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    循環(huán)流化床鍋爐廠用電耗分析及降低措施

    欄目:節(jié)能降耗 發(fā)布時間:2018-08-22

    內(nèi)容摘要:循環(huán)流化床(CFB)鍋爐的流態(tài)化、循環(huán)燃燒特點,導(dǎo)致其發(fā)電機組廠用電率高,已成為其向大型化快速發(fā)展的突出問題。本文分析CFB鍋爐廠用電率較高的原因,結(jié)合石獅熱電公司2DG75/3.82-11CFB鍋爐的運行情況和技改效果,闡述在加強運行管理和技術(shù)改造方面降低CFB鍋爐廠用電耗的措施及效果,并提出一些在CFB鍋爐設(shè)計建議,使CFB鍋爐發(fā)電機組的廠用電率降到接近同容量煤粉爐機組的水平。

     

     

    1.    概述

        循環(huán)流化床(CFB)鍋爐以燃料適應(yīng)性強、燃燒效率高、負荷調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點,成為燃燒福建無煙煤的首選爐型,在福建省得到較廣泛的應(yīng)用[12] 。目前福建省已有60多臺CFB鍋爐在運行中,其中最大容量為440t/h,容量300MWCFB鍋爐已在籌建中[3]

        循環(huán)流化床燃燒[4]是一種在爐內(nèi)使高速運動的煙氣與其所攜帶的湍流擾動極強的固體顆粒密切接觸,并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃料反應(yīng)過程;同時,在爐外將絕大部分高溫的固體顆粒捕集,并將它們送回爐內(nèi)再次參與燃燒過程,反復(fù)循環(huán)地組織燃燒。固體物料經(jīng)歷了由爐膛、分離器和返料裝置所組成的外循環(huán)和爐內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)運動,是高速度、高濃度、高通量的固體物料流態(tài)化循環(huán)過程和高強度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞過程。由于CFB鍋爐獨特的流態(tài)化、循環(huán)燃燒特點,其風(fēng)機數(shù)量多、壓頭高,導(dǎo)致輔機電流大、功率大,廠用電率居高不下。440t/h CFB鍋爐所用風(fēng)機多達16臺,配套電動機額定功率共計9300kW,是同容量煤粉爐機組的1.52倍,正常運行廠用電率高達11%~12%左右,甚至更高[5] 。隨著我國CFB鍋爐大型化的快速發(fā)展,廠用電率高的問題越來越突出;如不盡快解決,則成為制約CFB鍋爐大型化發(fā)展的瓶頸。

        由于汽輪機部分及外圍輔助設(shè)備上并無顯著差別,因此只對鍋爐部分進行比較。與同容量的常規(guī)煤粉爐相比,CFB鍋爐使煤炭潔凈燃燒,環(huán)保效益顯著,所以用CFB鍋爐與常規(guī)煤粉爐加煙氣脫硫裝置來比較廠用電水平才合理。135MW容量CFB鍋爐的實際廠用電率為4.43%,較煤粉鍋爐高出0.794個百分點(見表1),主要有以下幾個因素[6]

    表1  135MW循環(huán)流化床鍋爐與常規(guī)煤粉爐廠用電耗比較表

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    ⑴由于CFB鍋爐脫硫加入了大量石灰石,以及CFB鍋爐灰渣比例與煤粉爐差別較大,使總灰渣量大幅度增加,造成了除渣系統(tǒng)電耗的增加。另外,由于除渣系統(tǒng)采用風(fēng)冷,兩臺冷卻風(fēng)機的電耗也較大。

        與煤粉鍋爐相比較,CFB鍋爐煙氣系統(tǒng)阻力主要增加在分離器和管式空氣預(yù)熱器上(經(jīng)計算約增加了1500Pa),增大了引風(fēng)機的電耗。由于加石灰石后灰的比電阻增大,電除塵器的電耗較煤粉爐大。

        CFB鍋爐一次風(fēng)系統(tǒng)阻力主要由床壓、布風(fēng)板阻力、空預(yù)器阻力和風(fēng)道阻力構(gòu)成,二次風(fēng)系統(tǒng)阻力主要由爐膛壓力、環(huán)形風(fēng)箱阻力、空預(yù)器阻力和風(fēng)道阻力構(gòu)成,風(fēng)機壓頭高、電耗大。

        由于燃燒方式和燃燒機理的不同,CFB鍋爐燃料制備系統(tǒng)只有篩分機、破碎機等設(shè)備,省去了常規(guī)煤粉爐那套復(fù)雜的制粉系統(tǒng)(包括磨煤機、粗細粉分離器、粉倉、輸粉機等)

        本文結(jié)合石獅熱電公司2DG75/3.82-11CFB鍋爐的運行情況和技改效果,通過強化運行管理和技術(shù)改造等措施降低廠用電率,并提出一些在設(shè)計初期可采取的節(jié)能建議,使CFB鍋爐機組的廠用電率降到接近同容量煤粉爐機組的程度,對循環(huán)流化床潔凈煤發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

    2.    降低CFB鍋爐廠用電耗措施

    2.1加強運行管理,降低CFB鍋爐廠用電耗

    2.1.1控制合適的料層厚度

        控制合適的料層厚度,爐床蓄熱量大,床溫穩(wěn)定,煤粒和回料灰中的碳能迅速加熱和燃燒,對CFB鍋爐穩(wěn)定運行、燃燒效率以及燃燒控制有非常重要的意義,應(yīng)避免料層厚度過低使燃燒不穩(wěn),也要控制料層厚度不要過高。料層厚度過高不僅影響流化效果和降低燃燒效率,還會導(dǎo)致風(fēng)室壓力、床層壓力、料層差壓等參數(shù)過高,增大一次風(fēng)機、二次風(fēng)機出口風(fēng)壓,風(fēng)機電流增大,廠用電率增加。

        監(jiān)控料層厚度的主要參數(shù)有風(fēng)室壓力、床層壓力、料層差壓等。一般控制床層折算靜止厚度控制在500750mm,風(fēng)室壓力812kPa,床面壓力在68kPa,床層差壓為46kPa,這樣保持合適的一次風(fēng)壓頭,起到降低一次風(fēng)機電流的目的,同時二次風(fēng)機電流在一定程度上也會降低。在低負荷時控制參數(shù)在以上范圍的下限,在高負荷時反之。石獅熱電公司275t/h CFB鍋爐的運行實踐證明,一次風(fēng)壓控制在1011kPa時效果最為理想[2]

    2.1.2合理的煤炭粒度

        燃料粒徑對鍋爐的正常燃燒及其經(jīng)濟性極其重要,每種燃煤鍋爐對所用燃料的粒徑及其篩分特性都有明確的要求,CFB鍋爐也不例外。煤的粒徑大小對傳熱系數(shù)影響很大,對燃燒的溫度場分布也有很大的影響,CFB鍋爐穩(wěn)定高效的燃燒需要不同粒徑的煤炭合理配比。石獅熱電公司的2DG75/3.82-11CFB鍋爐根據(jù)福建無煙煤的特點,設(shè)計燃煤推薦粒度范圍為08mm,其中99%≤6mm50%≤1.5mm30%≤1mm[2] 。床料粒度偏大,同等厚度的物料需要增加一次風(fēng)壓頭才能保證流化良好,增大了一次風(fēng)電耗和排渣電耗。床料粒度太細,運行過程中床壓容易造成波動,所以在運行調(diào)整中應(yīng)控制煤的粒度及配比滿足設(shè)計要求,煤中灰份高時煤的粒徑可以適當(dāng)細一些,揮發(fā)份高時粒徑可以適當(dāng)大些,這樣既保證了燃燒,又降低了廠用電率。

    2.1.3風(fēng)機優(yōu)化運行

        一般情況下,220t/h及其以上容量的CFB鍋爐引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、冷渣器流化風(fēng)機都采用兩臺,有聯(lián)絡(luò)門和聯(lián)絡(luò)母管相連。可以對聯(lián)絡(luò)風(fēng)道等進行適當(dāng)?shù)母脑欤M可能滿足較高負荷下的單臺風(fēng)機運行,可以大幅度降低了廠用電率。根據(jù)文獻[5] ,將440t/hCFB鍋爐聯(lián)絡(luò)風(fēng)道截面擴大為原來的2 倍,擴容后在90 MW(擴容前為40 MW)以下負荷采取單臺引風(fēng)機、單臺一次風(fēng)機、單臺二次風(fēng)機、單臺冷渣器流化風(fēng)機運行, 6kV電動機電流可以分別減少30A30A20A15A,大大減少了廠用電耗。

        石獅熱電公司2DG75/3.82-11CFB鍋爐在正常情況下停用播煤增壓風(fēng)機,直接由熱一次風(fēng)供播煤風(fēng)用[7] 。增壓風(fēng)機處于聯(lián)鎖熱備用狀態(tài),僅在鍋爐點火啟動時及異常情況下投入運行,完全可以滿足鍋爐運行需要,節(jié)電效果明顯,年節(jié)約廠用電量達1040MWh

    2.1.4合理分配一、二次風(fēng)配比

        一次風(fēng)的主要作用是保證物料處于良好的流化狀態(tài),同時為燃料燃燒提供部分氧氣。床料的流化狀態(tài)受溫度影響很大,熱態(tài)運行時的流化遠比冷態(tài)時好[4] 。所以在保證不小于最低流化風(fēng)量的情況下,根椐床溫來調(diào)整一次風(fēng)量至合適值,使一次風(fēng)機電耗得到優(yōu)化。二次風(fēng)能加劇爐內(nèi)物料的擾動,加強氣固兩相的混合,增加煤粒在爐內(nèi)的停留時間,強化稀相區(qū)細煤粒及可燃氣體的燃燒,并改變爐內(nèi)物料濃度的分布,防止局部煙氣溫度過高。二次風(fēng)分上、下兩段送入,下層二次風(fēng)壓約高于上層二次風(fēng)壓2kPa。一、二次風(fēng)從不同位置分別送入流化床,采取優(yōu)化、合理的配風(fēng),一次風(fēng)率控制在50%~60%,上、下層二次風(fēng)比為5.5:4.56:4,保持省煤器出口的煙氣含氧量在4%5%之間,這樣既保證燃燒充分,又可降低風(fēng)機電耗[2]

    2.1.5盡可能減少漏風(fēng)率

        在減小漏風(fēng)系數(shù)方面,各風(fēng)道調(diào)節(jié)擋扳,爐膛各處人孔門、排渣系統(tǒng)各排渣門嚴密不漏風(fēng),各處保溫完整。在機組停運時檢查空氣預(yù)熱器管束是否有漏風(fēng)并及時修補,檢查煙道內(nèi)是否有積灰并及時清理,這樣起到降低一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機電流的目的。

        石獅熱電有限責(zé)任公司的275t/h鍋爐采用全膜式水冷壁,燃燒系統(tǒng)具有良好的密閉性。在空氣預(yù)熱器前測得的煙氣中空氣過量系數(shù)為1.251.36,與設(shè)計值相符[2]

    2.1.6鍋爐啟停次數(shù)和負荷率

        由于CFB鍋爐在啟動和停運時,需要消耗很大的電量,所以保證機組長周期,減少啟停次數(shù)能有效的降低廠用電率。提升設(shè)備健康水平是確保安全、經(jīng)濟、高效運行的重要保證,在加強日常維護和設(shè)備消缺的基礎(chǔ)上,加大設(shè)備治理力度,合理安排設(shè)備的消缺或檢修時間,盡量避免因消缺而降負荷運行,杜絕因缺陷擴大造成機組非計劃停運,保證消缺質(zhì)量,降低重復(fù)消缺率。

        同時,高負荷運行可以降低廠用電量在發(fā)電量之中的比例,因為就是再低的負荷,CFB鍋爐也要保證流化和燃燒正常,而負荷的增加與輔機的出力并非成正比增加,這樣高負荷所耗電能相應(yīng)減少,同時高負荷時,物料循環(huán)增強,床溫較高,燃燒更充分,燃燒用電會有所下降,這樣就起到了降低廠用電率目的。

    2.1.7開展小指標競賽活動

        通過加強技術(shù)培訓(xùn),開展技術(shù)競賽、崗位練兵等活動,鼓勵職工力爭上游、勇做表率,形成比、學(xué)、趕、幫的濃厚氛圍,從而全面提高員工的業(yè)務(wù)素質(zhì)。通過宣傳使員工了解當(dāng)前形勢和企業(yè)所面臨的困局,提高思想覺悟,增強憂患意識、成本意識和效率意識,激發(fā)起自覺參與節(jié)能降耗工作的責(zé)任感和緊迫感。同時,開展運行班組之間進行經(jīng)濟指標競賽活動,對表現(xiàn)突出的員工進行獎勵,激勵員工的主觀能動性,積極參與節(jié)能降耗活動。

     

    2.2進行技術(shù)改造,降低CFB鍋爐廠用電耗

    2.2.1 對現(xiàn)有低效的風(fēng)機設(shè)備進行節(jié)能改造

        由于鍋爐廠、設(shè)計院在風(fēng)機設(shè)計選型時較保守,加上風(fēng)機廠家產(chǎn)品型號有限,在選用不到合適的風(fēng)機型號時往大機號上靠,致使CFB鍋爐風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓富裕度達到15%~50%,出現(xiàn)系統(tǒng)大馬拉小車欠載運行的不合理匹配狀況,風(fēng)機實際運行工況點與設(shè)計的最佳工況點相差甚遠。并且,采用落后的風(fēng)門擋板節(jié)流調(diào)節(jié),正常運行時風(fēng)門擋板開度較小,增加了管網(wǎng)阻力,節(jié)流和渦流損失大,風(fēng)機系統(tǒng)浪費電能嚴重。

    石獅熱電公司組織對75t/hCFB鍋爐風(fēng)機進行熱態(tài)試驗,掌握不同鍋爐負荷下的風(fēng)機運行參數(shù)及其實際風(fēng)道阻力。根據(jù)測試結(jié)果計算出額定負荷下的風(fēng)機參數(shù)并留有合適的富裕量,為避免選用風(fēng)機廠所生產(chǎn)的有限的型號時可能再次出現(xiàn)不合理匹配狀況,量體定做出與鍋爐運行狀況相匹配的高效節(jié)能型風(fēng)機。同時,采用彎曲型導(dǎo)葉軸向?qū)蚱魅〈卑逍惋L(fēng)門擋板,將擋板節(jié)流損失降至最低,并對進出口風(fēng)道進行技術(shù)改造,保留和利用原來的電動機和聯(lián)軸器。運行實踐和測試結(jié)果均表明,技改后的風(fēng)機運行效率得到了顯著的提高,節(jié)電效果明顯(詳見表2)。其中4號爐引風(fēng)機單機效率從32.0%提高到47.7%,節(jié)電率超過40%

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    備注:以上數(shù)據(jù)均為折算到鍋爐額定負荷運行工況下的加權(quán)平均值,其中二次風(fēng)機為先變頻改造后本體改造。


        某電廠對260t/h CFB鍋爐一次風(fēng)機進行葉片切割,切割量為8%,經(jīng)改造后單機廠用電率下降了0.25%0.30%,節(jié)電效果明顯。

    2.2.2 運用變速裝置,減少節(jié)流損耗

        CFB鍋爐重要輔機應(yīng)避免采用風(fēng)門擋板或閥門節(jié)流調(diào)節(jié),適當(dāng)采用雙速電機調(diào)節(jié)、液力偶合器調(diào)節(jié),盡可能采用高效的變頻調(diào)速技術(shù)、斬波內(nèi)反饋調(diào)速電機技術(shù)[8] ,不僅避免大量的能源浪費和設(shè)備損耗,而且還提高了控制精度,降低了生產(chǎn)成本。大量的運行實踐證明,CFB鍋爐風(fēng)機采用變頻技術(shù)改造后,平均節(jié)電率在30%以上。石獅熱電公司275t/hCFB鍋爐共6臺風(fēng)機采用變頻技術(shù)改造,大大降低了風(fēng)門擋板的節(jié)流損失,獲得顯著的經(jīng)濟效益(詳見表3);更為可貴的是使燃燒系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)成為線性調(diào)節(jié),反應(yīng)時間加快,動態(tài)性能提高,大幅度提高控制精度。同時,方便運行操作,減少維護工作量和檢修費用,降低電機啟動對電網(wǎng)的沖擊,延長設(shè)備的使用壽命,減小噪聲污染,改善工作環(huán)境。

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    備注:以上數(shù)據(jù)均為折算到鍋爐額定負荷運行工況下的平均值。


    3.    CFB鍋爐系統(tǒng)設(shè)計方面降低廠用電耗的建議

        在設(shè)計初期應(yīng)仔細考慮降低廠用電耗方面的工作,CFB鍋爐發(fā)電機組的廠用電水平就可接近煤粉鍋爐發(fā)電機組。在設(shè)計初期設(shè)計單位應(yīng)與鍋爐廠、輔機制造廠以及設(shè)計院進行廣泛交流,討論諸如輔機容量選擇、系統(tǒng)配置、阻力計算等方面的問題,為降低廠用電打好良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

    3.1    風(fēng)帽、布風(fēng)板特性的選擇

        CFB鍋爐的風(fēng)帽和布風(fēng)板要求能均勻密集地分配氣流,使床料與空氣產(chǎn)生強烈擾動和混合。石獅熱電公司75t/hCFB鍋爐在設(shè)計時根據(jù)煤種特點,采用了“7”字型定向風(fēng)帽,額定負荷時布風(fēng)板阻力約為5kPa左右,經(jīng)過運行一段時間后存在風(fēng)室漏渣現(xiàn)象,增大了阻力,影響一次風(fēng)量,增加了一次風(fēng)機出力與電耗。鍋爐廠可以對其進行改進,將定向風(fēng)帽改為大直徑迂回型鐘罩風(fēng)帽或者定向風(fēng)帽和鐘罩風(fēng)帽配合使用,保持布風(fēng)板阻力基本不變,從而避免風(fēng)室漏渣,既保證了運行穩(wěn)定又降低了一次風(fēng)機能耗。

    3.2    風(fēng)機的優(yōu)化選型

        CFB鍋爐的流態(tài)化燃燒特點決定了其風(fēng)機壓頭比煤粉鍋爐高,因此空氣阻力計算尤為重要。決定一、二次風(fēng)機及引風(fēng)機的阻力計算的主要因素是布風(fēng)板阻力、床層的阻力、爐膛壓力、分離器阻力以及循環(huán)倍率等。通過與鍋爐廠設(shè)計人員的交流,了解布風(fēng)板的風(fēng)帽形式、數(shù)量、出口流速,床料的粒度組成,終端流速的選取,床層高度,爐膛截面大小,循環(huán)倍率等關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù),討論阻力的計算方法,由鍋爐廠提出了一個較準確的阻力計算值(不含任何裕量),風(fēng)機廠、設(shè)計院統(tǒng)一按《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程(DL5000-2000) [9] 考慮裕量,避免了重復(fù)計算裕量后帶來的風(fēng)機、電機等不在高效區(qū)運行,有效降低電耗。同時,在風(fēng)道設(shè)計時選用合適的通流截面,保持經(jīng)濟的流速,風(fēng)道彎頭、變徑部位盡量減少,從而降低管道壓力損失,減小輔機電耗。

    3.3    合理配置煤制備系統(tǒng)

        針對福建無煙煤的特點、來煤細度和CFB鍋爐對燃料的粒度要求,石獅熱電公司CFB鍋爐在煤制備系統(tǒng)采用一級篩分加一級破碎系統(tǒng),而某廠同樣的鍋爐卻采用兩級破碎系統(tǒng)。運行實踐證明,石獅熱電公司的選擇是正確的。設(shè)計部門應(yīng)根據(jù)燃煤特點和來煤細度決定是否需要粗級破碎,最好設(shè)計一級篩分破碎系統(tǒng),既保證了鍋爐的粒度要求,又有效防止了過破碎,還在一定程度上降低了廠用電。

    3.4    采用合適的出渣方式

        目前國內(nèi)三大CFB鍋爐制造商推薦配置的冷渣器均為風(fēng)水聯(lián)合冷渣器[6] 。從結(jié)構(gòu)及工作原理上看就是小型流化床,在流化過程中完成了物料冷卻和輸送,并將冷卻風(fēng)送入爐膛,這就要求流化風(fēng)機的壓頭應(yīng)克服流化床的阻力和爐膛的運行壓力以及管道阻力,且流化風(fēng)量較大。如果將鍋爐廠135MWCFB鍋爐習(xí)慣配套的風(fēng)水聯(lián)合流化床冷渣器改為滾筒式冷渣器或鋼帶式冷渣器,渣系統(tǒng)電耗可從330400kW降至100200kW,節(jié)能效果顯著。 

    3.5    充分采取節(jié)能措施

        設(shè)計院在電廠總體布置上采取這些措施來降低廠用電率[68] 在爐側(cè)就近布置渣庫,在兩爐之間布置石灰石粉庫,縮短出渣和石灰石粉輸送距離,降低了機械出渣系統(tǒng)及石灰石給料系統(tǒng)的電耗;一、二次風(fēng)機靠近空氣預(yù)熱器布置,降低了風(fēng)道阻力;除氧煤倉間方向與棧橋方向一致,縮短棧橋距離,降低了輸煤皮帶的電耗;灰?guī)觳贾迷趶S區(qū)內(nèi)且距電除塵較近,降低氣力除灰系統(tǒng)的電耗;給水管路上取消了主調(diào)節(jié)閥,采用汽動給水泵或液力偶合器調(diào)節(jié)給水流量,降低給水泵電耗;利用變頻器調(diào)節(jié)一次風(fēng)機、二次風(fēng)機和引風(fēng)機等流量,降低節(jié)流損失;⑺選用導(dǎo)熱系數(shù)低、物理性能好、價格合理的保溫材料。同時,制造廠的鍋爐本體設(shè)計對廠用電的影響較大,在設(shè)備招議標時應(yīng)對比風(fēng)量、風(fēng)速等各種參數(shù)的差異并考慮對廠用電的影響。

    4.    結(jié)論

        由于CFB鍋爐的流態(tài)化、循環(huán)燃燒特點,使CFB鍋爐在燃料破碎送入系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)等方面與常規(guī)煤粉鍋爐有所不同,燃煤CFB鍋爐機組的廠用電率是比同樣容量等級的煤粉爐機組高出0.8%1.3%,與采用濕法煙氣脫硫裝置的常規(guī)煤粉爐電廠的廠用電水平相當(dāng)。

        CFB鍋爐電廠的運行情況證明,可以采取控制合適的料層厚度、合理的煤炭粒度、合理分配一二次風(fēng)配比、風(fēng)機優(yōu)化運行、減少漏風(fēng)率、高負荷率運行、減少鍋爐啟停次數(shù)等方面加強運行管理,降低CFB鍋爐廠用電耗。

        結(jié)合石獅熱電公司2DG75/3.82-11CFB鍋爐的運行情況和技改效果,可以對低效的風(fēng)機設(shè)備進行節(jié)能改造,將電動給水泵更換為汽動給水泵,利用低品質(zhì)的蒸汽來代替高品質(zhì)的電能,應(yīng)用變頻裝置減少節(jié)流損耗等,使廠用電率大大降低。

        CFB鍋爐設(shè)計時,應(yīng)仔細考慮降低廠用電耗方面的工作,討論諸如風(fēng)帽和布風(fēng)板特性、輔機容量優(yōu)化選型、出渣設(shè)備和煤制備系統(tǒng)的合理配置、應(yīng)用變頻裝置等方面的問題,并充分采取有效可行的節(jié)能措施,為廠用電的降低打好良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

        隨著CFB鍋爐大型化技術(shù)的日漸成熟,CFB鍋爐運行質(zhì)量的優(yōu)劣,不能僅憑運行周期的長短來給以辨別,而更注重各項運行指標的評定。降低煤耗、廠用電率和污染物排放量,已成為更多擁有CFB鍋爐企業(yè)追求的目標。愿本文給同行一些有益的提示、啟發(fā)或借鑒意義,旨在最終實現(xiàn)大型CFB潔凈煤發(fā)電技術(shù)的推廣。

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    文章來源:福建省循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)協(xié)作網(wǎng)