CFB鍋爐內外脫硫系統超低排放容量分配優化

張 磊，王少臣，苑廣存，李書元

(神華國能山東建設集團有限公司，山東 濟南 250001)

0 引 言

20世紀70年代初期，具有高效率、低污染、煤種適應性好的循環流化床燃燒技術產生。據此研發的CFB鍋爐脫硫效率高，在爐內加入適量的脫硫劑，可以有效脫去燃料在燃燒過程中生成的SO2，保證爐膛出口SO2質量濃度200～400 mg/Nm3[1-2]。

然而，為了應對日益嚴峻的環保壓力，2015年國家環保部印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工程工作方案》，要求東、中、西部有條件的燃煤電廠分別在2017年底、2018年底、2020年底前實現超低排放。即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別低于10、35、50 mg/m3。

CFB鍋爐單純依靠爐內脫硫滿足排放指標較為困難。因此，將成熟的爐外脫硫技術作為補充成為超低排放改造的主要技術方式，廣泛應用的有爐外濕法脫硫體系和爐外半干法脫硫體系[3-4]。

雖然將成熟的爐外脫硫技術組合實施可以滿足超低排放要求，但CFB鍋爐低成本脫硫抑氮的優勢消失。因此在既定的技術改造條件下，尋求最優的聯合運行方案成為節能降耗的必然選擇。魏星等[5]在某300 MW機組循環流化床鍋爐上進行了爐內干法與煙氣半干法聯合脫硫的匹配方式試驗研究，表明爐內干法與煙氣半干法聯合脫硫具有良好的穩定性和調節靈活性。辛勝偉[6]通過理論計算與實爐試驗相結合得出了采用煙氣循環流化床法脫硫工藝的鍋爐爐內爐外最佳的脫硫分配比例。祝云飛等[7]分析了SO2排放限值、原煤含硫量、機組負荷、年有效運行時間和脫硫設備初投資對爐內石灰石加爐外濕法煙氣脫硫系統經濟性的影響。

本文通過建立爐內外脫硫容量分配優化模型，調取大量運行數據，對采用不同類型脫硫工藝的機組進行經濟尋優，指導運行，以期在排放達標的前提下，保證機組綜合經濟性最高。

1 不同超低排放脫硫技術路線概況

1.1 爐外濕法脫硫

爐外濕法脫硫工藝主要由煙氣系統、吸收劑制備及供應系統、吸收塔系統、石膏脫水系統、廢水處理系統等組成。吸收劑一般為石灰石，基本流程是將粉狀石灰石制成漿液，噴入脫硫反應塔中，吸收煙氣中的SO2，未反應完全的漿液再循環，反應生成的CaSO3經氧化后生成CaSO4，含有CaSO4·2H2O的洗滌排出液經濃縮脫水生成副產品石膏[8]。

(1)

(2)

同時，固相石灰石CaCO3在水中溶解，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

漿液槽中物質是由石灰石、碳酸氫鈣和石膏等組成的漿狀混合物，其中部分被強制循環，部分作為產物排出，同時補充新鮮的石灰石漿液以維持pH值的穩定。

1.2 爐外半干法脫硫

爐外半干法脫硫工藝主要由煙氣系統、吸收塔系統、脫硫布袋除塵器系統、吸收劑制備及供應系統、脫硫灰再循環及排放系統、工藝水系統等組成。吸附劑為消石灰(Ca(OH)2)，基本流程是從預電除塵器出來的煙氣從底部進入吸收塔，在吸收塔里加入由生石灰消化制成的干式消石灰粉和水進行反應，除去煙氣中的SO2、SO3等物質。凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側向排出，經布袋除塵器、引風機排入煙囪。布袋除塵器收集的脫硫灰通過再循環系統返回吸收塔繼續參加反應[9]。

過程中主要的化學反應為生石灰與液滴結合產生的水合反應，即

(8)

SO2被液滴吸收，即

(9)

Ca(OH)2與H2SO3發生反應，即

(10)

部分CaSO3·1/2H2O被煙氣中的O2氧化，即

CaSO4·2H2O

(11)

2 爐內外脫硫容量分配優化模型建立

無論爐外采用濕法還是半干法的脫硫技術，都存在與爐內脫硫之間進行脫硫容量分配的問題。在爐外脫硫系統設計時，通常以選定的入口SO2濃度以及滿足超低排放所需達到的脫硫效率為依據。超低排放的標準是確定的，因此關乎脫硫容量分配的關鍵參數即爐外脫硫系統入口SO2濃度，即爐內脫硫效率。爐內外脫硫比例不僅決定爐外脫硫的基建成本，也決定爐內外脫硫劑的消耗量，并間接影響鍋爐效率及SNCR脫硝尿素的耗量[10-11]。

針對不同的運行條件及物料價格[12]，必然存在最佳的爐內外脫硫比例，使整個機組在排放達標的前提下，脫硫、脫硝物料消耗及鍋爐爐效的綜合經濟性最高。基于此，建立模型公式，即

(12)

式中，E為綜合經濟性指標，元/kWh;ωdes.in、ωden、ωdes.out、ωw分別為爐內脫硫劑、爐內脫硝尿素、爐外脫硫劑、爐外脫硫的水耗量，t/h;pdes.in、pden、pdes.out、pw、pf分別為爐內脫硫劑、爐內脫硝尿素、爐外脫硫劑、爐外脫硫用水、標煤的單價，元/t;ωe為爐外脫硫電耗量，kW/h;pe為脫硫用電單價，元/kW;P為機組有功功率，kW;ηt、Δηt分別為未添加脫硫劑時鍋爐效率、添加脫硫劑后鍋爐效率變化量，%;bg為未添加脫硫劑時機組發電煤耗，t/kWh。

表1為不同地域電廠爐內外脫硫分配的主要邊界參數。可見，不同負荷下，由于運行參數控制不同，尤其是床溫變化較大，達到相同爐內脫硫效率所需的鈣硫比差異較大。另外，由于電廠煤源不穩定，入爐煤收到基硫含量不相同，導致原始SO2排放濃度不同。因此，針對不同的邊界條件，存在不同的最佳爐內外脫硫容量分配。

表1 不同電廠爐內外脫硫容量分配主要邊界參數Table 1 Main boundary parameters of desulfurization capacity distribution of different power plants

試驗研究[13]表明，CaO在脫硫的同時，對NH3和O2反應起催化作用，不利于SNCR脫硝反應的進行。隨著鈣硫比的增加，煙塵中未參與反應的CaO含量增加，脫硝效率降低，要達到相同的脫硝效率，所需的尿素溶液流量增多。因此，在爐內外脫硫容量分配優化模型中，尿素消耗量即反映了脫硫劑對SNCR脫硝的影響。

3 爐內脫硫劑對鍋爐效率的影響

添加脫硫劑后鍋爐效率變化量是影響最佳爐內外脫硫容量分配的重要因素。脫硫劑(CaCO3)送入爐膛后先發生煅燒反應，除少量未反應外，絕大部分分解為CaO和CO2，煅燒反應為吸熱反應。部分CaO與煙氣中SO2發生硫酸鹽化反應生成CaSO4，同時消耗煙氣中的部分O2，脫硫鹽化反應為放熱反應。煅燒反應和脫硫鹽化反應總稱為脫硫反應[14-15]。

脫硫劑主要通過以下幾種途徑影響鍋爐效率:① 增加燃燒所需空氣量，改變煙氣組分和煙氣量;② 增加灰渣質量和灰渣顯熱損失;③ 煅燒吸熱反應和脫硫鹽化反應改變熱損失。

1)添加脫硫劑后，相對于單位入爐燃料，入爐灰分增加量為ωz，即

ωz=ωas.des+ωud(CaCO3)+ω(CaSO4)+ω(CaO)

(13)

式中，ωas.des、ωud(CaCO3)、ω(CaSO4)、ω(CaO)分別為相對于單位入爐燃料，脫硫劑灰分、未分解的CaCO3質量分數、生成的CaSO4質量分數、未參與脫硫反應的CaO質量分數。

2)添加脫硫劑后，相對于單位入爐燃料，需要的理論干空氣增加量為Va.d.th.z，即

(14)

式中，ωS.ar為入爐燃料中收到基硫的質量分數;η(SO2)為脫硫效率。

3)添加脫硫劑后，相對于單位入爐燃料，需要的理論干煙氣增加量為Vfg.d.th.z，即

Vfg.d.th.z=0.79Va.d.th.z+0.698 9×

(15)

式中,r(Ca/S)為鈣硫比;η(CaCO3)為碳酸鈣分解率。

4)添加脫硫劑后，相對于單位入爐燃料，空預器出口處煙氣水蒸氣體積增加量為Vwv.fg.AH.z，即

Vwv.fg.AH.lv.z=1.24(1.293αVa.d.th.zha+ωm.des)

(16)

式中，α為空預器出口處過量空氣系數;ha為空氣絕對濕度;ωm.des為相對于單位入爐燃料量的脫硫劑中水分質量分數。

5)添加脫硫劑后煅燒吸熱和脫硫鹽化放熱化學反應式分別為

則添加脫硫劑后鍋爐排煙損失增量為

Q2.z=(tfg.AH.lv-tre)×

[Vfg.d.th.z+(a-1)Va.d.th.z+Vwv.fg.AH.lv.z]

(17)

添加脫硫劑后固體未完全燃燒熱損失增量為

(18)

添加脫硫劑后灰、渣物理顯熱損失增量為

(19)

添加脫硫劑后脫硫熱損失量為

151.59η(SO2)]

(20)

忽略石灰石入爐后升溫吸熱以及對煙氣露點溫度的影響[16]，則添加脫硫劑后鍋爐效率降低量為

(21)

式中，tfg.AH.lv為空預器出口煙氣溫度,℃;tre為基準溫度,℃;ωs、ωas分別為爐渣、飛灰占燃料總灰量的質量分數,%;ωc.s、ωc.as分別為爐渣、飛灰中可燃物的質量分數,%;cs、cas分別為爐渣、飛灰的比熱容,J/(kg·℃);ts、tas分別為爐渣、飛灰的溫度,℃。

表2、3為某135 MW CFB鍋爐爐效實測數據。可見，添加脫硫劑后對鍋爐效率影響最大的為石灰石脫硫熱損失的增加，占比超過70%，且隨著Ca/S的變化，該項熱損失變化率最大，占比超過90%，遠超其他熱損失。因此Δηt可近似表示為石灰石脫硫熱損失q7。

表2 鍋爐爐效Table 2 Boiler efficiency calculation

表3 添加脫硫劑后鍋爐各項熱損失的增量Table 3 Increment of boiler heat loss after addingdesulphurizer

分析脫硫熱損失的計算公式，對于正常運行的鍋爐,一般碳酸鈣分解率η(CaCO3)=98%，因而在一定的脫硫效率下，脫硫熱損失隨Ca/S變化，存在臨界鈣硫比，當實際Ca/S低于臨界值時，脫硫熱損失為負值，即石灰石的添加會使鍋爐效率提高;當實際鈣硫比高于臨界值時，脫硫熱損失為正值，石灰石的添加使鍋爐效率降低。不同脫硫效率對應的臨界Ca/S如圖1所示。實際Ca/S和脫硫效率在直線上時，脫硫熱損失為0;在直線下方時，脫硫熱損失為正值;在直線上方時，脫硫熱損失為負值。

圖1 不同脫硫效率對應的脫硫熱損失臨界鈣硫比Fig.1 Critical calcium sulphur ratio of desulfurization heat loss corresponding to different desulfurization efficiency

4 實例分析

A電廠單機容量135 MW，鍋爐為自然循環、單汽包、一次中間再熱超高壓循環流化床鍋爐。爐內噴鈣脫硫裝置從爐前墻7個下二次風口中的4個向爐內輸送石灰石粉。爐外煙氣脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，噴淋塔按處理100%煙氣量設計，入口SO2質量濃度800 mg/Nm3，脫硫效率95%。脫硫相關物料價格:石灰石118元/t，水3.1元/t，電0.259 5元/kWh，尿素1 850元/t，標煤752元/t。根據爐內外脫硫容量分配優化模型獲得不同負荷和入爐煤收到基硫含量條件下單位發電量脫硫費用和爐內脫硫容量占比的關系(圖2)。

圖2 A、B電廠不同邊界條件下爐內外脫硫容量分配優化Fig.2 Optimization of desulfurization capacity distribution under different boundary conditions in A and B plant

B電廠單機容量350 MW，鍋爐為超臨界直流、一次中間再熱、單爐膛緊身封閉布置、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構、水冷滾筒式冷渣器的循環流化床鍋爐，采用“低床溫、低床壓”燃燒技術，床溫設計為850～890 ℃，爐內脫硫效率90%以上。爐內脫硫石灰石粉采用雙路氣力輸送管道輸送，經分配器分為3路送至返料器斜腿與循環灰混合后進入爐膛。爐外脫硫采用煙氣循環流化床半干法脫硫工藝，處理能力按照入口SO2質量濃度1 750 mg/Nm3設計，脫硫效率95%。脫硫相關物料價格:石灰石89元/t，生石灰333元/t，水3元/t，電0.25元/kWh，尿素1 388元/t，標煤660元/t。根據爐內外脫硫容量分配優化模型獲得不同負荷下單位發電量脫硫費用和爐內脫硫容量占比的關系如圖2所示。

5 結 論

1)對于爐內外兩級脫硫的CFB鍋爐，存在最優的爐內外脫硫容量比例，使整個機組在排放達標的前提下，脫硫、脫硝物料消耗及鍋爐爐效的經濟性最高，且該最優比例隨著邊際條件的改變而改變。

2)爐外脫硫工藝形式不同，最佳爐內外脫硫容量比例不同。這是因為不同脫硫工藝原理不同，所用脫硫劑不同，消耗的物料量有所差異。A電廠平均爐內Ca/S高于B電廠(尤其在高負荷下)，這也是造成2者最佳爐內外脫硫容量比例不同的原因。

3)根據試驗數據，在不考慮單體優化的情況下，單純進行爐內外脫硫分配優化，A電廠機組可節省0.2分/kWh，B電廠機組可節省0.1分/kWh。若按4 000 h計算，A電廠單機發電量5.4億kWh，全年節約費用108萬元，相當于降低煤耗2.66 g/kWh。B電廠單機發電量14 kWh，全年節約費用140萬元，相當于降低煤耗1.52 g/kWh。可見，對于爐內外兩級脫硫的CFB鍋爐，爐內外脫硫容量分配優化是一項兼顧節能減排的有效手段。