摘要：
對燃用內蒙古高水分褐煤的600MW超臨界煤粉（PC）鍋爐和600MW超臨界循環流床（CFB）鍋爐方案進行了技術經濟性比較。研究表明，超臨界CFB鍋爐在總體性能指標、耗水指標、占地指標等方面均優于充分優化后的超臨界PC鍋爐方案。在建設投資和運行成本方面，超臨界CFB鍋爐也優于超臨界PC鍋爐。
關鍵詞：
褐煤；超臨界機組；鍋爐選型；技術經濟比較。
0 前言：
我國已經發現的褐煤儲量為1291.32億噸，約占我國煤炭保有資源量的12.7%，其中內蒙古東部地區的褐煤儲量極其豐富，占全國的77.55%。褐煤具有灰分大、熱值低，不適合遠距離運輸等特點，是較好的動力燃料，但是由于褐煤在燃燒時的溫度低、放熱差以及易結渣等特性給燃用褐煤鍋爐的選型工作帶來諸多困難。
本文針對內蒙古的褐煤提出兩種超臨界機組方案，即超臨界煤粉（PC）鍋爐和超臨界循環流化床（CFB）鍋爐。對2×600MW褐煤超臨界CFB機組方案及褐煤超臨界PC爐機組方案進行技術經濟指標對比分析，得出擬燃用褐煤的超臨界參數機組的優選方案，為燃用蒙東高水分褐煤超臨界機組的鍋爐選型提供參考。
1 主要技術條件：
鍋爐設計煤種為內蒙東部褐煤，灰熔點較低，燃燒時易結渣，這為煤粉火炬燃燒帶來潛在的困難。由于煤質的特性差異較大，因此設計褐煤鍋爐時與設計煙煤鍋爐相比在爐膛尺寸、受熱面布置、煤粉細度、磨煤機選取以及排煙溫度選取等方面都有較大差別。PC鍋爐具有鍋爐效率高的優點，在超臨界600MW等級已經取得了良好的業績。
CFB鍋爐燃燒技術是近幾十年來迅速發展起來的一項高效清潔燃燒技術，具有燃料適用性廣、負荷調節范圍大、氮氧化物排放低等優勢。CFB鍋爐爐膛溫度遠低于常規煤粉鍋爐，且熱流密度最大值區域位于爐膛底部，因此發生傳熱惡化的幾率很小。此外，由于CFB鍋爐爐膛內的熱負荷較低，可以采用相對簡單的垂直管方案構成燃燒室受熱面，同時采用具有自補償能力低質量流率的垂直管圈設計，可以提高鍋爐水動力的可靠性和安全性。因此超臨界CFB鍋爐技術不存在技術上的障礙，并且已經有實際工程驗證了其可行性。
2 鍋爐技術方案：
2.1超臨界CFB鍋爐
2.1.1鍋爐布置
CFB鍋爐為600MW超臨界參數變壓運行直流鍋爐，采用一次中間再熱，設計蒸汽參數為25.4MPa/571℃，蒸發量為1900t/h，設計鍋爐效率為92.5%。
鍋爐主要由單爐膛、6個高效絕熱旋風分離器、6個回料閥、6個外置式換熱器、尾部對流煙道、8臺滾筒冷渣器和2個回轉式空氣預熱器等部分組成。采用單爐膛雙布風板結構，爐膛內蒸發受熱面采用垂直管圈一次上升膜式水冷壁結構。尾部對流煙道中依次布置高溫過熱器、低溫再熱器、省煤器，最后進入回轉式空氣預熱器。鍋爐采用支吊結合的固定方式，床下啟動燃燒器、滾筒冷渣器、外置式換熱器和空氣預熱器為支撐結構，回料閥為支吊結合，其余均為懸吊結構。
2.1.2污染物排放
CFB鍋爐底渣采用干式除渣系統，每臺爐2套輸送設備的總出力為60t/h，其出力大于BMCR工況下燃用設計煤質排渣量的250%，約為燃用校核煤質排渣量的250%，完全能夠滿足鍋爐排渣要求。
每臺超臨界CFB鍋爐配1臺除塵器效率99.89%的電氣除塵器。2臺鍋爐合用1座高度240m煙囪。設計采用爐內石灰石脫硫，在Ca/S比為2.45時，SO2排放濃度≤100mg/Nm3；在設置SNCR條件下，NOx排放濃度≤85mg/Nm3，均低于國家《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）的限值，滿足環保要求。
2.2超臨界PC鍋爐
2.2.1鍋爐布置
2×600MW超臨界PC機組，鍋爐采用超臨界參數變壓運行直流爐，設計蒸汽參數為25.4MPa/571℃，蒸發量為1913t/h，設計鍋爐效率為93.55%。
鍋爐采用單爐膛П 型布置、緊身封閉、一次再熱、平衡通風，燃燒器為八角布置切圓燃燒。設置8臺風扇磨煤機，6臺運行，1臺運行備用，1臺檢修備用，6臺磨煤機運行可滿足鍋爐BMCR工況運行的要求。鍋爐設置啟動循環泵，并采用固態排渣方式，結構為全鋼構架、全懸吊固定。
2.2.2污染物排放
設計采用石灰石石膏濕法脫硫工藝對鍋爐排放的全部煙氣進行脫硫處理，設計脫硫效率為92%。系統包括：吸收劑制備與供應系統，煙氣系統，吸收塔系統，石膏處理系統，工藝水系統，排空系統。
脫硝系統采用已在燃煤電站鍋爐中應用成熟的SCR技術，雖然系統造價較SNCR高，但是其脫硝效果好。在大容量常規燃煤火電機組上加裝SCR煙氣脫硝裝置便于適應越來越嚴格的環境保護的要求。
3 方案比較：
對于600MW超臨界燃褐煤CFB機組和600MW超臨界燃褐煤PC機組2種方案，除了鍋爐本體系統、制粉系統、除渣系統、輸煤系統等有差別外，其他如汽輪機及輔助系統、發電機及輔助系統、循環冷卻水系統等部分基本相同。兩種設計方案在性能、運行成本、環境保護和投資成本等方面存在差異。
3.1性能比較
兩種方案的技術經濟指標：
常規超臨界機組PC鍋爐效率為91.7%，循環流化床鍋爐效率為92.5%，CFB鍋爐比PC爐效率高0.8%。主要是因為排煙損失、硫鹽化放熱和風機熱增益三項指標上。
600MW超臨界CFB鍋爐的標煤耗為279.84g/kWh比600MW超臨界PC爐的標煤耗282.29g/kWh低2.45g/kWh，按年利用小時數5500h計算，2臺600MW機組年節約標煤16170t/a，按含稅煤價121.07元/t計算，每年可節約195.77萬元。
3.2 運行成本比較
超臨界PC鍋爐脫硝成本遠高于超臨界CFB鍋爐，而且配備濕法脫硫裝置的超臨界PC爐其總運行成本也略高于超臨界CFB鍋爐。此外，增加的脫硫脫銷系統也會帶來運行人員的增加，從而提高了運行成本。CFB鍋爐由于其自身特點面臨著受熱面磨損、給煤斗堵煤、耐磨材料的脫落、冷渣器事故、輔助系統故障等問題，相比煤粉鍋爐面臨的磨煤機、脫硫設施以及其他輔機檢修在工作量上存在一定劣勢。
綜合來看，PC爐與CFB鍋爐相比，在運行成本上較高；但是在檢修和維護上存在一定的優勢，不過隨著CFB鍋爐的可靠性不斷提高，此差別在逐漸縮小。
在廠用電方面，與PC粉爐相比CFB鍋爐取消了磨煤機、碎煤機等負荷和脫硫系統，同時增加了大容量的一次風機、二次風機和高壓流化風機等負荷，因此在其他系統基本相同的情況下，對變化部分的廠用電率差值進行估算，采用 CFB鍋爐方案的廠用電率會增加約0.5%。
在耗水率方面，PC爐設有獨立的脫硫系統和脫硝系統，CFB鍋爐由于自身的脫硫及脫硝能力，取消了獨立的脫硫系統及脫硝系統。PC爐的脫硫系統用水采用循環水排污水，脫硝系統用水采用工業水；當采用CFB鍋爐后，節省了脫硫系統用的循環水排污水，此部分循環水排污水經反滲透處理后補充到循環水系統。當采用CFB鍋爐后，節省了脫硝系統用的工業水。經初步計算，采用CFB鍋爐方案后，小時節水157m3，年節水95×104m3。
3.3污染物排放比較
近年來，國家對環境保護的力度逐漸加大，新出臺的法律法規對SOx、NOx和煙塵等的排放做出明確的上限規定。因此污染物排放也成為衡量鍋爐機組的一個重要指標。兩種爐型均滿足國家排放標準。采用CFB鍋爐取消了復雜的煙氣脫硫及脫硝系統，僅采用相對簡單的爐內脫硫和SNCR，即可滿足國家標準的要求。
3.4 投資比較。
CFB鍋爐從高度、寬度和深度都比PC爐要小，再加上PC爐爐前爐后都布置風扇磨煤機，占地面積要比CFB鍋爐大的多，煤粉爐煙囪后還有脫硫設施，兩方案占地差距就更大，因此CFB 鍋爐在征地面積上更具優勢。
與PC爐機組方案相比，雖然CFB鍋爐價格高于煤粉爐，并且CFB機組方案增加了風機系統、耐磨耐火砌筑料、石灰石制粉系統、循環水排污水回用系統及采用了無電場除塵，但同時取消了脫硫系統、脫硝系統、磨煤機系統、高溫爐煙管道、送粉管道、篩碎系統，四大管道也減少約184t。綜合比較，2×600MW 超臨界褐煤CFB機組方案比煤粉爐機組方案減少投資18097萬元。因此從投資角度看，CFB機組方案優于煤粉爐機組方案。
4 結語：
我國已經掌握了超臨界鍋爐技術，具備研發、制造的能力。通過合作及引進技術，我國已經掌握了世界領先的循環流化床鍋爐技術，具備 了開發創新的能力。國內的主要鍋爐廠家對600MW超臨界CFB鍋爐已進行了多年的研究開發 工作，現已完成了具體的方案設計，具備了在實際工程應用的條件。對比超臨界PC鍋爐，超臨界CFB鍋爐在鍋爐效率，運行成本，建造成本等方面具有一定優勢。
通過比較結果，得到主要結論如下：
4.1、 600MW超臨界褐煤CFB機組方案的總體性能指標、耗水指標等方面均優于充分優化后的PC爐方案。
4.2、與PC爐方案相比，600MW超臨界褐煤CFB機組方案不僅建設投資低，而且運行人員少、運行成本低、銷售電價低、投資效益好、市場競爭力強。
4.3、在環境保護方面，兩個方案都符合國家相關規定，并達到較高水平。
4.4、我國褐煤資源豐富，并主要集中在蒙東地區。建設超臨界大容量褐煤CFB機組符合我國的能源發展戰略，有利于提高我國整體資源利用率和核心競爭力。
