循环流化床锅炉在神东电力的实践

1前言

流态化技术自从Winkler煤气发生炉验证后，鼓泡流化床便成为重要的化工反应装置。在燃烧领域的应用，始于上世纪50年代。此后的20年，发展为循环流化床(CFB)，德国鲁奇(Lurgi)公司第一个申请了循环流化床的专利。

我国是国际上最早开展流化床燃烧技术研究开发的国家之一。1965年建成第一台燃烧油页岩的工业鼓泡流化床锅炉以来，流化床煤燃烧技术很快在全国得到推广，数量位居世界之首；80年代以后，我国开展循环流化床燃烧技术研制，发展迅速；在1980~1990年的起步学习认识阶段，发展了大约50台35~75t/h的循环流化床锅炉，但是限于当时的认识水平，对循环流化床锅炉技术流程的理解还是基于鼓泡流化床的知识；1991~2000年，开始掌握了循环流化床锅炉设计理论、设计导则，生产了200余台75~130t/h循环流化床锅炉，尽管这些进步当中还存在相当程度的模仿和经验性，但是有的单位已经形成了比较完整的设计理论体系，在大量的经验的基础上，总结了循环流化床锅炉的基本原理和定量计算；2000~2005年，与国外技术交汇，学会放大技术，实现了400~1025t/h超高压、亚临界一次再热循环流化床锅炉国产化。引进的300MW亚临界循环流化床锅炉，已经有10余台正式投入商业运行。与此同时，开发了以简约型布置为代表的完全自主知识产权的300MW亚临界循环流化床锅炉，2008年投入运行，效果良好。国内技术的循环流化床锅炉的可用率、可靠性、效率已经达到国际先进水平，普遍优于引进技术。

截至目前，简约型布置300MW亚临界循环流化床锅炉已经彻底占领国内市场。世界上第一台600MW超临界循环流化床锅炉也在神华国能（神东电力）集团成功商业运行，标志着我国在循环流化床燃烧技术领域达到了国际领先水平。

我国是世界上拥有循环流化床锅炉最多的国家，积累了大量的设计、制造、运行经验在50~300MW容量范围内，已经实现了对引进技术的再创新。我国目前循环流化床锅炉发电容量已经超过70GW，在煤电市场占有举足轻重的地位。

2CFB燃烧技术的工艺特点分析

2.1CFB燃烧的工艺过程分析

循环流化床是能形成流态化的一种装置，它由带有布风板的提升管、分离器和分离物料回送装置构成的。有的循环流化床锅炉还在分离器与返料装置之间设置一个低速流化床换热器。但是在提升管内的流化状态则因固体物料的性质及流化风速的不同而不同。在循环流化床燃烧中，它的流化状态必须是快速床态。如果偏离了快速床状态，将导致传热、燃烧等一系列问题，影响到床温的控制和带负荷能力。

快速床状态下，其核心特征是颗粒的团聚。当床料的密度在8~10kg/m3时，床内细颗粒就会团聚成大粒子团。这些团聚的粒子团由于重量增加体积加大，有较大的自由沉降终端速度，在一定的气流速度下，大粒子团不是被吹上去，而是向着边壁区运动，在近壁区逆着气流沿着炉墙向下运动。

这些团聚的粒子团在沿着炉墙下流的过程中，气/固间产生较大的相对速度，然后被上升的气流打散成细颗粒，细颗粒又再被气流带动从炉膛中心向上运动，在上升的过程中又再聚集成粒子团，再沿着四周炉墙沉降下来，形成一个固体颗粒的内循环。这种内循环量一般比通过分离器形成的外循环量要高一个数量级以上。这种粒子团不断聚集、下沉、吹散、上升又再聚集所形成的这一内循环的物理过程，使循环流化床内发生强烈的热量和质量交换，有效地延长了颗粒在炉膛中的停留时间，显著地提高了焦炭颗粒和CaO颗粒在燃烧室中的停留时间，为燃烧效率和脱硫效率的提高提供了良好的条件。

因此，循环流化床燃烧的宏观表现为流化中颗粒的循环，客观上为燃烧提供更长的时间，而不是循环燃烧。从这个意义来看，CFB锅炉循环燃烧的理解是不准确的。

2.2CFB燃烧的特点

由于CFB燃烧过程中的流动特征，决定CFB燃烧具有其显著的特点。

CFB中有大量的高温惰性床料，燃料进入床内的着火能够及时快速提供着火需要的热量，因此即使是挥发分极低的燃料，也能保证顺利着火，因此CFB锅炉的燃料适应性极广，几乎可以燃烧一切种类的燃料并达到很高的燃烧效率，包括高灰分、高水分、低热值、低灰熔点的劣质燃料，如泥煤、褐煤、油页岩、炉渣、木屑、洗煤厂的煤泥、洗矸、矸石等，以及难于点燃和燃尽的低挥发分燃料，如贫煤、无烟煤、石油焦等。这一特点对于神华集团而言是极为重要的，使得煤炭开采和洗选加工副产的废物可以规模化经济利用。

受制于灰熔点的限制，CFB的运行温度不宜过高，因此从燃烧的角度来看是低温燃烧。借鉴鼓泡床燃烧过程中添加石灰石炉内脱硫的特色，在燃烧过程中直接向床内加入石灰石或白云石，可以脱去在燃烧过程中生成的SO2，考虑到温度对脱硫效率的影响，床温一般在850℃~890℃之间，根据煤中含硫量的大小投入一定的石灰石量，可达到90%以上的脱硫效率，合理控制床温、过量空气系数、循环系统的性能、石灰石的粒度及其反应活性，可以将锅炉的原始排放控制在100mg/Nm3以内。

由于此脱硫过程主要设备是石灰石粉的制备和输送，其脱硫的初投资比较小；脱硫运行的主要消耗的石灰石粉，而没有水耗，电耗仅增加厂用电0.2个百分点，因此运行成本相对于湿法脱硫而言更为经济。大量的运行实践表明，脱硫成本不超过0.7分/(kWh)，运行也比较简单。

为了实现高效炉内脱硫，床温般在850℃~890℃之间，此温度范围对于抑制燃烧过程中NOx的生成是十分有利。由于在CFB中处于快速床状态，导致燃烧过程呈现了宏观富氧条件下微观的贫氧燃烧状态，有效抑制了NOx的生成。由于低温燃烧，燃烧反应速率相对较慢，而总反应速率必须满足锅炉负荷的需要，因此床中的炭颗粒表面要求必须维持在较高的水平。而这些大量的炭表面，对于燃烧形成的NOx具有强烈的还原作用，使得NOx最终排放比较低，尤其是对于反应活性较差的低挥发分燃料，NOx排放更低，在合理的床温、过量空气系数和循环性能条件下，原始排放能够低于50mg/Nm3。

因此，CFB锅炉是低成本控制污染物排放的燃烧技术。由于实现了炉内脱硫，排烟的露点比较低，排烟温度可以设计的比较低，利于提高锅炉效率。

由于床内式中有大量的高温惰性床料，燃烧的稳定性不存在问题，即使是很低的负荷下，比如30%，燃烧的稳定性也没有任何，可以在100%到30%范围内稳定燃烧，因此低负荷能力非常突出，锅炉的低负荷不受制于燃烧稳定性，是汽水系统的温度要求，因此CFB的负荷调节性能好。在某些条件下，可以压火运行。

CFB的快速床状态出现的颗粒团聚，使得颗粒在炉膛中的停留时间长，为燃料颗粒的燃尽提供了保障，因此CFB锅炉的燃烧效率可与煤粉锅炉相媲美。燃料制备及给煤系统也比较简单。

CFB炉膛的固体床料浓度比较高，这对于传热是十分有利的，炉膛内气固两相混合物对水冷壁的传热系数在150W/(m2×K)左右，传热系数高，传热能力强，可以节省受热面的金属消耗。由于燃烧温度低，灰渣不会软化和粘结，燃烧的腐蚀作用也比常规锅炉小。此外，低温燃烧所产生的灰渣，具有较好的活性，可以用做制造水泥的接合料或其它建筑材料的原料，有利于灰渣的综合利用。

3神华集团CFB锅炉发电的应用实践

自从CFB燃烧技术出现以来，其商业化过程中显示出卓越的环境排放特性，其污染控制成本是目前其它技术无法匹敌的。我国资源结构决定了一次能源消费以煤炭为主。在煤炭开采、洗选过程中产生煤矸石、煤泥、洗中煤等副产品。它们的共性为易风化、自燃、堆积型态极不稳定，一般被作为废料遗弃，造成环保污染。煤矸石、煤泥、洗中煤的灰分高、热值低，很难作为煤粉锅炉的燃料用于发电。

神华集团是最大的煤炭生产销售企业，2013年生产原煤4.5986亿t。规划2015年，生产原煤6.16亿t，各矿均配套建设有洗煤厂，产生的煤矸石、煤泥、洗中煤等劣质燃料量约占原煤入洗量的20%左右，劣质燃料的处理已严重制约了煤炭洗选加工企业的正常生产和发展，对劣质燃料进行有效的综合利用成为煤炭行业面临的重要课题。因此，采用燃料适应广、能够高效规模化燃烧劣质燃料、效率高、排放浓度低、运行可靠的CFB锅炉进行发电，是最优选。神华集团在神华国能（神东电力）集团建立了各种容量的循环流化床锅炉用于发电，获得了大量的实践应用经验。

神华国能（神东电力）集团立足神华集团各矿区的煤矸石、洗中煤、油渣、煤泥等劣质燃料的燃烧利用，坚持资源综合利用，不断推广CFB锅炉发电建设。通过多年的运行实践，持续改进CFB发电机组运行指标，坚持科技创新、节能降耗、低碳经济、保护环境的发展理念，引领技术、优化工艺、合理配备燃料、加大技改力度。大胆创新、优化运行、机组技术指标和运行可靠性提高，通过合理调整降低CFB料层厚度、减少总风量，降低床存量，有效改善了锅炉受热面的工作环境，水冷壁的磨损得到显著改善。锅炉的烟气含氧量均控制在2.6%以内，不仅降低了磨损程度，而且降低了排烟损失，提高了锅炉实际运行效率。通过燃烧调整，飞灰含碳量和底渣含碳量均能控制在3%和1%以下。这些措施在神华国能（神东电力）集团所属各厂进行了广泛的探索和推广，使得供电标煤耗不同程度同比降低3~11.02gce/(kWh)。

生产过程中不断探索运行优化技术。新疆米东热电厂通过对燃煤着火点试验大幅度降低投煤床温，在床温高于着火点50℃撤床下点火油枪，实现300MW级CFB锅炉冷态点炉耗油约9t的全国最佳指标，从而修改了CFB锅炉运行导则。特别是店塔电厂在优化调整CFB锅炉一、二次风量配比时，大胆探索创新，通过运行实践突破了厂家规定的一、二次风比例要求，将设计的60:40又化为40:60。根据有关科研工作的分析，降低了返料风的流量，不仅利于整个循环系统的性能，而且大幅度下降了返料风量，进而对高压风机加装变频器改造，降低了厂用电率，节能降耗成效显著。

在运行实践中，注重技术创新和技术改造，着力加大对CFB前沿技术的研究力度。例如，为了满足最新环保标准，在神华集团的科技创新项目支持下，开展了进一步降低CFB锅炉NOx排放技术的研究。通过对CFB锅炉NOx排放控制、SNCR工艺、喷射位置、雾化状况、氨氮比（NSR）、烟气温度、停留时间、喷射速度和方向、喷枪型式和数量等关键技术的研究和工程示范，寻找出最佳温度、混合效果、催化作用、化学当量比以及最佳喷射方式。

2013年11月底，在新疆米东热电厂300MWCFB锅炉进行的SNCR示范项目投入试运行。测试数据表明，在该锅炉上，原始NOx平均值为300~350mg/Nm3，投入脱硝装置后，NOx排放可控制在100mg/Nm3以内；增加尿素喷射流量时NOx可达50mg/Nm3以内，NH3逃逸均在3ppm以内。

加大技改力度，根据运行过程中出现的问题，借鉴成功的经验和教训，对设备持续完善。亿利电厂的200MWCFB机组一直存在漏渣问题，经过调研分析论证，确认了原风帽结构存在问题，进而对风帽进行了改造。为了降低改造成本、压缩停炉周期，在不改变原风帽基本结构的前提下，将风帽芯管由向上开口改为侧向开孔；风帽外罩出风孔由水平改为向下倾斜20°；减少相邻风帽出风孔出风相互扰动及床料反窜；其出风口处壁厚增至25mm；将原圆形进风口改为方形进风口，进一步增大锅炉风室进风口宽度，以改善风室进风均匀性、减少风室上部横截面低速区；风帽分区布置，解决炉膛四周易堵、易漏的问题。

通过这些措施，实现了最小流化风量下也无风帽漏渣，彻底解决了自投产以来风帽漏渣和磨损严重的问题。保德发电公司通过对分离器入口结构尺寸优化、燃料粒度配比优化合回料阀的结构优化等措施，成功实现了流态重构，使得锅炉的运行床压达到很低，结合一、二次风机的变频改造，显著降低了厂用电率。与此同时，优化并严格控制石灰石的粒度及其分布，实现了炉内高效脱硫、SO2达标排放。

神华国能（神东电力）集团的科研工作不仅表现为对现有机组的完善，而且表现为对神华集团CFB锅炉发电的发展上。根据神华集团的整体安排，结合神东矿区布尔台3000万t群矿洗煤厂年产427.8万t煤泥的实际情况，为了保护环境、实现资源利用率最大化，提出了利用CFB进行煤泥规模化经济利用的要求。针对煤泥水分大、颗粒细、粘度高、内聚力大、持水性强，含有大量杂质、流动性差，易造成输送设备堵塞等特点，联合中矿环保科技股份有限公司共同研究，并在135MWCFB锅炉上进行实践验证，形成了可靠的输送技术，包括输送系统前设置了预处理系统，解决煤泥中杂质易堵塞输送系统的问题；使用S型煤泥输送泵和高压管道全密封设计，提高长距离煤泥输送安全可靠性；管道上设有润滑水系统，在煤泥干度较高时可通过加水进行润滑，防止出现煤泥管道堵塞；利用专利技术的煤泥仓，解决仓储煤泥沉降分层问题；输送管道内壁采用高分子材料，可有利于形成内壁水膜，减少管壁摩擦阻力，降低煤泥流速，减轻了管道的磨损；确定了煤泥给入方式的合适位置和合理给煤泥点数，确认煤泥掺烧比例可达到65%以上。

这些研究工作，不仅解决了现有135MWCFB掺烧煤泥的问题，并且积极推进了布尔台660MW级煤泥超超临界CFB锅炉发电工程。

神华国能（神东电力）集团20年的发展历史，与中国的CFB锅炉技术的发展过程是完全同步的。神华国能（神东电力）集团的CFB锅炉几乎涵盖了所有国内技术，在这些技术的完善发展过程中，运行人员和技术人员经过几十年的运行实践，不仅掌握了各种技术特点，形成了相应的优化运行技术，而且对于CFB锅炉的理解和认识同步深入，直接或间接形成了一部分CFB锅炉技术和系统集成技术。

与此同时，我们也深刻认识到CFB锅炉存在的一切潜在的问题，对于CFB锅炉的发展方向有我们看法，如进一步降低厂用电、提高可靠性、提高锅炉效率、超低排放等。以300MW为例，带烟气脱硫和烟气脱硝的亚临界煤粉炉的供电厂用电一般在6%左右，而带炉内脱硫的循环流化床锅炉（无需脱硝）的供电厂用电全世界普遍在8%左右。由于厂用电偏高，使得电厂的净效率下降，经济效益受到影响，输出的单位电能排放的CO2增加，洁净煤发电技术的优势没有得到充分体现。炉膛水冷壁管的磨损始终是影响CFB机组可靠性的重要方面。中电联的统计表明，平均可用小时数大约为相同容量煤粉炉的92%左右，其中的主要原因是炉膛水冷壁管的磨损。由于可靠性不够高引起的停炉检修时间偏长，影响了机组的经济性。

这些问题的改善不能仅仅依赖于某个部件的性能改进，而是应该从根本上有所突破。近年来出现的基于流态重构的节能型循环流化床技术是一个本质上的进步，这已经为保德电厂的实践所深刻验证。尤其是当前我国执行的新的发电厂排放标准，原来的CFB锅炉在环保上的优势不再，这就要求必须开发循环流化床锅炉超低排放技术。

如何根据中国的具体燃料情况，从根本上降低厂用电率以进一步提高循环流化床发电效率、提高燃烧效率、提高设备可靠性，同时实现超低排放，开发先进的节能/超低排放型循环流化床锅炉技术具有重要意义。

4结束语

神华国能（神东电力）集团自身的发展见证了中国循环流化床燃烧技术的进步，从早期的12MW、25MW，一直到50MW、135MW、200MW、300MW、350MW、600MW，几乎涵盖了各种国内技术，成为世界上CFB机组装机容量、数量最多的发电公司。通过20多年的运行实践和持续研究，提高了对CFB锅炉的认识，如循环流化床燃烧的流化状态必须是快速床态，其宏观上为流化中颗粒的循环，客观上为燃烧提供更长的时间，而不是循环燃烧；合理控制床温、过量空气系数、循环系统的性能、石灰石的粒度及其反应活性，可以将锅炉的SO2原始排放控制在100mg/Nm3以内；在合理的床温、过量空气系数和循环性能条件下，NOx原始排放甚至能够低于50mg/Nm3。神华（神东电力）集团多年的运行实践，持续改进技术创新，供电标煤耗同比降低3~11.02gce/(kWh)；生产过程中不断探索运行优化技术，实现300MW级CFB锅炉冷态点炉耗油约9t的全国最佳指标；开展进一步降低CFB锅炉NOx排放技术研究，NOx排放可控制在100mg/Nm3以内，并且具有低于50mg/Nm3的能力，NH3逃逸小于3ppm。

通过对分离器入口结构尺寸优化、燃料粒度配比优化和回料阀的结构优化等措施，成功实现了流态重构和低床压技术；形成了可靠的煤泥输送技术，为大型煤泥超超临界CFB锅炉发电工程提供技术支持。最后，提出了CFB锅炉的发展方向，如进一步降低厂用电、提高可靠性、提高锅炉效率、超低排放等。

原标题：循环流化床锅炉在神东电力的实践