我国锅炉技术发展的历史回顾

我国锅炉技术发展的历史回顾、现状与发展

为《中国电力》50 周年庆应约而作！2006.10.8 中国电力》 周年庆应约而作！ 我国锅炉技术发展的历史回顾、 我国锅炉技术发展的历史回顾、现状与发展

许传凯 （西安热工研究院

［摘 要］ 不同时期锅炉技术发展特点和运行现状的分析表明：分级送风低 NOX 燃烧技术和排烟脱硫脱硝装置将被普遍推广应用; 对燃用 Vdaf＞8%低挥发 分煤的大容量锅炉，研究并采用带双进双出磨煤机半直吹制粉系统的墙 式对冲和切圆燃烧锅炉具有重要的现实意义; 大容量超临界锅炉的迅速 发展使我国电站锅炉的技术水平跨入世界先进行列; 加强高等级耐热钢 种的研发生产、制订大力鼓励采用国产材料和设备的政策是发展民族工 业的根本。 ［关键词］ 关键词］

历史回顾

1. 概述 五十年来，我国电力工业飞速发展，近二十年的发展更可谓突飞 猛进。相应的电站锅炉不 仅在数量上，技术水平也有了质的飞跃。在上世纪五十年代，主力机 组仅是小容量 120t/h～230t/h、低参数 3.83MPa/cm、450℃的自然循环煤 粉锅炉，在上世纪六、七十年代主力机组为高温高压（7.8MPa14.7MPa ， 535℃～540℃）的 125MW 和 200MW 再热机组，并建造了一些 1000t/h 的 UP 型直流锅炉，同时也引进了一些 300MW 和 500MW 的低循环倍率锅炉，在燃 烧技术方面也发展了液态排渣炉和小型鼓泡流化床锅炉;1978 年成为一个 重要的历史转折点，八十年代的改革开放加快了设备和技术的引进，300M W ～600MW 亚临界（～18MPa 、540℃）控制循环锅炉机组逐渐成为主力，设 计、制造、安装和运行水平得到大幅度的提升，达到了世界先进水年［1］; 进入本世纪后，随着高速的经济发展、节约能源和环保要求的日益严格， 火电机组进入了向 1000MW、超临界和超超临界参数发展的新时期，其发展 速度之快和建设周期之短在世界上都是创记录的。到目前为止，在建与订 货的 1000MW、27.56MPa(26.25MPa)、605℃/603℃的机组达 18 台，正在计 划筹建中的尚有十余台，其中有二个厂的机组在年底即将投产，同样参数 运行现状 NOX 排放 超临界 周虹光 710032）的 600MW 超超临界机组也已有 8 台订货或在建，600MW 、25.4MPa/571℃/5 69℃（541℃/569℃;545℃/545℃---）已投运和订货的超临界机组已有百 余台，并在不断的增加中。与此同时，还引进了大型循环流化床锅炉。此 外，为保护环境和电力工业的可持续发展，国家标准《火电厂大气污染物 排放标准》几经修订，日趋严格地控制污染物的排放。电除尘器的普遍应 用已使烟尘的排放浓度大大降低，可满足国家标准的要求; 由于对 SO2 和 N OX 排放控制的要求越来越高，相应的锅炉炉内低 NOX 燃烧技术，以及尾部排 烟的脱硫脱硝技术和装置也得到了很大的发展，已在大力推广应用之中; 超临界和超超临界机组的建设不仅节约能源，也减少了 CO2、NOX 等温室气 体的排放。

2. 直流锅炉的发展 与锅筒锅炉相比，直流锅炉具有节省钢材、启停时间短、能适用于各种容 量和参数的优点， 更是超临界锅炉的唯一选择。我国直流锅炉的研究和发展经历了漫长而 比较曲折的道路。早在 1958 年，当时的上海汽轮机锅炉研究所就开始了直流 锅炉的研究，於 1959 年底建成了 12t/h、

9.8MPa/510℃的拉姆辛式螺旋管圈 直流锅炉试验炉，通过多次试验解决了管间脉动等问题。在此基础上由上海 锅炉厂设计制造了 220t/h 的直流锅炉，1968 年 10 月在上海杨树浦电厂投入 运行。1973 年 8 月我国首台 125MW 拉姆辛式

直流锅炉在秦岭电厂投入运行。1975 年 9 月首台由上海锅炉厂设计制造的 300MW“UP”型燃煤直流锅炉在 姚孟电厂运行，并相继建造投运了同类锅炉达 19 台，运行经验表明由于锅炉 容量较小，炉膛周界相对较短，为保证水冷壁管内足够的质量流速，不得不 选用较小的管径 φ22×5.5，致使不能适应变压变负荷运行，常常引起水冷 壁爆管，为此，其中已有相当多的进行了改造。特别是姚孟电厂 1 号炉采用 了水动力具有正补偿特性的低质量流速垂直管屏技术，如能经受相对较长时 期变负菏运行安全性的考验，那么，它结构简单，设计、制造、安装、运行 维修方便的突出优点，将具有无与论比的生命力。 自上世纪七十年代末开始， 先后从德国、 俄罗斯、 瑞士等国引进了 300MW、 500MW、600MW 的直流锅炉［1］，并且超临界参数的锅炉居多，直到本世纪开始 采用引进技术制造超临界和超超临界直流锅炉，主要型式是螺旋管圈的“П”型和塔式布置锅炉，以及带中间两级混合的垂直上升管屏“П”型布置锅炉。 使我国直流锅炉的设计、制造、安装和运行水平跨入世界先进行列。

3. 煤燃烧技术

3.1 液态排渣锅炉 我国电站锅炉以燃煤为主。在上世纪五、六十年代，基于煤种多变煤质 下降，特别是有些低 挥发分煤的结渣性较强，又因当时设计建造的炉膛相对较小，容积放热强度 和断面放热强度都比 较高，保证煤粉气流着火稳定性与防止炉膛水冷壁结渣相矛盾。而在世界范 围内又正好是液态排 渣炉发展的高潮，这种锅炉既能很好地解决上述矛盾，而且燃烧十分稳定、 运行效率高、灰渣堆 放占地少、又易于综合利用，因此，在不少电厂掀起了固态排渣改为热 炉底液态排渣炉的热潮。由于对液态排渣炉的认识不足及这种改造的先天不 足，结果是无一例外地统统改回去，但也取得了液态排渣炉设计与运行的宝 贵经验。此后通过对捷克引进的 25MW 和 50MW 高温高压液态排渣锅炉大量的 现场试验研究， 使国产 50mw 和 100mw 的无烟煤液态排渣锅炉机组顺利投产运 行。在这些机组的运行中出现了炉底积(析) 铁、水冷壁管严重高温腐蚀（最 高达 0.3mm/kh）、尾部受热面堵灰腐蚀等液态排渣炉特有或突出的问题［2］。 在总结经验的基础上又成功地设计建造了 200MW 的无烟煤液态排渣锅炉机 组，首台于 1988 年 6 月投产，运行性能达到了预期的目标。鉴于京津地区电 厂的贮灰场地严重不足，加之液态排渣锅炉灰渣综合利用方便的突出优点， 从德国引进的 250MW 和 300MW 的“W”型火焰闭式液态排渣锅炉于 1998 年分 别在北京和天津投入运行。 3.2 低挥发分煤的燃烧 对于低挥发分贫煤和无烟煤的燃烧，因其着火温度高，稳定性差，需要 较高的燃烧温度和较长的燃尽时间，较长时间来主要是采用液态排渣炉的燃 烧方式或在固态排渣炉水冷壁上敷设燃烧带、提高热风温度、采用中间贮仓 式热风送粉燃烧系统，在我国积累了十分丰富和宝贵的经验［4］，诸如，白马 电厂的 200MW 无烟煤液态排渣锅炉（1988 年 6 月投产）和焦作电厂的 200MW 无烟煤锅炉机组（1979 年 11 月投产）等。自上世纪九十年代末开始有了较 大的变化：首批国外引进的 350MW 级燃用贫煤和无烟煤的“W”形火焰锅炉于1990 年 8 月起先后在上安电厂、岳阳电厂和珞璜电厂投产，随后引起了“W” 形火焰锅炉热。研究表明其炉膛结构、燃烧器的结构布置和磨煤机制粉系统 的选型尚有待进一步改进和完善［5］; 自意大利引进的 320MW 燃用阳泉无烟煤、采用双进双出磨煤机半直吹式制粉系统的切园燃烧锅炉于 1991 年 5 月在大港 电厂投产，体现了半直吹制粉系统对低挥发分煤燃烧良好的适用性; 自德国 B abcock 公司引进的 660MW 燃用低挥发分贫煤、采用双进双出磨煤机直吹式制 粉系统的墙式燃烧锅炉于 2002 年 6 月在德州电厂

投产， 虽因炉膛水冷壁敷设 的燃烧带过多而引起十分严重的结渣，不得不先后三次打掉大部分燃烧带， 但仍显示了其对低挥发分煤燃烧的良好性能; 国产 300MW 燃用低挥发分贫煤 和无烟煤、采用中间贮仓热风送粉切圆燃烧锅炉于 2003 年 4 月至 2004 年 9 月在纳雍一电厂 4 台全部投产，且运行良好，经与纳雍二电厂的“W”形火焰 锅炉相比，运行性能还要好一些，这些对“W”形火焰锅炉是个很大的挑战。

3.3 燃烧器

在上世纪八十年代以前，我国电站锅炉除少数采用老的蜗壳式旋流燃烧 器外，全都采用直流 燃烧器四角布置切圆燃烧方式，为降低不投油低负荷稳燃负荷，在八十年代 掀起了多种新型燃烧 器热，诸如，钝体、夹心风、大速差、沙丘、犁形燃烧器等等，但十分遗憾 的是除个别仅存一些 外，几乎已全部销声匿迹。这是在我国现有体制下才能出现的一种浮燥现象， 也是应该记取的 经验教训。 九十年代起， 同时各式各样的浓淡燃烧器在现役锅炉的改造中纷纷涌现， 至今仍方兴未艾， 尚宜用在恰当的场合，发挥预期的效果，并力求避免发生高温腐蚀或结渣等 不良后果。

3.4 流化床燃烧 通过上世纪六、七十年代大批燃用劣质煤小型鼓泡流化床锅炉（BFB ）的 发展（最大蒸发量 为 130t/h）， 积累了流化床燃烧的经验，自八十年代起，我国自行研究与 开发了带不同形式分

离器的小型循环流化床锅炉（CFB ），主要是 35t/h、75t/h 和 120t/h，九十 年代开始引进了不同 流派的 CFB 锅炉，其中首台 410t/h 从芬兰引进的

Pyroflow 型 CFB 锅炉于 19 96 年 9 月投产。首 台国产 410t/h 的 CFB 锅炉于 2003 年 6 月在分宜电厂投产，首台国产 670t/h 的 CFB 锅炉也将 于年内在该厂投产。引进的 1025t/h 和国产化的 1025t/h 的 CFB 锅炉均于年 内分别在白马电厂和 开远电厂投产，使我国不仅在数量上，而且单台容量和技术水平方面也在世 界上名列前茅。据不 完全统计，到目前为止，全国 50MW 及以上已投运的 CFB 锅炉已有 130 多台， 总容量约为 1650MW。 充分显示了 CFB 锅炉在燃用低发热量（＜15MJ/kg）劣质煤、矸石、油页岩等 方面的适应性和低 NOX 排放（＜200mg/m3）的优良性能，但其结构和运行操作复杂，维护检修工 作量大，运行效率 较低。在坑口电站，作为常规电站锅炉的必要补充具有相当的发展前景。

3.5 低 NOX 燃烧技术 燃煤电站锅炉排烟中污染物的排放已受到严重的关注，研究表明空气分 级是既有效而成熟， 也是投入较少而又便于实施的低 NOX 燃烧技术，在现役机组的改造中是大有 可为的。在九十年代 以后新建的锅炉普遍采用了成熟的低 NOX 燃烧器，大多还同时采用燃烧器上 部燃尽风（CCOFA ） 等炉内整体空气分级技术，近几年更有在适当降低炉膛容积与断面放热强度 的同时，采用分离燃 尽风（SOFA/AAP）技术，使运行中 NOX 的排放降低到 300mg/m3 以下，效果十 分显著。但对燃烧低 挥发分煤锅炉的低 NOX 效果尚须进一步研究提高。

3.6 点火装置 鉴于我国面临石油短缺与国际油价不断上涨，节约用油具有十分重要的 意义，经过多年的研究，等离子无油点火取得了重大进展，已在多台 600MW

的烟煤锅炉上采用，此外，各种小油枪（～500kg/h）与微油（～50kg/h）点 火装置也已在一些不同煤种的锅炉上得到应用，并显示了很大的发展和推广 应用前景。

4. 运行现状

5. 4.1 褐煤锅炉

6. 我国褐煤煤矿主要分布在东北和西南地区。东北主要是水分比较低的老 年褐煤, 西南地区主要是高水分的褐煤。在东北的褐煤锅炉主要有三种，元宝 山电厂 1,2 号机组的塔式布置、风扇磨切圆燃烧锅炉；该厂 3 号炉的“П” 型布置、中速磨煤机的四角切圆燃烧锅炉；以及伊敏电厂的“T”型布置、风 扇磨煤机八角切圆燃烧锅炉。其中元宝山电厂的 2 号炉由于斯坦缪勒公司设 计的失误， 经过长达 10 年的努力改进, 于 2000 年 1 月达到 600MW 的铭牌出力。 该厂 3 号炉是我国设计制造的，吸取了斯坦缪勒公司失败的经验和教训，获 得了较好的运行可靠性和经济性，通过分级送风的改造，这两台锅炉的 NOX 排放已＜450mg/m3。近年来 600MW 级的褐煤锅炉机组也在迅速增加之中，由 此也带动了大型风扇磨煤机的发展。 在云南地区燃烧高水分褐煤锅炉的最大容量为 670t/h，即阳宗海电厂的 1,2 号锅炉，两台锅炉的结构特性与燃烧器有一定差别。但两台炉均运行正 常，锅炉效率为 87%～89%。 4.2 烟煤锅炉 烟煤锅炉的炉型及燃烧方式相对比较单一， 在切圆燃烧锅炉中，大多采 用“П”型布置，只 有姚孟电厂 3,4 号炉为塔式布置，盘山电厂的 1,2 号炉采用“T”型布置。曾 经相当突出的“П” 型布置锅炉炉膛出口烟气能 量偏差大的问题，现已解决，无论 600MW 还是 70 0MW 机组锅炉，由此 引起的高温受热面的超温爆管现象大大减少［6］。 近几年投运的 600MW 亚临界 机组中，燃用强结渣 性的神华烟煤时，部分机组出现屏区受热面严重结渣，过热蒸汽温度偏低的 问题，研究认为与炉 内燃烧组织欠佳而导致火焰中心上移及炉膛结构设计有关，部分经验已在新 的大型超临界机组的设计中被应用。由于新建机组均采用了炉内低 NOX 燃烧技术，NOX 的排放已由 以前的～700mg/m3 下降到 400mg/m 以下，最低的已达 300mg/m 以下，最高热效率可达 94%，最 低不投油稳燃负荷可 达

30%BMCR。 现代的墙式燃烧锅炉在我国电厂中的应用相对于切圆燃烧锅炉较晚，近 年来增加得较多。绝大多数采用旋流燃烧器前后墙对冲布置方式，个别采用 前墙布置的燃烧方式。其中北仑港电厂的 3,4,5 号炉，由于石川岛播磨公司 对炉膛及锅筒内汽水分离装置设计缺陷，以及燃煤结渣性(较轻) 与设计煤质 (严重结渣性) 的差异，导致过热汽温度太低，达不到额定值。不得不对燃烧 器的布置、过热器和省煤器的受热面及锅筒内的旋风子等作了重大的技术改 进，遂使机组能正常运行。扬州二电厂的 600MW 机组锅炉运行中过热器减温 水量过大，达 300t/h，不得不在炉膛内增设 42 只吹灰器。研究认为这与炉 膛及过热器受热面的设计布置不当有关。 近几年投运的烟煤锅炉机组性能均比较好， 特别是超临界机组不仅运行 效率高，而且 NOX 的排放也可达到 350mg/m3 或 300 mg/m3 以下，最低不投油稳 燃负荷可做到 30%BMCR。绥中电厂的两台 800MW 机组锅炉是 “T”型布置墙 式燃烧锅炉。制造厂对煤质特性作了认真的研究，并在设计中采纳了用户要 求增加炉膛高度 6m 的要求， 选用了较低的炉膛容积放热强度(qv=84.33Kw/m ) 和较高的火焰高度 28.0m，并在炉膛内布置了足够多而又十分有效的水力吹 灰装置，运行正常，锅炉效率达到 91.9%，NOx=628mg/m3，当燃用结渣性比设 计煤种强的神府煤时， 也能正常运行而不会发生炉膛水冷壁及屏过严重结渣。

3 3 3利港电厂一期的两台 350MW 机组采用旋流燃烧器前墙布置的燃烧方式， 运行虽属正常，但与燃用同类煤种的旋流燃烧器前后墙对冲布置的墙式燃烧 锅炉相比，锅炉效率较低，飞灰可燃物高，空气预热器漏风大，该炉的 NOx 排放

浓度位居同类锅炉之首，平均为 1035mg/m3，最高达 1366mg/m3。笔者认 为［6］，旋流燃烧器的着火燃烧相对独立，相互影响较少，煤粉气流的后期混 合较差，特别是当各燃烧器的风粉分配存在严重的不均匀现象时，炉内会出 现局部区域严重缺风，而另有局部区域却风量大大过剩。若是前后墙对冲布 置时，由于前后火炬的碰撞，后期混合得以加强，这一现象将会得到大大改3 善；加上该炉炉膛容积放热强度过高(qv=166Kw/m ) ，单只燃烧器功率偏高，燃烧器区域温度相对较高，这些也许正是造成该炉运行中用风需要较大、而 飞灰可燃物又较高、特别是 NOx 排放特高的原因。可见，前墙燃烧方式并不 可取。该厂二期的 3,4 号锅炉的设计和运行状况均有改进，但 NOx 排放仍超 过 700mg/m 。 烟煤锅炉中华能高碑店及杨柳青电厂分别从德国引进 250MW 及 300MW 机组 的双拱单阶梯“W”型闭式液态排渣锅炉。250MW 机组投运以来，曾出现较严 重的熔渣室炉墙振动，经试验查证是因风量测量系统存在严重失实而导致炉 内严重缺风所致。缺陷消除后运行正常。由于这些锅炉在采用低 NOx 旋流燃 烧器的同时，又进行炉内整体分级送风，使 NOx 排放浓度分别为～500mg/m3 3和～700mg/m3，全部灰渣都得到了利用。可见，这种液态排渣锅炉的设计和 运行是相当成功的。 4.3 贫煤、无烟煤锅炉 燃烧低挥发分煤的锅炉型式比较多，大多采用“П”型布置，仅有蒲城 电厂 330MW 机组锅炉为塔式布置。 除了常规的切圆和墙式燃烧以外， “U” 还有 、 “W”型的拱式燃烧方式和循环流化床锅炉。此类煤的最大特点是着火与燃尽 相当困难，不仅要从炉型设计而且要在燃烧器及制粉系统的设计选型方面采 取相应技术措施。由此，出现了一次风置换(PAX)双调风旋流燃烧器、各式浓 淡分离直流燃烧器等。而且，大多采用钢球磨煤机储仓式制粉系统，只是近 20 多年来，在一些贫煤锅炉上配用中速磨煤机直吹系统，同时也出现了双进 双出钢球磨煤机直吹系统和半直吹系统。 华能南京电厂 300MW 机组的墙式燃烧锅炉，可在 50%BMCR 负荷下稳定燃 烧 Vdaf=12%的阳泉煤，额定负荷时的效率为 91%，只是 NOx 排放浓度高达～12 00mg/m3(未采用低 NOx 双调风旋流燃烧器，且单只燃烧器的功率较大，目前 正在研究改进之中); 马鞍山电厂 300MW 机组切圆燃烧锅炉可较好地燃用 Vdaf =11.6%～12.5%的低挥发分贫煤， 额定负荷时的热效率达到设计值 91.3%， 最 低不投油稳燃负荷为 60%～65%BMCR； 纳雍电厂采用中间贮仓式热风送粉系统 的切圆燃烧锅炉，燃用 Vdaf= 8%～10%的无烟煤，效率达到 91.49%，最低不投 油稳燃负荷为 45%BMCR，NOX 排放为 677mg/m3;金沙电厂 125MW 机组的切圆燃 烧锅炉可较好地燃烧 Vdaf=6%的无烟煤， 额定负荷时的效率为 88%～89%。 此外， 大港电厂的 328.5MW 机组的切圆燃烧锅炉采用双进双出磨煤机半直吹系统， 能很好地燃烧阳泉和西山混煤，Vdaf=～12%，额定负荷时的锅炉效率为 91%～ 92%，最低不投油稳燃负荷为 40%BMCR，而且这种制粉系统简单可靠。

近十几年来，“W”型双拱燃烧锅炉被大量用来燃烧低挥发分煤，目前 最大容量机组为邯峰电厂一期 1,2 号 660MW 机组锅炉，燃用我国最难烧的邯 峰地区万年无烟煤和贫煤的混煤。运行表明，虽然在 660MW 负荷时过热汽减 温水量比设计值(30.3kg/s)高出～25kg/s， 空预器入口烟温比设计值(396℃) 高出约 15℃左右，但运行尚属正常。调查研究表明，有相当一部分机组运行 良好， 特别是在低负荷稳燃性能方面要比常规燃烧方式锅炉强一些, 最低不投 油稳燃负荷一般可较之低约 5～10 个百分点。但在经济性等方面并无突出之 处，飞灰可燃物较高，而 NOx 排放浓度(850～1300mg/m ，最高达 1900mg/m ) 却较常规燃烧方式要高。此外，尚有一些锅炉存在着设备和运行的问题，诸 如炉内水冷壁结渣、

高温腐蚀以及磨煤机出力不足， 满负荷时煤粉过粗等［4］。

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由上述可见，对于 Vdaf＞8%的贫煤和无烟煤，采用钢球磨煤机中间储仓式 热风送粉系统或双进双出钢球磨半直吹热风送粉系统为好。这无论对着火燃 烧的稳定性还是对运行的经济性都无疑是十分有利的。特别是当前燃用低挥 发分贫煤和无烟煤的大型超临界机组的需求在不断增加，笔者认为研究并采 用双进双出钢球磨煤机半直吹制粉系统的切圆燃烧和墙式对冲燃烧锅炉具有 重要的现实意义，可以采用成熟的螺旋管圈或垂直上升管屏直流锅炉，且当 Vdaf≥12%时，水冷壁可不敷或仅在局部敷设少量燃烧带。

7. 5. 展望 减少燃煤锅炉对环境的污染是电力可持续发展的关键所在， 大批现役锅炉 机组的低 NOX 技术 改造势在必行，排烟的脱硫脱硝装置将会得到快速的推广应用; 面对节约能源和环境保护法规的严峻态势， 必将更多采用大容量超临界或 超超临界锅炉机组。 而我国严重依赖进口新型耐热钢材是发展中的一大缺憾， 极应改变这种状态; 制订大力鼓励自主创新、采用国产设备、适当减少不必要进口的政策是发 展民族工业不可或缺的重要环节，国产设备只有在应用中才能得到不断的改 进而发展成熟，苛求国产设备完美后再用等于扼杀！