循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

韓成

摘 要：本文首選簡要介紹了循環(huán)流化床鍋爐的原理和工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)的總結(jié)了循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展歷史，以及目前我國循環(huán)流化床使用過程中所面臨的問題，最后從數(shù)學(xué)模型研究、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、全局控制與細(xì)節(jié)控制、仿真模擬系統(tǒng)、實(shí)時(shí)故障檢測系統(tǒng)和全程啟動(dòng)熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)等六個(gè)方面對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，以希望對(duì)我國循環(huán)流化床鍋爐高效、節(jié)能和環(huán)保的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；現(xiàn)狀；前景

我國經(jīng)濟(jì)年平均增長率為9.7%，是目前世界上發(fā)展最快的國家之一，對(duì)以煤炭為主的能源供應(yīng)提出更高的要求，為了使能源和環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們要通過合理科學(xué)的手段，發(fā)展清潔高效的燃燒技術(shù)。循環(huán)流化床技術(shù)是新一代高效潔凈燃煤技術(shù)，在國際上迅速推廣。

一、循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)及原理

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種不僅可適應(yīng)不同的燃料，還可使燃料高效燃燒并且減少污染物排放濃度的潔凈燃燒技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐簡稱CFB（CirculatingFluidized Bed Boiler），鍋爐中燃料和脫硫劑被粉碎成細(xì)顆粒，通過氣流被輸送通過爐膛，同時(shí)有一部分顆粒返回爐膛，保證爐內(nèi)溫度均勻分布，這樣多次循環(huán)往復(fù)，燃料和脫硫劑反復(fù)進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，具有高效的脫硫效果，降低了氮氧化物的排放，并且燃料達(dá)到高效燃燒，生成的灰渣也有利于綜合利用。

典型的循環(huán)流化床鍋爐由爐膛、氣固分離器、固體物料再循環(huán)設(shè)備、外置熱交換器、和對(duì)流煙道組成。燃燒室是循環(huán)流化床鍋爐的主體。燃料和脫硫劑（石灰石）破碎成細(xì)粒，通過給料機(jī)送入爐膛，爐膛底部送入一次風(fēng)，從側(cè)墻送入二次風(fēng)，在一次風(fēng)和二次風(fēng)的作用下送入顆粒呈流化態(tài)，加劇燃燒強(qiáng)度，同時(shí)也有大量沒有燃燒完全的燃料隨氣流被帶出，經(jīng)氣固分離器分離，通過物料再循環(huán)設(shè)備返回爐膛，形成一個(gè)床料循環(huán)，如此往復(fù)，直至燃料完全燃燒，煙氣在對(duì)流煙道進(jìn)行熱交換，通過除塵器排入大氣。

循環(huán)流化床鍋爐與普通鍋爐相比有很多優(yōu)點(diǎn)：燃料適應(yīng)性好，循環(huán)流化床鍋爐中燃料呈流化態(tài)，固體和氣體完全充分混合，有利于充分燃燒也可以使再次循環(huán)的物料與之混合，迅速達(dá)到燃燒狀態(tài)，即使難燃燒的燃料也可以充分燃燒，因此，各種質(zhì)量和品種的煤都可以使用，并且無需使用任何輔助燃料助燃；燃燒效率高，由于特殊的流體動(dòng)力特征，氣固混合充分，燃料循環(huán)燃燒加大了其在爐膛的停留時(shí)間，都有助于燃料高效燃燒；污染物排放量低，循環(huán)流化床鍋爐是低溫燃燒，溫度一般控制在850℃-950℃，二次風(fēng)使燃料和脫硫劑均勻混合，對(duì)脫硫反應(yīng)有促進(jìn)作用，并且可以抑制氮氧化物的生成，其他污染物排放也較低；負(fù)荷調(diào)節(jié)操作靈活，循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)操作簡單，只需調(diào)節(jié)燃料給入量，送風(fēng)量和物料循環(huán)量，調(diào)節(jié)范圍特別大，一般可由30%到110%，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度也非?？?，達(dá)到每分鐘4%；廢棄物灰渣易于綜合利用，經(jīng)燃燒后產(chǎn)生的灰渣含碳量低，適合做建筑材料的原料；投資和運(yùn)行費(fèi)用低于配置脫硫裝置的鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐也有不少缺點(diǎn)：能耗大，一次送風(fēng)風(fēng)壓高，耗電量大；再循環(huán)系統(tǒng)和兩次送風(fēng)布置相對(duì)復(fù)雜；高溫分離器和飛灰回送器有體積較大的耐火材料內(nèi)砌體，冷熱慣性大，給支撐和快速啟停帶來了困難；自動(dòng)控制系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)配套仍不完善，需進(jìn)一步研究。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

循環(huán)流化床用于實(shí)際應(yīng)用在八十年代初，在國外倍受推崇，廣泛應(yīng)用于電力、供熱、化工等行業(yè)中。1979年芬蘭奧斯龍公司開發(fā)的世界首臺(tái)20t/h商用循環(huán)流化鍋爐投入運(yùn)行，此后循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展很快，并且由中小型發(fā)展成容量越來越大的大型循環(huán)流化床鍋爐，大型流化床鍋爐大量使用于電站，其中最大的于1995年投入法國電運(yùn)行，采用魯奇（Lurgi）技木的250MW 700h/t循環(huán)流化床鍋爐。國外主要研究和制造循環(huán)流化床鍋爐的公司，2009年在波蘭南部的瓦基莎（Lagisza）電廠，世界上首臺(tái)460MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行，制造商為美國FW公司。目前國外中小型循環(huán)流化床技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，大型循環(huán)流化床技術(shù)也在逐漸成熟，可以適應(yīng)各種用戶的需求。

1965年，我國建成第一臺(tái)以油頁巖為燃料的工業(yè)流化床鍋爐。此后，循環(huán)流化床鍋爐很快在全國得到推廣。上個(gè)世紀(jì)八十年代后循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)展很快，不在局限于中小型工業(yè)鍋爐，在1995年12月國內(nèi)第一座410t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐示范電站在四川內(nèi)江高壩發(fā)電廠成功投運(yùn)。截止到2009年，我國安裝的大、中、小型循環(huán)流化床鍋爐總量為世界第一，達(dá)到3000臺(tái)，總?cè)萘考s72870MW，其中有27臺(tái)容量為300

MW級(jí)，在這27臺(tái)大型循環(huán)流化床鍋爐中有17臺(tái)采用引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)制造，絕大多數(shù)為容量為75曲的循環(huán)流化床鍋爐。目前在四川白馬電廠正在投建世界上最大容量的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐。由此可見，不管是在國外還是在國內(nèi)，循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)尤其是大型循環(huán)流化床技術(shù)將會(huì)得到更大發(fā)展。約60%的循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等多方面出現(xiàn)問題，嚴(yán)重威脅到操作人員和運(yùn)行環(huán)境的安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問題。隨著環(huán)境保護(hù)力度逐漸加大，煙氣脫硫技術(shù)不斷成熟，所需成本不斷降低，循環(huán)流化床鍋爐的脫硫優(yōu)勢正在逐漸消失，應(yīng)把重點(diǎn)放在研究提高燃燒效率和投資運(yùn)行成本上來。把握循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行規(guī)律，確定最佳運(yùn)行參數(shù)，減輕機(jī)組損耗，穩(wěn)定蒸汽溫度和壓力，提高燃燒效率對(duì)循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。

三、發(fā)展前景

鑒于循環(huán)流化床的高效、潔凈和低污染的優(yōu)勢，該技術(shù)一直在全世界范圍內(nèi)受到廣泛重視?？梢灶A(yù)見，在未來幾十年內(nèi)，循環(huán)流化床仍將是我國燃煤技術(shù)的生力軍。因此，大力研發(fā)循環(huán)流化床技術(shù)及其智能控制系統(tǒng)是一項(xiàng)迫在眉睫的戰(zhàn)略任務(wù)。綜合我國目前循環(huán)流化床發(fā)展特點(diǎn)，目前迫切需要發(fā)展適合我國國情的整體循環(huán)流化床鍋爐熱工的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。同時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐被控對(duì)象的建模也是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，至今都沒有一個(gè)適用性較廣的數(shù)學(xué)模型。

因此，筆者認(rèn)為在未來我國發(fā)展循環(huán)流化床技術(shù)方面，應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：（1）完善循環(huán)流化床鍋爐數(shù)學(xué)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行定量化設(shè)計(jì)；（2）深入研究循環(huán)流化床鍋爐脫硝和脫硫數(shù)學(xué)模型的研究，以加強(qiáng)循環(huán)流化床鍋爐對(duì)環(huán)境污染的實(shí)時(shí)監(jiān)控；（3）深入研究循環(huán)流化床整體的控制規(guī)律和控制策略，以更為高效的實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)流化床的跟蹤控制；（4）深入研究可以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)化的多變量控制的熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)流化床全局統(tǒng)籌的優(yōu)化控制；（4）大力研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)時(shí)仿真與模擬培訓(xùn)系統(tǒng)；（5）大力研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐的監(jiān)控與操作系統(tǒng)以及循環(huán)流化床的故障診斷專家系統(tǒng)；（6）大力研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組全程啟動(dòng)熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，循環(huán)流化床鍋爐是一個(gè)系統(tǒng)的工程，在大力發(fā)展循環(huán)流化床鍋爐的過程中，應(yīng)該統(tǒng)籌研究上述各種策略的相互匹配，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床在我國高效、節(jié)能和環(huán)保的應(yīng)用。不容置疑的是，隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著國家對(duì)循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)的加大投入，隨著功能更為強(qiáng)大、更高可靠性自動(dòng)控制設(shè)備的不斷推出，隨著成熟專家系統(tǒng)算法的不斷完善，我國循環(huán)流化床鍋爐的整體設(shè)計(jì)必將在原來基礎(chǔ)上不斷實(shí)現(xiàn)鍋爐的最佳工況運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效率和社會(huì)效益。

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