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

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。

¿ D/t.h-1ÝÁùȽ¾¢ÆÊ¡¨ýõÌ©»¶1401201008060402001987199019931996êÄÝ·19992002©¶õ»¨ÌýʽÆù¾ÝÈ¿Á图1 中国CFB锅炉订货和平均容量 1 循环流化床燃烧技术发展概况 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烟气 800~900℃ ¿ D/t.h-1ÈÁ¨Ý¥Ìóµ×´î八十年代，德国鲁奇公司首先取得了循环流70060050040030020010001987199019931996êÄÝ·19992002670t/hýÕÚÔø½ÐÐÖ图2 中国CFB锅炉单台容量的发展 800~900℃ 4~6m/s 空气 燃料 石灰石 空气 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&W公司为代表的采用塔式布置中温旋风分离循环流化床锅炉技术；以原芬兰Alhstrom公司为代表的燃烧 室内布置翼形受热面的高温图3 循环流化床锅炉工作原理图 图5 内江高坝电厂100MWe循环流化床锅炉 图4 法国Gardanne电厂循环流化床锅炉简图 绝热旋风分离的循环流化床锅炉技术,见图5；以美国FW公司为代表的带有Intrex(见图6)的汽冷旋风分离循环流化床锅炉技术和美国B&W公司采用简易分离的循环流化床锅炉技术。九十年代中期，又迅速崛起了由前Alhstrom公司开发出的冷却式方型分离紧凑式循环流化床锅炉技术。技术流派的演变是一个技术发展的过程。八十年代，由笨重易损的热旋风筒，进步到九十年代初的精巧耐用的汽冷旋风筒，进而到九十年代中开发出的冷却式方型分离紧凑式循环流化床锅炉又克服了汽冷旋风筒的生产成本问题，并为循环流化床锅炉最终回归到传统锅炉的简洁布置开创了道路；目前由Foster Wheeler 公司生产，安装于波兰的260MWe循环流化床锅炉即采用方形分离器技术。

从容量上看，循环流化床锅炉也从热电用小中型低参数容量发展到高参数大型电站锅炉。目前世界上在运行的最大容量循环流化床锅炉为美国佛罗里达300MWe燃用石油焦的循环流化床锅炉，见图7、8。另有近十台200~300 MWe循环流化床锅炉正在安装或制造。国外公司预计，目前的技术水平制造600MWe循环流化床锅炉是有把握的。

当前全世界（除中国外）100MWe以上循环流化床锅炉运行台约60台。其中已经投产运行的40余台。这些循环流化床锅炉主要在欧美，只有20％左右在亚洲。单台连续运行最高记录为13个月，可用率达到98％。循环流

化床锅炉检验规程和安全规程已经列入美国的ASME标准，这是该技术成熟及标准化的重要标志。

图6 INTREX结构

图7 JEA的300MWe循环流化床锅炉三维模型

图8 正在运行的JEA 300MWe循环流化床锅炉

2 中国循环流化床锅炉技术的发展

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。

国内自主开发的主要研究单位为清华大学，中科院热物理研究所及西安热工研究院等。他们与锅炉厂结合，开发了从35t/h-440t/h 系列化国产循环流化床锅炉。以性能和价格优势将国外技术挤出了中国中小循环流化床锅炉市场。其中清华大学与哈尔滨锅炉厂刚刚完成的十五攻关国产化440t/h 再热超高压循环流化床锅炉（135MWe）示范工程于今年七月通过了科技部验收。这是目前国内在运行的最大容量循环流化床锅炉。同时，清华完成了世界首台135MWe再热循环流化床锅炉电厂仿真机，技术水平世界领先。清华大学与国内合作锅炉厂多年合作研究完成的循环流化床锅炉设计理论，设计导则，热力计算软件完全突破了国外对我国的技术封锁。该软件已经出口到日本，打破了多年来我国一直依赖进口循环流化床技术的局面。鉴于清华大学在循环流化床锅炉研究开发中的声誉，一些著名的国际公司，如ABB、法国EDF公司、石川岛播磨等与清华大学合作研究一些循环流化床燃烧技术中的难题。

目前容量在400t/h级再热型循环流化床锅炉，国内已经基本掌握，进入了推广示范阶段。国产化670t/h (200MWe) 正在立项实施。图9为国产化670t/h循环流化床锅炉简图。 我国曾多次引进国外循环流化床锅炉技术，并数次购买国外循环流化床锅炉产品，推动了中国循环流化床锅炉技术的发展。如电力部从芬兰Alhstrom公司购买的内江电厂410T/h炉;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

3.1 循环流化床高参数化----超临界化

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图10 煤粉炉(PC)与循环流化床锅炉(CFB)热流密度比较 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11 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

65000 440t/h（13.7MPa）。国家支持引进了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

50000 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

INTREX-换热器 INTREX-换热器 INTREX-换热器 INTREX-换热器 炉膛 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。

0 图12 FW460MWe超临界循环流化床锅炉 3.3 循环流化床热水锅炉

中国城镇社区的快速发展，对大容量供暖锅炉需求加大。这些燃煤锅炉的污染排放极难解决。燃用天然气从经济到资源方面均不宜大面积推广。循环流化床热水锅炉是一个良好选择。我国新开发的116MWth 循环流化床热水锅炉经石家庄市两年运行经验证明了该炉在节能，环保，可靠性方面的突出优势。可以作为今后的重点发展推广方向。

图13 116MW循环流化床热水锅炉