大容量循环流化床锅炉研究开发

1、大容量循环流化床锅炉研究开发作者： 吕清刚 包绍麟 那永洁 孙运凯 贺 军 介绍了中科院工程热物理所大容量循环流化床锅炉研究开发历程，各等级容量循环流化床锅炉特点，并展 望了未来发展方向。1 前言循环流化床燃烧技术是近二十五年发展起来的一种新型的清洁燃烧技术。 循环流化床锅炉 具有燃料适应性广， 可以燃用一般动力煤， 也可以燃用煤洗选下来的煤矸石、 洗中煤和煤泥 等，也可以燃用石油焦和造气炉渣等劣质燃料。 循环流化床锅炉具有环保性能好、 燃烧效率 高、NOx排放低，还可以实现炉内高效脱硫、锅炉负荷调节范围大，灰渣易于综合利用等优 点。在未来的很长一段时间内， 循环流化床燃烧技术在我国燃煤技术领

2、域内将是最适用和最 现实的高效低污染燃烧技术。循环流化床锅炉的大型化和高参数化一直是循环流化床锅炉发展的显著标志，目前我国已经从小容量的热电联产锅炉， 逐步发展到主要以发电为主的中大容量循环流化床锅炉。 随着 我国经济的发展和技术的进步， ；以及环保要求的进一步提高，广大用户对循环流化床锅炉 产品性能的期望也进一步提高， 但是循环流化床锅炉要完全成为成熟产品， 还有许多工作要 做，还要进一步发展完善中。本文总结了中国科学院工程热物理研究所 2O 年来关于循环流化床锅炉的研发、大型化工业 示范和产业化的工作，能为推动循环流化床锅炉的进一步发展有所贡献。2 研究开发历程中国科学院工程热物理研究所自

3、 8O 年代以来，一直致力于循环流化床燃烧技术的研究和 开发工作。 1983 年在原国家科委和中国科学院的支持下，在国内率先建起的2.8MWt 循环流化床热水锅炉投入运行， 作为首个工业化装置直接参与北京中关村地区供热， 在此装置上 进行了系统的研究与探索，包括点火、物料分离与循环、 燃烧特性、脱硫等环保特性和运行 特性。较早得出适合中国煤的特点的循环流化床燃烧的工作参数和燃煤粒度，这是循环流化床锅炉研发从实验室阶段走向工业应用的里程碑。自 1985 年开始研究 1Oth 循环流化床锅炉， 首台用户为河南开封中药厂， 1987年投入运行， 1988年 1月与开封锅炉厂合作开发成功的 1OTh

4、循环流化床工业锅炉通过产品鉴定，锅炉达到额定负荷能力，锅炉热效率达到8766，锅炉采用微机控制 ,其后进行了充分的运行验证和完善， 形成了产业化规模， 与后来研制的 2Oth 循环流化床锅炉一起， 销售达近 3OO 多台。自 1986 年开始研发 35th 循环流化床锅炉，作为国家 “七五”科技攻关课题，首台用户为山 东明水热电厂， 1988 年投入运行， 1989 年 12 月与济南锅炉厂合作开发的 35th 循环流化 床发电锅炉通过技术和产品鉴定，锅炉达到额定负荷并有超负荷能力，锅炉累计运行38OO小时，锅炉热效率为 86.3%，钙硫摩尔比为 1 6 时，脱硫效率 81 7，然后开始了产业

5、 化生产，销售超过 2OO 台。自1989年开始开发75t/h和220t/ h循环流化床锅炉。首台用户为浙江嵊州热电公司，与 杭州锅炉厂合作的 75th 百叶窗分级分离循环流化床发电锅炉于1992 年 12 月通过技术和产品鉴定，并作为国家级的新产品试制计划和节能示范工程通过验收，1993 年与济南锅炉厂合作开发的 75th 旋风分离循环硫化床锅炉通过鉴定，并且 1993年开始以完善化示范工程带动此容量技术成熟，完善化示范工程于 1997年通过原国家经贸委的验收，销售达 5OO 台左右。作为国家 “八五”科技攻关项目的 22Oth 循环流化床锅炉技术于 1 996年通过验收， 因用户资金未投运

6、。1991?1997年联合承担的联合国工业开发署 (UNDP)援助中国项目：发展 循环流化床燃烧技术 ”， 1997 年通过验收，简称 “循环流化床燃烧技术研究中心 ”，成为循环 流化床燃烧技术研究开发基地。自 1997 年与上海锅炉厂有限公司合作开发130t h 高温旋风分离循环流化床锅炉，首台用户为甘肃窑街热电有限公司，作为国家节能与综合利用示范项目，2000年点火， 2002 年经过两年的运行考核， 通过技术和产品鉴定的商业运行， 同时通过示范工程验收， 并被列为国 家重大项目指南。通过 130t/h 循环流化床锅炉的开发和后续完善，形成了（ 带与不带表面冷却的 ）高温旋风分离循环流化床

7、锅炉技术，包括中温中压参数、中温次高压参数和高温高压 参数，运行运行超过 30 台，订货超过 50 台。自 2001 年开始向 220?480t h 级循环流化床锅炉的研发进军。 2002 年和 2003 年先后投运了 与济南锅炉厂和无锡华光锅炉股份公司合作的240t h 级循环流化床锅炉， 锅炉性能和可靠性大幅度提高， 订货超过 40 台。以 135MWe 等级循环流化床锅炉技术示范为核心的国家 “十 五”科技攻关课题于 2003 年 11 月通过科技部验收。自 2004 年开始研究开发 200MWe 循环 流化床锅炉， 并列为国家 “十五 ”技攻关后期滚动项目， 同时也开始了超临界循环流化

8、床锅炉 的研究工作。即将投运地安装在内蒙古乌达电厂的 150MWe 循环流化床锅炉，将是国内最 大容量自主知识产权的循环流化床锅炉。20 年来工程热物理研究所在研究和开发循环流化床锅炉方面一直处于国内领先地位，在开 发的循环流化床锅炉的品种容量、 投入生产运行和通过国家鉴定的时间、 技术和产品在市场 占有率等指标上，均处于领先地位。所开发的10t/h、35th、 75th、130th、220th、480th 和 600t h 循环流化床锅炉在国内市场上占有很高的市场份额，销售台数超过1100台。中国科学院工程热物理研究所具有国内较大规模的循环流化床燃烧技术的研发队伍，通过承担国家科技攻关课题、

9、 国家示范工程建设和企业合作开发项目， 已形成了一支既有坚实的理 论基础， 又有丰富工程经验的循环流化床锅炉研究和开发队伍。 他们不仅从事实验室研究工 作，还特别擅长参与工业化装置试验，包括技术方案制订、基本设计、技术设计指导、现场 调试和运行性能考核等全过程的研究开发工作。工程热物理研究所具有良好的试验基础设施。 建有一套带有自动在线烟气分析和数据采集系 统的 1.5MWt 循环流化床燃烧试验装置， 目前在此装置上完成了多项循环流化床燃烧试验的 国际合作项目和国内合作项目，先后完成了无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、油页岩、石油焦燃 烧及脱硫排放试验， 以及高硫煤、 高灰煤的燃烧特性和排放特性。 此

10、外建有大型冷态模拟试 验台，拥有若干小型冷热态试验装置和一批先进的测试分析仪器。 这些都为大型循环流化床 锅炉开发设计提供了很好的试验设施和手段。通过不懈地研究开发和工程实践，形成了十多项国家专利，并在近年开发的锅炉上得到应 用和验证，形成了系统的自主技术。3 典型大容量循环流化床锅炉开发的经验3.1 130th 循环流化床发电锅炉中国科学院工程热物理研究所在国内率先进行了130th 循环流化床锅炉的研究开发， 其中与上海锅炉厂有限公司合作开发的甘肃窑街煤电公司130th 循环流化床锅炉被列为国家节能综合利用示范项目， 也是中国科学院院重点项目的依托工程。 本工程为 4X130th 循环流 化

11、床锅炉， 1977 年开始设计， 2000 年点火投运，经过两年的严格考核，进行了多项试验， 2002 年通过国家示范工程验收和产品鉴定。锅炉特点：基本炉型结构的 M 型布置，即炉前给煤、旋风分离器布置在炉膛和尾部受热面 之间， 炉膛无屏式受热面，尾部依次布置过热器、 省煤器和空气预热器等对流受热面。 核心 技术为炉膛设计、 分离器设计和返料及流化部件设计。 其中对于旋风分离器， 我们在大量试 验及分析的基础上提出了新型、 高效、 低阻旋风分离器技术， 首次将该技术应用于该容量产品，并取得了国家专利。锅炉采用中温中压参数、单汽包自然循环、集中下降管、平衡通风、两个汽冷旋风分离器、 一级自冷凝喷

12、水调节汽温和过热器包墙的结构。主要技术特点：(1) 二次风采用前后墙布置的大直径高流速设计：(2) 采用捕集效率高的带涡壳入口的汽冷式高温旋风分离器，属专利技术；(3) 采用了柱型风帽及水冷布风板，它具有床面平整、流化质量好的特点；(4) 水冷布风板与四周水冷壁管胀差小，不会变形，不会产生泄漏点；(5) 采用低阻 U 型返料器结构简单、操作方便，返料流畅，自动平衡返料；(6) 采用床下风室点火，热利用率高，油枪安全、可靠；(7) 减温系统采用自制冷凝水喷水减温；(8) 采用来自一次风冷风的加压风机为返料器供风，属专利技术；(9) 给煤装置采用圆管重力式的微正压风力播煤装置；(10) 针对海拔高

13、度 1804 米，进行了海拔高度的修正。目前 130t h 循环流化床锅炉已有 50 台订货，其中 30 台投入运行。锅炉参数包括中温中 压、中温次高压和高温高压，分离器数量由每台锅炉两个减少到 1 个， 经过完善， 己形成了 较成熟的产品系列。32 220th 循环流化床发电锅炉中国科学院工程热物理研究所与国内多家锅炉厂 (包括上海锅炉厂，济南锅炉厂，无锡华光 锅炉股份公司和武汉锅炉股份 (蓝翔)公司)进行了 220t/h循环流化床锅炉等级的研制开发工 作，特别要对关键技术进行放大验证。首台位于山东省恒通化工集团有限公司的240th 循环流化床锅炉于 2002 年 10 月投入运行， 这是国

14、内首台自主技术生产的220t h 级高温高压循环流化床锅炉。 锅炉的蒸发量、 蒸汽参数等一系列指标均达到并超过了设计要求。 锅炉连 续运行时间超过 8 个月，近 6000 小时，给用户带来了较好的经济效益，用户十分满意。位 于河南洛阳的华润热电有限公司的240t / h循环流化床锅炉由无锡华光锅炉股份有限公司生产，于 2003 年 12 月一次点火通过试运转，运行效果很好。锅炉特点：本锅炉采用高温高压参数、单汽包自然循环、集中下降管、平衡通风、两个绝 热汽冷旋风分离器、 两级喷水调节汽温和常规过热器包墙的结构。 锅炉采用支吊结合的固 定方式，锅炉运转层标高为8000mm。锅炉采用位于炉膛前墙水

15、冷壁下部的四点给煤，采用位于炉膛底部布风板上的三点排渣。目前220t/ h级高温高压循环流化床锅炉从容量220t/ h含盖到280t/ h，分离器形式有绝热高温旋风分离器和表面冷却式高温分离器。 采用中国科学院工程热物理研究所的循环流 化床锅炉技术的 220th 容量等级循环流化床锅炉已经销售45 台，燃用燃料种类很广。3.3 450th(120MWe) 高温高压循环流化床发电锅炉广东江门450t/ h高温高压循环流化床发电锅炉是采用中国科学院工程热物理研究所的循环 流化床燃烧技术、由济南锅炉集团有限公司设计制造，是双方合作开发的450t/ h循环流化床锅炉产品。此项目 2003年 5月招标，

16、 2003年7月开始设计， 2004年 2月开始交货，并进 入安装阶段，预计 2005 年投运。本锅炉为高温高压参数单汽包自然循环、露天布置、全钥架支吊结构的循环流化床锅炉， 采用高温绝热旋风分离器进行气固分离， 锅炉采用前墙给煤。 本锅炉燃用无烟煤， 带有飞灰 再循环系统。3.4 480t h(150MWe) 超高压再热循环流化床锅炉内蒙古乌达2X480t / h超高压、中间一次再热循环流化床锅炉项目于2003年7月进行招投标工作， 它是中国华电公司内蒙分公司投资的技术改造工程。 经过中国科学院工程热物理研究所和无锡华光锅炉股份有限公司双方共同努力， 2003 年 6 月中标， 2003 年

17、 11月开始交 货，目前正在处于安装阶段，预计该项目将于2004 年 12月投产发电。内蒙古乌达 2X480t h 循环流化床锅炉采用超高压中间一次再热参数、单汽包自然循环、 全钢架支吊结构。 采用高温绝热旋风分离器进行气固分离。 前墙给煤方式， 锅炉燃用内蒙古 褐煤。锅炉特点：锅炉采用超高压再热参数、 单汽包自然循环、全钢架支吊结构，采用两个高温 绝热旋风分离器进行气固分离。锅炉运转层标高为 9000mm ，锅炉采用前墙给煤方式，六个 给煤口沿宽度方向均匀布置在前墙水冷壁下部。 四台水冷滚筒式冷渣器布置在炉膛下方。 锅 炉尾部采用了单烟道技术， 炉内布置有部分再热蒸汽屏， 依靠喷水来调节再热

18、蒸汽调温， 锅 炉的性能设计考虑了海拔修正。锅炉燃用典型褐煤。中国科学院工程热物理研究所与锅炉制造公司合作开发 100?150Mwe 等级容量和带有再 热的循环流化床锅炉，已经销售 17 台，不久将陆续投运。4 展望目前，国内采用 135MWe 循环流化床锅炉已经在许多家发电厂投运，一般而言，锅炉负 荷荷参数都能够达到， 但是存在不同程度的问题， 相信经过不太长的时间的完善和改进， 提 高可靠性和经济性，目前正在引进 300MWe 循环流化床锅炉技术。总结国内外循环流化床 锅炉大型化的进程，基本上是：I，中试装置；H.蒸发量lOOt / h(25MWe)级；川.440t/ h(135MWe)级

19、；W, 700t / h 一 1000t/h(200MWe-300Me)级；V . 1800t/ h(6001VIWe)级。 而我国目前处于川.400t/h(100MWe)级阶段，并已开始向W.1000t/h(300MWe)级阶段发展。 200MWe 级循环流化床锅炉是大型循环流化床锅炉研发的关键转折点。此容量对锅炉的性能结构以及锅炉岛系统集成有了更高的要求。并且技术装备水平也进入最高标准(电力行业标准 )。因此此容量等级的研发对技术突破和系统集成也具有重大意。4.1 2000MWe 级循环流化床锅炉的开发目前中国科学院工程热物理研究所正在等待 150MWe 循环流化床锅炉的运行考验，同时 进

20、行 200MWe 循环流化床锅炉技术的研究开发，并对更大容量锅炉进行研究工作。在 150MWe 循环流化床锅炉基础上， 借鉴国内外经验， 我们的研究结果表明 :对于 200Mwe 循环流化床锅炉地设计方案有三种形式，具体炉型可根据用户情况和燃用的煤质进行选型。(1) 将增加的过热蒸汽受热面积和再热蒸汽受热面积以屏的型式放在炉膛的上部，这样这 样既证了过热蒸汽和再热蒸汽的参数，又保证了循环流化床锅炉炉膛内的温度水平；(2) 采用外置换热器，其中可以布置过热器、再热器或蒸发受热面，它可以对炉膛温度和 过热蒸汽 (再热蒸汽 )温度进行调节；(3) 锅炉尾部竖井的上半部分采用双烟道结构，烟道的一侧布置

21、再热器，另一侧布置过热 器，通过烟气挡板对再热蒸汽进行调整， 这样布置的优点是提高了尾部受热面的温压和传热 效果，方便尾部受热面的布置，减轻了尾部受热面的金属重量。开发的 200MWe 循环流化床锅炉两个技术方案的共性是：单床单炉膛，炉膛上部布置有 屏式过热器，采用高效的蜗壳式绝热旋风分离器、 U 型返料器，尾部采用单/双烟道，尾部 烟道内布有高温过热器、 低温再热器、省煤器和空气预热器。 不同之处是： 带外置换热器的 方案中， 炉内只布置单级过热屏， 所采用的两个外置换热器内分别布置低温过热器和高温再 热器；而不带外置换热器的方案中，炉；内除了布置单级过热屏外，还布置有屏式再热器， 低温再热

22、器布置在尾部烟道内。 循环流化床锅炉大型化方案的主要区别之一是是否采用外置换热器。根据我们研究的结果， 300MWe 以下的锅炉可以不采用外置换热器，而是采用增加炉内受热面(如屏式过热器和屏式再热器 )的方法来保证其热量分配的合理性。针对300MWe 容量等级的循环流化床锅炉，炉膛上部需要布置很多屏式受热面， 技术方案是可以实现的， 但在结构上能否实现有待尽一 步的研究。鉴于此，在我们研究开发的 200MWe 和 300lde 容量等级的循环流化床锅炉技术 方案中均包括带外置换热器和不带外置换热器两种。4 2 300MWe 级循环流化床锅炉的开发在完成 200MWe 循环流化床锅炉方案设计的同时，我们着手开发 300MWe 循环流化床锅 炉的开发工作。目前国家牵头有三个锅炉制造厂 （东