循环流化床锅炉的发展现状及前景

张建胜　吕俊复　岳光溪　王　昕　任　维　刘　青

摘　要　循环流化床燃烧技术是国际80年代在锅炉上得到成功应用的清洁煤燃烧技术。提高可靠性、经济性和文明生产程度贯穿了循环流化床燃烧技术的发展历史。围绕分离器的形式和整体布置，循环床燃烧技术已经历了三代的发展，作者认为冷却型紧凑布置的循环床燃烧技术是未来的发展方向。
关键词　循环流化床锅炉　分离器　发展方向

Status and Prospect of Circulating Fluidized Bed Boilers

Zhang Jiansheng, Lu Junfu, Yue Guangxi, et al.

Abstract As a cleaning Coal Combustion technology, the Circulating Fluidized Bed (CFB) technology has been successfully used on boilers since 1980's over the world. The strive for being more reliable and economical as well as for higher degree of civilication pr

oduction has been the central line of the history of CFB combustion technology. According to the cycleone format and integrated layout, the CFB combustion technology has experienced three-generation development. It is believed that the CFB combustion technology using cooled cyclone and compact layout would be the trend in the coming years.
Keywords Circulating fluidized Bed Boiler; separator; trend

0　引　言

循环流化床锅炉(CFB)燃烧技术是一项近20年来发展起来的燃煤技术。它具有燃料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、负荷调节比大和负荷调节快等突出优点。自循环流化床燃烧技术出现以来，循环流化床锅炉已在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。世界上最大容量的250MW循环流化床锅炉已在1997年投运，多台200～250MW大容量循环流化床锅炉也已投产。我国集中于中型CFB的研制与开发，目前已完全商业化。到1998年底，我国已投运及订货的实验室流化床35t/h以下的循环流化床锅炉

共计约600台，已开始走向电力市场，并且开始大型CFB的研制工作。
主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置，而且与其运行性能有直接关系。分离器是主循环回路的主要部件，因而人们通常把分离器的形式，工作状态作为循环流化床锅炉的标志。

1　循环流化床的发展现状

气固分离器是CFB系统的核心部件之一。其之所以关键，从运行机理上来讲，只有当分离器完成了含尘气流的气固分离并连续地把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，才能保证炉内燃烧的稳定与高效；就系统结构而言，分离器设计、布置得是否合理直接关系着锅炉系统制造、安装、运行、维修等各方面的经济性与可靠性。虽然分离器是CFB必不可少的关键环节，但它又具有相对的独立性和灵活性，在结构与布置上回旋余地很大。从某种意义上讲，CFB锅炉燃烧技术的发展也取决于气固分离技术的发展，分离器设计上的差异标志着不同的CFB技术流派。

1.1　第一代循环流化床燃烧技术——绝热旋风分离循环流化床锅炉
旋风分离器在化工、冶金等领域具有悠久的使用历史，是比较成熟的气固分离装置，因此在CFB领域应用最多。
德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉［1］。分离器入口烟温在850℃左右。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等公司设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。据统计，目前除中国大陆外，有78%的CFB全部采用了高温绝热旋风分离器，但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高，见图1；启动时间长、运行中易出现故障；密封和膨胀系统复杂；尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时，旋风筒内的燃烧导致分离后的物料温度上升，引起旋风筒内或回料腿回料阀内的超温结焦。这些问题在我国的实际生产条件下显得更为突出。

图1　高温绝热式旋风分离器的筒体

Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置了较多数量的受热面，降低了旋风筒入口处的烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛比较高，钢耗量大，使锅炉造价提高。同时，它的CO排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。
1.2　第二代CFB燃烧技术——水(汽)冷分离循环流化床锅炉

为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点，同时有效地克服该炉型的缺陷，Foster Wheeler公司设计出了堪称典范的水(汽)冷旋风分离器［2］，其结构如图2。应用水(汽)冷分离器的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉。该分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料。壳外侧覆以一定厚度的保温层，内侧只敷设一薄层防磨材料，见图3。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题，也未发生旋风筒内磨损问题，充分显示了其优越性。这样，高温绝热型旋风分离循环床的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。

图2 水(汽)冷旋风分离器筒体结构图3 水(汽)冷旋风分离器耐火材料示意

当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW式水(汽)冷旋风分离器的问题是制造工艺复杂，生产成本过高，缺乏市场竞争力，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制［3］。
1.3　水冷方形分离器
为克服汽冷旋风筒制造成本高的问题，芬兰Ahlstrom公司创造性地提出了Pyroflow Compact设计构想［4，5］，图4是Pyroflow Compact型循环流化床锅炉结构简图。

图4　Pyroflow Compact型循环床锅炉简图

Pyroflow Compact循环床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，壳体仍采用FW式水(汽)冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间免除热膨胀节。同时方形分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。此外，为防止磨损，方形分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，这使得分离器起到传热表面的作用，并使锅炉启动和冷却速率加快。
从国内许多已投入运行的流化床锅炉来看，普遍都存在有床内的燃烧工况组织不好、床温偏高以及旋风分离器内CO和残碳后燃造成数十度甚至上百度温升的现象，加上流化床中的结焦温度比较低，因此结焦的可能在运行中始终是一个很大的隐患。如果采用有冷却的旋风筒，分离器内的温度就可以得到控制，从而消除了结焦的危险。
水冷或汽冷的方形旋风分离器与不冷却的钢板卷成的旋风筒制造成本基本相当，考虑到前者所节省的大量的保温和耐火材料，最终的实际成本有所下降。此外它还减少了散热损失，

提高了锅炉效率。另外由于保温厚度的减少，可以提高启停速度，启停过程中床料的温升速率不再取决于耐火材料，而主要取决于水循环的安全性，使得启停时间大大缩短。以一台高温绝热旋风筒的75t/h锅炉为例，采用两根油床下点火，一般设计每小时耗油量为600kg左右，启动时间8h以上，如果将分离器做成汽冷或水冷，只要2～3h就足够了，这样每次启动都可以节省2～3t的轻柴油。

2　循环流化床锅炉的发展方向分析

Ahlstrom公司的方形分离器紧凑型设计推出之后，立即引起了广泛的重视，人们对该技术一直持观望态度。但经过5年的多台锅炉运行实践，已被人们所接受，其标志为：在1999年5月第15届国际流化床燃烧会议上，该专利持有人Timo荣获唯一的ASME贡献奖。Foster wheeler公司和Ahlstrom公司合并后即将方形分离器循环流化床锅炉作为大型化方向予以重点发展。时至今日，Foster Wheeler公司采用方形分离器技术的紧凑型循环流化床锅炉已有68t/h至410t/h多台锅炉成功运行，150MW机组正在建设中，300MW和600MW容量的紧凑布置CFB已经完成设计。图5给出了方形分离器循环流化床锅炉单台容量的发展历史。采用方形分离器的紧凑型布置循环床锅炉的市场份额逐年增加，该技术在Foster Wheeler的定单总数与其它形式的技术比较见图6。