循環(huán)流化床機組大氣污染物排放運行優(yōu)化研究

洪衛(wèi)林

摘 要：隨著火電廠大氣污染物排放標準要求日益嚴格，循環(huán)流化床機組大氣污染物排放控制運行綜合優(yōu)化的研究成為重點。以CFB機組"爐內(nèi)脫硫+煙氣SNCR+尾部濕法脫硫"的大氣污染物排放控制技術(shù)路線為例，對爐內(nèi)脫硫、濕法脫硫、脫硝和綜合電耗等進行了經(jīng)濟性分析，確立了CFB機組大氣污染物運行優(yōu)化技術(shù)路線。結(jié)合活性石灰石量、煤質(zhì)含硫量校正、SO2及O2預(yù)測模型，提出了CFB機組爐內(nèi)脫硫動態(tài)優(yōu)化控制方案，克服SO2在動態(tài)運行過程中瞬時值超限的控制難題。該文提出的CFB機組大氣污染物運行優(yōu)化技術(shù)路線和爐內(nèi)脫硫動態(tài)優(yōu)化控制方法均在實際機組進行了運行試驗，驗證了其可行性。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床機組；大氣污染物；經(jīng)濟性分析；運行控制優(yōu)化

引言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)因燃料適應(yīng)性廣、污染排放控制成本低等優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速。截至2016年，我國CFB鍋爐機組的總投運容量約1億kW，占火電裝機總?cè)萘康?2%以上。當前我國50%左右的煤炭用于發(fā)電，這一比重到2020年需提高到60%以上。環(huán)境保護部提出，新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度需要達到燃氣輪機組排放濃度限值，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3的要求。國家環(huán)保局對現(xiàn)運行機組的大氣污染物排放指標也日益嚴苛，電廠人員在運行控制中需要考慮SO2和NOx的排放，對運行參數(shù)調(diào)整，導(dǎo)致機組的經(jīng)濟效益有所降低。

1經(jīng)濟性分析

CFB鍋爐可在爐內(nèi)加入脫硫劑進行脫硫，脫硫效率較高，同時由于低溫燃燒，NOx原始生成量相對煤粉爐較低。目前國家對煙氣排放指標的要求，越來越嚴格，而國內(nèi)很多的CFB鍋爐脫硫效率僅停留在80%左右，如果要達到較高的脫硫效率，需要增加脫硫劑，更普遍的是需要在尾部增加煙氣脫硫裝置，例如濕法脫硫、半干法脫硫等。而爐內(nèi)爐外脫硫的機理和效果差異較大，甚至與脫硝過程有一定的耦合，合理分配爐內(nèi)外脫硫比例、優(yōu)化控制CFB機組大氣污染物排放運行有利于進一步增加CFB鍋爐的競爭力。在機理分析的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)濟性分析是一種有效的方法。對于已安裝一定容量尾部濕法脫硫裝置的CFB機組，裝置的采購費等已無需考慮，主要矛盾在如何分配爐內(nèi)外脫硫比例、控制綜合運行成本。大氣污染物排放優(yōu)化運行的經(jīng)濟性分析主要包括爐內(nèi)脫硫成本、濕法脫硫成本、脫硝成本和綜合電耗成本。

2大氣污染物穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化

CFB機組的大氣污染物穩(wěn)態(tài)優(yōu)化根據(jù)電廠是否建設(shè)尾部脫硫設(shè)備分成兩種情況。若電廠已經(jīng)建設(shè)一定容量的外部設(shè)備，則在考慮經(jīng)濟性的時候不會再考慮其建設(shè)成本，而單從運行角度考慮成本，此時需要結(jié)合尾部脫硫設(shè)備的容量。反之，則需同時考慮運行成本和建設(shè)成本，因此，提出的CFB機組大氣污染物運行優(yōu)化技術(shù)路線，也能為CFB機組尾部脫硫設(shè)備的選型提供依據(jù)，并尋找對應(yīng)工況下機組大氣污染控制運行的最優(yōu)參數(shù)[1]。

2.1穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化

穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化是在已有脫硫脫硝設(shè)備的基礎(chǔ)上進行運行參數(shù)的調(diào)整達到最優(yōu)經(jīng)濟性，最關(guān)鍵的是確定各工況下對應(yīng)的爐內(nèi)爐外脫硫比例。運行最優(yōu)工況由于不同機組的煤價、氨水價格、石灰石價格等不同會有一定的區(qū)別。在CFB機組穩(wěn)態(tài)運行過程中，風(fēng)煤配比不變，煤質(zhì)波動不大的前提下，SO2和NOx的原始生成量基本不變，結(jié)合各項成本計算不難得到最優(yōu)的脫硫脫硝運行工況。

2.2設(shè)備選型

在電廠設(shè)計階段，根據(jù)鍋爐滿負荷設(shè)計參數(shù)，在上述最優(yōu)脫硫脫硝運行工況基礎(chǔ)上，考慮脫硫脫硝塔建造和運維成本，能夠為電廠脫硫脫硝設(shè)備選型提供理論參考。一些運行參數(shù)，如煤量風(fēng)量等選取的是滿負荷工況下的基本數(shù)值，故在一般情況下對選型結(jié)果影響變化不大。而模型中，石灰石價格、氨水價格等參數(shù)對于不同電廠變化較大，會對設(shè)備選型結(jié)果造成較大的影響。同時，不同地區(qū)爐膛出口SO2濃度排放要求不同，也會一定程度影響設(shè)備選型。若將該思路應(yīng)用在試驗對象上，可得對于試驗CFB機組而言，其濕法脫硫設(shè)備設(shè)計值為100%容量，而在滿負荷下最佳的運行比例爐內(nèi)[Ca]/[S]為0.6，爐外脫硫量并不需要100%，甚至不到70%，某種程度上并不經(jīng)濟。因此建議在選型之前根據(jù)建立的經(jīng)濟性模型做相對應(yīng)的試驗，選擇合理的型號。

3大氣污染物動態(tài)控制優(yōu)化

隨著火電行業(yè)對大規(guī)模新能源的消納，AGC指標及一次調(diào)頻等考核對CFB機組的要求愈發(fā)嚴格，導(dǎo)致了在CFB機組運行過程中，動態(tài)工況增多，時常處在動態(tài)調(diào)整過程中。在CFB機組動態(tài)運行過程中，風(fēng)煤配比受到負荷調(diào)節(jié)的影響波動較大，因此SO2和NOx的原始生成量也隨之明顯變化，這就對脫硫脫硝的控制提出了更高的要求。大氣污染物動態(tài)值超限是目前CFB機組仍需克服的難題。解決這個難題，需綜合考慮CFB機組爐內(nèi)爐外調(diào)節(jié)速率，由于尾部脫硫設(shè)備控制方式和手段基本已經(jīng)成熟，維持爐內(nèi)脫硫反應(yīng)的穩(wěn)定性，保證爐膛原始排放量的穩(wěn)定至關(guān)重要[2]。

3.1傳統(tǒng)爐內(nèi)脫硫控制

CFB機組配風(fēng)調(diào)節(jié)手段有限。二次風(fēng)量與煤粉爐比較，調(diào)節(jié)設(shè)備有限；一次風(fēng)量受床壓和最低流化風(fēng)的限制，其調(diào)節(jié)范圍也有限；流化風(fēng)量從啟動到滿負荷原則上要求固定風(fēng)量，因此需要考慮爐膛的正常流化狀態(tài)；一次風(fēng)階躍擾動會引起床溫、氧量等變化對象具有逆向反應(yīng)的特點。在傳統(tǒng)的爐內(nèi)脫硫控制中，加入石灰石引起二氧化硫變化是大延遲、大慣性的控制對象，所以一般采用串級控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器用于維持煙氣中二氧化硫含量，使其與給定值相等，副調(diào)節(jié)器接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號和石灰石流量的反饋信號，副調(diào)節(jié)器的輸出控制石灰石給粉機。

3.2爐內(nèi)脫硫動態(tài)優(yōu)化

石灰石作用于CFB鍋爐的脫硫劑和床料，其床料中的含量直接影響鍋爐的脫硫效率和燃燒效率，因此測知爐膛中的燃料量和活性石灰石含量，對爐內(nèi)脫硫進行提前控制，對提高鍋爐燃燒控制性能具有重要的意義。此外，由于CFB燃燒技術(shù)的煤種適應(yīng)范圍廣，含硫量變化范圍寬，同時煤具有自脫硫能力，煤質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致煤中含硫量也相應(yīng)改變，為高效控制石灰石供給量，需要煤質(zhì)硫分在線檢測。

結(jié)束語

本文提出的CFB機組大氣污染物運行優(yōu)化技術(shù)路線和爐內(nèi)脫硫動態(tài)優(yōu)化控制理論已得到應(yīng)用，仍有優(yōu)化空間，需深入研究理論體系，推進工程應(yīng)用。

參考文獻：

[1]王學(xué)深. 135MW循環(huán)流化床鍋爐低NOx排放運行優(yōu)化研究[D]. 華北電力大學(xué)， 2015.

[2]樊文. 大型循環(huán)流化床機組超低排放技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 華北電力大學(xué)， 2017.