黃思林,何學(xué)山,莊文軍,王星星,劉 軍

(1.國(guó)家能源集團(tuán)廣東電力有限公司,廣東 廣州 510000;2.國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司,廣東 江門 529228;3.華北水利水電大學(xué),能源與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 鄭州 450045)

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed,簡(jiǎn)稱CFB)技術(shù)因其流化燃燒、物料循環(huán)、爐內(nèi)燃料混合均勻等特點(diǎn)[1-2],具有燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)[3],已成為劣質(zhì)燃料大規(guī)模應(yīng)用的最佳方式之一。隨超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)不斷成熟,CFB鍋爐不斷向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展,超臨界CFB鍋爐已成為主力機(jī)組。隨著我國(guó)電廠靈活性改造及深度調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展,超臨界CFB機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行特性及污染物排放備受關(guān)注[4-6]。

針對(duì)循環(huán)流化床機(jī)組,已有的研究主要集中在亞臨界及以下機(jī)組爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒、傳熱及污染物排放特性[7-9]。張思海[10]研究了330 MW亞臨界CFB鍋爐煙氣再循環(huán)改造對(duì)鍋爐運(yùn)行性能的影響,表明超低負(fù)荷下煙氣再循環(huán)技術(shù)可提高鍋爐綜合性能。鄭生斌等[11]針對(duì)135 MW CFB鍋爐存在磨損嚴(yán)重、廠用電率偏高、機(jī)組效率偏低等問(wèn)題,通過(guò)燃燒調(diào)整改善機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。史航等[12]研究了260 t/h CFB鍋爐燃燒準(zhǔn)東煤時(shí)受熱面結(jié)焦及沾污特性,并提出減緩結(jié)焦的措施。自白馬600 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組投運(yùn)以來(lái),有關(guān)超臨界機(jī)組的燃燒,流動(dòng),水動(dòng)力安全等運(yùn)行研究屢有報(bào)道。針對(duì)CFB機(jī)組污染物排放,CFB鍋爐通常采用爐內(nèi)干法脫硫與濕法脫硫相結(jié)合的方式脫除燃燒過(guò)程中生成的SOx,鍋爐出口SOx排放濃度較低,同時(shí)爐內(nèi)噴入的脫硫劑可對(duì)NOx生成產(chǎn)生影響[13-15]。苗苗等研究者[16-17]從N2O生成機(jī)理出發(fā),實(shí)驗(yàn)研究表明：由于脫硫劑的熱催化作用,促進(jìn)HCN向NH3轉(zhuǎn)化,可減少N2O的生成,但脫硫劑的加入可催化燃料中N向含氮中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化,造成爐內(nèi)NOx排放增加。然而,吳劍恒[18]的研究表明：爐內(nèi)脫硫?qū)Ox排放影響不明顯,其原因?yàn)闄C(jī)組燃用的無(wú)煙煤含N量少,且爐內(nèi)溫度水平低,因此NOx排放變化不大。元澤民[19]分析了350 MW超臨界CFB鍋爐運(yùn)行負(fù)荷、平均床溫等運(yùn)行參數(shù)對(duì)污染物排放的影響,結(jié)果表明鍋爐床溫對(duì)SO2、NOx的生成與排放起主導(dǎo)作用。張媛媛等[20]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建NOx排放質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)模型,獲得超低負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)對(duì)NOx排放的影響。為滿足電廠深度調(diào)峰要求,本文以350 MW超臨界CFB鍋爐為研究對(duì)象,分析不同負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行性能,同時(shí),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試SO2、NO及CO等污染物排放濃度,揭示爐內(nèi)脫硫?qū)ξ廴疚锱欧诺挠绊?。研究結(jié)果可為超臨界CFB機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行及污染物排放控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 機(jī)組概況

以某國(guó)產(chǎn)350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐為研究對(duì)象,鍋爐為平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣;汽輪機(jī)型式為超臨界、一次中間再熱、單軸、高中壓分缸、三缸兩排汽、雙抽可調(diào)供熱、凝汽式。機(jī)組同步建設(shè)超低環(huán)保節(jié)能設(shè)施,包括布袋除塵器、脫硫(爐內(nèi)干法脫硫+爐外濕法脫硫)、脫硝(SCR+SNCR)、濕式除塵器、低溫省煤器等。鍋爐額定負(fù)荷(boiler rated load,簡(jiǎn)稱BRL)下機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)期間燃用煤質(zhì)的分析結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可知,試驗(yàn)期間燃用煤質(zhì)基本穩(wěn)定。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

表2 鍋爐煤質(zhì)分析

1.2 計(jì)算方法

采用反平衡法計(jì)算鍋爐效率η,即分別計(jì)算進(jìn)出鍋爐系統(tǒng)邊界的各項(xiàng)熱損失和外來(lái)熱量,由公式(1)計(jì)算鍋爐效率。計(jì)算過(guò)程中,鍋爐效率基準(zhǔn)溫度為25.0 ℃,燃煤輸入熱量取收到基低位發(fā)熱量,灰渣比率取為：飛灰：60.0%;爐渣：40.0%。鍋爐效率計(jì)算如式(1)所示：

η=100-QpL+QpB

(1)

式中：QpL為鍋爐各項(xiàng)熱損失,%;QpB為外來(lái)熱量占輸入燃料熱量的百分比,%。

鍋爐各項(xiàng)熱損失QpL包括：排煙熱損失,MW,通過(guò)測(cè)試排煙溫度及煙氣流量計(jì)算獲得;灰渣中未燃碳熱損失,MW,通過(guò)測(cè)試灰渣中未燃盡碳含量及灰渣量計(jì)算獲得;煙氣中CO熱損失,MW,通過(guò)測(cè)試煙氣中CO等可燃?xì)怏w含量及煙氣量計(jì)算獲得;灰渣物理顯熱損失,MW,通過(guò)測(cè)量灰渣溫度計(jì)算獲得;表面輻射和對(duì)流熱損失,MW;脫硫熱損失,MW。外來(lái)熱量QpB包括：進(jìn)入系統(tǒng)邊界的空氣及燃煤等攜帶的外來(lái)熱量,MW,通過(guò)計(jì)算進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量、空氣溫度、燃煤量、燃煤溫度等計(jì)算獲得。QpL及QpB計(jì)算過(guò)程及需測(cè)試的參數(shù)可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[21]。

不同狀態(tài)條件下,污染物排放計(jì)算過(guò)程中,隨煙氣流程及狀態(tài)條件不同,污染物排放濃度差別較大,通常將污染物排放濃度均換算到同一基準(zhǔn),如6% O2濃度時(shí),換算公式如公式(2)所示：

(2)

式中：φ([M])為O2濃度6%時(shí)污染物的排放濃度;φ( O2)*為氧氣濃度基準(zhǔn)值,6%;φ(M)為煙氣中實(shí)際污染物排放濃度;φ(O2)為煙氣中實(shí)際O2濃度。

氮氧化物濃度計(jì)算過(guò)程中,通常測(cè)試煙氣中NO濃度,通過(guò)公式(3)轉(zhuǎn)換為6% O2濃度時(shí)NOx排放濃度。

(3)

式中：m(NOx)為6% O2濃度基準(zhǔn)下煙氣中NOx濃度,mg/m3;φ(NO)c為煙氣中實(shí)測(cè)NO體積含量,μL/L;φ(O2)c為煙氣中實(shí)測(cè)氧含量,%。

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)過(guò)程中,按照等截面網(wǎng)格法分別在空預(yù)器進(jìn)口、一/二次風(fēng)管道等合適位置布置多個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)量煙/風(fēng)流量及溫度,取多次測(cè)量的平均值作為管道截面的平均流量或溫度。其中,煙/風(fēng)流量采用靠背管及微壓計(jì)(型號(hào)：HM7750)測(cè)試;通過(guò)將校驗(yàn)合格的I級(jí)精度K型鎧裝熱電偶連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),測(cè)試煙/風(fēng)溫度。抽取空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣至煙氣混合器進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)清潔、除濕、冷卻后的煙氣通入煙氣分析儀(型號(hào)：NGA200),可測(cè)試煙氣中O2、CO、CO2及NO濃度。詳細(xì)的采集系統(tǒng)可參考文獻(xiàn)[22]。試驗(yàn)時(shí),煙氣中SO2濃度的測(cè)試采用在線表計(jì)修正法,即試驗(yàn)開(kāi)始前,采用SO2標(biāo)氣、O2標(biāo)氣分別對(duì)測(cè)試儀器和電廠在線儀表進(jìn)行標(biāo)定,然后按照網(wǎng)格法采用煙氣分析儀測(cè)量煙氣中SO2和O2濃度,同時(shí)由DCS系統(tǒng)采集在線數(shù)據(jù),二者進(jìn)行比較,得到DCS系統(tǒng)中SO2和O2在線表計(jì)的修正系數(shù),詳細(xì)測(cè)試過(guò)程可參考文獻(xiàn)[22]。

試驗(yàn)期間,每個(gè)工況持續(xù)2.0 h。運(yùn)行過(guò)程中每隔30 min分別在給煤機(jī)上方料斗及鍋爐底渣機(jī)械輸送系統(tǒng)排渣口取原煤及爐渣樣,并利用自吸式飛灰取樣裝置在布袋除塵器進(jìn)口煙道取樣點(diǎn)處連續(xù)采集飛灰樣品,多次的取樣經(jīng)混合均勻后送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試煤質(zhì)成分及灰渣含碳量。試驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)石灰石給料機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,可獲得給料機(jī)頻率與石灰石給料量間關(guān)系,并對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖1所示。標(biāo)定結(jié)果表明石灰石量與石灰石給料機(jī)頻率基本呈線性關(guān)系,擬合曲線見(jiàn)公式(4),試驗(yàn)過(guò)程中,根據(jù)石灰石給料機(jī)頻率可獲得爐內(nèi)干法脫硫所用石灰石量。

圖1 石灰石給料機(jī)標(biāo)定結(jié)果

y=0.397 84x+4.107 74

(4)

式中：y為石灰石量,t/h;x為石灰石給料機(jī)頻率,Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同負(fù)荷下鍋爐性能分析

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定后,開(kāi)始性能測(cè)試,每個(gè)試驗(yàn)工況維持2.0 h。分別測(cè)試100%BRL、75%BRL、50%BRL三個(gè)負(fù)荷下煙風(fēng)流量、溫度、煙氣成分等參數(shù),主要運(yùn)行參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2,根據(jù)測(cè)試結(jié)果可計(jì)算流化床鍋爐效率,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表1可得,100%BRL負(fù)荷下,鍋爐主要技術(shù)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。由表3可得100%BRL、75%BRL、50%BRL三個(gè)負(fù)荷下,鍋爐熱效率分別為92.75%、90.00%及89.96%。100%BRL負(fù)荷下,各項(xiàng)熱損失中排煙熱損失占比最大,其次是灰渣未燃碳造成的熱損失,其占比分別為5.32%及2.25%;75%BRL及50%BRL負(fù)荷下,各項(xiàng)熱損失中灰渣未燃碳造成的熱損失占比最大,其次為排煙熱損失。75%BRL及50%BRL負(fù)荷下,排煙熱損失占比分別為3.86%、3.68%,灰渣未燃碳造成的熱損失占比分別為5.99%及5.81%。隨機(jī)組負(fù)荷降低,流化床鍋爐內(nèi)溫度降低,溫度過(guò)低不利于煤粉充分燃燒。根據(jù)灰渣等取樣及測(cè)試結(jié)果,由圖2可看出,隨鍋爐負(fù)荷降低,飛灰中可燃物含量及空預(yù)器進(jìn)口CO濃度均快速增加,表明煤粉在爐內(nèi)燃燒不充分加劇,導(dǎo)致機(jī)組灰渣未燃碳熱損失增大,鍋爐效率降低,因此運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)適當(dāng)提高爐內(nèi)運(yùn)行氧量。

圖2 不同負(fù)荷下鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

表3 鍋爐效率計(jì)算表

2.2 爐內(nèi)脫硫?qū)Ox排放影響分析

爐內(nèi)脫硫是CFB燃燒技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一,爐內(nèi)脫硫技術(shù)可以顯著減少SO2排放,降低脫硫成本,同時(shí)可影響爐內(nèi)NOx生成。CFB鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,爐內(nèi)燃燒溫度通常在850～1 000 ℃。根據(jù)NOx生成機(jī)理,溫度低于1 500 ℃時(shí),熱力型NOx生成極少,因此CFB鍋爐內(nèi)NOx主要為燃料型NOx。煤粉燃燒過(guò)程中,燃料中N的有機(jī)化合物首先被分解為HCN及NH3等中間產(chǎn)物。爐內(nèi)脫硫劑的投入對(duì)NOx生成機(jī)理主要有以下兩方面影響[16-17]：①爐內(nèi)噴射的鈣基吸收劑具有較強(qiáng)的催化性能,可促進(jìn)HCN及NH3等中間產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成更多的NOx。②爐內(nèi)脫硫過(guò)程中生成的CaSO3及SO2等具有較強(qiáng)的還原性,還原性氣氛可抑制NOx的生成。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,爐內(nèi)NOx排放與燃燒環(huán)境及煤種等密切相關(guān)。

為探索爐內(nèi)脫硫?qū)Ox生產(chǎn)的影響,100%BRL負(fù)荷下,通過(guò)調(diào)整石灰石給料機(jī)頻率,增加石灰石脫硫劑給料量,分別測(cè)試鍋爐出口NOx及SO2排放,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可得,隨石灰石給料量增加,爐內(nèi)煙氣中O2濃度變化較小,SO2排放快速降低,NOx濃度升高。石灰石給料機(jī)頻率由5.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔進(jìn)口SO2濃度由360.4 mg/m3降至6.9 mg/m3,鍋爐出口NOx濃度由75.9 mg/m3升高至398.8 mg/m3。表明爐內(nèi)噴入的鈣基吸收劑一方面快速與煙氣中SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),降低SO2排放濃度,另一方面鈣基吸收劑的加入促進(jìn)燃料中的N快速向中間產(chǎn)物HCN及NH3轉(zhuǎn)化,大量N基中間產(chǎn)物的生成導(dǎo)致NOx生成量快速增加。

圖3 爐內(nèi)脫硫?qū)Ox生成的影響

同時(shí)由圖3可看出,隨石灰石給料機(jī)頻率不斷增加,吸收塔進(jìn)口SO2濃度降低速率逐漸降低。石灰石給料機(jī)頻率由5.6 Hz升高至11.6 Hz,吸收塔進(jìn)口SO2濃度由360.4 mg/m3降至9.2 mg/m3,降低了97.45%;石灰石給料機(jī)頻率由11.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔進(jìn)口SO2濃度由9.2 mg/m3降至6.9 mg/m3。因此,為減少物料消耗,降低運(yùn)行成本,機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)合理調(diào)整爐內(nèi)噴射的鈣基吸收劑量。

3 結(jié) 論

(1)隨機(jī)組負(fù)荷降低,鍋爐效率下降。100%BRL、75%BRL、50%BRL三個(gè)負(fù)荷下,鍋爐熱效率分別為92.75%、90.00%及89.96%。100%BRL負(fù)荷下,各項(xiàng)熱損失中排煙熱損失占比最大,其次是灰渣未燃碳造成的熱損失;75%BRL及50%BRL負(fù)荷下,因爐內(nèi)溫度降低,煤粉不完全燃燒加劇,各項(xiàng)熱損失中灰渣未燃碳造成的熱損失占比最大,其次是排煙熱損失。

(2)爐內(nèi)石灰石的噴入可顯著降低SO2排放量,但可促進(jìn)爐內(nèi)NOx的生產(chǎn)。石灰石給料機(jī)頻率由5.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔進(jìn)口SO2濃度由360.4 mg/m3降至6.9 mg/m3,鍋爐出口NOx濃度由75.9 mg/m3升高至398.8 mg/m3。

(3)隨爐內(nèi)石灰石噴入量增加,爐內(nèi)脫硫效果逐漸降低,為降低機(jī)組物料消耗,運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)合理選擇脫硫劑的噴入量。