技术 | 东方660MW 高效超超临界 CFB 锅炉的设计

为持续推动能源消费革命，进一步提高煤炭清洁高效利用水平，有效缓解资源环境压力，加快燃煤发电技术装备攻关及产业化应用，国家相关部门出台系列文件，主要包括《国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计划（2014-2020年）的通知》（国办发[2014]31 号）、《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020 年）》（发改能源[2014]2093 号）、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》（环发[2015]164 号）等，明确要求全国新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于 300 克标准煤/千瓦 时。而目前我国已投运的常规超临界循环流化床锅炉均较难实现以上能耗要求

特别是我国四川、贵州等地的高硫无烟煤，由于其高硫腐蚀因素，极难实现更高参数发电，限制了高硫煤质的高效利用。同时，随着我国煤炭洗选的不断深入，每年可产生约 4～5 亿吨低热值燃料，如何实现清洁利用此类燃料，实现变废为宝，是我 国能源领域需要解决的问题。

循环流化床可实现炉内燃烧过程直接脱硫，且兼具燃料适应性广的特点，可以解决以上两方面的问题，因此发展清洁高效超超临界 CFB 锅炉便成为我国低品位能源清洁高效利用的战略选择之一。

东方 锅炉积极研发清洁高效超超临界 CFB 燃烧技术，提出并已完成 660 MW（参数 29.4 MPa/605 /623℃）高效超超临界 CFB 锅炉方案。

1锅炉方案

1.1 锅炉参数

为了获得更高机组效率，高效超超临界 CFB 机组参数相对常规超临界和超超临界参数有了更进一步提升。主蒸汽压力提高到 29.4 MPa，再热蒸汽温 度提高到 623 ℃。研究表明，蒸汽初压每提高 1 MPa，机组效率可提高 0.2%～0.25%；再热汽温每提高 10 ℃，机组效率可提高 0.15%～0.20%。

锅炉典型蒸汽参数如表 1 所示。

锅炉典型燃用煤质如表 2 所示。

1.2 锅炉炉型

针对 660MW 高效超超临界 CFB 锅炉炉型选择，东方 锅炉完成了多个炉型方案：双布风板+六 旋风分离器+H 型布置炉型、单炉膛+四旋风分离器 +M 型布置炉型、单炉膛+八旋风分离器+H 型布置 炉型和环形炉膛等。

东方 锅炉结合已成功投运的四川白马 600 MW 超临界 CFB 锅炉设计开发经验，最终选择双布风板+六旋风分离器+H型布置作为660 MW高效超超临界方案设计炉型。

该炉型具有以下优势：

(1)锅炉整体布置、受热面的布置有白马的设计及运行基础，技术风险低；

(2)有效解决了二次风穿透性问题，尤其是燃用低挥发分燃料，炉型适应性强；

(3)采用外置换热器，不但可以布置足够的受热面，还提供了可靠的蒸汽温度和床温调节手段。

(4)四大管道布置简单，主汽、再热蒸汽出口可低位布置，成本相比较低；

(5)尾部采用单烟道布置，烟气温度分布均匀，避免了双烟道炉型前后烟道烟温偏差大的问题，有利于保证整个预留 SCR 区域温度场分布均匀。

锅炉主要由三部分组成，第一部分布置有主循环回路，包括炉膛、冷却式旋风分离器、回料器、外置式换热器、冷渣器以及一、二次风系统等；第 二部分布置尾部烟道，包括低温过热器、低温再热器和省煤器；第三部分为单独布置的两台四分仓回转式空气预热器。

2关键技术措施

2.1 提升锅炉参数的措施

高效超超临界相对于超临界蒸汽参数的提升，需重点研究工质侧吸热量分配问题，即热力系统布置、各工况的带负荷能力、汽温及床温调节特性等。而实现过热及再热蒸汽温度调节和匹配，是机组保参数能力的关键。

过热汽温调节采用常规直流锅炉最直接的调节手段，即主要通过煤水比来进行调节。另设三级喷水减温来调节中过 1、中过 2 和高过进口的汽温， 从而调节过热器出口汽温。

再热出口蒸汽参数提高到 623 ℃以后，再热器 的保参数能力和范围也是一个需重点研究的问题。本方案采用外置换热器调节再热蒸汽温度，各负荷 再热器总的吸热份额与白马600 MW超临界项目相当，因此采用与白马 600 MW 超临界相同的再热汽温调节方式是可行的。低温再热器布置在尾部，高温再热器布置在外置换热器中，通过调整外置换热器内灰流量进行调节再热蒸汽温度，具有良好的再热蒸汽保参数及调节能力。

如图 3 所示，由于低温再热器布置在尾部高烟温区，即使低负荷工况下也可以保持较好的传热特性，低负荷工况下传热温压不会明显下降，锅炉负 荷降低时低再的吸热比例会相对增加，低再吸热比例变化的趋势提高了再热蒸汽保参数的能力。

考量再热蒸汽调节能力的另一个影响因素是各负荷工况下可调部分的调节能力。通过锥形阀开度调整进入外置换热器内的灰流量，极限工况下可以关闭锥形阀，做到外置换热器内受热面零吸热量，即减小外置换热器的换热能力是没有限制的。限制外置换热器调节能力的因素是外置换热器内允许的最大灰流量及可提供的灰流量。高负荷工况下外置换热器内的灰流量主要受限于其允许的最大灰流量；低负荷工况下由于外循环物料量降低，外置换热器内的灰流量主要受限于可提供灰流量。高温再热器布置在外置换热器内，各负荷工况下外置换热器内设计灰流量均在允许范围内，且留有较大调节空间。

2.2 提升锅炉燃烧效率的措施

对于高效超超临界 CFB 锅炉，提高燃料的燃烧效率是实现超低能耗的重要保证，而进一步降低锅炉飞灰、底渣含碳量则是其中的一个关键措施。

CFB 锅炉燃用劣质煤，尤其是燃用低挥发分无烟煤时，飞灰含碳量与燃料种类、燃烧温度、运行风量配比、燃料粒度、颗粒停留时间等有关。对于 高效超超临界 CFB 锅炉，需针对煤质的特性，选取合适的床温、一二次风配比，尤其是适当降低入炉煤的粒径，以实现炉内的高效燃烧。东方 锅炉通过采用优化的高效旋风分离器和大通量高效回料器的专利技术，可有效实现更低的入炉煤粒径。比如，针对表 2 中的煤质 A，根据其低挥发分、较高热值的特点，选取更低的入炉煤粒度 d99=8 mm，d50=1.1 mm，从而实现降低飞灰含碳量的目的。

通常，炉内密相区床料存量的多少决定着位于其间颗粒平均停留时间的长短，更多的床存量显然有助于粗颗粒延长停留时间以实现更高的燃烧效 率，但同时为维持更高的床压也会消耗更多的能量。而通过在密相区设置受热面，则可人为的调整入炉燃料的流动特性，即采用东方 锅炉水冷隔墙专利技术，使给煤、排渣与受热面共同作用来延长新入炉燃料到达炉膛排渣口的路径，增加颗粒停留时间，从而起到提高燃烧效率的效果。

本方案通过在相邻给料（煤）或返料装置的开孔位置（给料或返料口）与排渣装置开孔位置（排渣口）之间设置隔墙，将给料或返料装置的开孔位 置与排渣装置开孔隔开，来阻挡给料或返料直接被送到排渣口附近，达到人为延长粗颗粒燃料在炉内停留时间，同时还不影响整个床存量的减少，从而解决底渣含碳量高的问题。

2.3 实现高效脱硫的措施

污染物排放低是 CFB 锅炉的固有特性。常规 CFB 锅炉可通过添加石灰石进行炉内脱硫，并通过合理的床温及空气分级设计控制NOx的原始生成 。但炉内脱硫和控制NOx排放是相互影响和相互制约的关系。比如炉内加入石灰石脱硫以后，NO和NO2的排放浓度都有一定程度的增加。研究表明，当 Ca/S＝2 时，NOx的排放值比不加石灰石时增加了一倍。

对于高效超超临界 CFB 锅炉，针对不同含硫量的煤质，尤其是高硫无烟煤，如何实现炉内高效脱硫，是实现超低排放的关键。其主要问题不在于控制 SO2排放的绝对水平，而取决于在所要求的钙硫摩尔比（Ca/S）前提下达到很高的脱硫效率。

为保证锅炉的脱硫效率，东方 660 MW 高效超超临界 CFB 锅炉采取了一系列有效措施。

(1) 合理控制床温

就脱硫效果而言，CFB 锅炉存在一个最佳脱硫温度。尽管这一最佳温度还受到脱硫剂品种、粒径、煅烧条件等诸多条件的限制，但目前比较公认的最佳反应温度为 850～900 ℃之间。根据煤质资料和设 计运行经验，选择合适的床温，既有利于碳的燃尽，同时又使燃烧温度处于最佳的脱硫反应区，有利于脱硫反应的进行。

此外，为调节 CFB 锅炉在变负荷过程的床温变化，采用外置换热器对床温进行灵活调节。从实际运行情况来看，带外置换热器的 CFB 锅炉在低负荷 下的床温可以相对更高，即在较宽的负荷下，炉内脱硫效率均可维持较高水平。

(2) 采用合理的石灰石粒度

经运行实践证明，合理的粒度既能保证石灰石在炉内的停留时间，同时也增大了石灰石粒子与二氧化硫的接触面积，提高了石灰石的利用率，有利 于脱硫反应的进行。

(3) 采用合适的炉膛容积

采用了较大的炉膛截面和较高的炉膛高度，同时选取了合理的截面速度，使石灰石与燃料充分混合，使脱硫反应有足够的空间，保证脱硫反应的进 行。

(4) 脱硫剂给入点的选择

采用在回料腿处将石灰石送入炉膛，有助于脱硫剂的预热煅烧，可使氧化钙的生成有一定提前量，为在炉内脱硫做好准备。另外，采用回料腿给入石灰石的方式，石灰石与循环灰得到有效的混合，可以提高石灰石在炉内的扩散能力，提高石灰石利用效率。

(5) 外置换热器的磨耗作用

外置换热器可以为脱硫反应提供充分准备。一方面，外置换热器大幅延长了脱硫剂颗粒在炉内的停留时间，有利于反应进行；另一方面，外置换热 器内存在鼓泡流化床的颗粒磨耗效应，这有助于石灰石颗粒表面附着物的脱落以便于脱硫反应继续进行。从白马 600 MW 超临界 CFB 锅炉的实际运行情况来看，炉内脱硫效率要超过常规不带外置换热器的 CFB 锅炉炉内脱硫效率。

3结束语

开展大容量高参数超超临界 CFB 锅炉的研制，是引领世界先进 CFB 技术的重大举措，这将使我国 CFB 技术继续保持世界领先水平。

东方 锅炉结合在白马600 MW超临界CFB锅炉设计、制造、安装及运行经验，自主开发的 660 MW 高效超超临界参数 CFB 锅炉，具有更高效、更可靠、 更环保、更灵活、更经济的特点。