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循环流化床锅炉技术的现状及发展前景

时间:2017-05-13 研究生论文 我要投稿

  摘 要:简要介绍了国外循环流化床锅炉技术的发展现状,重点讨论了近年来国内循环流化床锅炉技术的研究进展,分析指出了循环流化床锅炉技术的发展趋势。循环流化床锅炉未来将朝着大型化超临界、深度脱硫与脱硝、能源综合利用等方向发展。目前,我国已掌握150MWe及以下各种容量级循环流化床锅炉的设计和制造技术,并通过技术引进开始了300MWe容量级CFB锅炉的生产,未来将大力发展600MWe以上超临界参数锅炉技术。

  关键词:动力机械工程;循环流化床;锅炉技术;进展

  循环流化床锅炉(CFB)燃烧技术具有氮氧化物排放低、可实现在燃烧过程中直接脱硫、燃料适应性广、燃烧效率高和负荷调节范围大等优势,已成为当前煤炭洁净燃烧的首选炉型。时至今日,循环流化床锅炉技术已发展到一定水平,目前正往大容量、超临界、高洁净方向快速前进。总结循环流化床锅炉技术的最新进展,预测循环流化床锅炉技术未来的发展方向,对于推动循环流化床锅炉本身的技术进步、进一步推广循环流化床锅炉技术以解决我国当前能源短缺、环境污染严重等问题,具有重要的现实意义。

  受中国动力工程学会委托,由我们负责撰写了《循环流化床锅炉技术的最新进展与展望》一文,并由学会推荐编入中国科协主编的《学科发展蓝皮书——2004卷》。本文是在《循环流化床锅炉技术的最新进展与展望》一文的基础上整理而成。

  1、国外循环流化床锅炉的发展现状

  国外第一台商业循环流化床锅炉由芬兰的Ahlstrom 公司开发,于1979年在芬兰Pihlava投运;紧接着于1982年,由Lurgi公司开发的、用于燃烧洗煤厂尾料的1台84Mwth CFB锅炉在德国的Leunen投运。1985年9月,世界上第一台96Mwe再热式CFB锅炉在德国杜伊斯堡城市电厂投运并获得了成功。

  近2O、3O年来,CFB锅炉技术在国外得到了快速发展,在西方国家现有37家公司生产流化床锅炉,其中就有27家生产CFB锅炉。经过多年来的发展和整合,目前国外循环床锅炉的生产主要集中在Foster Wheeler Ahlstrom 公司和Alstom 公司旗下的几个子公司中。截至2002年底,国外锅炉厂家已生产CFB锅炉总容量已超过30000MWe。目前,循环流化床锅炉的检验规程和安全规程已列入美国ASME标准,这是其技术成熟的一个重要标志。

  近年来,国外循环流化床锅炉技术快速地往大型化和高参数方向发展。迄今为止,世界上200MW级的CFB锅炉总装机容量已超过5000MW 。其中Alstom 公司为法国Gandanne 电厂制造的25OMwe CFB 锅炉已于1996 年投运,Fw/Ahlstrom 公司为美国Jacksonville电厂制造的300MWe级CFB锅炉亦已在2002年内投运。在更高容量方面,Foster—Wheeler公司已于2003年与波兰电力公司签订了生产目前世界上容量最大、也是第一台460MWe级超I临界循环流化床锅炉。该公司同时也获得了法国电力公司600MWe级超临界CFB锅炉的制造合同,并已完成了方案的深度设计。目前,国外100MWe以上容量的循环流化床锅炉约有6O台,其中已经投运的有4O余台。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。另有近10台200~300 MWe循环流化床锅炉正在安装或制造中 。

  据统计,国外大型CFB锅炉(≥100MWe)用户主要分布在欧美,亚洲(不含中国)仅占约2O 左右。波兰是国外大型CFB锅炉的用户大户,截至2003年底,波兰已投运的100MWe级以上CFB锅炉超过15台,其CFB锅炉的炉型、容量、使用燃料等较有代表性。表1列出了波兰目前运行的100MWe以上CFB锅炉情况l2j。

  由表1可见:波兰已投运的CFB锅炉绝大部分是Ahlstrom /F.W 公司设计制造,这从一个侧面反映了Foster—Wheeler/Ahlstrom Pyropower公司占有世界CFB锅炉市场主要份额的情况。目前,国外大型CFB锅炉的设计生产和运行水平已达一定高度。

  从表2可见,Gardanne电厂的实际运行效率和污染排放水平甚至优于设计保证值的要求。这说明国外CFB锅炉企业已掌握了大型CFB锅炉的设计制造技术。当然,限于所使用燃料的特殊性,并不是所有已投产的大型CFB锅炉都运行良好。据报道,于1999年投运、安装在韩国Tonghae电厂、燃烧当地无烟煤的220MWe级CFB锅炉在初始运行中尚存在有旋风分离器和回料阀运行温度高于设计值、飞灰含碳量偏高和燃烧效率达不到设计值等问题 J,后来经过大的整改,包括对旋风分离器进行重新设计改造,这些问题才得到了较好的解决。

  2、国内循环流化床锅炉的进展

  2.1 概述我国的循环流化床燃烧技术分为自主开发、国外引进及引进技术的消化吸收三个主要来源。进入上世纪9O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37.4lt/h上升至106.78t/h;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(图1)。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。目前,我国已成为世界上循环流化床锅炉台数最多和总蒸发量最大的国家,总运行台数已超过世界其它地区所有循环流化床锅炉的总和 。

  2.2 国内循环流化床锅炉技术水平现状与进展近年来,在吸收和消化引进技术的基础上,我国自主开发的CFB锅炉水平有了长足进步,并已在一些核心技术上取得了突破。比如,浙江大学率先开发了下排气旋风分离器循环床锅炉。此炉型在水平烟道与尾部竖井烟道相连接的换向室中布置下排气旋风分离器,将水平烟道与尾部竖井烟道整装为一体,使锅炉具有典型的“兀”型布置,具有结构紧凑、深度小、易于大型化等优点;清华大学跟踪国际上出现的水冷方型分离器,成功地开发了具有独立知识产权的水冷异型分离循环流化床锅炉,该炉型具有结构紧凑、密封性能好、分离效率高、重量轻、启动时间短等优点,且也有易于放大和大型化生产的潜力等_5]。目前,国产循环流化床锅炉在130t/h及以下等级已过关,并完全取代了这个等级的进口锅炉,占领了国内市场。在220t/h等级上(50MWe),通过技术引进、消化吸收和自己组织合作开发等方式,如东方锅炉厂引进国外技术生产、国家电力公司热工研究院和济南锅炉厂的合作、清华大学和无锡锅炉厂的合作、中科院工程热物理所与武汉锅炉厂的合作等。早在上世纪9O年代中期,我国就已开发出了此容量级不同类型的中温中压、高温次高压和高温高压CFB锅炉。目前,国内已完全掌握了这一容量级CFB锅炉的制造技术,个别产品甚至出口到发展中国家。据统计,我国这个容量级CFB锅炉已有5O多台在运行、另有几十台在生产中。在410t/h容量级上(100MWe):在上世纪9O年代中期,东方锅炉厂和国家电力公司热工研究院的合作,引进Ahlstrom公司技术生产了国内第一台410t/h容量级CFB锅炉,投运于四川内江;“九五”期间,国家又组织了哈锅、东锅、清华大学、浙江大学等单位,共同完成了科技攻关项目“100MWe级循环流化床锅炉的研制”;经过几年来的自主开发和消化吸收,目前国内也已掌握了该容量级CFB锅炉的生产技术并实现了国产化。2002年,由国电热工研究院和哈尔滨锅炉厂合作研制的国产第一台410t/h级循环流化床锅炉在江西分宜投运,取得了成功。目前,国内这个容量级的CFB锅炉已有近10台投入运行,另尚有10台左右在生产之中;在440~ 480t/h容量级方面(135MW~150MWe)。现在主要由哈锅、东锅和上锅等三大锅炉企业合作,引进国外技术生产。哈尔滨锅炉厂利用引进技术生产的135MWe级循环流化床锅炉于2003年上半年在河南新乡电厂投运;2004年4月,2台135MWe循环流化床锅炉顺利地通过了国电热工研究院进行的性能达标试验;由上海锅炉厂有限公司引进技术分包承制的465t/h循环流化床锅炉(135MWe)已于2003年8月在山东济宁电厂启动达到满负荷并顺利通过了168h运行试验;由东方锅炉厂消化引进技术生产的135MWe再热超高压循环流化床锅炉也在2003年底在江苏大屯电厂成功投运;这批锅炉除了冷渣器系统及磨损存在一些问题外,在负荷、热效率和脱硫效率等方面均已达到或超过了设计保证值。同时,国家也组织国内有关企业和研究机构在消化吸收引进技术基础上进行自主开发。其中,由清华大学与哈尔滨锅炉厂合作完成的440t/h超高压再热循环流化床锅炉(135Mwe)已于2003年7月通过了科技部的验收。

  这是目前国产已投运的最大容量循环流化床锅炉;由无锡锅炉厂与中科院合作开发的480t/h(150MWe)CFB锅炉电厂正在内蒙古乌达电厂建设之中。另外,国内的一些研究机构还参与了该容量级国外循环床锅炉技术的消化、吸收与开发,如浙江大学作为技术依托机构参与了多项该等级燃用劣质煤的循环流化床电厂建设。这些成果表明,在消化引进技术和结合自己研发经验的基础上,我国已基本掌握了这个容量级CFB锅炉的设计和制造技术。目前,国内三大锅炉企业(东锅、哈锅、上锅)已投运、生产、和接受订单拟生产的135MW~150MWe级CFB锅炉总量已超过100台。在更大容量方面,国内同样也走引进技术和自主开发相结合的发展道路。东锅、哈锅和上锅合作,共同引进了Alstom 公司1025t/h(300MWe)容量级CFB锅炉的制造技术。同时,由哈锅、国电热工院等多个单位合作开发的200MWe循环流化床锅炉已在江西分宜建设之中。目前,上锅已在生产的300MWe容量级(1025~1065 t/h)CFB锅炉有3台,并另有订单1台;而哈锅和东锅也已分别接受了6台1025 t/h(300MWe)CFB锅炉订单。

  由上述可知,从引进到自行设计制造,近年来我国循环流化床锅炉发展迅速,在循环床锅炉大型化方面已取得了可喜的发展,与世界水平的差距正在逐步缩小。表3是目前我国已投运的1 00MWe以上CFB锅炉电厂情况。由表3可见,近年来特别是2002年以来,我国大型CFB锅炉发展神速,每年以超过1000MWe以上的投运容量在迅速增加。

  2.3 目前国内形成的CFB锅炉主要技术流派与特点目前,我国主要的锅炉生产厂家有哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、上海锅炉厂、济南锅炉厂、无锡锅炉厂、杭州锅炉厂、四川锅炉厂、武汉锅炉厂、南通锅炉厂等企业。这些企业要么引进国外技术生产、要么与国内研究机构合作开发,其生产的CFB锅炉的技术特点可归纳如下(表4) j:

  3、循环流化床锅炉技术的发展趋势

  3.1 大型化、超临界方向发展

  3.1.1 可行性国内外专家普遍认为,循环流化床锅炉未来将朝着大型化、超临界方向方展。这是因为,一方面,CFB锅炉由于自身特点而易于大型化 ]:①采用了一级飞灰分离循环燃烧,系统相对简单,便于大型化。②不论是国外开发的方型分离器,或是国内开发的水冷异型分离器和下排气旋风分离器,均能与锅炉本体形成整体形式,结构紧凑,易于大型化。另一方面,循环流化床燃烧技术由于具有以下固有燃烧特性而使它特别适合于与超临界参数技术结合:

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