循环流化床技术发展与应用

循环流化床技术发展与应用循环流化床技术发展与应用 岳光溪 清华大学热能工程系 摘摘要要 循环流化床燃烧技术对我国燃煤污染控制具有举足轻重的意义 我国自上世纪八十 年代后采取引进和自我开发两条路线 完全掌握了中小型循环流化床锅炉设计制造技术 在大 型循环流化床燃烧技术上已经完成了首台135MWe 超高压再热循环流化床锅炉的示范工程 引 进的 300MWe 循环流化床锅炉进入示范实施阶段 燃煤循环流化床锅炉已在中国中小热电和发 电厂得到大面积推广使用 中国积累的设计运行经验对世界上循环流化床燃烧技术的发展做出 了重要贡献 超临界循环流化床锅炉是今后循环流化床 燃烧技术发展极为重要的方向 是大型 燃煤电站污染控制最具竞争力的技术 我国已经具备开发超临界循环流化床锅炉的能力 在政 府支持下可以实现完全自主知识产权的超临界循环流化床锅炉 扭转过去反复引进的被动局面 前言前言 能源与环境是当今社会发展的两大问题 我国是缺油 但煤炭资源相对丰富大国 石油天然 气对我国是战略资源 要尽量减少直接燃用 目前一次能源消耗中煤炭占 65 在可预见的若干 年内还会维持这个趋势 可见发展高效 低污染的清洁燃煤技术是当今亟待解决的问题 循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效 低污染清洁燃烧技术 具有许多其它 燃烧方式所没有的优点 1 由于循环流化床属于低温燃烧 因此氮氧化物排放远低于煤粉炉 仅为 120ppm 左右 并可实现燃烧中直接脱硫 脱硫效率高且技术设备简单和经济 其脱硫的初投资及运行 费用远低于煤粉炉加 FGD 是目前我国在经济上可承受的燃煤污染控制技术 2 燃料适应性广且燃烧效率高 特别适合于低热值劣质煤 3 排出的灰渣活性好 易于实现综合利用 4 负荷调节范围大 负荷可降到满负荷的 30 左右 因此 在我国目前环保要求日益严格 煤种变化较大和电厂负荷调节范围较大的情况下 循 环流化床成为发电厂和热电厂优选的技术之一 我国的循环流化床燃烧技术的来自于自主开发 国外引进 引进技术的消化吸收三个主要来源 上世纪八十年代以来 我国循环流化床锅炉数量 和单台容量逐年增加 据不完全统计 现有近千 台 35 460t h 循环流化床蒸汽锅炉和热水锅炉在 运行 安装 制造或订货 平均单机容量从 37 41t h 上升至 106 78t h 见图 1 参数从中压 次高压 高压发展到超高压 单台容量已经发展 到 670t h 见图 2 截至 2003 年 投运台数已有 700 多台 单炉最大容量为 465t h 发电量 150MWE 近三年 我国循环流化床锅炉发展迅 速 100MWe 以上循环流化床锅炉订货量达到近 80 台 100MWe 以下循环流化床锅炉订货超过 0 20 40 60 80 100 120 140 19871990199319匹 619992002 琯栮 图图 1 中国中国 CFB 锅炉订货和平均容量锅炉订货和平均容量 9992002 琯栮 670t h 图图 2 中国中国 CFB 锅炉单台容量的发展锅炉单台容量的发展 200 台 今后 随着环保标准的提高 供热及电 力市场对循环流化床锅炉的需求将会进一步扩大 1 循环流化床燃烧技术发展概况循环流化床燃烧技术发展概况 八十年代 德国鲁奇公司首先取得了循环流 化床装置的专利 并研究开发出当时世界上最大 的 270t h 循环流化床锅炉 由此引发出了全世界 循环流化床的 开发热潮 循 环流化床锅炉 工作原理见图 3 至今已经形成几个技术流派 以鲁奇公司为代表 包括 Stain 公司和 ABB 公司 的绝热旋风筒带 有外置换热床的循环流化床锅炉技术 见图 4 以德国 B石化系统从同一公司 购买的茂名 2 台 220T h 燃用油 页岩的循环流化床锅炉 近年从 美国 Foster Wheeler 公司购买 的镇海石化 220T h 金山石化的 280T h 燃用石油焦循环流化床锅炉 国内三家大型锅炉厂先后引进了美国 Foster Wheeler 公司 50 100MWe 汽冷旋风筒循环流化床锅炉技术 德国 EVT 150MWe 以下容量再热循环流化床锅炉 技术和前美国 ABB CE 的再热循环流化床锅炉技术 目前国家发改委组织引进了法国阿尔斯通 300MWe 循环流化床锅炉技术 希望一次性解决电力系统对大型发电循环流化床锅炉的需要 根 据不完全统计 我国已在引进循环流化床锅炉方面花费了近两亿美元 然而 国外从来也没有把 循环流化床的设计核心技术教给中国 甚至热力计算程序都不是源代码 国内的循环流化床技术发展 应是消化引进国外循环流化床技术和研制开发自主知识产权的 大型循环流化床锅炉制造技术并重 一方面消化完善引进国外循环流化床技术 使之完全适应我 国的国情 另一方面在消化的基础上找到突破口 结合自己开发工作的成果和经验予以创新 形 成自己的专利技术 打破国外循环流化床技术一统我国大型循环流化床市场的局面 建立拥有良 好竞争机制大型循环流化床市场 我国循环流化床锅炉技术的发展史提供的教训实在太多了 3 循环流化床技术的发展方向循环流化床技术的发展方向 3 1 循环流化床高参数化循环流化床高参数化 超临界化超临界化 图图 9 670t h 超高压循环流化床锅炉简图超高压循环流化床锅炉简图 循环流化床锅炉大型化发展的一个重要的目标是开发超临界参数循环流化床锅炉 由于超临 界技术及大型循环流化床均是已经掌握的技术 将二者结合形成的超临界循环流化床锅炉将在环 保及效率上实现双突破 特别是国际上及清华大学近期的研究证明 循环流化床锅炉及超临界均 是成熟技术 二者的结合相对技术风险不大 然而 结合后产生的技术综合了循环流化床锅炉低 成本污染控制及高供电效率两个优势 因此 其商业前途十分光明 具有巨大的商业潜力 是清 洁煤燃烧技术中一个异军突起的新方案 因而极可能形成一个在 IGCC PFBC PC FGD 之外的清洁 煤技术新起点 超临界循环流化床锅炉 技术实现难度低于超临界煤粉炉 由于 燃烧室内热负荷低 见图 10 有可能 以相对简单的本生炉垂直管方案构成燃 烧室受热面 而且 低质量流率带来的 低阻力降可能使其在低负荷亚临界区具 有自然循环性质 运行十分安全 我国是一个燃煤大国 在电力部门 需要装备相对一批大型燃煤发电设备 常压循环流化床燃烧技术是已经为国际 上公认的商业化程度最好的洁净煤技术 但在达到较高的供电效率方面并未具有明显的优越性 超临界 CFB 作为下一代 CFB 技术 由于可 以得到较高的供电效率 比目前我国发电厂平均效率 28 高出 12 个百分点 脱硫成本比 FGD 低 50 以上 而投资最多与 SPC FGD 持平 是一种适于在中国大量推广的燃煤发电技术 因此一些著名的循环流化床锅炉公司均非常关注这一方向 见图 11 法国阿尔斯通和美国福 斯特惠勒均投入大量人力物力开发大容量超临界参数循环流化床锅炉 特别是 2003 年三月 Foster Wheeler 公司签订了世界上第一台 也是最大容量的 460MWe 超临界循环流化床锅炉合同 见图 12 它将安装在波兰南部 Lagisza 电厂 图图 10 煤粉炉煤粉炉 PC 与循环流化床锅炉与循环流化床锅炉 CFB 热流密度比较热流密度比较 图图 11 超临界循环流化床锅炉示意图超临界循环流化床锅炉示意图 我国近年来流化床技术发展迅速 总运行台数已经超过了世界其他地区的所有循环流化床锅 炉的总和 单台容量从 75t h 3 82MPa 发展 到 440t h 13 7MPa 国家发改委支持引进了 300MWe 亚临界循环流化床锅炉 17MPa 因 此我国应尽快开展超临界循环流化床锅炉的研 究 趁国外超临界循环流化床锅炉相关专利及 产品出现之前 形成我国的超临界循环流化床 锅炉自主知识产权和相关专利 这样 可以摆 脱过去的反复引进的被动局面 使我国循环流 化床燃烧技术实现跨越式发展 3 2 循环流化床调峰机组循环流化床调峰机组 循环流化床锅炉已证明具有远高于煤粉炉 的负荷调节特性 它可以在 30 MCR 下稳定 不投油运行 冷却型分离器循环流化床锅炉具 有频繁调负荷的能力 因此 我国电网峰谷差 逐年加大 调峰循环流化床锅炉是一个良好的 解决方案 今后应加强调峰循环流化床锅炉的 开发工作 65000 50000 0 炉膛 INTREX 换热器 INTREX 换热器 INTREX 换热器 INTREX 换热器 图图 12 FW460MWe 超临界循环流化床锅炉超临界循环流化床锅炉 3 3 循环流化床热水锅炉循环流化床热水锅炉