转自微信公众号循环流化床发电

2013年4月14日，我国具有完全自主知识产权并设计制造的世界首台600MW的超临界循环流化床（CFB）机组顺利通过168h满负荷试运行，成功投入商业运营。在此基础上，将有关技术拓展应用，开发了超临界350MWCFB锅炉，也实现了产业化。截至目前，已有40多台超临界CFB机组建成投运，新型CFB锅炉技术也得到研发应用。神华河曲电厂超临界350MWCFB机组按照流态重构技术设计，各项能耗指标处于同类机组较好水平；徐州华美热电厂超临界CFB机组采用高效二次风技术，通过炉内气固流动特性组织强化还原性气氛，降低原始NOx的生成，实现了低能耗的NOx超低排放；山西河坡电厂超临界CFB机组首次将除尘器灰斗与灰库合并布置，不设除尘器飞灰输送系统，机组厂用电降低明显。随着国内CFB机组容量及参数的提升和从设计、运行调整及设备改造等技术方面的潜力挖掘，机组能耗水平得到明显提高。

2019年1月30日，国家能源局将陕西彬长和贵州威赫项目列入国家电力示范工程项目，高效超超临界CFB发电项目即将转入工程建设阶段。为了建成世界上排放和能耗水平最低，容量和效率最高的超超临界CFB锅炉，国内科研院所在低能耗方面开展了大量的研究实践工作，流态重构、新型风水联合冷渣器及空气预热器（空预器）等节能技术在工程上成功应用，取得显著的节能成效。但要实现超超临界CFB锅炉机组超低能耗水平，仍需要开展大量深入研究。

本文借助超临界CFB锅炉机组能耗模型，研究了超临界CFB锅炉效率及厂用电结构情况，提出了超临界CFB锅炉节能优化方向；基于大型CFB机组应用的低能耗技术及工程实践情况，从设计上提出了超临界CFB锅炉低能耗技术及其优化措施；通过在某超临界CFB锅炉机组上实施技术改造，验证相关低能耗技术节能效果。这为今后超（超）临界CFB锅炉实现超低能耗提供一定借鉴意义。

对于CFB锅炉机组，降低能耗的技术手段仍是提高锅炉效率，降低机组厂用电。因此，借助现役超临界CFB锅炉机组能耗模型及数据分析，研究超临界CFB锅炉低能耗技术优化方向。从热平衡公式计算锅炉效率可看出，降低锅炉各项热损失，提高可利用的有效热量，是提高锅炉效率的有效途径。

按照ASME标准要求，采用反平衡法测试了2台现役超临界CFB锅炉效率。其设计参数为：机组A锅炉为超临界600MWCFB锅炉，为双支腿、单炉膛、H型布置、外置换热，锅炉脱硝采用炉内分级燃烧方式，脱硫采用炉内喷钙方式，除尘采用电袋除尘器；机组B锅炉为超临界350MWCFB锅炉，为单布风板、单炉膛、M型布置，锅炉脱硝方式为炉内分级燃烧+选择性非催化还原脱硝工艺，脱硫方式为炉内喷钙+炉外CFB半干法脱硫工艺，除尘设计为预电+布袋除尘。

2台机组试验期间煤质特性见表1。锅炉各项热损失占比如图1所示。由图1可见，排烟热损失q2、固体未完全燃烧热损失q4和灰渣物理热损失q6占比大。因此，超临界及超超临界CFB锅炉低能耗技术应该重点研究回收这些热量并加以高效利用。

通过能耗分析试验，测试了按超低排放要求设计的超临界CFB机组B的厂用电数据，其关键辅机参数见表2。厂用电结构分布如图2所示。

由图2可见：在各类性质的辅机消耗厂用电中，占比排名前三的依次是风机耗电、水泵耗电、空气压缩机（空压机）耗电；细分各类辅机，厂用电占比排名靠前的依次是引风机、循环水泵、一次风机、空压机、输煤变压器、高压流化风机、二次风机和除尘脱硫变压器，所以降低厂用电关键是要降低以上辅机的厂用电消耗。基于超临界CFB锅炉机组厂用电结构模型，若要降低超临界CFB机组厂用电，需要对锅炉岛系统中一次风机、二次风机、高压流化风机、引风机和超低排放设备及其系统流程进行优化。

综上，超临界CFB锅炉实现低能耗技术研究主要集中在降低锅炉q2、q4、q6等热损失来提高锅炉效率以及降低锅炉风机能耗，实现低能耗的污染物控制来降低机组厂用电。

1）降低排烟热损失技术主要途径是减少锅炉排烟量和降低锅炉排烟温度。可通过改进锅炉下部炉膛形状和布风设计等技术措施，在提高燃料燃尽度的同时，大大提高入炉氧气的利用率；并在保证充分燃烧的情况下，合理选取低的炉膛过量空气系数。采用三维肋片管或回转式空预器，使锅炉排烟温度控制在低设计范围内，从而减少排烟热损失。

2）降低固体未完全燃烧热损失技术通过控制入炉原煤粒度级配，保证入炉煤粒度在6mm以下，增大燃料燃烧反应的比表面积，减少燃料燃尽所需要的时间；选取合适的床温，提高燃料燃烧效率；优化分离器结构设计，提高分离效率，增加外循环倍率，降低飞灰含碳量；优化炉膛设计、改善进风配风方式、风室风帽设计、给煤方式及给煤口、排渣口布置等，使布风均匀，保证燃料充分燃尽。

3）锅炉底渣余热高品位利用技术采用风水联合冷渣器时，底渣余热可高品位回收至锅炉系统，提高锅炉效率。国内多家电厂风水联合冷渣器运行情况表明，只要燃煤粒度得到有效控制，可以保证风水联合冷渣器运行的稳定性。

4）降低其他损失技术降低锅炉气体未完全燃烧热损失技术：通过选取合适的过量空气系数、较高的床温，加强二次风的强烈扰动，使燃料与风混合均匀。降低锅炉散热损失技术：分离器及其进口烟道采用膜式壁包覆的汽冷包墙的结构，其外表面采用常规的保温材料就能够将炉体外表温度控制在50℃以下，从而减少了锅炉散热损失。

1）采用“低床压”技术通过研究流态重构的低能耗CFB锅炉技术，降低锅炉运行床压，从而有效降低一次风机运行压头，进而降低风机运行电耗。目前国内部分300MW等级的亚临界CFB机组和350MW的超临界CFB机组已经实现了低床压运行。锅炉运行床压由原设计的11kPa降至5～7kPa，系统阻力也相应降低，一二次风机能耗明显降低。

2）风机选型优化锅炉风机选型可参考技术标准；但选择风机裕量系数时，可突破现有规范推荐裕量系数。三大风机作为发电厂最重要的辅机设备之一，其风量和压头的选择影响到整个电厂的运行及厂用电率的大小，进而影响到电厂的经济效益，因此选择适宜的风机裕量非常重要。风机的选型设计基准点可基于最大连续工况，风压裕量仅考虑烟（风）道阻力，设备阻力不再重复考虑裕量，烟（风）道阻力乘以裕量加上设备阻力后作为风机能力考核点参数。三大风机的裕量系数按规定的下限选取。此外，高压流化风机采用多级离心式风机，效率较高，可进一步降低运行厂用电耗。

3）辅机设置变频调速装置辅机设置变频调速装置可有效降低运行电耗。一二次风机为CFB锅炉机组的用电大户，由于其压头较高，只能采用离心风机，而离心风机效率较低，尤其在低负荷时更差。因此一二次风机均设置变频调速装置，在部分负荷时风机仍能保证较高效率；辅机冷却单元轴流风机采用变频控制，根据辅机冷却水温调整轴流风机出力。

1）低能耗的NOx控制技术通过CFB锅炉循环系统的设计创新，采用流态重构及高效二次风等技术，在不需要任何炉外烟气脱硝的条件下，实现了原始NOx超低排放，实现低能耗的污染物控制技术。CFB锅炉的低NOx污染物控制技术已在大型CFB锅炉上得到了技术验证，但效果受煤质不同而有所差异。

2）低能耗的SO2控制技术SO2控制技术可采用炉内脱硫和炉外脱硫相结合，或者仅靠炉外脱硫的方式。对于炉内+炉外脱硫方式，可通过对炉内外脱硫效率分配研究，确定脱硫最佳经济比，在达到炉内脱硫效率前提下，尽量降低锅炉钙硫摩尔比，从而降低运行成本和运行电耗。可采取以下有效措施：合理控制燃烧温度，设计床温选择在880～900℃，既有利于碳的燃尽，同时又处于最佳的脱硫反应区；采用高循环倍率，使得床层密度较高，加之二次风的强烈扰动，使得烟气与石灰石颗粒可以充分接触，进一步提高脱硫效率；增加炉膛高度，从而延长气相停留时间；采用高效旋风分离器，提高固相停留时间；采用合理的石灰石粉粒度，增加石灰石与含硫烟气的接触面积，提高石灰石利用率；炉外脱硫采用低成本、低能耗的烟气脱硫工艺，脱硫系统能耗可大幅度降低。对于仅靠炉外脱硫的方式，脱硫系统采用湿法脱硫，可在脱硫吸收塔前设置低温省煤器，降低烟气温度，减少脱硫系统耗水量；同时可采取除尘器灰斗与灰库合并布置，不设除尘器飞灰输送系统及灰库，可节约常规的气力除灰系统-灰库方案的电耗，最大程度节约了运行能耗。

超临界CFB机组A投入运行后，出现因风机选型大造成的厂用电偏高问题。因此对锅炉进行节能技术改造，主要包括：一二次风机改造，降低了风机选型参数，同时配置变频器调节；高压流化风机本体改造，相同工况下运行电流相比于改造前降低；空预器密封由三叉式密封改造为柔性接触式密封；同时，在引风机扩压管出口与烟囱之间加装了低温省煤器，将锅炉的部分排烟余热回收。超临界CFB机组A锅炉节能改造项目主要性能指标变化见表3。

为进一步比较节能技术改造效果，测试对比机组改造前后主要经济指标变化，结果见表4。由表4可见：相对于改造前，改造后锅炉效率提高0.13%；机组综合厂用电率为5.57%，降低了20.31%；供电煤耗为301.6g/(kW·h)，降低7.86g/(kW·h)。

通过采集改造前后稳定运行负荷下和厂用电相关的生产指标，得出机组节能改造前后各主要辅机占综合厂用电比例，结果如图3所示。从图3可以看出，相对于机组节能改造前，改造后风机耗电降低了13.74%。其中一二次风机耗电占比下降明显，一次风机耗电下降37.41%，二次风机耗电下降48.35%；而高压流化风机耗电占比上升23.71%，主要原因为高压流化风机电耗下降幅度小于机组厂用电下降幅度；由于尾部烟道增设低温省煤器及厂用电下降，导致引风机耗电占比上升28.68%。

1）借助现役超临界CFB机组锅炉，通过对能耗试验结果分析，得出了超临界CFB锅炉要实现低能耗技术，需要在降低锅炉q2、q4和q6等热损失以及降低锅炉风机能耗，实现低能耗的污染物控制方面开展相关研究。

2）从设计方面研究了超临界CFB锅炉低能耗技术。在提高锅炉效率技术方面，提出了降低过量空气系数和排烟温度、优化锅炉结构及设计参数、风水联合冷渣器以及降低其他热损失技术；在降低锅炉风机能耗技术方面，提出了“低床压”设计、低风机裕量系数选取以及辅机设置变频调速装置的措施；污染物控制方面，提出了NOx原始生成达到超低排放、炉内高效脱除和炉外低能耗的SO2控制技术。

3）在某超临界CFB机组上实施了节能技术改造，通过对比改造前后指标发现，采取节能技术改造后，锅炉效率提高0.13%，厂用电降低20.31%，供电煤耗降低7.86g/(kW·h)，节能效果明显，验证了相关低能耗技术的节能效果。

文献信息

谢国威,彭中,杨光兰,李科,唐海鑫,陈振龙,赵永宏,胡昌华,顾从阳,邬万竹.超临界CFB锅炉低能耗技术研究及工程应用[J].热力发电,2020,49(05):27-32.