摘要：
對燃用內(nèi)蒙古高水分褐煤的600MW超臨界煤粉（PC）鍋爐和600MW超臨界循環(huán)流床（CFB）鍋爐方案進行了技術(shù)經(jīng)濟性比較。研究表明，超臨界CFB鍋爐在總體性能指標(biāo)、耗水指標(biāo)、占地指標(biāo)等方面均優(yōu)于充分優(yōu)化后的超臨界PC鍋爐方案。在建設(shè)投資和運行成本方面，超臨界CFB鍋爐也優(yōu)于超臨界PC鍋爐。
關(guān)鍵詞：
褐煤；超臨界機組；鍋爐選型；技術(shù)經(jīng)濟比較。
0 前言：
我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(nèi)蒙古東部地區(qū)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?shù)忍攸c，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(jié)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(nèi)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(huán)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比分析，得出擬燃用褐煤的超臨界參數(shù)機組的優(yōu)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(shù)條件：
鍋爐設(shè)計煤種為內(nèi)蒙東部褐煤，灰熔點較低，燃燒時易結(jié)渣，這為煤粉火炬燃燒帶來潛在的困難。由于煤質(zhì)的特性差異較大，因此設(shè)計褐煤鍋爐時與設(shè)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(yōu)點，在超臨界600MW等級已經(jīng)取得了良好的業(yè)績。
CFB鍋爐燃燒技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一項高效清潔燃燒技術(shù)，具有燃料適用性廣、負荷調(diào)節(jié)范圍大、氮氧化物排放低等優(yōu)勢。CFB鍋爐爐膛溫度遠低于常規(guī)煤粉鍋爐，且熱流密度最大值區(qū)域位于爐膛底部，因此發(fā)生傳熱惡化的幾率很小。此外，由于CFB鍋爐爐膛內(nèi)的熱負荷較低，可以采用相對簡單的垂直管方案構(gòu)成燃燒室受熱面，同時采用具有自補償能力低質(zhì)量流率的垂直管圈設(shè)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(shù)不存在技術(shù)上的障礙，并且已經(jīng)有實際工程驗證了其可行性。
2 鍋爐技術(shù)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(shù)變壓運行直流鍋爐，采用一次中間再熱，設(shè)計蒸汽參數(shù)為25.4MPa/571℃，蒸發(fā)量為1900t/h，設(shè)計鍋爐效率為92.5%。
鍋爐主要由單爐膛、6個高效絕熱旋風(fēng)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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等部分組成。采用單爐膛雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)蒸發(fā)受熱面采用垂直管圈一次上升膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。鍋爐采用支吊結(jié)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(yù)熱器為支撐結(jié)構(gòu)，回料閥為支吊結(jié)合，其余均為懸吊結(jié)構(gòu)。
2.1.2污染物排放
CFB鍋爐底渣采用干式除渣系統(tǒng)，每臺爐2套輸送設(shè)備的總出力為60t/h，其出力大于BMCR工況下燃用設(shè)計煤質(zhì)排渣量的250%，約為燃用校核煤質(zhì)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(shè)計采用爐內(nèi)石灰石脫硫，在Ca/S比為2.45時，SO2排放濃度≤100mg/Nm3；在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）的限值，滿足環(huán)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(shù)變壓運行直流爐，設(shè)計蒸汽參數(shù)為25.4MPa/571℃，蒸發(fā)量為1913t/h，設(shè)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(fēng)，燃燒器為八角布置切圓燃燒。設(shè)置8臺風(fēng)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(shè)置啟動循環(huán)泵，并采用固態(tài)排渣方式，結(jié)構(gòu)為全鋼構(gòu)架、全懸吊固定。
2.2.2污染物排放
設(shè)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(shè)計脫硫效率為92%。系統(tǒng)包括：吸收劑制備與供應(yīng)系統(tǒng)，煙氣系統(tǒng)，吸收塔系統(tǒng)，石膏處理系統(tǒng)，工藝水系統(tǒng)，排空系統(tǒng)。
脫硝系統(tǒng)采用已在燃煤電站鍋爐中應(yīng)用成熟的SCR技術(shù)，雖然系統(tǒng)造價較SNCR高，但是其脫硝效果好。在大容量常規(guī)燃煤火電機組上加裝SCR煙氣脫硝裝置便于適應(yīng)越來越嚴(yán)格的環(huán)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(tǒng)、制粉系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等有差別外，其他如汽輪機及輔助系統(tǒng)、發(fā)電機及輔助系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等部分基本相同。兩種設(shè)計方案在性能、運行成本、環(huán)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo)：
常規(guī)超臨界機組PC鍋爐效率為91.7%，循環(huán)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(fēng)機熱增益三項指標(biāo)上。
600MW超臨界CFB鍋爐的標(biāo)煤耗為279.84g/kWh比600MW超臨界PC爐的標(biāo)煤耗282.29g/kWh低2.45g/kWh，按年利用小時數(shù)5500h計算，2臺600MW機組年節(jié)約標(biāo)煤16170t/a，按含稅煤價121.07元/t計算，每年可節(jié)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(tǒng)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(tǒng)故障等問題，相比煤粉鍋爐面臨的磨煤機、脫硫設(shè)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(yōu)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(tǒng)，同時增加了大容量的一次風(fēng)機、二次風(fēng)機和高壓流化風(fēng)機等負荷，因此在其他系統(tǒng)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(shè)有獨立的脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)，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(tǒng)及脫硝系統(tǒng)。PC爐的脫硫系統(tǒng)用水采用循環(huán)水排污水，脫硝系統(tǒng)用水采用工業(yè)水；當(dāng)采用CFB鍋爐后，節(jié)省了脫硫系統(tǒng)用的循環(huán)水排污水，此部分循環(huán)水排污水經(jīng)反滲透處理后補充到循環(huán)水系統(tǒng)。當(dāng)采用CFB鍋爐后，節(jié)省了脫硝系統(tǒng)用的工業(yè)水。經(jīng)初步計算，采用CFB鍋爐方案后，小時節(jié)水157m3，年節(jié)水95×104m3。
3.3污染物排放比較
近年來，國家對環(huán)境保護的力度逐漸加大，新出臺的法律法規(guī)對SOx、NOx和煙塵等的排放做出明確的上限規(guī)定。因此污染物排放也成為衡量鍋爐機組的一個重要指標(biāo)。兩種爐型均滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)。采用CFB鍋爐取消了復(fù)雜的煙氣脫硫及脫硝系統(tǒng)，僅采用相對簡單的爐內(nèi)脫硫和SNCR，即可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(shè)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(yōu)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(fēng)機系統(tǒng)、耐磨耐火砌筑料、石灰石制粉系統(tǒng)、循環(huán)水排污水回用系統(tǒng)及采用了無電場除塵，但同時取消了脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、磨煤機系統(tǒng)、高溫爐煙管道、送粉管道、篩碎系統(tǒng)，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(yōu)于煤粉爐機組方案。
4 結(jié)語：
我國已經(jīng)掌握了超臨界鍋爐技術(shù)，具備研發(fā)、制造的能力。通過合作及引進技術(shù)，我國已經(jīng)掌握了世界領(lǐng)先的循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)，具備 了開發(fā)創(chuàng)新的能力。國內(nèi)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(fā) 工作，現(xiàn)已完成了具體的方案設(shè)計，具備了在實際工程應(yīng)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(yōu)勢。
通過比較結(jié)果，得到主要結(jié)論如下：
4.1、 600MW超臨界褐煤CFB機組方案的總體性能指標(biāo)、耗水指標(biāo)等方面均優(yōu)于充分優(yōu)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(shè)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(huán)境保護方面，兩個方案都符合國家相關(guān)規(guī)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(qū)。建設(shè)超臨界大容量褐煤CFB機組符合我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略，有利于提高我國整體資源利用率和核心競爭力。
