350 MW大型循環(huán)流化床鍋爐SO2和NOx超低排放運行特性研究*

趙 強 傅 斌 金 燕 周 托

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，030024 太原；2.寧波光耀熱電有限公司，315466 浙江寧波；3.清華大學能源與動力工程系，100084 北京)

0 引 言

循環(huán)流化床(circulating fluidized bed，CFB)燃燒技術因其燃料適應性廣、燃燒效率高、負荷調(diào)節(jié)性能好、污染物控制成本低等特點，逐步發(fā)展成為一種具有代表性的潔凈煤技術[1-3]。近幾十年來，CFB燃燒技術在我國得到了快速發(fā)展，尤其在處理矸石和煤泥等低熱值燃料方面優(yōu)勢非常明顯[4-6]。CFB燃燒技術相對溫和燃燒方式，可以大幅度控制NOx的排放質(zhì)量濃度[7-8]，通過向CFB鍋爐爐膛內(nèi)直接加入石灰石即可實現(xiàn)SO2有效脫除[9-10]。

隨著我國環(huán)保標準不斷嚴格，國內(nèi)絕大部分地區(qū)的燃煤機組執(zhí)行煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別不高于10 mg/m3，35 mg/m3，50 mg/m3的超低排放要求[11]，這對于CFB鍋爐提出了新的挑戰(zhàn)。在SO2排放控制方面，CFB鍋爐僅僅通過爐內(nèi)脫硫已很難達到SO2超低排放的要求[12-13]。雖然采用超細石灰石爐內(nèi)脫硫技術可獲得較高的脫硫效率[14-15]，但對于燃用較高硫含量的煤種，單純依靠爐內(nèi)脫硫?qū)崿F(xiàn)SO2超低排放并長周期穩(wěn)定運行存在較大難度[16]。因此，采用爐內(nèi)外耦合的深度脫硫技術就成為了必然選擇。

CFB鍋爐的主流深度脫硫技術主要包括尾部半干法脫硫[17]和尾部濕法脫硫技術[18]，而采用爐內(nèi)脫硫結合尾部半干法的脫硫路線對于CFB鍋爐具有突出優(yōu)勢[19-20]。本試驗的研究對象為某電廠350 MW超臨界CFB鍋爐機組，采用了爐內(nèi)脫硫結合尾部半干法脫硫的深度脫硫技術路線。由于實際燃用煤種硫含量遠超設計值，對鍋爐穩(wěn)定實現(xiàn)超低排放提出一定挑戰(zhàn)，因此有必要分析鍋爐在燃用非設計煤種時爐內(nèi)和尾部半干法脫硫系統(tǒng)的運行情況。本研究通過實爐試驗，探究了鍋爐在燃用三種不同煤種以及在燃用最大含硫量煤種的三個不同負荷下超低排放系統(tǒng)的運行特性，并對爐內(nèi)和尾部脫硫脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了分析。

1 實驗部分

1.1 研究對象

某電廠1#和2#機組配套的鍋爐型號為DG1150/25.4-II1型超臨界直流循環(huán)流化床鍋爐(上海，東方鍋爐廠)，采用單布風板、單爐膛、M型布置、平衡通風、一次中間再熱。鍋爐配置了三個高溫蒸汽冷卻式旋風分離器，每個旋風分離器下布置一個一進二出的返料器。機組選用了爐內(nèi)脫硫結合尾部半干法脫硫工藝的SO2超低排放技術路線，為保證爐內(nèi)脫硫的效率，鍋爐的設計床溫嚴格控制在850 ℃～890 ℃，爐內(nèi)采用噴入石灰石的方式進行爐內(nèi)初步脫硫，設計爐內(nèi)脫硫效率不低于90%。爐內(nèi)脫硫的鈣硫物質(zhì)的量比不高于1.9；尾部半干法脫硫采用噴入生石灰的方式進行深度脫硫，設計尾部脫硫效率不低于98%，尾部半干法脫硫塔的鈣硫物質(zhì)的量比不高于2.0。同時，機組采用低氮燃燒結合旋風分離器入口噴射尿素溶液的SNCR(selective non-catalytic reduction)技術路線，最終保證機組排入大氣的煙氣中NOx，SO2和粉塵的質(zhì)量濃度分別不高于50 mg/m3，35 mg/m3和10 mg/m3(折算至φ(O2)=6%，NOx以NO2計，下同)。

1.2 煤質(zhì)條件

鍋爐設計煤種的硫元素質(zhì)量分數(shù)為0.3%，但在實際運行過程中，燃用煤質(zhì)的硫元素質(zhì)量分數(shù)遠高于設計值，這對于鍋爐穩(wěn)定實現(xiàn)SO2超低排放提出了更高要求。表1所示為鍋爐在運行期間，三種不同入爐煤的工業(yè)分析和元素分析。由表1可以看出，入爐煤的低位發(fā)熱量均不超過12 MJ/kg，全硫含量均超過設計煤質(zhì)的硫含量。

表1 三種入爐煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of three kinds of coals for boiler

1.3 實驗方法

開展實爐試驗的基本條件為機組最終的煙氣滿足超低排放要求，因此，具體設定的NOx最終排放質(zhì)量濃度為40 mg/m3，SO2最終排放質(zhì)量濃度為20 mg/m3。本試驗考察鍋爐在燃用三個煤種(coal type 1，coal type 2，coal type 3)，以及鍋爐在燃用最高硫含量煤種(coal type 3)的三種不同負荷(350 MW，240 MW，170 MW)下，爐內(nèi)和尾部半干法脫硫系統(tǒng)的運行情況，獲得了爐內(nèi)和尾部半干法脫硫的影響關系，從而尋求最佳的爐內(nèi)脫硫和尾部脫硫運行匹配方案。

試驗方案為：在不同試驗工況下，通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)的鈣硫物質(zhì)的量比，控制爐膛出口煙氣的5種SO2質(zhì)量濃度(400 mg/m3，600 mg/m3，800 mg/m3，1 200 mg/m3，1 400 mg/m3或1 600 mg/m3或1 700 mg/m3)；通過調(diào)節(jié)尾部半干法脫硫塔的鈣硫物質(zhì)的量比，控制最終煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度不超過20 mg/m3。同時，通過調(diào)節(jié)SNCR系統(tǒng)的尿素投入量，控制最終煙氣中NOx排放質(zhì)量濃度不超過40 mg/m3。具體試驗工況如表2所示。

1.4 經(jīng)濟性分析方法

本試驗僅討論超低排放系統(tǒng)的運行費用，不考慮設備投資、折舊、維護及人工等費用。CFB鍋爐超低排放的運行費用，主要包括爐內(nèi)脫硫、尾部脫硫以及脫硝的運行費用(含石灰石消耗、生石灰消耗、尿素消耗和電耗等費用[21])，并在此基礎上構建了如下經(jīng)濟性分析模型。

表2 試驗工況Table 2 Experimental working conditions

1.4.1 爐內(nèi)脫硫運行費用

1) 爐內(nèi)脫硫消耗石灰石費用

石灰石費用V1(元/h)為：

(1)

式中：a為石灰石純度，取0.9；K為煤中硫轉化為SO2的比例，取0.9；Bj為燃料消耗量，t/h；w(Sar)為收到基硫的質(zhì)量分數(shù)，%；Kglb為爐內(nèi)脫硫鈣硫物質(zhì)的量比(由實爐試驗數(shù)據(jù)擬合)；u1為石灰石單價，元/t。

2) 爐內(nèi)脫硫電耗費用

爐內(nèi)脫硫的石灰石主要采用壓縮空氣送入爐膛，石灰石制備設備的電機總額定功率為500 kW，石灰石產(chǎn)量為40 t/h，空壓機功率為373 kW，壓縮空氣量為71.4 m3/min，運行電費V2(元/h)為：

(2)

式中：β為壓縮空氣系數(shù)，取1.92；Bs為爐內(nèi)石灰石噴入量，t/h；u2為上網(wǎng)電價，元/(kW·h)；Cd為石灰石粒徑修正系數(shù)。

1.4.2 尾部半干法脫硫運行費用

1) 生石灰費用

(3)

2) 脫硫塔電耗費用

(4)

式中：P為半干法脫硫塔系統(tǒng)總電耗，kW。

1.4.3 SNCR脫硝還原劑費用

CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫也帶來了SNCR脫硝系統(tǒng)尿素的消耗，通過實爐試驗數(shù)據(jù)擬合獲得了爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與尿素消耗量的關系。

V3=100w(urea)quu3

(5)

式中：V3為尿素脫硝費用，元/h；w(urea)為尿素溶液的質(zhì)量分數(shù)，%；u3為尿素單價，元/t；qu為不同工況下尿素溶液消耗量與爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比的擬合關系，t/h。

綜上所述，針對350 MW超臨界CFB機組超低排放的運行成本V(元/h)為：

(6)

機組在實際運行過程中均要滿足超低排放要求，設定最終排放的煙氣中NOx質(zhì)量濃度為40 mg/m3，SO2的質(zhì)量濃度約為20 mg/m3。同時，按石灰石的到廠價格為80元/t，生石灰的到廠價格為450元/t，尿素的到廠價格為2 000元/t，電價為0.3元/(kW·h)計算。

2 結果與討論

2.1 不同煤種的影響

通過實爐試驗獲得了爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比、尾部脫硫塔鈣硫物質(zhì)的量比與鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度的變化關系，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與SNCR脫硝系統(tǒng)尿素噴入量的關系，并對試驗數(shù)據(jù)進行了擬合用于后續(xù)經(jīng)濟性分析。

圖1所示為鍋爐在燃用三個煤種條件下，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度以及與爐內(nèi)脫硫效率的關系。由圖1a可以看出，為達到相同的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度，含硫量高的煤種需要更高的爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比。三個煤種的收到基硫質(zhì)量分數(shù)w(Sar)分別為0.82%，1.21%和1.62%，在保證鍋爐出口的SO2排放質(zhì)量濃度為400 mg/m3時，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比分別為2.30，2.36和2.43。由圖1b可以看出，在相同的爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比條件下，隨著燃用煤種硫含量增加，爐內(nèi)脫硫效率隨之增加。這主要是由于隨著鈣硫物質(zhì)的量比增加，燃用含硫量高的煤種時投入爐膛內(nèi)的石灰石量增加更快，在相同的爐膛反應空間內(nèi)，過量的石灰石對于SO2的脫除效果更好[22-23]。

圖1 三個煤種的爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度和爐內(nèi)脫硫效率的關系Fig.1 Relationship between n(Ca)∶n(S) and mass concentration of SO2 at boiler outlet desulfurization efficiency of three kinds of coals

圖2所示為鍋爐在燃用三個煤種條件下，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比的關系。由圖2可以看出，為保證最終排放的煙氣中SO2質(zhì)量濃度不超過20 mg/m3，隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度增加，尾部脫硫塔內(nèi)的鈣硫物質(zhì)的量比隨之提高。鍋爐燃用三個不同煤種時，脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比總體上差異不大，但高含硫量煤種的脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比略低，這主要是由于進入脫硫塔的煙氣中含有未完全反應的CaO，在脫硫塔內(nèi)增濕的條件下，補充了一部分脫硫塔內(nèi)脫硫反應需要的生石灰[16]。

圖3所示為鍋爐在燃用三個煤種條件下，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與SNCR脫硝系統(tǒng)尿素投入量的關系。由圖3可以看出，在鍋爐燃用三個煤種并滿足NOx超低排放的條件下，隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度降低，SNCR脫硝系統(tǒng)的尿素投入量快速增加。結合圖1可以發(fā)現(xiàn)，為使鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度達到設定值，當鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度降低時，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比顯著增加，即爐內(nèi)石灰石投入量增加，這是由于CFB鍋爐運行中石灰石的投入會增加燃燒過程中NOx的生成[13，24-25]。

由圖3還可知，煤種的收到基硫質(zhì)量分數(shù)w(Sar)分別為0.82%，1.21%和1.62%，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度為400 mg/m3，同時保證鍋爐最終NOx排放濃度為40 mg/m3時，50%(質(zhì)量分數(shù))的尿素溶液投入量分別增加至960 L/h，716 L/h和488 L/h。

圖3 三個煤種的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與SNCR脫硝系統(tǒng)尿素投入量的關系Fig.3 Relationship between mass concentration of SO2 at boiler outlet and urea flow of SNCR system of three kinds of coals

2.2 不同機組負荷的影響

本試驗研究了鍋爐在燃用高含硫量煤種(coal type 3)時，三種典型負荷(350 MW，240 MW，170 MW)下爐內(nèi)和尾部脫硫系統(tǒng)的運行情況。

圖4所示為鍋爐燃用coal type 3煤種，機組在三種負荷下，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度和爐內(nèi)脫硫效率的關系。由圖4a可以看出，隨著機組負荷降低，為達到相同的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比略有減小。在機組負荷為350 MW，240 MW和170 MW，保證鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度為400 mg/m3時，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比分別為2.43，2.10和2.09。由圖4b可以看出，在相同的爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比條件下，隨著機組負荷降低，爐內(nèi)脫硫效率隨之增加。這主要是由于機組負荷為350 MW，240 MW和170 MW時，爐膛出口氧氣體積分數(shù)分別為1.8%，2.5%和3.6%，低負荷下過剩的氧氣體積分數(shù)有利于爐內(nèi)脫硫反應生成更穩(wěn)定的CaSO4，從而提高爐內(nèi)固硫能力[24]。同時隨著鍋爐負荷降低，鍋爐平均床溫有所降低，也有利于爐內(nèi)干法脫硫的提高[25-26]。

圖4 三種負荷下爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比與鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度和爐內(nèi)脫硫效率的關系Fig.4 Relationship between n(Ca)∶n(S) and mass concentration of boiler outlet SO2, desulfurization efficiency under three kinds of loads

圖5所示為鍋爐燃用coal type 3煤種，機組在三種負荷下，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比和SNCR脫硝系統(tǒng)尿素投入量的關系。由圖5a可以看出，隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度由400 mg/m3上升到1 600 mg/m3時，脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比由1.2上升至1.9左右。隨著機組負荷降低，脫硫塔內(nèi)的鈣硫比略有降低，這仍然是由于低負荷時進入脫硫塔的煙氣中含氧量增加，提高了固硫的效率[24]。由圖5b可以看出，隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度增加，爐內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比有所降低，CFB鍋爐運行中石灰石的投入會增加燃燒過程中NOx的生成[13，24-25]。在機組為240 MW時，尿素投入量為三種負荷中最低，這主要是兩方面的原因：一是在機組350 MW負荷下，爐膛燃燒溫度最高，此時生成的NOx也最高，因此需要投入更多的尿素；二是在機組170 MW負荷下，爐膛燃燒溫度大幅降低，雖然生成的NOx有所降低，但爐膛出口溫度降低使得SNCR脫硝效率也大幅度降低，導致了尿素投入量增多，甚至高于機組在350 MW負荷時的尿素投入量。

圖5 三種負荷下鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與脫硫塔內(nèi)鈣硫物質(zhì)的量比和SNCR脫硝系統(tǒng)尿素投入量的關系Fig.5 Relationship between mass concentration of SO2 at boiler out and urea flow of SNCR system under three kinds of loads

2.3 經(jīng)濟性分析結果與討論

通過模型計算獲得了鍋爐在三個煤種的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與運行費用的關系(如圖6所示)。由圖6可以看出，運行費用隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，并存在最低的運行費用[27-28]。由圖6還可以看出，隨著煤種的收到基硫質(zhì)量分數(shù)增加，最低運費所對應的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度逐漸升高，在煤種含硫量分別為0.82%，1.21%，1.62%時，運費費用最低點對應的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度分別在1 016 mg/m3，1 158 mg/m3，1 259 mg/m3。因此，調(diào)節(jié)爐內(nèi)脫硫程度，控制鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度在1 000 mg/m3～1 300 mg/m3之間，機組實現(xiàn)超低排放的運行費用最低，可獲得最佳經(jīng)濟性。

圖6 三個煤種下鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與運行費用的關系Fig.6 Relationship between mass concentration of boiler outlet SO2 and operating cost of three kinds of coals

圖7所示為鍋爐在燃用三個煤種條件下，滿足超低排放要求的運行費用分布情況。由圖7可以看出，隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度增加，爐內(nèi)石灰石投入量減少，進而生成的NOx減少，尿素產(chǎn)生的運行費用減少。

圖8所示為鍋爐燃用coal type 3煤種，機組在三種負荷下，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與運行費用的關系。由圖8可以看出，在機組三種負荷下，運行費用隨著鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。機組三種負荷下運行費用最低時，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度均在1 200 mg/m3～1 300 mg/m3之間。由此可見，機組負荷的改變不會改變鍋爐出口最佳SO2質(zhì)量濃度的選擇。

圖9所示為鍋爐燃用coal type 3煤種，在三種負荷下超低排放的單位運行費用。由圖9可以看出，在機組350 MW，240 MW，770 MW負荷下，控制半干法脫硫塔進口SO2質(zhì)量濃度為1 200 mg/m3時，滿足超低排放要求的單位運行費用分別為0.086元/(kW·h)，0.078元/(kW·h)和0.085元/(kW·h)。由圖9還可以看出，在機組負荷為240 MW時，滿足超低排放要求的運行費用最低。這主要是由于在此負荷下，一方面爐內(nèi)的整體脫硫效率較高，同時爐內(nèi)NOx生成量也較低，加之SNCR系統(tǒng)的脫硝效率也較高，相同條件下石灰石和尿素的單位消耗量最低。

圖7 三個煤種下實現(xiàn)超低排放的運行費用Fig.10 Operating cost of realizing ultra-low emission of three kinds of coalsa—Coal type 1；b—Coal type 2；c—Coal type 3

350 MW超臨界CFB機組在超低排放設計階段，已經(jīng)對可能出現(xiàn)的煤質(zhì)波動情況進行了考慮，留有一定的設計余量，但實際上入爐煤的硫質(zhì)量分數(shù)仍大幅高于設計值。機組自投運以來，其鍋爐燃用煤質(zhì)并不穩(wěn)定，但仍一直按超低排放的要求穩(wěn)定運行。近一年來，入爐煤的硫質(zhì)量分數(shù)均在1.5%以上，這對現(xiàn)有的超低排放系統(tǒng)，尤其是脫硫系統(tǒng)的運行帶來了很大壓力。從目前運行情況來看，最終煙氣排放仍能穩(wěn)定滿足超低排放要求，通過研究也確定了在現(xiàn)有煤質(zhì)條件下的優(yōu)化運行方案，體現(xiàn)了該超低排放系統(tǒng)運行的潛力。

圖8 三種負荷下鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度與運行費用的關系Fig.8 Relationship between mass concentration of SO2 at boiler outlet and operating cost under three kinds of loads

3 結 論

1) CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫結合尾部半干法脫硫的超低SO2排放技術，可充分發(fā)揮CFB燃燒技術的自身優(yōu)勢。實爐試驗表明，在入爐煤種硫含量遠高于設計值的情況下，仍可以穩(wěn)定滿足超低排放要求，體現(xiàn)了爐內(nèi)脫硫結合尾部半干法脫硫系統(tǒng)的運行潛力。

圖9 三種負荷下超低排放的單位運行費用Fig.9 Operating cost of ultra-low emission under three kinds of loads

2) 實爐試驗及模型分析表明，兩級脫硫系統(tǒng)中，通過合理控制爐內(nèi)脫硫程度(即改變鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度)，存在最佳的系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。煤種硫質(zhì)量分數(shù)的變化直接影響著系統(tǒng)的經(jīng)濟運行方式，在煤種硫質(zhì)量分數(shù)為0.82%，1.21%，1.62%時，計算運行費用最低點對應的鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度分別為1 016 mg/m3，1 158 mg/m3，1 259 mg/m3。

3) 鍋爐燃用硫質(zhì)量分數(shù)為1.62%的煤種時，機組在三種典型負荷(350 MW，240 MW和170 MW)下，鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度在1 200 mg/m3～1 300 mg/m3范圍時，超低排放系統(tǒng)運行費用最低；鍋爐出口SO2質(zhì)量濃度為1 200 mg/m3時，超低排放系統(tǒng)運行費用分別為0.086元/(kW·h)，0.078元/(kW·h)和0.085元/(kW·h)。