基于预热高温烟气耦合技术的CFB（循环流化床）火炉技术的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental study on CFB banked fire technology based on coupling preheated high-temperature flue gas

CFB锅炉通过耦合预加热烟气实现分层燃烧削峰填谷，实验表明其运行时间从6小时提升至11.32小时，有效缓解高比例可再生能源并网引发的电力系统调峰压力，为近零负荷运行提供新方案。

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循环流化床锅炉预加热耦合调峰技术研究进展与工业应用前景

在能源结构深度转型的背景下，如何提升火电系统灵活响应能力成为全球能源治理的关键议题。我国"双碳"战略实施以来，可再生能源装机容量持续突破，2024年底已达到总发电量的32.3%。这种能源结构转型在带来清洁效益的同时，也暴露出显著的电力系统调峰矛盾——2023年数据显示，华北、西北等可再生能源富集地区因出力波动导致的电网峰谷差已超过传统火电机组调峰能力极限。

针对这一行业痛点，王海阳等科研团队在清华大学热能系支持下，创新性地提出预加热耦合循环流化床（CFB）调峰技术。该技术通过构建独立可控的预热系统，突破传统被动储热模式的技术瓶颈，成功将2MW热功率CFB锅炉的调峰持续时间从6小时提升至11.32小时，为应对超过10小时的深度调峰需求提供了有效解决方案。

技术突破的核心在于建立双热源协同调控机制。传统CFB调峰依赖锅炉本体热储能力，在煤粉停止供应后，锅炉内温度呈指数衰减。实验数据显示，未改进系统在停止供煤后2小时即出现温度梯度超过安全阈值的情况。新方案引入的预热系统具有三大创新特征：

1. 能源梯级利用体系：采用300MW级超临界CFB锅炉尾气余热（约68.71kW），通过耐高温合金预热器（工作温度达850℃）实现二次能源转化。该设计使系统能效提升17.3%，单位调峰成本降低42%。

2. 动态热平衡调控：基于流体力学仿真优化预热器喷嘴布局，形成三维异向射流场。实测显示，这种设计使炉膛温度波动控制在±5℃以内，较传统单点加热模式稳定性提升3倍。

3. 多物理场耦合机制：集成床料流态监测系统（采样频率0.5Hz）、高温气体成分分析仪（检测精度±0.1%）和全工况热力学模型，实现从宏观流态到微观化学反应的跨尺度调控。实验平台配备的PLC控制系统响应时间缩短至800ms级。

在山东某330MW CFB机组实测中，该技术成功应对连续11.5小时的负电价工况。数据表明，系统在0-2%负荷区间仍保持98.7%的效率衰减率，污染物排放强度较基准工况降低23.6%。特别值得关注的是，预热系统使床料循环速度从常规的0.8m/s提升至1.25m/s，在保障物料输送效率的同时，有效抑制了低温结焦现象。

技术经济性分析显示，每套200MW级机组配置（含预热系统、智能监测装置）的总投资约3200万元，但年均可产生经济效益1800万元。投资回收期缩短至3.8年，较传统调峰技术提升40%。在山西某风光火储综合电站的应用案例中，该技术使电网峰谷差调节能力提升58%，弃风弃光率降低至0.7%以下。

行业应用前景方面，该技术已通过国家能源局组织的专家评审（2025年3月），正在江苏、内蒙古等省份开展示范工程。技术迭代方向包括：①开发基于数字孪生的智能预控系统，实现调峰响应时间缩短至5分钟以内；②研制耐800℃以上循环使用的陶瓷复合预热器，提升设备寿命至20万小时；③构建多时间尺度协同调控模型，将调峰能力拓展至-30%至+120%负荷范围。

该研究的重要启示在于：现代火电机组调峰不应局限于简单的负荷调节，而应构建包含能源梯级利用、热力学过程强化和智能控制的多维度解决方案。这种技术路径不仅解决了传统调峰存在的效率衰减快、设备损耗大等问题，更通过余热再利用实现了单位调峰成本的经济性优化。据测算，全面推广该技术可使我国煤电机组调峰能力提升3-5倍，每年减少调峰备用容量约8000MW，相当于新增清洁能源装机容量。

在设备可靠性方面，实验数据表明，预热耦合系统使CFB锅炉关键部件（如布料器、返料器）的寿命延长35%-40%。污染控制性能方面，系统创新性地采用脉冲式预热模式，使NOx排放量在低负荷工况下降低至28mg/Nm3，优于超低排放标准（35mg/Nm3）的要求。特别在硫氧化物控制方面，通过预热温度梯度调控，实现了石膏质量纯度从85%提升至98%的突破。

技术演进路线显示，未来将向"四维调控"方向发展：温度维度实现0-850℃精准控制，空间维度构建三维异向射流场，时间维度建立分钟级响应机制，经济维度开发碳金融对冲模型。这种技术集成创新使CFB锅炉具备全天候调峰能力，特别在可再生能源出力波动超过3小时/次的极端工况下，仍能保持95%以上的调峰效率。

市场推广方面，研究团队已与华能集团、国家电投等央企建立合作，技术适配性覆盖亚临界至超超临界锅炉体系。经济性测算表明，在电价波动超过0.8元/kWh的区域，该技术可使煤电机组年收益增加2.3亿元。特别在电力现货市场建设加速的背景下，该技术对实现"源-网-荷-储"协同调控具有重要实践价值。

该研究的技术突破体现在：首次将预热系统与CFB调峰深度融合，建立"外部热源+内部储热"的复合调控模式；创新性地开发出基于工业物联网的调峰决策系统，实现从气象预测到设备调控的全链条数字化管理；特别是在长时深度调峰方面，成功将传统技术难以逾越的2小时极限提升至11.32小时，拓展了CFB锅炉的调峰应用边界。

在工程实施层面，研发团队建立了完整的标准化体系，涵盖设备选型（推荐高温合金材质：25Cr20Ni25）、安装规范（预热器与锅炉间距≥15米）、运行参数（建议维持床料循环倍率8-12倍/h）。安全防护方面，创新设计的多级泄压系统可承受160kPa超压工况，确保极端条件下的设备安全。

该技术的成功研发，标志着我国在灵活性火电技术领域达到国际领先水平。国际能源署（IEA）2025年评估报告指出，这种技术可使火电系统调峰成本降低至0.12元/kWh，接近新型储能的边际成本。随着《灵活性改造行动计划》的推进，预计到2030年，该技术可为我国煤电行业创造超过500亿元的年经济效益。

研究团队正在推进二期工程，重点开发适应150MW以上机组的模块化预热系统。通过应用数字孪生技术，实现调峰策略的实时优化，目标将深度调峰能力提升至18小时以上。同时，正在探索将预热系统与碳捕集技术结合，开发出具有负排放特性的新型调峰机组。

该研究对能源系统转型具有多重示范价值：在技术层面，突破了传统火电机组调峰能力的天花板；在管理层面，建立了"技术-经济-环境"协同优化机制；在市场层面，为构建容量市场提供了可行方案。特别是在"隔墙买电"交易模式下，该技术可使火电企业获得额外3-5%的收益空间。

展望未来，随着新型电力系统建设加速，该技术有望在三个维度持续拓展：一是应用场景延伸，从调峰向调频、备用服务扩展；二是技术集成创新，与氢能燃烧、熔盐储热等技术深度融合；三是商业模式创新，开发"调峰服务+碳汇交易"的复合收益模式。研究团队已完成相关专利布局（已获授权发明专利12项），正在组建产业联盟推动技术产业化。