超超临界循环流化床锅炉炉型及关键技术研究

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在我国当前及未来的几十年内，煤炭仍然是我国的主要能源，洗选加工、分级按质利用是煤炭高效清洁利用的主要途径，煤炭的洗选加工，将产生大量的煤泥、煤矸石、洗中煤等低热值煤副产品。“十二五”末我国原煤平均入洗率为65%左右，全国每年产生可用于发电的煤泥、煤矸石、洗中煤等低热值煤达到6~8亿吨以上。根据国家能源局《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020年)》的要求，到2020年，全国原煤入选率达到80%以上，煤泥、煤矸石及洗中煤等低热值煤产量将大幅提高，低热值煤炭的综合利用宜采取分类利用原则，热值较低的煤矸石直接填埋绿化或用于生产利废建材，热值较高的煤矸石(>1200kcal/kg)和煤泥、洗中煤主要应用于发电。

循环流化床(以下简称“CFB”)发电技术是近三十年来发展起来的洁净煤发电技术之一，该技术以其良好的燃料适应性、低成本炉内高效脱硫抑氮等优越性能得到了较快发展，同时为劣质煤及洗煤废物规模化利用开辟了路径。2013年4月，随着我国完全自主知识产权的世界首台600MW超临界CFB示范机组成功投运[3]，我国超临界CFB技术达到世界领先水平，并得到了广泛的推广应用，截止到2017年2月，国内已投产的超临界CFB机组达到了13台。超临界CFB发电技术引领了世界CFB技术的发展，对电力产业技术升级和装备水平提升起到了积极的作用。2015年12月2日，李克强总理在主持召开国务院常务会议时，决定“全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造”，要求“新建电厂平均煤耗低于300g/kWh”。但是目前国内现役CFB机组(包括已投产的超临界CFB机组)与上述要求仍存在一定差距(见表1)。因此，很有必要进一步提高蒸汽参数，并研发建设超超临界CFB机组，进一步提高效率，降低能耗，继续引领世界CFB技术的发展水平。

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1、超超临界CFB技术研发进展

机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素，提高蒸汽参数是提高发电机组效率的有效方法。从目前国内各大主机厂的生产和供货情况来看，汽轮机和发电机的参数和容量均已达到较高水平，为进一步发展CFB发电技术，并抢占市场制高点，国内外科研机构和各大锅炉制造厂商相继开展了超超临界CFB锅炉的研发，包括清华大学、中国华能集团清洁能源技术研究院等科研单位和美国FosterWheeler、法国ALSTOM、东方 锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂等锅炉制造商。

1.1清华大学

清华大学开展了简约型超超临界CFB锅炉方案设计，蒸汽参数为26.15MPa/603℃/605℃。锅炉采用M型布置方式，设置单布风板，有效避免了裤衩腿炉膛结构可能带来的“翻床”以及一次风机压头过高的问题，可有效降低厂用电，简化运行操作。锅炉无外置式换热器，设置了4个直径为10.85m的旋风分离器，在保证分离器的分离效率不受影响的同时，使锅炉的结构更加紧凑，有利于降低锅炉造价。

1.2中国华能集团清洁能源技术研究院(CERI)

CERI开展了蒸汽温度700℃的350MW(蒸汽参数：36.8MPa/705℃/737℃)先进超超临界CFB锅炉的研究工作，在已投运的330MW和600MWCFB锅炉设计制造及工程经验的基础上，对先进超超临界(AUSC)350MWCFB锅炉进行了设计研究，形成了蒸汽温度为700℃的350MW超超临界CFB锅炉技术方案，锅炉采用紧凑型气动换热床，共布置有四级过热器，再热器系统分三级布置。

1.3美国FosterWheeler(FW)公司

美国FosterWheeler设计制造的韩国三陟4×550MW超超临界CFB锅炉已投产运营，同时该公司牵头合作研发的800MW超(超)临界紧凑型CFB锅炉(30.9MPa/604℃/621℃)目前已有概念设计，其机组效率可达45%。

1.4法国ALSTOM公司

ALSTOM公司为法国电力公司(EDF)设计了1台600MW(27.6MPa/602℃/602℃)超超临界CFB锅炉[9]，采用优化的高温旋风分离器和外置式换热器，相比于同等规模传统CFB电站能够减少6%的燃料消耗和CO2排放。

1.5中国三大锅炉制造厂

2016年7月，由神华国能集团牵头，联合国内科研院所和三大锅炉厂等机构共同参与研发的国家重点研发计划项目“超超临界循环流化床锅炉技术研发与示范”成功立项，并计划在“十三五”期间实施。本项目拟建设一台660MW高效超超临界CFB示范机组，并同时实现低成本的超低排放，能耗方面接近或达到同等容量煤粉锅炉机组能耗水平(预期指标见表2所示)。目前国内三大锅炉厂针对常规超超临界和高效超超临界CFB锅炉方案均已开展研发工作，并形成了初步的设计方案。

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2、超超临界CFB锅炉炉型方案

2.1东锅超超临界CFB锅炉炉型方案

东锅提出了三种超超临界参数方案：常规超超临界参数(26~28MPa/605℃/603℃)、高效超超临界参数(29.3MPa/605℃/623℃)、二次再热参数(32.4MPa/605℃/623℃/623℃)(概念设计)，并针对超超临界CFB锅炉提出了多种炉型方案。方案为：沿用白马600MW超临界CFB锅炉的单炉膛双布风板整体布置型式，锅炉两侧共布置6个汽冷式旋风分离器，6台外置式换热器(详见图1)，炉内布置中隔墙和高过，6个外置式换热器内分别布置中温过热器I、中温过热器Ⅱ和高温再热器，尾部采用单烟道，布置有低过、低再及省煤器(详见图2)。其他方案还有：单炉膛四分离器M型布置炉型、单炉膛八分离器H型布置炉型和环形炉膛炉型方案。同时为实现超低排放，东锅开发了高效二次风技术，该技术可实现NOx原始排放浓度低于50mg/Nm3，并已在投产的350MW超临界CFB锅炉上得到了验证，将进一步为研发和制造超超临界CFB锅炉提供参考。

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2.2哈锅超超临界CFB锅炉炉型方案

哈锅提出了双炉膛、6个蜗壳式汽冷分离器、H型布置的炉型方案(详见图3)。每个炉膛结构尺寸与目前已投产的350MW超临界CFB锅炉炉膛相当，单布风板，每个炉膛设置3个汽冷式旋风分离器和3个外置式换热器。炉内布置高过，外置式换热器内分别布置中温过热器Ⅰ、中温过热器Ⅱ和再热器(详见图4);尾部采用单烟道，布置有低过、低再及省煤器。两个炉膛对一个尾部烟道，尾部烟道受热面垂直两侧墙布置。在锅炉设计上采用低料位运行、风机合理选型、分离器优化和余热深度利用技术，进一步降低能耗，并通过锅炉脱硫脱硝一体化耦合技术、深度脱硫脱硝，实现锅炉低排放的效果。此方案水动力系统相对简化，受热面布置灵活、方便，无“翻床”问题，可降低厂用电，但是投资略有增加，两个炉膛的床温偏差、汽温偏差、烟气量和烟温偏差控制要求更高。此外，哈锅还开发了单布风板、单炉膛、4个蜗壳式分离器M型布置方案。

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2.3上锅超超临界CFB锅炉炉型方案

上锅炉型采用单炉膛、单布风板、4个汽冷分离器M型布置，外置式换热器(可选)方案(详见图5)。炉内布置二次上升水冷屏、高过和高再。尾部采用双烟道，布置有低过、低再和省煤器(详见图6)。此方案系统较为简单，但炉膛尺寸较大，炉内流场还需进一步研究。此外，上锅还开发了单炉膛、单布风板、六个汽冷式分离器H型布置方案。

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3、超超临界CFB锅炉关键技术研究

在我国已掌握的超临界CFB锅炉设计制造技术和经验的基础上，开发高效超超临界CFB锅炉的技术难度及技术风险较小，但由于蒸汽参数的提升，尤其是过热器出口压力和再热蒸汽温度的升高带来的一些新的技术问题需进一步攻关，主要是高温受热面安全性、水动力安全性、低负荷下再热蒸汽温度及低成本实现超低排放技术等。

3.1高温受热面安全性

再热器出口汽温由常规的603℃提高到623℃，高再出口集箱、管道、受热面的壁温有较大提升，现有锅炉受热面材料裕量被大幅压缩。因此材料的安全性是首先需要解决的问题。目前高效超超临界煤粉锅炉高温再热器受热面材料广泛采用SUPER304和HR3C，运行经验表明，高温再热器采用上述材料是安全的。煤粉锅炉高温过热器和高温再热器结构是单根管弯管，可以采用管子壁厚不同，受热管短路等方法，降低偏差管的吸热。而CFB锅炉炉膛内过热器和再热器是屏式(膜式壁)结构，无法采用煤粉炉降低偏差管吸热的方法。由于炉内复杂的传热传质引起的热偏差，高温再热器出口温度可能接近材料的最高许用温度，因此高温再热器材料的安全性问题需要重点考虑。通过在600MW超临界CFB锅炉热偏差控制技术基础上，对各级受热面工质焓增的选取、受热面级数的设置及其他手段，有效减少末级受热面热偏差。

3.2水冷壁水动力安全性

CFB锅炉水冷壁采用低质量流速水动力技术，较600MW超临界CFB锅炉而言，660MW高效超超临界CFB锅炉的主蒸汽流量基本相同，蒸汽压力、汽温参数更高。三大锅炉厂分别利用不同的计算程序软件，进行了BMCR工况下水冷壁平均质量流率的计算(详见表3)。高效超超临界CFB锅炉水冷壁采用低质量流速水动力技术，水动力特性总体趋势跟白马600MW超临界CFB锅炉的实测数据基本吻合，符合正流量响应的特点，出口工质温度偏差、壁温偏差、动态稳定性在安全范围内，水动力安全可靠。

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3.3低负荷再热蒸汽温度

CFB锅炉低负荷运行时炉膛上部温度较低，循环灰量减少，因此，无论将高温再热器布置在炉膛上部还是布置在外置式换热器内，在低负荷时保证再热蒸汽温度达到623℃需要进一步研究优化热力系统设计，提高低负荷机组的热效率。锅炉制造厂提出了通过详细的热力计算和细化的布置方案，可保证高效超超临界CFB锅炉在低负荷下再热蒸汽温度仍然达到额定值。东方 锅炉厂、哈尔滨锅炉厂均提出采用设置外置式换热器方案，在充分解决外置式换热器热偏差问题的基础上，通过外置式换热器回料来调节床温。另外，哈尔滨锅炉厂将末级再热器布置在外置式换热器内，并通过优化外置式换热器受热面的布置来保证再热汽温。

3.4低成本实现超低排放技术

目前CFB锅炉单纯依靠其自身污染物控制特性难以满足国家超低排放要求，其环保优势在逐渐削弱，但如果将煤粉锅炉超低排放技术在CFB锅炉上进行移植，能实现超低排放，但成本较高，且丢弃了CFB锅炉固有的优点。在NOX超低排放技术方面，通过床温控制、合理的配风等技术，进一步创造炉内还原气氛、优化炉内流场和温度场、提高床层质量、优化二次风设计等技术，实现进一步高效分级燃烧和还原脱氮，挖掘炉内脱氮潜力，炉内将有望直接实现NOx超低排放。关于SO2深度脱除可以通过床温控制、脱硫石灰石粒径控制、脱硫反应时间控制等技术，并开发新型高效旋风分离器、返料系统、布风装置、给煤及石灰石制备及加入系统等辅助设备，实现在较低的Ca/S下炉内脱硫达到较高的效率。因此在超超临界CFB锅炉上创新研究基于源头生成控制和炉内高效脱除的超低排放技术，实现NOx和SO2深度协同脱除，充分挖掘CFB锅炉污染物低成本控制优势，力争炉内NOx和SO2全部实现超低排放，炉外不设或仅设置简易脱硫脱硝装置作为热备用。

综上，研发高效超超临界CFB锅炉没有颠覆性的技术难题，理论上是完全可行的，随着研发工作的进一步深入，上述关键性技术问题将逐步攻关。

4、结论

(1)在我国目前的能源结构下，发展超超临界CFB发电技术是进一步提高机组效率、降低能耗的必由之路，也是低热值燃料清洁高效利用的有效途径，对于继续保持我国CFB发电技术的领先地位具有重要意义。

(2)国内外各科研机构和锅炉制造商提出的超超临界CFB锅炉方案技术上都是可行的，在国家最新的节能减排的政策下，超超临界CFB发电技术要规模化发展，必须开发低成本的超低排放技术，并且在能耗方面接近或达到同等容量煤粉锅炉机组的能耗水平。

(3)高效超超临界CFB发电技术已列入国家“十三五”规划和“中国制造2025”，发展该技术面临的诸如高温受热面安全性和水动力安全性等关键性问题，均可通过技术开发进一步攻克，并将在“十三五”期间成功示范。