和各项污染物的排放值。

表3JEA电厂2×300MWe循环流化床锅炉实测的有关运行参数和各项污染物的排放值

注:

现在锅炉的实际燃料混合比是80％石油焦和20％煤的混烧，还未对这种混煤进行试验。

*该低钙硫比Ca/S是因为燃料灰中的CaO含量为18至21%。

**以低位热值为基础的锅炉效率要高2－4%。

1　带有矩形分离器的大容量紧凑型循环流化床电站锅炉

众所周知，循环流化床锅炉最关键的部件是布置在炉膛出口处的分离器，它将随烟气带出的未燃烬燃料和未反应的石灰石以及惰性床料从烟气中分离出来并返回炉膛下部，从而构成了床料的循环，为锅炉提供了诸多众所周知的循环流化床的优点。

在循环流化床锅炉发展的历史上，出现过各种不同型式的分离器，但至今采用最普遍的是冷却或不冷却的旋风筒分离器（见图3）。

　　第一代旋风筒分离器是钢板外壳衬以厚度为300mm的耐火材料，它的优点是初投资相对低，但运行维修费用高和冷态启动时间长，从而要消耗更多的启动燃料。

第二代旋风筒分离器是用膜式壁构成的蒸汽/水冷却的圆形旋风筒分离器，这时膜式壁上用密抓钉固定的耐火材料厚度仅为25mm。

这种冷却型分离器由于曲线型式的膜式壁结构，其制造复杂造价较高因而提高了初投资成本，但它具有运行维修费用低，寿命长，可靠性高等诸多优点。

由福斯特惠勒在1992年开发出的第三代紧凑型分离器，一改传统的圆筒形的分离器结构，采用矩形膜式壁分离器结构，其原理如图5所示。

由于该矩形形分离器的膜式壁和炉膛膜式水冷壁可构成一个整体，和蒸汽冷却圆筒形分离器相比，不仅具有圆筒型旋风分离器的所有优点，如采用抓钉固定的薄层耐火材料层，具有高的效率和长的寿命，而且结构简单，而且可使锅炉的设计非常紧凑，从而可减少锅炉的占地面积，减轻锅炉重量，大大减少了耐火材料地维护费用，并减少启动地燃料费用。

自1994年售出第一台商业化的紧凑型循环流化床锅炉以来，至今已售出近60台燃烧各种燃料的紧凑型锅炉，已售出的最大的紧凑型循环流化床锅炉的容量已达460MWe。

图6所示紧凑型整体式循环流化床锅炉紧凑型整体式循环流化床锅炉可进行模块式设计，因而容易实现锅炉的放大，图7所示为紧凑型循环流化床锅炉的放大原则。

按照这一放大原则，福斯特惠勒已完成了容量为600MWe紧凑型锅炉的研究设计和容量为800MWe紧凑型锅炉的概念设计，使循环流化床锅炉不仅适合于亚临界的自然循环设计，而且也适合于超临界的直流锅炉。

当前已投运的最典型的紧凑型大容量循环流化床电站锅炉是安装在波兰Turow电厂的3台容量为262MWe锅炉。

图8所示即为Turow的262MWe紧凑型锅炉

图5　矩形旋风分离器及整体式循环流化床锅炉原理

图6　紧凑型整体式循环流化床锅炉

图7　紧凑型循环流化床锅炉放大的原则

图8　波兰Turow电厂的262MWe紧凑型锅炉。

表4为波兰Turow电厂262MWe紧凑型循环流化床锅炉的设计参数：

表4安装在波兰Turow电厂的262MWe紧凑型循环流化床锅炉的设计参数

波兰的Turow电厂燃烧的是高水分，高灰分和低热值的褐煤。

表5为该锅炉的设计燃料特性和排放要求：

表5安装在波兰Turow电厂的262MWe紧凑型循环流化床锅炉的设计燃料和排放要求

2超临界循环流化床直流锅炉

经济的发展对电力的需求越来越高，为了使经济和环境能够可持续地发展，电站锅炉必须能够满足越来越高的经济性能和环境性能的要求。

如今大容量的煤粉电站锅炉越来越多地采用超临界和超超临界的蒸汽参数加上烟气脱硫/脱硝装置，如果大容量循环流化床锅炉不能适应形势的要求，不能大大提高蒸汽参数以大大提高发电效率，就有可能失去其本身的优势而无法与先进的煤粉炉技术竞争。

因此，大容量循环流化床锅炉向超临界的蒸汽参数发展是其发展过程中的必然要求和趋势。

实际上，循环流化床有许多特殊的优点，使之更有利于将超临界直流锅炉技术用于循环流化床锅炉。

首先，循环流化床锅炉的一个突出优点是它对燃料成分变化的不敏感和它对燃料的适应性。

循环流化床锅炉均匀的燃烧特性使之尽管在燃料性能发生变化时也能确保管壁温度的不均匀度非常小。

此外，循环流化床锅炉能够燃烧多种燃料的这一其固有的特点也自然可用于超临界参数的CFB锅炉。

这些优点对于电厂的业主来说其意义是很清楚的，燃料性能的变化和燃料的可用性将不再成为一个问题，这给电厂的业主具有更大的自由度来选用最经济可用的燃料。

其它的优点还包括循环流化床锅炉清洁燃烧和低排放的固有优点，这样锅炉不需采用烟气脱硫和脱硝装置就可以达到排放标准。

此外，由于超临界参数的循环流化床锅炉必须采用垂直管屏的炉膛水冷壁结构，也就是要采用西门子（Siemens）公司所开发的本生（Benson）垂直管低质量流技术，因而锅炉的水/汽阻力损失较小。

福斯特惠勒公司为了开发超临界循环流化床锅炉技术而进行了大量不懈的努力，在开发超临界循环流化床直流锅炉的过程中，对锅炉的机械设计进行了深入的考虑，对影响传热、流体动力学、碳的燃烬、气体排放的控制、水动力学等问题进行了从实验台试验，中间试验、运行锅炉的现场测试、以及各种数学模型的开发，包括仿真和半经验模型和更多的理论模型的开发等等，从而对超临界循环流化床直流锅炉的实际过程有了深入的理解，在所收集的数据、模型开发工作和与常规锅炉设计进行对比的基础上，开发并制订了大容量超临界循环流化床直流锅炉的设计规范并成功地进行了实施。

福斯特惠勒公司的超临界直流锅炉采用的是西门子公司的专利许可证技术，即本生垂直管直流锅炉技术。

本生锅炉以其超过1000台直流锅炉的记录使得它成为直流锅炉中采用最多的炉型。

最大容量的本生锅炉为1300MWe循环流化床锅炉，蒸汽参数为350巴和600oC的超超临界锅炉。

本生低质量流量的设计是十分独特的，早期的本生直流锅炉的炉膛是设计成螺旋盘管式的，采用这种设计的直流锅炉已超过数百台并有了30多年的运行经验。

在采用内螺纹管的基础上，从1980年代开始，西门子公司对具有低质量流量的垂直管蒸发受热面进行了大量的研究开发工作。

在内螺纹管内的传热效果是非常好的，特别是在蒸发段的传热，这是由于内螺纹产生的离心力可将湿蒸汽中的水分分离到靠近管壁处，湿的管壁大大地改善了管壁至流体地传热。

图9所示为西门子公司开发的优化内螺纹管。

图9优化的内螺纹管

优化的内螺纹管和光管比较具有以下的优点：

l即使在高的蒸汽干度范围内也不会恶化传热；

l即使在低的质量流量下也具有非常好的传热；

l在接近临界压力时，万一发生膜态沸腾，也只会使管壁温度稍有上升；

l通过优化内螺纹管来复线的几何形状可进一步改善传热。

从循环流化床锅炉地炉膛燃烧侧看，燃烧过程本身由于相对较低的燃烧温度和炉膛内均匀的温度分布，因而具有低和均匀的热流。

流态化和床料的循环过程就象一支热的轮子，可以"碾平"（消除）任何炉内温度的峰值。

循环流化床锅炉地大量运行实践表明，在任何情况下都不会发生管子过热的问题。

总结起来，采用本生垂直管直流锅炉技术地超临界循环流化床锅炉具有以下地优点：

（1）西门子公司的低质量流本生直流锅炉技术使得水/蒸汽侧的流动阻力减小，从而减少了给水泵的电耗，因而改善了电厂的净热耗；

（2）超临界循环流化床直流锅炉的另一个优点是其低的热流，因而锅炉管子对过热并不敏感；

（3）作为循环流化床锅炉，与煤粉炉相比，它还有以下的优点：

l多种燃料的灵活性，包括劣质燃料和低挥发分燃料；

l能够同时燃烧多种燃料；

l不需烟气净化的二次脱硫，脱硝系统即可达到低的排放。

在上述超临界循环流化床技术特点的基础上，福斯特惠勒于2000年完成了法国电力公司委托进行的600MWe超临界直流锅炉的研究设计，其蒸汽参数为310巴，593℃,图10所示为该设计的立体效果图。

图10　福斯特惠勒公司为法国电力公司研究设计的600MWe超临界直流锅炉

2002年12月，波兰PKE电厂选择福斯特惠勒为其提供一台460MWe本生直管炉膛变压超临界循环流化床直流锅炉（560°C/580°C,275bar）。

其目的是为了更好的排放控制和燃料的灵活性。

这台锅炉将安装在波兰的Bedzin，计划于2006年建成投产。

这将是世界上第一台超临界循环流化锅炉，它将来的成功运行必将为推动超临界循环流化床锅炉的发做出重要的贡献。

图11所示为这台锅炉的立体效果图，它是紧凑型布置的整体式循环流化床锅炉。

图11　将建于波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉

表6所示为该波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计参数：

表6波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计参数

表7所示为该波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计煤种：

表7波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计煤种

根据设计计算，该波兰PKE460MWe超临界参数电厂的发电效率在净出力为430MWe时为43.3%.其设计的排放要求示于表8：

表8波兰PKE电厂的460MWe超临界直流锅炉的设计排放值（6％O2,干烟气）

由于超临界循环流化床锅炉具有巨大的经济上和环境上的潜力，继法国电力公司之后，福斯特惠勒公司于2004年完成了西班牙ENDESA电力公司委托进行的800MWe超超临界循环流化床直流锅炉的概念设计（605℃/620℃,310bar），该设计采用紧凑型整体式设计方案，如图12所示。

图12　800MWe超超临界循环流化床直流锅炉的概念设计

可以有理由相信，在第一台超临界循环流化床锅炉成功运行之后，会有更多的超临界和超超临界大容量循环流化床锅炉出现，它们和煤粉炉技术的竞争，将会更进一步促进更加高效，清洁和经济的大容量电站锅炉的发展，也必将会将循环流化床锅炉技术推向一个更高的水平。

参考文献

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[2]　Stephen.JGoldish,FosterWheelerNorthAmericaCorporation,TimoHyppannen,FosterWheelerEnergiaOy,"FosterWheelerCompactCFBBoilersforUtilityScale"

[3]　IlkkaVenalainen,FosterWheelerEnergiaOy,RafalPaik,FosterWheelerEnergiaPolskaSp.Z.o.o.,"460MWeSupercriticalCFBBoilerDesignforLagiszaPowerPlant"