300 MW CFB鍋爐熱效率與污染物排放對比試驗研究

王智浩，趙 斌，，張子晗，王琪霖，馬 杰，杜 磊

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院 河北 唐山 063210；2.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 湖南 長沙 410114；3.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

“雙碳”背景下，煤炭從主體能源逐步向基礎(chǔ)能源和調(diào)峰能源轉(zhuǎn)變，2020年我國煤電機組裝機容量占比為49.07%.為構(gòu)建穩(wěn)定的新型電力系統(tǒng)，必須推動高效、清潔燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展[1-5].針對循環(huán)流化床鍋爐效率和污染物控制問題，眾多學(xué)者開展了大量的研究.李振慶等[6]通過對2臺鍋爐進行熱效率和空預(yù)器漏風(fēng)試驗，探究了熱效率與漏風(fēng)系數(shù)的關(guān)系，為其電廠的運行優(yōu)化提供了參考.高建強等[7]通過定量計算探究了鍋爐空預(yù)器不同部位的漏風(fēng)系數(shù)對鍋爐效率的影響，并提出了相應(yīng)的治理措施.宦宣州等[8]研究了濕法脫硫吸收塔對細顆粒物的脫除作用，并通過冷態(tài)試驗獲得了煙氣流速和入口粉塵濃度對除塵效率的影響規(guī)律.諶莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)采用電袋復(fù)合除塵技術(shù)對除塵器進行改造后，粉塵排放濃度由46.1 mg/m3降至21.2 mg/m3，且降低了運行能耗.牛擁軍等[10]研究發(fā)現(xiàn)隨著脫硫漿液pH值升高，鈣硫比與石灰石耗量隨之增加，選擇合適的漿液pH值可使石灰石消耗量降低7%.

本文基于某300 MW亞臨界循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐，在穩(wěn)定運行工況下對鍋爐機組大修前后的熱效率和污染物排放強度進行了對比試驗，大修期間機組未進行其他改造.通過對比試驗，探究了鍋爐大修前后熱效率和污染物脫除效率的變化規(guī)律及其影響因素.

1 設(shè)備概述

1.1 鍋爐概況

試驗的CFB機組為亞臨界、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、冷卻式旋風(fēng)分離器、固態(tài)排渣汽包爐，其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示.

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

1.2 除塵設(shè)備

機組配備2臺除塵器，每臺除塵器由板式靜電(預(yù))除塵器(兩級電場)與布袋除塵器組合.電袋復(fù)合式除塵器的脈動清灰控制采用壓差(定阻)和定時兩種控制方式，可相互轉(zhuǎn)換.壓差檢測點分別設(shè)置在除塵器的進出口總管處.當(dāng)達到設(shè)定的壓差值或時間周期時，除塵器各排濾槽依次進行脈動清灰.清灰程序的執(zhí)行由主控柜(Programmable Logic Controller，PLC)自動控制.除塵器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

表2 除塵器主要技術(shù)參數(shù)

1.3 石灰石濕法脫硫設(shè)備

機組采用石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝(Wet Flue Gas Desulfurization，WFGD)，其工藝流程如圖1所示.

圖1 濕法煙氣脫硫工藝流程

2 性能指標

依據(jù)相關(guān)國家及行業(yè)標準，鍋爐熱效率、除塵效率和脫硫效率計算式如下：

(1)鍋爐熱效率

鍋爐熱效率是鍋爐性能重要指標之一，通常采用反平衡法計算[12]，添加脫硫劑后的鍋爐熱效率計算式為

η=100%-(q2+q3+q4+q5+q6+q7)，

(1)

公式中：η為鍋爐效率，%；q2排煙熱損失，%；q3可燃氣體化學(xué)未完全燃燒損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%；q7為脫硫熱損失，%.

(2)空預(yù)器漏風(fēng)率

空預(yù)器漏風(fēng)率試驗過程中，按網(wǎng)格法測量空預(yù)器出入口煙氣中氧含量，空預(yù)器漏風(fēng)率計算式為

Δαk=α″-α′，

(2)

公式中：Δαk為空預(yù)器漏風(fēng)率，%；α″為空預(yù)器出口煙氣的過量空氣系數(shù)，%；α′為空預(yù)器入口煙氣的過量空氣系數(shù)，%.

(3)除塵效率

電除塵器效率試驗過程中，按網(wǎng)格法測量電除塵器進出口煙塵濃度，煙塵濃度通過煙塵測試儀測試，除塵效率計算式為

(3)

公式中：η為除塵器除塵效率，%；Cin為進口煙氣含塵濃度(標準狀態(tài)下干燥煙氣)，mg/m3；Cout為出口煙氣含塵濃度(標準狀態(tài)下干燥煙氣)，mg/m3；Δα為除塵器漏風(fēng)率，%.

(4)脫硫效率

脫硫效率試驗過程中，按網(wǎng)格法測量脫硫系統(tǒng)入口煙氣和出口煙氣SO2濃度，脫硫效率計算式為

(4)

公式中：CSO2-rawgas為折算至α=1.4下脫硫系統(tǒng)入口煙氣中SO2濃度，mg/m3；CSO2-cleangas為折算至α=1.4下脫硫系統(tǒng)出口煙氣中SO2濃度，mg/m3.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

相關(guān)測試在鍋爐穩(wěn)定運行工況下進行，主要運行參數(shù)如表3所示.

表3 鍋爐主要運行參數(shù)

在試驗中，進風(fēng)溫度改變會引起排煙溫度的變化，需依據(jù)《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》對排煙溫度進行修正[11]，計算式如下：

(5)

鍋爐大修前后排煙溫度經(jīng)公式(5)修正后分別為119.8 ℃和138.5 ℃.大修前后鍋爐熱效率試驗結(jié)果如表4所示，空預(yù)器漏風(fēng)試驗結(jié)果如表5所示，除塵器效率試驗結(jié)果如表6所示，脫硫效率試驗結(jié)果如表7所示.

表4 鍋爐熱效率試驗結(jié)果

表5 空預(yù)器漏風(fēng)試驗結(jié)果

表6 除塵器效率試驗結(jié)果

表7 脫硫效率試驗結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 鍋爐熱效率

由表4可知，鍋爐大修后熱效率提高了3.28%，大修前后各項熱損失中，q4、q7、q6和q2的變化較為明顯，其中，q4、q7和q6分別下降了2.21%、0.753%和0.69%，q2上升了0.38%.

(1)固體未完全燃燒熱損失q4

鍋爐固體未完全燃燒熱損失q4主要受飛灰可燃物含量和爐渣可燃物含量的影響，其計算式為

(6)

通過鍋爐大修后試驗數(shù)據(jù)分析，爐渣中灰量占總灰量由63.06%降至39.62%，飛灰可燃物含量變化不大，而爐渣可燃物含量由7.66%下降至0.96%，從而使q4明顯下降.大修前后飛灰可燃物和爐渣可燃物含量對比如圖2所示.

圖2 大修前后飛灰、爐渣可燃物含量對比

爐渣含碳量是反應(yīng)鍋爐運行狀況的重要指標之一.隨著灰渣含碳量的降低，鍋爐熱效率提升明顯.因此，為了降低灰渣含碳量，可通過調(diào)整風(fēng)煤比、提高二次風(fēng)剛性、優(yōu)化運行床溫等方法來改善燃燒，降低q4.

(2)脫硫熱損失q7

在循環(huán)流化床爐內(nèi)脫硫過程中，石灰石中的CaCO3先受熱分解，生成CaO和CO2，CaO與煙氣中的硫氧化物反應(yīng)形成硫酸鈣，石灰石爐內(nèi)脫硫反應(yīng)和熱量變化可用以下化學(xué)反應(yīng)式來表示[12].

石灰石受熱分解反應(yīng)：

CaCO3=CaO+CO2-1 830 kJ/kg.

(7)

固硫反應(yīng)：

(8)

脫硫熱損失計算式為

(9)

公式中：Sar為煤質(zhì)中硫含量，%；rCa/S為鈣硫摩爾比；ηCaCO3為石灰石中CaCO3的質(zhì)量分數(shù)，%；ηSO2為脫硫效率，%.

鈣硫摩爾比較低時，固硫反應(yīng)放出熱量大于分解反應(yīng)吸收熱量，脫硫熱損失呈現(xiàn)負值，但隨著鈣硫摩爾比增大，石灰石分解吸熱增多，固硫反應(yīng)放熱有限，脫硫熱損失將增大.因此采用合適的鈣硫摩爾比有利于減少脫硫熱損失[13]，甚至為鍋爐提供部分熱量，進一步提升鍋爐效率.

(3)灰渣物理熱損失q6

灰渣物理熱損失的計算式為

(10)

由公式(10)可得，灰渣物理熱損失的主要影響因素為煤質(zhì)灰分、排渣溫度、排煙溫度和灰渣比，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，大修后爐渣占總灰量的質(zhì)量分數(shù)相比于大修前下降了23.44%.在燃用煤質(zhì)變化不大的情況下，飛灰在鍋爐效率計算邊界的溫度要低于爐渣在鍋爐效率計算邊界的溫度，因此降低爐渣比有利于降低灰渣物理熱損失，提升鍋爐效率.

(4)排煙熱損失q2

由表4可得，鍋爐大修后q2有所增加，主要是由于空預(yù)器漏風(fēng)以冷端漏風(fēng)為主，因此漏風(fēng)降低后，排煙溫度升高，從而使得排煙熱損失略有升高.

由表5和公式(2)可得，檢修前空預(yù)器A、B兩側(cè)漏風(fēng)率分別為16.53%和13.35%.一般情況下空預(yù)器漏風(fēng)量將影響排煙溫度及排煙氧量，通過試驗可得空預(yù)器漏風(fēng)系數(shù)減小.檢修后空預(yù)器A、B兩側(cè)漏風(fēng)率分別為3.66%和3.31%，漏風(fēng)率降低，可在有效降低排煙量的同時，減少引風(fēng)機和送風(fēng)機的電耗[14].空預(yù)器A、B兩側(cè)大修前后漏風(fēng)率對比如圖3所示.

圖3 大修前后空預(yù)器漏風(fēng)率變化

3.2.2 除塵效率

由公式(3)和表6可得，鍋爐大修后A除塵器和B除塵器的除塵效率分別為99.94%和99.95%，相比于大修前僅提高了0.03%和0.05%.除自身性能外，除塵器效率還受除塵器漏風(fēng)率的影響，其計算式為

(11)

公式中：qvout為除塵器出口標況煙氣量，m3/h；qvin為除塵器進口標況煙氣量，m3/h.

圖4 大修前后除塵器漏風(fēng)率對比

由公式(11)可得，鍋爐大修后A、B除塵器漏風(fēng)率分別下降了0.38%和0.32%.大修前后除塵器漏風(fēng)率的對比如圖4所示.

除塵器阻力計算式為

(12)

當(dāng)阻力過大時，附著在布袋上的煙塵在壓力的作用下會透過布袋，使得除塵器效率降低[15].同時過高的阻力會減少進入除塵系統(tǒng)的煙氣量，從而也會影響除塵效果.由公式(12)計算得，大修后A、B除塵器阻力分別下降了85 Pa和100 Pa，大修前后除塵器阻力對比如圖5所示.

圖5 大修前后除塵器阻力對比

鍋爐經(jīng)過大修后，除塵效率略有提高，除塵器阻力下降，除塵性能得到一定程度的提升，單位時間內(nèi)除塵器能夠處理更多的煙氣，除塵器出口粉塵濃度也得到降低.除塵器出口排放濃度計算式為

(13)

公式中：C為采樣后粉塵濃度，mg/Nm3；G2為采樣后濾筒重，mg；G1為采樣前濾筒重，mg；VSND為采樣煙氣標態(tài)體積，Nm3.

由公式(13)可得，鍋爐大修后A、B兩除塵器出口折算煙塵濃度分別下降了1.3 mg/Nm3和5.7 mg/Nm3，B除塵器大修后除塵效果更好，折算煙塵濃度平均值下降了27.1%，煙塵脫除性能得到改善.大修前后A、B兩除塵器出口折算煙塵濃度對比如圖6所示.

圖6 大修前后除塵器出口折算煙塵濃度對比

3.2.3 脫硫效率

由表7可知，鍋爐大修后脫硫效率由99.45%降為99.16%.對比鍋爐大修前后脫硫系統(tǒng)運行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，檢修后引風(fēng)機開度降低，煙氣流速下降，脫硫系統(tǒng)入口煙氣中污染物濃度上升，脫硫塔入口段煙道內(nèi)漏風(fēng)嚴重，擾流明顯.因此推測濕法煙氣脫硫效率下降的原因為脫硫塔入口段煙道內(nèi)流場紊亂，導(dǎo)致脫硫塔內(nèi)煙氣霧化不充分，煙氣中的SO2不能與石灰石漿液充分接觸.為提升該機組濕法煙氣脫硫效率，需研究脫硫塔入口段煙道內(nèi)部的流場分布情況，并通過運行調(diào)整和結(jié)構(gòu)改造對脫硫塔入口段煙道進行優(yōu)化[16].

4 結(jié) 論

依據(jù)性能試驗規(guī)程，對某電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐進行大修前后熱效率與污染物排放對比試驗，探究了循環(huán)流化床鍋爐熱效率與污染物脫除效率的變化規(guī)律.

(1)檢修后空預(yù)器漏風(fēng)率得到明顯降低，設(shè)備可靠性得到顯著提升；通過降低灰渣含碳量、優(yōu)化鈣硫摩爾比等措施使鍋爐效率上升了3.28%.

(2)檢修后除塵器性能得到提升，單位時間內(nèi)處理的煙氣量更多.通過改善除塵器漏風(fēng)率、減小除塵器阻力等手段降低煙氣流速，延長除塵時間，可降低除塵器出口煙塵濃度.

(3)受脫硫塔入口段煙道漏風(fēng)影響，鍋爐大修后WFGD系統(tǒng)脫硫效率下降了0.29%，可通過運行調(diào)整或結(jié)構(gòu)改造，優(yōu)化脫硫塔入口段煙氣流場，提高脫硫效率.