文章摘要：
摘 要：循环流化床燃烧技术对燃料适应性特别好，在床料中加石灰石能实现燃烧过程中脱除SO2，是一种清洁燃烧技术。用循环流化床燃烧技术改造旧锅炉，烧高硫燃料，在国内外得到了很好的发展。本文总结了国内外用循环流化床燃烧技术改造旧锅炉，烧高硫燃料的一些典型示范工程。这些示范工程的成功经验证实：旧锅炉改循环流化床燃烧锅炉，烧高硫燃料是减少SO2污染的重要途径之一，是切实可行的。
1 前言
图1 酸雨污染情况比较图我国是一个以煤作为主要能源的国家，煤炭资源占化石燃料资源的95.4%，而且这种情况今后一段时间内不可能改变。燃煤排放的SO2对大气的污染越来越严重。在2002燃煤13.8亿吨，排放到大气中的1995万吨SO2中，有90％左右来自于煤的燃烧。我国SO2的污染日趋严重，2000年我国酸雨面积已占国土总面积的40％（见图1）。
可以说，我国发达的地区全部被酸雨控制。我国已成为世界上的第三大酸雨区。据国家初步统计，2002年我国环境污染造成的经济损失占国民经济总产值的13％。控制SO2的排放，特别是控制燃煤过程中SO2的排放成为我国大气环境保护中的重中之重的问题。
2 循环流化床燃烧技术的优点
循环流化床燃烧技术与煤层燃技术、煤粉燃烧技术相比有以下优点：
⑴ 对燃料的适应性特别好，可以烧各种优质燃料，也可以烧各种劣质燃料和高硫燃料。提高锅炉对燃料的适应性成为许多旧锅炉改循环流化床锅炉的动力之一。
⑵ 在床料中加入石灰石能实现流化床在燃烧过程中脱硫。脱硫过程中发生的化学反应如下：
CaCO3 → CaO + CO2?0.1794×106 kJ/kg
CaO + SO2 + 1/2O2 →CaSO4 + 0.502×106 kJ/kg
生成的CaSO4随床渣一起排出。经加石灰石脱硫之后，烧各种高硫燃料，只要控制燃烧温度和合适的Ca/S比，能控制SO2的排放达到排放标准。减少烧高硫燃料生成的SO2对大气的污染，成为发达国家中许多旧锅炉改循环流化床锅炉的最大动力。
⑶ 循环流化床锅炉采用分级和低温燃烧，燃烧产物中的NOX排放浓度能达到环保标准。这一优点使得它在与煤粉燃烧技术的竞争中有显著的潜在优势。这也成为发达国家将旧燃油、燃气锅炉和旧燃煤锅炉改循环流化床锅炉的动力之三。
⑷ 循环流化床锅炉的灰渣含碳量低，且活性好，能100％的综合利用，无需灰渣场，无灰渣对环境产生二次污染。
⑸ 循环流化床锅炉的负荷调节、压火、启动性能好，很适合作调峰机组。
以上这些优点，特别是它的环境性能方面的优点促使世界上许多国家建立了示范工程，将旧锅炉改成循环流化床锅炉，达到烧高硫燃料，减少SO2对大气污染的目的。
3 国际上旧锅炉改循环流化床锅炉烧高硫燃料示范工程
3.1 法国普诺旺斯Gardanne电厂700t/h（25万kW）煤粉锅炉改循环流化床锅炉烧高硫燃料工程
法国的能源结构以核能占优势。1975年法国电力工业中，化石燃料发电占85％，核发电只占15％。到1986年核发电跃到90％，化石燃料发电只占10％，且主要作调峰发电。尽管化石燃料发电占的份额很小，但考虑到环保要求及争夺世界的锅炉市场，法国对旧煤粉锅炉改造成循环流化床锅炉十分重视。
法国对燃煤发电厂的有害物质排放要求如下（烟气中含氧量为6％）：SOX＝250mg/Nm3，NOX＝200mg/Nm3，粉尘＝50mg/Nm3。循环流化床锅炉能达到上述要求，且有经济上的优越性。
法国电力部对不同种类锅炉发电厂的每千瓦装机容量的成本进行了比较，其结果如下：
锅炉种类
煤粉锅炉
煤粉锅炉加烟气脱硫
循环流化床锅炉
增压流化床锅炉
每千瓦
装机成本
100
113（干烟气脱硫）
121（湿烟气脱硫）
<105
105
从上表中数据看出：循环流化床锅炉与带烟气脱硫的煤粉锅炉和增压流化床锅炉相比是最经济的。
普诺旺斯Gardanne电厂4号煤粉锅炉于1967年投运，烧普诺旺斯高硫煤（硫含量3.68％）。为了满足法国更为严格的SO2和NOX的排放要求（1990年当地政府要求到1994年Gardanne电厂SO2的排放必须减少30％，即限制每年排放33500吨，NOX的排放也要求有显著的减少），法国电力部和煤炭部成立了一个工作组来研究决定Gardanne电厂锅炉改造和烧高硫煤控制SO2和NOX的排放 问题。
Gardanne电厂有5台煤粉锅炉：1～3号锅炉的电功率为5.5万kW；4号锅炉的电功率为25万kW，1967年投运；5号锅炉的电功率为60万kW，1984年投运。为了满足当地政府限制SO2和NOX排放要求，工作组研究决定：1～3号锅炉容量小，机组老化，拆除；5号锅炉已采用炉内喷钙脱硫技术，继续运行发电；4号锅炉容量大，快超龄，翻新改造成循环流化床锅炉，其占地使用原1～3号锅炉占地。翻新改造与增加烟气脱硫设备的经济性作了比较，考虑到4号锅炉已运行24年，翻新改造、延长服役期经济上是合算的，技术上是可行的。
图2 普诺旺斯25万千瓦煤粉锅炉改循环流化床锅炉
1－燃烧室 2－分离器 3－外部流化床热交换器
4－返料器 5－冷渣器 6－尾部受热面循环流化床锅炉炉型如图2所示。
该工程实际上是在原1、2、3号锅炉的占地上新安装一台25万kW的循环流化床锅炉，取代老的同容量的4号煤粉锅炉。循环流化床锅炉有一个非常大的燃烧室，其截面积为11.5m×14.8m＝170.2m2。燃烧室下部为一个裤衩形流化床，裤衩上部燃烧室截面积为11.5m×7.4m＝85.1m2。有四个旋风子高温分离器，直径为7.4m，布置在炉子的两侧（每侧两个，平行布置）。每个分离器下有一个外部流化床热交换器，其中两个外部流化床热交换器内布置有中温过热器，用来控制床温，另外两个外部流化床热交换器内布置有低温过热器和最后一级再热器，用来控制再热蒸汽温度。管式空气预热器用来加热一次风。回转式空气预热器用来加热二次风。原有锅炉的大多数设备，如蒸汽管道、给水系统、冷水塔和原煤仓等被利用。
锅炉设计参数如下：蒸发量700t/h，蒸汽压力163bar，蒸汽温度565ºС，再热蒸汽压力 37.5bar，再热蒸汽温度565ºС，再热蒸汽流量651t/h，锅炉效率90.5％。
锅炉的燃煤特性：
燃用电厂附近Gardanne煤矿生产的高硫煤。该煤为次烟煤，具有高的挥发分。燃煤尺寸为0～10mm，尺寸小于1mm的煤粒为50％。典型的燃煤特性如下：
水分11％～14％；灰分28％～32％（灰中CaO占57％）；碳40％；氮0.97％；硫3.68％；低位发热量14775kJ/kg。
该锅炉还可掺烧当地炼油厂生产的高硫渣油，其承担的负荷可占一半。渣油特性如下：
水分0.4%；灰分0.07％；碳85％；氮0.92％；硫高到4.5％；低位发热量38050～39980kJ/kg。
改造之后锅炉的排放性能（烟气中含氧6％）：
SO2≤400mg/Nm3（Ca/S比小于3时97％的脱硫效率），NOX≤250mg/Nm3，粉尘≤50mg/Nm3。
法国电力部门有10台这种容量的锅炉，该锅炉的改造成功对这些锅炉的改造有很大的推动作用。
3.2 美国黑狗电站2号煤粉锅炉改循环流化床锅炉
黑狗电站属北美电力公司（NSP），位于明尼苏达州的Minneapolis城南15英里的地方。该电站有电功率为8万、10万、12万和18.5万kW的机组4台。示范工程是将电功率为10万kW的2号煤粉锅炉改为带飞灰循环燃烧的流化床锅炉（改造后的锅炉如图3所示）。
图3 美国黑狗电站472t/h流化床锅炉
1－播煤机2－埋管3－循环泵4－绞龙冷渣器
5－炉子侧管6－辐射过热器7－上部燃烧器
8－二次风9－末级过热器10－一级过热器
11－省煤器12－多管除尘器13－空预器(1) 黑狗电站2号煤粉锅炉改循环流化床锅炉的目的
a． 找一种燃烧高硫煤的燃烧方式，使SO2和NOX、粉尘排放能达到美国新的环保标准，以解决美国中西部严重的酸雨问题和NOX、粉尘污染问题。改造要求加石灰石脱硫，SO2的排放量减少80％。采用低温、分级燃烧，NOX排放量减少50％；粉尘排放达到美国新的排放标准。
b． 为超龄煤粉锅炉的改造提供经验。北美电力公司有46个电站，其中39％为燃煤电站。美国在1945年到1965年安装了总容量为2000万kW的200多台煤粉锅炉。这些锅炉将达到30年服役期而面临退役。为了延长这些锅炉的使用寿命，使电厂再服役25年，故将黑狗电厂2号煤粉锅炉改成带飞灰循环燃烧的流化床锅炉，为今后200多台煤粉锅炉的改造??减少燃煤对大气的污染、烧劣质燃料和提高燃烧效率提供样板。
c． 证实流化床锅炉改造工程的经济性。改造工程与新建电厂投资比较如表1。从表1中看出：带烟气脱硫的新煤粉锅炉装机投资为1725美元/kW；一般常规流化床锅炉装机投资为1500美元/kW；煤粉锅炉改带飞灰循环燃烧的流化床锅炉装机投资只有430～450美元/kW。这就是说，与新建电厂相比（带烟气脱硫煤粉锅炉电厂、常规流化床锅炉电厂）煤粉锅炉改循环流化床锅炉电厂造价只有它们的1/4左右。
表1 10万kW电厂装机成本比较（美元/kW）
项 目
湿式烟气脱硫的新煤粉锅炉
煤粉锅炉改
流化床锅炉
新流化床锅炉
蒸汽发生系统
305
185
290
上煤、除灰和除渣系统
250
65
260
排放控制系统
215
45
80
厂的改建费用
600
40～70
560
建造期利息
355
85～95
310
总成本
1725
430～450
1500
（2）黑狗电站2号煤粉锅炉主要改造内容
从图3可以看出，锅炉主要改造内容为：
a．燃烧室下部冷灰斗拆除，增加布风装置，浓相床内布置埋管受热面，尾部受热面作适当调整；
b．空气预热器前装多管式旋风子分离器，其收集下来的飞灰送入床内循环燃烧；
c．拆除磨煤机及制粉系统，装置抛煤机；
d．更换鼓、引风机；
e．更新再生式空气预热器；
f．电除尘器的改造；
g．某些烟道的拆除和某些管道及电缆的改位布置。
锅炉于1986年2月启动，到1988年3月负荷带到13万kW，超出设计出力0.5万kW。锅炉改造达到了降低SO2和NOX排放的目标。
3.3 美国Nisco西湖电厂燃天然气锅炉改烧高硫石油焦工程
Nisco西湖电厂原有两台燃烧天然气的锅炉，为了适应烧石油焦的需要，Foster Wheeler锅炉公司设计、制造了两台10万kW的循环流化床锅炉，取代原有燃气锅炉。原有电厂汽轮发电机组和有关辅助设备全部被利用。Nisco循环流化床锅炉如图4所示。
（1）Nisco循环流化床锅炉简介
锅炉蒸发量为374t/h，蒸汽压力为11.2Mpa，蒸汽温度为541ºС。再热蒸汽流量为392.8t/h，再热蒸汽压力为3.2MPa，再热蒸汽温度为541ºС。锅炉采用了Foster Wheeler的Intrex流化床热交换器。旋风子分离器收集下来的飞灰经Intrex流化床热交换器冷却之后，经飞灰回送装置送入床内循环燃烧。飞灰回送装置与Intrex流化床热交换器、燃烧室整装成一体。
（2）Nisco循环流化床锅炉设计燃料??石油焦
石油焦成分如下：
C = 79.6％，H = 3.31％，N = 1.61％，S = 4.47％，A = 0.27％，O = 0％，M =10.6％，高位发热量为31311.7kJ/kg。
图4 Nisco循环流化床锅炉
1－燃料仓 2－燃烧室 3－Intrex流化床热交换器 4－二次风管 5－流化风管 6－汽冷旋风子高温分离器
7－尾部受热面区 8－空预器 9－鼓风机 10－布袋除尘器 11－引风机 12－返料器 13－汽包石油焦尺寸为0～6mm。
（3）Nisco循环流化床锅炉（带Intrex外部流化床热交换器）的特点
a、 燃烧室内没有屏式受热面。
b、 采用导向风帽装置的水冷布风板。
c、 采用热风点火和水冷风室。
d、 采用蒸汽冷却的旋风子分离器收集飞灰。旋风子内部耐火层的厚度只有50mm左右，比非冷却旋风子的耐火层厚度350～410mm薄许多，减少了耐火层重量和支撑钢架的重量。汽冷旋风子冷态启动时间只有4～6h,非冷却旋风子冷态启动时间为12～16h。另外，汽冷旋风子外表面温度只有54℃、减少了散热损失，有利人身安全（耐火泥高温旋风子分离器外表面温度高达121ºС）。
e、 燃烧室内耐火绝热层采用磷酸高铝耐火泥，并用不锈钢丝纤维加强，膜式管壁上还有固定耐火泥销钉。
（4）锅炉改造效果
锅炉于1992年带满负荷运行，至今已运行10余年，取得了很好的效果。
a、 运行维修费用低，可靠性高。
b、 低污染特性：床温为871ºС时，脱硫效率为90％，NOX排放为137mg/Nm3。
3.4 美国Northside发电厂JEA大型燃油、燃气锅炉改烧高硫石油焦的循环流化床锅炉示范工程
该工程属美国能源部资助的清洁煤计划中的示范工程之一。将Northside发电厂中燃油、燃气的1、2号电功率为275MW锅炉翻新改造成带Intrex热交换器的F&W型循环流化床锅炉（见图4）。改造之后锅炉能单烧高硫煤或高硫石油焦，或者能混烧这两种燃料。锅炉设计煤种的热值大于26946.8kJ/kg，硫份为0.5～4.5％，灰份为7～15％，挥发份为30～60％。石油焦的热值为30238kJ/kg，硫份为3～8％，灰份为<3％，挥发份>7％。锅炉蒸汽参数为：537.8ºС，17.15MPa，中间再过热。改造后的锅炉蒸发量为908t/h，电功率为297.5MW。1号锅炉于2002年5月29日投入运行。2号锅炉于2002年2月19日投入运行。
锅炉改造效果：
a． 纯烧煤和石油焦与煤混烧获得了成功。100％烧石油焦时，在循环系统，特别在分离器和Intrex流化床热交换器内发生床料成团堵塞，影响连续运行。此问题还在研究解决之中。
b． 锅炉的排放性能：100％烧煤时，SO2的排放量为0～49mg/Nm3，NOX的排放量为49～73.6mg/Nm3。100％烧石油焦时，SO2的排放量为36.8～159.5mg/Nm3，NOX的排放量为24.6mg/Nm3。
该工程证实：循环流化床锅炉烧高硫燃料，完全能达到允许的SO2、NOX排放标准。
图5 内江高坝电厂循环流化床锅炉示意图
1－燃烧室 2－Ω辐射式过热器 3－第3级过热器 4－第1级过热器 5－省煤器 6－空气预热器4 四川内江高坝电厂410t/h循环流化床锅炉烧高硫煤工程
我国西南、西北地区煤种含硫量多在2％以上。这些地区燃煤对大气带来了严重的SO2污染。在这些地区采用循环流化床锅炉烧高硫煤或将原有锅炉改成循环流化床锅炉烧高硫煤以减少SO2对大气的污染和改善锅炉对燃料的适应性，有重大的战略作用。
高坝电厂410t/h锅炉为引进的Pyroflow型循环流化床锅炉。锅炉结构如图5所示。
从图5看出：高温旋风分离器采用前置式布置方式，燃烧室为膜式水冷壁结构，沿后墙布置有12屏翼型水冷壁；燃烧室中部布置有14片Ω辐射式过热器（第2级过热器）；分离器出口的烟道中依次布置第3级和第1级对流过热器；尾部烟道中布置有省煤器和空预器。
锅炉设计煤种为南川煤：发热量为22.56MJ/kg，硫份为3.12％，灰份为22.16％。
锅炉设计蒸发量为410t/h。蒸汽参数为98bar，540ºС。锅炉设计热效率为90.1％。设计SO2的排放量为700mg/Nm3，NOX的排放量为200mg/Nm3。
采用石灰石作床料脱硫。石灰经两级破碎，磨制成≤0.7mm粉末后，经气力输送送入石灰石缓冲仓中，然后通过两台石灰石输送风机送入返料器的四根返料管中，与煤和返料混合一起送入燃烧室。
石灰石的粒径分布：
>0.7mm为0％，0.7mm～0.25mm为10％，0.25mm～0.15mm为30％，0.15mm～0.10mm为20％，<0.10mm为40％。
该锅炉自1996年投运以来,经过一系列的改进之后,运行已正常，达到合同中规定的设计指标。7年来的运行实践证明：循环流化床锅炉烧高硫煤控制SO2达标排放是完全可以实现的。
5 中国旧锅炉改循环流化床锅炉烧高硫煤工程
我国五十年代至七十年代投运的12.5万kW以下的机组装机总容量大约为8000万kW，为美国、法国的四倍。其中高参数的容量为6000万kW，中低参数的容量为2000万kW。绝大多数锅炉为煤粉锅炉。这些锅炉的运行现状如何和下一步如何处理是很值得重视的。
5.1 旧煤粉锅炉的运行现状及其改造的必要性
a. 设备陈旧、落后，运行事故多，检修、维护费用高，锅炉效率低，浪费燃料。
b. 对煤种适应性差，不能烧劣质煤。
c. 采用除尘效率低的水膜除尘器，烟囱冒浓烟，粉尘对大气污染十分严重。
d. 燃烧性能差。燃烧产物中NOX的排放浓度为发达国家4～5倍，对大气带来严重的污染。
e. 老锅炉均无烟气脱硫装置，煤中的可燃硫全部燃烧后生成SO2排入大气。无控制的SO2的排放对大气带来了严重的酸雨污染。
f. 锅炉负荷调峰能力差，不能适应大范围的调峰要求。
g. 灰、渣含碳量高，综合利用程度低，要求不断扩大灰渣场，占用土地面积，带来二次污染。
循环流化床燃烧技术是一种商业化了的燃烧技术。考虑到烧高硫燃料，使SO2排放达到国家排放标准，同时兼顾提高锅炉对燃料的适应性（能烧优质燃料，也能烧劣质燃料；能烧低硫煤，也能烧高硫煤，能烧各种固体废弃物和生物质燃料），对超龄锅炉改造和适当扩大锅炉蒸发量，以及灰渣的全部综合利用，用循环流化床燃烧技术将旧锅炉（燃油、燃气锅炉，煤粉锅炉和链条锅炉）改造成为循环流化床燃烧锅炉，无论从技术上、经济上，还是环境上来看，都不愧为最佳选择方案。用循环流化床燃烧技术将旧锅炉改成循环流化床锅炉已成为世界上循环流化床锅炉发展的主要方向和动力。
图6 35t/h煤粉炉改造后的循环流化床锅炉
1.风室 2.浓相床 3.埋管 4.稀相床 5.高温
过热器 6低温过热器 7.下排气旋风分离器
8.省煤器 9.空预器 10.流化密封送灰器5.2 旧锅炉改循环流化床燃烧锅炉烧高硫劣质煤工程
(1) 广西河池化工厂集团股份有限公司35t/h煤粉锅炉改循环流化床燃烧锅炉烧高硫劣质煤工程。
广西河池化工集团股份有限公司热电分厂有4台35t/h煤粉锅炉生产蒸汽发电和供热。这些锅炉只能烧优质煤。为了利用当地的高硫劣质煤、造气炉炉渣和无烟煤屑，华中科技大学与广西节能技术研究设计院采用华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的下排气旋风分离器和流化密封送灰器专利技术将两台35t/h煤粉锅炉改为40t/h循环流化床锅炉（如图6所示）。
改造设计方案：
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