循环流化床锅炉与煤粉炉的比较

循环流化床锅炉与煤粉炉的比较

作者：杨欢

来源：《艺术科技》2012年第03期

摘要：目前，循环流化床燃烧系统已经发展到一个相当高的水平，其对于城市垃圾和农村秸秆的回收利用有着重要的意义。本文从燃烧特点、水冷壁、运行费用等方面对循环流化床锅炉和煤粉锅炉进行了简要的比较。

关键词：循环流化床锅炉；煤粉炉；水冷壁；运行费用

1 引言

中国每年生产的粮食为4.9亿吨，秸秆产量为12亿吨左右，假设有40%的秸秆被用于发电，电站效率为26%，则每年可节约相当于发电消耗的标准煤的1.16%；中国现有城市660多座，每座城市每年生产的垃圾数量巨大，若将其用于流化床锅炉发电，相当于燃煤量的0.05%左右。农业生产产生的秸秆等副产品、城市生活和生产垃圾都可以作为循环流化床锅炉的燃料用于民用生活、工业生产中的工艺用蒸汽、热水或者电力生产。

2 概述

煤粉炉(PCB)是将煤粉(粒径约75μm)与空气的混合物在炉膛中进行悬浮燃烧，燃烧产生的烟气与飞灰颗粒形成浓度很小的气固两相流以气力输送的形式流向尾部烟道。煤粉锅炉的厂用电率低。

循环流化床锅炉(CFBB)是用高压空气将粒径约为1～8nm的燃料和循环灰颗粒流态化，从而形成密相区、稀相区、气力输送区三个燃烧放热的区域。从炉膛排出的烟气中有浓度很高的燃料和循环灰颗粒，经过高温分离器以后，大部分燃料和循环灰颗粒被分离下来，进入回料阀，然后由回料风送回炉膛循环再燃。循环流化床锅炉的优点有：燃料适应性广，燃烧效率高，可燃用几乎所有种类的煤种及各种低热值、高灰分或高水分的矸石、石油焦、工农业垃圾及城市垃圾，污染物排放量低，截面热强度高，燃料制备系统相对简单，灰渣综合利用性能好等。其缺点是尘量较大不易处理、厂用电率高、操作复杂困难等。

3 PCB与CFBB的比较

3.1 燃烧特点

煤粉锅炉炉膛温度为1500℃左右，煤粉颗粒粒径约为60～80μm，煤粉颗粒燃尽时间约需1.8～2.5s，单只煤粉燃烧器的功率可以达到很大。煤粉锅炉的NOx和SOx的排放量都很高，

需要采用专门的尾部烟气脱硝装置和尾部烟气脱硫装置进行烟气净化。煤粉锅炉的飞灰份额为90%～95%。

循环流化床锅炉的密相区温度为880～900℃左右，燃料颗粒粒径约为1～10mm，燃料颗粒可以进行反复循环与燃烧，但是单只布风板的面积有限，因此循环流化床锅炉在容量扩大方面受到限制。由于燃烧温度比较低，NOx排放量较低，可在炉膛内同时进行脱硫和燃烧，飞灰份额一般在51%～63%之间。循环流化床鍋炉具有广泛的煤种适应性，但是对于已投入运行的某一台CFB锅炉而言，其不能燃用一切固体燃料。

3.2 炉膛热负荷分布规律

煤粉锅炉的烟气温度在垂直方向上随着锅炉高度的升高，经历了快速上升、在燃烧器上方区域达到了最大值、然后逐渐下降的过程。在水平方向上，煤粉锅炉的热负荷分布也是不均匀的。因此煤粉锅炉水冷壁的工质一侧容易发生热负荷偏大、传热恶化和超温爆管事故。

循环流化床锅炉炉膛的热负荷在垂直方向上沿着炉膛高度经历了从高到低的缓慢降低过程，在水平方向上锅炉热负荷也分布均匀。因此循环流化床锅炉水冷壁的工质一侧不容易发生传热恶化、超温爆管。

3.3 炉侧蓄热能力

煤粉锅炉的炉侧烟气流动速度较快，蓄热能力有限，而且炉侧烟气对由负荷变化引起的温度变化的反应速度要比锅侧工质慢得多。

循环流化床锅炉炉烟气侧的床料量较大，蓄热能力较强，不能忽略锅炉负荷变化时床料温度变化的吸收作用，即锅炉负荷提高，床料释放热量；锅炉负荷降低，床料吸收热量。

3.4 水冷壁

3.4.1 水冷壁沾污、结渣情况

动力煤的灰分的变形温度DT一般在1100～1150℃之间。煤粉炉的炉膛烟气最高温度可以达到1500～1600℃，超过了灰分的DT，因此，会有灰分经过熔化、挥发、凝结，最后在水冷壁管的外壁上形成沾污层。如果灰分的DT很低，发生了缺氧燃烧或敷设卫燃带的方式不合理，可能造成水冷壁、分隔屏等部位的严重结渣。

循环流化床的燃烧温度为850～910℃，低于灰分的DT，因此，灰分不会在循环流化床锅炉水冷壁表面形成坚固的沾污层，基本上不结渣。但是，在密相区的耐火材料层的外壁会发生结渣现象。而且，如果脱硫剂中含有较高的K2O、Na2O或者其他碱金属的氧化物，会使密相区甚至水冷壁发生严重结渣，有时会导致排渣不畅的故障。

3.4.2 水冷壁爆管

环流化床锅炉水冷壁工质侧和烟气侧温度分布都很均匀，爆管的原因是床料颗粒对水冷壁金属的磨损。

煤粉锅炉水冷壁的工质侧温度分布情况如下：临界压力以下锅炉，均匀；超临界锅炉，工质温度逐渐上升。烟气侧温度分布情况：炉膛垂直方向，温度从低到高再到低；炉膛水平方向也不均匀。因此煤粉锅炉可能因热负荷不均匀引起的传热恶化造成水冷壁爆管。

3.4.3 水冷壁的高温腐蚀

煤粉锅炉炉膛温度较高，高温腐蚀速度较快。而且，煤粉炉的脱硫工艺是尾部烟道烟气脱硫，因此炉膛的二氧化硫浓度较高，高温腐蚀速度较快。

循环流化床锅炉炉膛温度较低，基本上不发生高温腐蚀。并且，循环流化床锅炉的脱硫工艺是燃烧过程中脱硫，即在炉膛内，燃烧煤粒的同时将石灰石颗粒投入炉膛内进行脱硫反应。因此，循环流化床锅炉炉膛的二氧化硫浓度较低，高温腐蚀速度较慢。

3.5 运行费用

调研结果表明，PC锅炉机组在安装SCR脱硝装置以后，由于要消耗大量的尿素和燃油，并且其使用的催化剂大约每4年需更换一次，因此不算催化剂所带来的二次污染，电厂增加的发电成本约0.01元/ kW•h。对于一台300MW机组，假定其每年满发时间为5000 h，那么每年的运行成本将增加约1500万元。

粗略相比，CFB锅炉的供电煤耗比PC锅炉多出16.71G/kW•h，相当于每年多消耗2.5万吨标准煤，因此与上述PC锅炉增加的成本相比，如果标准煤的价格在600元/t以上，则PC锅炉在运行成本上有优势，反之则CFB锅炉机组有优势。如果我们利用煤矸石作为原料进行发电的话，那么CFB锅炉组就占有优势。

不仅如此，PC锅炉脱硝装置所更换下来的催化剂如果处理不当还会造成较大的二次污染，而且尿素生产过程中还要消耗大量的能源。理论计算表明，每生产1t氨气，需要消耗的能量为20.93GJ，但在我国由于技术工艺水平比较低，每合成1t氨气能耗高达40GJ(折合1365.1kg标煤)以上，而且合成氨过程中主要消耗的是优质燃料天然气。

综合看来，CFBB与PCB相比，300MW级CFB锅炉机组能耗高于同级别PC锅炉，但如果综合考虑劣质燃料利用以及污染物减排，其在经济性上和PC锅炉是有可能相当的。故将循环流化床锅炉技术应用到煤矸石燃烧发电上有PC锅炉不可替代的优势，同时成本上和PC锅炉水平相当。