350 MW循环流化床锅炉不同负荷下运行特性及污染物排放试验研究

黄思林,何学山,庄文军,王星星,刘 军

(1.国家能源集团广东电力有限公司,广东 广州 510000;2.国能粤电台山发电有限公司,广东 江门 529228;3.华北水利水电大学,能源与动力工程学院,河南 郑州 450045)

循环流化床(circulating fluidized bed,简称CFB)技术因其流化燃烧、物料循环、炉内燃料混合均匀等特点[1-2],具有燃料适应性广、负荷调节范围宽、污染物排放低等优点[3],已成为劣质燃料大规模应用的最佳方式之一。随超临界燃煤发电技术不断成熟,CFB锅炉不断向大容量、高参数方向发展,超临界CFB锅炉已成为主力机组。随着我国电厂灵活性改造及深度调峰技术的发展,超临界CFB机组低负荷运行特性及污染物排放备受关注[4-6]。

针对循环流化床机组,已有的研究主要集中在亚临界及以下机组炉内流动、燃烧、传热及污染物排放特性[7-9]。张思海[10]研究了330 MW亚临界CFB锅炉烟气再循环改造对锅炉运行性能的影响,表明超低负荷下烟气再循环技术可提高锅炉综合性能。郑生斌等[11]针对135 MW CFB锅炉存在磨损严重、厂用电率偏高、机组效率偏低等问题,通过燃烧调整改善机组经济性。史航等[12]研究了260 t/h CFB锅炉燃烧准东煤时受热面结焦及沾污特性,并提出减缓结焦的措施。自白马600 MW超临界循环流化床机组投运以来,有关超临界机组的燃烧,流动,水动力安全等运行研究屡有报道。针对CFB机组污染物排放,CFB锅炉通常采用炉内干法脱硫与湿法脱硫相结合的方式脱除燃烧过程中生成的SOx,锅炉出口SOx排放浓度较低,同时炉内喷入的脱硫剂可对NOx生成产生影响[13-15]。苗苗等研究者[16-17]从N2O生成机理出发,实验研究表明：由于脱硫剂的热催化作用,促进HCN向NH3转化,可减少N2O的生成,但脱硫剂的加入可催化燃料中N向含氮中间产物转化,造成炉内NOx排放增加。然而,吴剑恒[18]的研究表明：炉内脱硫对NOx排放影响不明显,其原因为机组燃用的无烟煤含N量少,且炉内温度水平低,因此NOx排放变化不大。元泽民[19]分析了350 MW超临界CFB锅炉运行负荷、平均床温等运行参数对污染物排放的影响,结果表明锅炉床温对SO2、NOx的生成与排放起主导作用。张媛媛等[20]利用BP神经网络算法构建NOx排放质量浓度预测模型,获得超低负荷下机组运行参数对NOx排放的影响。为满足电厂深度调峰要求,本文以350 MW超临界CFB锅炉为研究对象,分析不同负荷下锅炉运行性能,同时,通过现场测试SO2、NO及CO等污染物排放浓度,揭示炉内脱硫对污染物排放的影响。研究结果可为超临界CFB机组低负荷运行及污染物排放控制提供指导。

1 试验及方法

1.1 机组概况

以某国产350 MW超临界循环流化床锅炉为研究对象,锅炉为平衡通风、固态排渣;汽轮机型式为超临界、一次中间再热、单轴、高中压分缸、三缸两排汽、双抽可调供热、凝汽式。机组同步建设超低环保节能设施,包括布袋除尘器、脱硫(炉内干法脱硫+炉外湿法脱硫)、脱硝(SCR+SNCR)、湿式除尘器、低温省煤器等。锅炉额定负荷(boiler rated load,简称BRL)下机组主要技术参数如表1所示。试验期间燃用煤质的分析结果见表2,由表2可知,试验期间燃用煤质基本稳定。

表1 机组主要技术参数

表2 锅炉煤质分析

1.2 计算方法

采用反平衡法计算锅炉效率η,即分别计算进出锅炉系统边界的各项热损失和外来热量,由公式(1)计算锅炉效率。计算过程中,锅炉效率基准温度为25.0 ℃,燃煤输入热量取收到基低位发热量,灰渣比率取为：飞灰：60.0%;炉渣：40.0%。锅炉效率计算如式(1)所示：

η=100-QpL+QpB

(1)

式中：QpL为锅炉各项热损失,%;QpB为外来热量占输入燃料热量的百分比,%。

锅炉各项热损失QpL包括：排烟热损失,MW,通过测试排烟温度及烟气流量计算获得;灰渣中未燃碳热损失,MW,通过测试灰渣中未燃尽碳含量及灰渣量计算获得;烟气中CO热损失,MW,通过测试烟气中CO等可燃气体含量及烟气量计算获得;灰渣物理显热损失,MW,通过测量灰渣温度计算获得;表面辐射和对流热损失,MW;脱硫热损失,MW。外来热量QpB包括：进入系统边界的空气及燃煤等携带的外来热量,MW,通过计算进入系统的空气量、空气温度、燃煤量、燃煤温度等计算获得。QpL及QpB计算过程及需测试的参数可参考相关标准[21]。

不同状态条件下,污染物排放计算过程中,随烟气流程及状态条件不同,污染物排放浓度差别较大,通常将污染物排放浓度均换算到同一基准,如6% O2浓度时,换算公式如公式(2)所示：

(2)

式中：φ([M])为O2浓度6%时污染物的排放浓度;φ( O2)*为氧气浓度基准值,6%;φ(M)为烟气中实际污染物排放浓度;φ(O2)为烟气中实际O2浓度。

氮氧化物浓度计算过程中,通常测试烟气中NO浓度,通过公式(3)转换为6% O2浓度时NOx排放浓度。

(3)

式中：m(NOx)为6% O2浓度基准下烟气中NOx浓度,mg/m3;φ(NO)c为烟气中实测NO体积含量,μL/L;φ(O2)c为烟气中实测氧含量,%。

1.3 测试方法

试验过程中,按照等截面网格法分别在空预器进口、一/二次风管道等合适位置布置多个测点,测量烟/风流量及温度,取多次测量的平均值作为管道截面的平均流量或温度。其中,烟/风流量采用靠背管及微压计(型号：HM7750)测试;通过将校验合格的I级精度K型铠装热电偶连接至数据采集系统,测试烟/风温度。抽取空气预热器进口烟气至烟气混合器进行预处理,经清洁、除湿、冷却后的烟气通入烟气分析仪(型号：NGA200),可测试烟气中O2、CO、CO2及NO浓度。详细的采集系统可参考文献[22]。试验时,烟气中SO2浓度的测试采用在线表计修正法,即试验开始前,采用SO2标气、O2标气分别对测试仪器和电厂在线仪表进行标定,然后按照网格法采用烟气分析仪测量烟气中SO2和O2浓度,同时由DCS系统采集在线数据,二者进行比较,得到DCS系统中SO2和O2在线表计的修正系数,详细测试过程可参考文献[22]。

试验期间,每个工况持续2.0 h。运行过程中每隔30 min分别在给煤机上方料斗及锅炉底渣机械输送系统排渣口取原煤及炉渣样,并利用自吸式飞灰取样装置在布袋除尘器进口烟道取样点处连续采集飞灰样品,多次的取样经混合均匀后送至检测机构测试煤质成分及灰渣含碳量。试验开始前,对石灰石给料机进行标定,可获得给料机频率与石灰石给料量间关系,并对标定实验结果进行拟合,结果如图1所示。标定结果表明石灰石量与石灰石给料机频率基本呈线性关系,拟合曲线见公式(4),试验过程中,根据石灰石给料机频率可获得炉内干法脱硫所用石灰石量。

图1 石灰石给料机标定结果

y=0.397 84x+4.107 74

(4)

式中：y为石灰石量,t/h;x为石灰石给料机频率,Hz。

2 试验结果与分析

2.1 不同负荷下锅炉性能分析

机组负荷稳定后,开始性能测试,每个试验工况维持2.0 h。分别测试100%BRL、75%BRL、50%BRL三个负荷下烟风流量、温度、烟气成分等参数,主要运行参数测试结果见图2,根据测试结果可计算流化床锅炉效率,计算结果如表3所示。

对比表1可得,100%BRL负荷下,锅炉主要技术参数均满足设计要求。由表3可得100%BRL、75%BRL、50%BRL三个负荷下,锅炉热效率分别为92.75%、90.00%及89.96%。100%BRL负荷下,各项热损失中排烟热损失占比最大,其次是灰渣未燃碳造成的热损失,其占比分别为5.32%及2.25%;75%BRL及50%BRL负荷下,各项热损失中灰渣未燃碳造成的热损失占比最大,其次为排烟热损失。75%BRL及50%BRL负荷下,排烟热损失占比分别为3.86%、3.68%,灰渣未燃碳造成的热损失占比分别为5.99%及5.81%。随机组负荷降低,流化床锅炉内温度降低,温度过低不利于煤粉充分燃烧。根据灰渣等取样及测试结果,由图2可看出,随锅炉负荷降低,飞灰中可燃物含量及空预器进口CO浓度均快速增加,表明煤粉在炉内燃烧不充分加剧,导致机组灰渣未燃碳热损失增大,锅炉效率降低,因此运行过程中,应适当提高炉内运行氧量。

图2 不同负荷下锅炉主要运行参数

表3 锅炉效率计算表

2.2 炉内脱硫对NOx排放影响分析

炉内脱硫是CFB燃烧技术的主要优势之一,炉内脱硫技术可以显著减少SO2排放,降低脱硫成本,同时可影响炉内NOx生成。CFB锅炉运行过程中,炉内燃烧温度通常在850～1 000 ℃。根据NOx生成机理,温度低于1 500 ℃时,热力型NOx生成极少,因此CFB锅炉内NOx主要为燃料型NOx。煤粉燃烧过程中,燃料中N的有机化合物首先被分解为HCN及NH3等中间产物。炉内脱硫剂的投入对NOx生成机理主要有以下两方面影响[16-17]：①炉内喷射的钙基吸收剂具有较强的催化性能,可促进HCN及NH3等中间产物发生化学反应,生成更多的NOx。②炉内脱硫过程中生成的CaSO3及SO2等具有较强的还原性,还原性气氛可抑制NOx的生成。实际运行过程中,炉内NOx排放与燃烧环境及煤种等密切相关。

为探索炉内脱硫对NOx生产的影响,100%BRL负荷下,通过调整石灰石给料机频率,增加石灰石脱硫剂给料量,分别测试锅炉出口NOx及SO2排放,试验结果如图3所示。由图3可得,随石灰石给料量增加,炉内烟气中O2浓度变化较小,SO2排放快速降低,NOx浓度升高。石灰石给料机频率由5.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔进口SO2浓度由360.4 mg/m3降至6.9 mg/m3,锅炉出口NOx浓度由75.9 mg/m3升高至398.8 mg/m3。表明炉内喷入的钙基吸收剂一方面快速与烟气中SO2发生化学反应,降低SO2排放浓度,另一方面钙基吸收剂的加入促进燃料中的N快速向中间产物HCN及NH3转化,大量N基中间产物的生成导致NOx生成量快速增加。

图3 炉内脱硫对NOx生成的影响

同时由图3可看出,随石灰石给料机频率不断增加,吸收塔进口SO2浓度降低速率逐渐降低。石灰石给料机频率由5.6 Hz升高至11.6 Hz,吸收塔进口SO2浓度由360.4 mg/m3降至9.2 mg/m3,降低了97.45%;石灰石给料机频率由11.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔进口SO2浓度由9.2 mg/m3降至6.9 mg/m3。因此,为减少物料消耗,降低运行成本,机组运行过程中应合理调整炉内喷射的钙基吸收剂量。

3 结 论

(1)随机组负荷降低,锅炉效率下降。100%BRL、75%BRL、50%BRL三个负荷下,锅炉热效率分别为92.75%、90.00%及89.96%。100%BRL负荷下,各项热损失中排烟热损失占比最大,其次是灰渣未燃碳造成的热损失;75%BRL及50%BRL负荷下,因炉内温度降低,煤粉不完全燃烧加剧,各项热损失中灰渣未燃碳造成的热损失占比最大,其次是排烟热损失。

(2)炉内石灰石的喷入可显著降低SO2排放量,但可促进炉内NOx的生产。石灰石给料机频率由5.6 Hz升高至13.5 Hz,吸收塔进口SO2浓度由360.4 mg/m3降至6.9 mg/m3,锅炉出口NOx浓度由75.9 mg/m3升高至398.8 mg/m3。

(3)随炉内石灰石喷入量增加,炉内脱硫效果逐渐降低,为降低机组物料消耗,运行过程中,应合理选择脱硫剂的喷入量。