流化床鍋爐燃用府谷煤污染物特性試驗研究

彭北松，劉行磊，丁 蕓

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 京海 010600)

流化床鍋爐燃用府谷煤污染物特性試驗研究

彭北松1，劉行磊1，丁 蕓2

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731；2.京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 京海 010600)

重點研究了府谷煤采用流化床燃燒技術(shù)時正常運(yùn)行床溫穩(wěn)定燃燒試驗工況下污染物排放特性。試驗結(jié)果表明，府谷煤污染物原始排放主要影響因素為運(yùn)行床溫、爐內(nèi)投入石灰石量和運(yùn)行氧量。運(yùn)行過程中，通過調(diào)整一次風(fēng)量等參數(shù)嚴(yán)格控制平均運(yùn)行床溫<910℃，能夠避免變負(fù)荷過程N(yùn)OX排放較大波動。結(jié)合府谷煤的燃盡特性、NOX和SO2排放特性，綜合協(xié)調(diào)控制運(yùn)行床溫、SNCR脫硝噴氨量、爐內(nèi)投入石灰石量和運(yùn)行氧量等參數(shù)，實現(xiàn)府谷煤的潔凈、經(jīng)濟(jì)和高效燃燒。

300 MW CFB鍋爐；府谷煤；污染物特性

0 引 言

循環(huán)流化床鍋爐以其廣泛的燃料適應(yīng)性、高的燃料燃燒效率和低污染物排放等良好特性，在潔凈煤燃燒發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛商業(yè)應(yīng)用[1-3]。研究表明：流化床燃燒技術(shù)的NOX污染物排放主要隨著燃料揮發(fā)分含量的增加而增大，隨著煤質(zhì)品質(zhì)的下降而增大。流化床鍋爐中煤的礦物質(zhì)可以吸收燃燒過程釋放的SO2，流化床燃燒過程的這一特性被稱為煤的固有脫硫能力(即自脫硫能力)。流化床燃燒具有低溫燃燒特性，使得爐內(nèi)加入脫硫劑(如CaO等堿金屬氧化物)吸收SO2并形成穩(wěn)定的硫酸鹽化合物，實現(xiàn)流化床鍋爐的爐內(nèi)高效脫硫。

目前，采用流化床燃燒技術(shù)燃用陜西府谷煤燃燒特性和污染物排放特性試驗研究很少；而工程生產(chǎn)中急需找到影響NOX、SO2排放的主要運(yùn)行參數(shù)指導(dǎo)運(yùn)行，因此，在陜西榆林新元潔能清水川電廠2×300 MW亞臨界CFB鍋爐上，對陜西府谷煤進(jìn)行了燃燒和污染物排放特性試驗研究。從鍋爐運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性和污染物排放控制等角度進(jìn)行比較分析，為流化床鍋爐燃用陜西府谷煤優(yōu)化設(shè)計和工程運(yùn)行提供重要數(shù)據(jù)支持。

1 試驗爐型介紹

試驗鍋爐為東方鍋爐股份有限公司自主開發(fā)、設(shè)計制造的300 MW循環(huán)流化床鍋爐，見表1。鍋爐為循環(huán)流化床、亞臨界參數(shù)，一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐、緊身封閉、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、爐頂設(shè)輕型金屬屋蓋。鍋爐主要由1個膜式水冷壁爐膛，3臺冷卻式旋風(fēng)分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井(HRA)3部分組成。爐膛內(nèi)前墻布置有6片中溫過熱器管屏、6片高溫過熱器管屏及6片高溫再熱器管屏，后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

注：g表示表壓。

鍋爐共布置有8個給煤口，全部布置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室兩側(cè)布置有一次熱風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)型式為從風(fēng)室兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，空氣預(yù)熱器一二次風(fēng)出口均在兩側(cè)。爐膛下部左右側(cè)的一次風(fēng)道內(nèi)分別布置有2臺點火燃燒器。6個排渣口布置在爐膛后水冷壁下部，分別對應(yīng)6臺滾筒式冷渣器。

爐膛與尾部豎井之間，布置有3臺冷卻式旋風(fēng)分離器，其下部各布置1臺“U”閥回料器，回料器為一分為二結(jié)構(gòu)，保證了沿爐膛深度方向上回料的均勻性；尾部采用雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置了3組低溫再熱器，后煙道布置有4組低溫過熱器，向下前后煙道合成1個，在其中布置有H型鰭片管式省煤器和臥式空氣預(yù)熱器。過熱器系統(tǒng)中設(shè)有兩級噴水減溫器，再熱器系統(tǒng)中布置有事故噴水減溫器和微噴減溫器。

2 煤質(zhì)特性

該CFB鍋爐設(shè)計燃料為低熱值褐煤，試驗煤質(zhì)為陜西府谷煤，見表2所示。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 SO2排放特性

這里設(shè)計煤質(zhì)的SO2理論最大排放值為952 mg/Nm3，設(shè)計Ca/S摩爾比為2.0條件下折算SO2保證排放值為100 mg/Nm3(干煙氣、6%氧量)。

試驗燃燒煤質(zhì)(即陜西府谷煤)的SO2理論最大排放值為1 470 mg/Nm3。對流化床鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗工況，在不添加石灰石前提下，得到府谷煤的SO2實際排放值為447～759.6 mg/Nm3(見表3)。

試驗數(shù)據(jù)表明，府谷煤的SO2排放值隨著運(yùn)行床溫的升高而升高，隨著運(yùn)行氧量的升高而降低；然而，燃料的燃盡率隨著運(yùn)行氧量的升高而提高，隨著運(yùn)行床溫升高而提高，因此尋求一個合理的運(yùn)行床溫和運(yùn)行氧量試驗工況，對府谷煤的燃盡特性和污染物排放特性顯得尤為重要。試驗數(shù)據(jù)表明，控制流化床鍋爐運(yùn)行氧量<3.25%和運(yùn)行床溫<916℃，能夠?qū)崿F(xiàn)陜西府谷煤自脫硫效率為69.5%，表明府谷煤的自脫硫特性良好。

表2 試驗期間燃用煤質(zhì)分析

表3 陜西府谷煤污染物排放試驗參數(shù)匯總

3.2 運(yùn)行床溫對NOX排放影響

結(jié)合府谷煤燃燒調(diào)整不同運(yùn)行工況參數(shù)，歸納總結(jié)了平均運(yùn)行床溫對府谷煤NOX折算原始排放量影響曲線(不添加石灰石，不投運(yùn)SNCR脫硝設(shè)備)，見圖1所示。試驗結(jié)果表明，隨著運(yùn)行床溫的升高，床溫對NOX折算原始排放量的影響程度越明顯。

圖1 府谷煤燃燒過程折算NOX原始排放與床溫關(guān)系

3.3 運(yùn)行氧量對NOX排放影響

圖2給出了機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為190 MW期間，陜西府谷煤的運(yùn)行氧量與NOX排放值的關(guān)系曲線。在運(yùn)行負(fù)荷、平均床溫和噴氨量相對穩(wěn)定的工況下，NOX排放值隨著運(yùn)行氧量的升高而明顯升高。

圖2 府谷煤燃燒過程氧量對NOX排放影響

3.4 爐內(nèi)脫硫?qū)OX排放影響

試驗在投運(yùn)SNCR脫硝設(shè)備，爐內(nèi)不投運(yùn)石灰石穩(wěn)定滿負(fù)荷工況下，省煤器入口平均氧量值2.0%，平均運(yùn)行床溫約為930 ℃，對應(yīng)折算標(biāo)況下SO2排放值為738.7 mg/m3，NOX排放值為72.50 mg/m3。

在向爐內(nèi)逐漸添加石灰石量并穩(wěn)定后，省煤器入口平均氧量值為2.0%，平均運(yùn)行床溫約為930 ℃，折算標(biāo)況下SO2排放值為453.8 mg/m3，NOX排放值為108.7 mg/m3。即向爐內(nèi)添加石灰石實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫效率為70%時，對應(yīng)折算標(biāo)況NOX排放值從72.50 mg/m3升高到108.7 mg/m3，增 長 絕 對 值

36.2 mg/m3，其增長相對幅度為50%。試驗數(shù)據(jù)表明，對CFB鍋爐燃用陜西府谷煤值而言，爐內(nèi)石灰石脫硫?qū)ξ廴疚颪OX排放影響較大。

3.5 噴氨量對NOX排放影響

分別在發(fā)電機(jī)組300 MW兩組試驗工況，在其他運(yùn)行參數(shù)保持不變的情況下(如機(jī)組負(fù)荷、運(yùn)行氧量、運(yùn)行床溫和配風(fēng)等參數(shù))，通過改變旋風(fēng)分離器入口位置SNCR脫硝設(shè)備的噴入氨量方式，考察噴氨量對脫硝效率的影響。

試驗表明：試驗工況A(機(jī)組負(fù)荷300 MW、氧量2.0%、平均床溫930℃、一次風(fēng)率46.8%)，噴入氨水量由1.39 m3/h降至0 m3/h時，NOX排放值為由70.3 mg/m3升至307 mg/m3(折算標(biāo)況)，表明SNCR脫硝設(shè)備的脫硝效率為77.1%；

試驗工況B(機(jī)組負(fù)荷300 MW、氧量3.32%、平均床溫914℃、一次風(fēng)率47.2%)，噴入氨水量由1.18 m3/h升至1.37 m3/h時，NOX排放值由54.31 mg/m3降至36.14 mg/m3(折算標(biāo)況)，爐內(nèi)脫硝效率增加12%。

4 結(jié) 論

1)試驗數(shù)據(jù)表明，府谷煤的SO2排放隨著運(yùn)行床溫的升高而升高，隨著運(yùn)行氧量的升高而降低。額定機(jī)組負(fù)荷300 MW工況下，不向爐內(nèi)添加石灰石，控制流化床鍋爐運(yùn)行氧量<3.25%和運(yùn)行床溫<916℃時，對應(yīng)府谷煤的自脫硫效率為69.5%，表明采用流化床鍋爐燃用府谷煤能夠?qū)崿F(xiàn)很高的自脫硫效率。

2)開展了NOX排放燃燒調(diào)整試驗，重點研究了石灰石、運(yùn)行床溫、運(yùn)行氧量、噴氨量等因素對NOX排放特性的影響。試驗表明：府谷煤NOX排放隨著運(yùn)行床溫、運(yùn)行氧量的升高而升高；流化床爐內(nèi)石灰石脫硫?qū)Ω让篘OX排放影響較大；流化床燃燒技術(shù)采用SNCR脫硝設(shè)備，其脫硝效率高達(dá)77%。

3)試驗研究表明，府谷煤污染物原始排放主要影響因素為運(yùn)行床溫、爐內(nèi)投入石灰石量和運(yùn)行氧量。機(jī)組在變負(fù)荷過程中運(yùn)行參數(shù)變化幅度較大，容易造成NOX排放產(chǎn)生較大波動。

運(yùn)行過程中，建議通過調(diào)整一次風(fēng)量等參數(shù)嚴(yán)格控制平均運(yùn)行床溫<910℃，有效避免變負(fù)荷過程N(yùn)OX排放產(chǎn)生較大波動。結(jié)合府谷煤燃盡特性、NOX和SO2排放，協(xié)調(diào)控制運(yùn)行床溫、SNCR脫硝噴氨量、爐內(nèi)投入石灰石量和運(yùn)行氧量等參數(shù)，實現(xiàn)府谷煤的潔凈、經(jīng)濟(jì)和高效燃燒。

[1] 岑可法.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計與運(yùn)行[M]. 北京: 中國電力出版社, 1998.

[2] 劉行磊，宋剛，徐國輝，等.東方鍋爐300 MW機(jī)組CFB鍋爐混煤燃燒試驗研究[J].東方電氣評論，2015(1)：32-36.

[3] 劉德昌, 閻維平. 流化床燃燒技術(shù)[M].北京: 中國電力出版社, 1998.

The pollutant discharge characteristics of Fugu(Shanxi province)coal are mainly studied when using fluidized bed combustion technology in normal running bed temperature under stable combustion test condition. The experimental results show that the main influencing factors for original pollutant discharge of Fugu coal is running bed temperature, amount of limestone into furnace and running oxygen content in the flue gas. In the process of operation, strictly controlling the average running bed temperature less than 910℃ by adjusting the parameters such as primary air flow, can avoid the large fluctuations of NOXemissions in load change process. Combining with burnout characteristics of Fugu coal and emission characteristics of NOXand SO2, the clean, economic and efficient combustion of Fugu coal will be realized by comprehensively coordinating control parameters such as running bed temperature and SNCR denitration spray amount of ammonia, amount of limestone into furnace and running oxygen content in the flue gas etc.

300 MW CFB boiler; Fugu coal; pollutant characteristics

TK229.6

A

1003-6954(2017)03-0091-04

2017-01-13)

彭北松(1961)，工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐調(diào)試工作；

劉行磊(1984)，碩士研究生、工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐研制工作；

丁 蕓(1968)，從事循環(huán)流化床機(jī)組調(diào)試、運(yùn)行優(yōu)化及生產(chǎn)技術(shù)管理工作。