循環(huán)流化床機組環(huán)保參數(shù)異常原因分析與對策

杜佳軍，張 鵬，韓新建

(神華集團循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、環(huán)保性能好、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，已成為低熱值燃料清潔高效利用的有效途徑[1]。我國通過消化吸收和自主研發(fā)，CFB鍋爐單機容量、裝機規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性均已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，CFB鍋爐技術(shù)也實現(xiàn)了由超高壓、亞臨界到超臨界的過渡，目前正在開展超超臨界CFB鍋爐關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)[2-3]。

CFB鍋爐通常采用爐內(nèi)添加石灰石脫除SO2、低溫分級燃燒實現(xiàn)低NOx排放，煙塵控制工藝與煤粉鍋爐類似。隨著我國大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求的逐步嚴(yán)格，多數(shù)CFB機組增設(shè)了爐外脫硫脫硝設(shè)施，而其環(huán)保參數(shù)控制也越發(fā)重要[4]。CFB鍋爐存在熱慣性大、爐內(nèi)脫硫滯后、爐內(nèi)脫硫抑氮矛盾等特性[5]，在機組啟停、運行及變負(fù)荷過程中，受煤質(zhì)變化、運行調(diào)整控制和設(shè)備穩(wěn)定性等影響，易出現(xiàn)環(huán)保參數(shù)波動頻繁、瞬時值高等異常現(xiàn)象，直接影響機組安全環(huán)保運行。

1 環(huán)保參數(shù)控制

CFB鍋爐燃燒溫度在800～900 ℃，該溫度既可控制NOx的生成，又是石灰石脫硫反應(yīng)的最佳溫度，因此將石灰石與燃煤一同送入爐內(nèi)即可實現(xiàn)高效脫硫，實踐證明其效率大于90%[6]。CFB鍋爐燃燒溫度低、爐內(nèi)還原氣氛強，NOx原始排放濃度一般在200 mg/m3左右，通過技術(shù)改造及運行優(yōu)化后仍有下降空間[7]。爐外脫硫工藝中，除石灰石-石膏濕法脫硫外，CFB機組還可選擇循環(huán)流化床半干法脫硫，其效率可達(dá)90%以上[8]。選擇性非催化還原(SNCR)脫硝是CFB機組常見爐外脫硝工藝，脫硝效率≥75%[9]。CFB機組除塵工藝主要有布袋除塵、電袋復(fù)合除塵等。

現(xiàn)行大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[10]下，CFB機組脫硫工藝一般以爐內(nèi)噴鈣脫硫為主，脫硝工藝主要采用低溫分級燃燒及SNCR脫硝，除塵工藝為布袋除塵或電袋復(fù)合除塵。為了滿足大氣污染物超低排放要求，某些企業(yè)提出爐內(nèi)噴鈣+爐外循環(huán)流化床半干法脫硫、爐內(nèi)低溫分級燃燒+爐外SNCR脫硝、高效布袋除塵的CFB機組污染物控制技術(shù)路線[11]。同時，部分CFB發(fā)電企業(yè)也采用了石灰石-石膏濕法脫硫、SNCR脫硝、電袋除塵+屋脊式除霧器等污染物超低排放技術(shù)工藝，如圖1所示。上述CFB機組污染物控制技術(shù)工藝路線均能滿足大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 CFB機組污染物超低排放技術(shù)路線

2 參數(shù)異常分析

CFB機組環(huán)保參數(shù)異常現(xiàn)象按原因可分為設(shè)備故障、運行調(diào)整及自動控制、啟停機3類。從機組運行狀況看，環(huán)保參數(shù)異常主要集中在SO2和NOx，占比80%以上。某公司近5年CFB機組環(huán)保參數(shù)異常統(tǒng)計如圖2所示。

圖2 某公司近5年CFB機組環(huán)保參數(shù)異常統(tǒng)計

2.1 SO2異常分析

CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫影響因素有床溫、煤質(zhì)、石灰石品質(zhì)及Ca/S等。床溫影響石灰石活性、脫硫反應(yīng)速率等。燃煤硫含量越高，SO2排放量越大。不同石灰石的反應(yīng)活性不同，石灰石粒度對脫硫反應(yīng)有較大影響，最佳平均粒徑為100～500 μm。在給煤量一定的條件下，Ca/S是影響爐內(nèi)脫硫效率的最重要因素[12]。循環(huán)流化床半干法脫硫和石灰石-石膏濕法脫硫效率均與Ca/S相關(guān)。CFB鍋爐運行中燃煤硫含量變化大、煤倉堵煤、回料器返料不暢、石灰石系統(tǒng)故障、運行調(diào)整及自動控制不佳是造成SO2異常的主要原因。機組啟停過程中氧含量高導(dǎo)致排放折算高，易造成參數(shù)異常。

燃煤硫含量變化大時，SO2排放濃度會出現(xiàn)較大波動而導(dǎo)致參數(shù)異常，硫含量變化大與煤源穩(wěn)定性、燃煤摻配均勻性等相關(guān)。煤倉堵煤直接影響給煤系統(tǒng)運行的可靠性，某給煤機斷煤后，相鄰給煤機出力增加，使?fàn)t內(nèi)局部燃燒增強，SO2瞬時值增大，導(dǎo)致參數(shù)異常。煤倉堵煤受煤質(zhì)、煤倉結(jié)構(gòu)等影響，煤的含水率越高，黏度越大；粒度越小，團聚能力越強，流動性變差，出現(xiàn)堆積、搭橋及黏壁現(xiàn)象[13]。煤倉下部一般為錐形結(jié)構(gòu)，由上至下豎直方向上的壓力產(chǎn)生的摩擦力逐漸增大，90%以上的煤倉堵塞均發(fā)生在煤倉下部出口1～2 m內(nèi)。

回料器返料不暢影響爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定性，石灰石給料泵下料不暢等影響其給入及均勻性，2者均影響設(shè)備運行的可靠性及爐內(nèi)脫硫反應(yīng)進(jìn)程，從而導(dǎo)致參數(shù)異常。回料器返料不暢的原因除耐火材料脫落堵塞回料閥外，還與一、二次風(fēng)量增減過大、過急等相關(guān)[14]。石灰石給料泵下料不暢一般由石灰石粉黏結(jié)堵塞排氣管而影響正常排氣，使步序無法繼續(xù)造成。CFB機組AGC(automatic generation control)投入后，指令變化大或頻繁時，給煤量波動大易引起燃燒異常。在二次風(fēng)量跟蹤滯后、石灰石量未及時調(diào)整時，風(fēng)、煤、石灰石配比不合理，最終出現(xiàn)參數(shù)異常。

2.2 NOx異常分析

CFB鍋爐燃燒生成的NOx主要是燃料型NOx，其濃度受氧含量(氧化還原氣氛)、床溫等因素影響，而爐內(nèi)脫硫添加的石灰石經(jīng)煅燒后得到的CaO也會對NOx生成具有一定的促進(jìn)作用[15]。低氧燃燒有利于抑制NOx生成，隨著床溫升高,NOx濃度增大。對于SNCR脫硝，其效率主要受氨氮摩爾比、反應(yīng)溫度、接觸時間、還原劑噴入點等影響。CFB鍋爐NOx異常主要發(fā)生在機組啟停過程中，該階段爐膛出口溫度低、氧含量高，既無法滿足SNCR脫硝窗口溫度要求，又因氧含量高而折算的排放濃度高。機組運行中，NOx異常主要由運行調(diào)整及自動控制品質(zhì)不佳等造成。

CFB鍋爐啟停過程中，為維持最低運行風(fēng)量，氧含量一般在8%以上，此時NOx原始濃度雖較低但折算后仍較高(圖3)，無法滿足超低排放要求。一些電廠為了保證SO2滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，機組啟停過程中投入過量的石灰石，增加了NOx濃度。SNCR脫硝窗口溫度為750～1 000 ℃，CFB鍋爐啟停階段爐膛出口溫度通常在700 ℃以下，SNCR投入時脫硝效率低且氨逃逸大。機組運行中，降負(fù)荷時給煤減少量與二次風(fēng)減少量匹配性差，在氧含量急劇增加后易出現(xiàn)NOx異常現(xiàn)象。此外，SNCR脫硝還原劑輸送管道調(diào)節(jié)閥門易卡澀，導(dǎo)致NOx異常。

圖3 CFB鍋爐啟動階段爐膛出口溫度及NOx濃度

2.3 煙塵異常分析

CFB鍋爐采用除塵工藝有布袋除塵和電袋復(fù)合除塵，煙塵排放濃度一般在20 mg/m3以下。布袋除塵效率與煙塵性質(zhì)、濾袋材質(zhì)、運行阻力等有關(guān)，除此以外，電袋復(fù)合除塵還與煙氣性質(zhì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)等相關(guān)。電袋復(fù)合除塵充分發(fā)揮電除塵和布袋除塵各自優(yōu)點，前級電場收集了大部分煙塵，后級濾袋使用壽命進(jìn)一步延長。CFB鍋爐運行中煙塵異常由濾袋破損、CEMS系統(tǒng)故障等造成，CEMS系統(tǒng)故障包括煙塵儀鏡片臟污、煙氣預(yù)處理冷凝器故障等。機組啟停過程中，氧含量高導(dǎo)致煙塵折算高，易出現(xiàn)參數(shù)異常。此外，煙囪入口負(fù)壓波動大也會引起煙塵異常。

CFB機組運行中，除塵器濾袋破損后效率下降，造成煙塵異常。CEMS系統(tǒng)中煙塵分析方法有直接測量和抽取測量2種，直接測量多采用光散射法，抽取測量主要采用振蕩天平法[16]。直接測量中，由于吹掃風(fēng)量小及反吹壓縮空氣含水等原因造成煙塵儀鏡片臟污后，反射光強度減弱而導(dǎo)致參數(shù)異常。由于管路堵塞、溫控和電源裝置運行錯誤等造成煙氣預(yù)處理冷凝器故障后，煙氣分析儀工作異常，處理時易出現(xiàn)氧含量超限而導(dǎo)致參數(shù)異常。此外，煙囪入口負(fù)壓波動會引起煙氣中粉塵分布不均，現(xiàn)場測量為點測量或線測量時易產(chǎn)生較大誤差而導(dǎo)致煙塵異常。

3 解決對策

3.1 設(shè)備故障措施

導(dǎo)致CFB機組環(huán)保參數(shù)異常的設(shè)備故障主要包括煤倉堵煤、回料器返料不暢、石灰石系統(tǒng)故障、SNCR脫硝還原劑輸送管道閥門卡澀、除塵器濾袋破損、CEMS系統(tǒng)煙塵儀鏡片臟污及煙氣預(yù)處理冷凝器故障等，其解決措施如下：

機組運行中，控制燃煤水分小于6%，最大不超過8%，燃煤粒度及分布符合要求，同時嚴(yán)格執(zhí)行機組停運煤倉燒空要求，防止燃煤長時間存放造成結(jié)塊、蓬煤等現(xiàn)象堵塞煤倉。煤倉防堵中，可采用雙曲線煤斗、旋轉(zhuǎn)式煤斗、煤倉內(nèi)敷設(shè)光滑襯板、設(shè)置倉壁振動器及液壓疏通機等，中心給煤機技術(shù)可有效解決煤倉堵煤問題[17]。

機組檢修中，采用“錘擊聽音法”等檢查分離器、回料器等耐火材料空響及松動現(xiàn)象，并及時處理開裂、凸起等缺陷，防止耐火材料大面積脫落堵塞回料器。優(yōu)化CFB機組升降負(fù)荷過程中一、二次風(fēng)風(fēng)量，減小變化幅度，同時控制爐膛床層顆粒濃度在合理范圍內(nèi)，尤其是上部差壓，防止鍋爐物料循環(huán)系統(tǒng)失衡問題發(fā)生。

嚴(yán)格控制鍋爐爐內(nèi)脫硫石灰石品質(zhì)(粒徑、水分等)滿足要求，在上料管道加裝濾網(wǎng)和磁性吸附裝置去除鐵塊等異物。嚴(yán)格控制SNCR脫硝尿素品質(zhì)及溶液內(nèi)雜物，檢查清理管道濾網(wǎng)等。嚴(yán)格管控CMES系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)，定期清理煙塵儀鏡片及分析煙塵數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)異常上漲及時處理，冷凝管故障處理時杜絕氧含量超限現(xiàn)象。

3.2 運行調(diào)整及自動控制

CFB機組運行中，燃煤硫含量變化大、電網(wǎng)AGC指令變化大或頻繁、參數(shù)操作調(diào)整不及時、爐內(nèi)脫硫及SNCR脫硝自動控制品質(zhì)不佳等易導(dǎo)致環(huán)保參數(shù)異常。

加強燃煤煤質(zhì)及摻配管理，控制入爐燃煤熱值和硫含量變化小于10%，減少污染物原始排放濃度波動；改進(jìn)鍋爐燃煤上煤方式，減少分倉上煤，避免局部污染物生成過高。優(yōu)化機組AGC調(diào)節(jié)速率設(shè)置，50%～75%負(fù)荷時為3 MW/min，75%負(fù)荷以上時為2～3 MW/min，穩(wěn)定燃燒工況，控制氧含量在合理范圍內(nèi)；根據(jù)機組每5 min/10 min AGC指令變化幅度及次數(shù)進(jìn)行自動閉鎖，避免污染物排放急劇波動；出現(xiàn)給煤機斷煤、石灰石系統(tǒng)故障等異常工況時，及時退出機組AGC調(diào)節(jié)。

CFB鍋爐運行調(diào)整中，維持一次風(fēng)量在小范圍內(nèi)變化，協(xié)同考慮調(diào)整給煤量、石灰石量及二次風(fēng)量，防止因爐內(nèi)脫硫抑氮矛盾特性導(dǎo)致參數(shù)異常；同時采用少量多次運行操作調(diào)節(jié)方式，提高機組變負(fù)荷工況下爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定性。優(yōu)化鍋爐爐內(nèi)石灰石脫硫和SNCR脫硝自動控制，增加SO2、NOx預(yù)估邏輯、負(fù)荷和氧量前饋等(圖4)；進(jìn)行SNCR脫硝還原劑調(diào)節(jié)流量特性試驗優(yōu)化自動噴入，針對機組高低負(fù)荷實現(xiàn)污染物給定值自動修改，異常工況時增加控制回路前饋作用。

圖4 爐內(nèi)脫硫及SNCR脫硝控制優(yōu)化原理

3.3 啟停機對策

CFB機組啟停過程中，導(dǎo)致環(huán)保參數(shù)異常的主要問題包括運行氧量高造成排放折算高、爐膛出口溫度偏低使得SNCR脫硝效率低、運行風(fēng)煤匹配不合理爐內(nèi)燃燒波動大等。

機組啟停過程中，保證爐內(nèi)流化正常情況下，降低運行氧含量在5%左右，并控制在合理范圍內(nèi)，以減少因氧含量高排放折算高導(dǎo)致的參數(shù)異常。進(jìn)行SNCR脫硝優(yōu)化運行試驗，研究較低爐膛出口溫度下(600 ℃)脫硝效率及運行方式，在氨逃逸不影響安全運行的基礎(chǔ)上降低NOx排放濃度(圖5)。嚴(yán)格控制機組啟停過程中一、二次風(fēng)機與引風(fēng)機風(fēng)量匹配，避免風(fēng)量大幅波動引起爐內(nèi)燃燒工況異常，同時減少煙囪入口負(fù)壓波動，由此控制污染物排放濃度的穩(wěn)定性。

圖5 較低爐膛出口溫度下SNCR脫硝效率試驗

此外，CFB機組啟動時采用消石灰作為爐內(nèi)脫硫劑，可在較低爐膛溫度下實現(xiàn)脫除SO2；充分匹配脫硫劑和給煤反應(yīng)時間、給煤量之間的關(guān)系，減緩SO2排放濃度的波動幅度；采用煙氣再循環(huán)技術(shù)控制運行氧含量在3%左右，盡可能降低NOx原始排放濃度；選擇合適的機組并網(wǎng)和解列時間點，避免由于CEMS系統(tǒng)計算原因?qū)е颅h(huán)保參數(shù)小時均值異常；提高機組設(shè)備運行安全可靠性及事故應(yīng)急處理能力，避免及減少因鍋爐四管泄漏等非正常停運過程中環(huán)保參數(shù)的異常。

4 結(jié) 論

1)SO2異常通常是在機組運行中由于燃煤硫含量變化大、煤倉堵煤、回料器返料不暢、運行調(diào)整及自動控制不佳等造成，NOx異常主要是在機組啟停中因爐膛出口溫度低、SNCR脫硝效率低等導(dǎo)致，CEMS系統(tǒng)故障是機組煙塵異常的重要原因。機組啟停過程中環(huán)保參數(shù)的異常主要是由氧含量高導(dǎo)致污染物排放折算高造成。

2)通過控制燃煤品質(zhì)，采用煤倉防堵技術(shù)解決堵煤問題，優(yōu)化機組升降負(fù)荷過程中一、二次風(fēng)量調(diào)整控制消除回料器返料不暢，加強石灰石品質(zhì)控制、SNCR脫硝及CMES系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)等提升設(shè)備可靠性，減少環(huán)保參數(shù)異常現(xiàn)象。

3)加強燃煤管理及改進(jìn)上煤方式，優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率及自動閉鎖等設(shè)置，協(xié)同調(diào)整給煤量、石灰石量及二次風(fēng)量等；優(yōu)化爐內(nèi)石灰石脫硫和SNCR脫硝自動控制，增加SO2、NOx預(yù)估邏輯、負(fù)荷和氧量前饋等，降低環(huán)保參數(shù)異常。

4)機組啟停中，采用控制氧量、優(yōu)化SNCR脫硝、合理匹配風(fēng)機風(fēng)量等，降低污染物排放濃度及波動幅度；采用消石灰作為脫硫劑、煙氣再循環(huán)控制氧量、選擇合適機組并網(wǎng)和解列時間、提高設(shè)備可靠性等，進(jìn)一步減少環(huán)保參數(shù)異常。