循環流化床機組大氣污染物排放運行優化研究

洪衛林

摘 要：隨著火電廠大氣污染物排放標準要求日益嚴格，循環流化床機組大氣污染物排放控制運行綜合優化的研究成為重點。以CFB機組"爐內脫硫+煙氣SNCR+尾部濕法脫硫"的大氣污染物排放控制技術路線為例，對爐內脫硫、濕法脫硫、脫硝和綜合電耗等進行了經濟性分析，確立了CFB機組大氣污染物運行優化技術路線。結合活性石灰石量、煤質含硫量校正、SO2及O2預測模型，提出了CFB機組爐內脫硫動態優化控制方案，克服SO2在動態運行過程中瞬時值超限的控制難題。該文提出的CFB機組大氣污染物運行優化技術路線和爐內脫硫動態優化控制方法均在實際機組進行了運行試驗，驗證了其可行性。

關鍵詞：循環流化床機組；大氣污染物；經濟性分析；運行控制優化

引言

循環流化床燃燒技術因燃料適應性廣、污染排放控制成本低等優勢，近年來發展迅速。截至2016年，我國CFB鍋爐機組的總投運容量約1億kW，占火電裝機總容量的12%以上。當前我國50%左右的煤炭用于發電，這一比重到2020年需提高到60%以上。環境保護部提出，新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度需要達到燃氣輪機組排放濃度限值，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3的要求。國家環保局對現運行機組的大氣污染物排放指標也日益嚴苛，電廠人員在運行控制中需要考慮SO2和NOx的排放，對運行參數調整，導致機組的經濟效益有所降低。

1經濟性分析

CFB鍋爐可在爐內加入脫硫劑進行脫硫，脫硫效率較高，同時由于低溫燃燒，NOx原始生成量相對煤粉爐較低。目前國家對煙氣排放指標的要求，越來越嚴格，而國內很多的CFB鍋爐脫硫效率僅停留在80%左右，如果要達到較高的脫硫效率，需要增加脫硫劑，更普遍的是需要在尾部增加煙氣脫硫裝置，例如濕法脫硫、半干法脫硫等。而爐內爐外脫硫的機理和效果差異較大，甚至與脫硝過程有一定的耦合，合理分配爐內外脫硫比例、優化控制CFB機組大氣污染物排放運行有利于進一步增加CFB鍋爐的競爭力。在機理分析的基礎上結合經濟性分析是一種有效的方法。對于已安裝一定容量尾部濕法脫硫裝置的CFB機組，裝置的采購費等已無需考慮，主要矛盾在如何分配爐內外脫硫比例、控制綜合運行成本。大氣污染物排放優化運行的經濟性分析主要包括爐內脫硫成本、濕法脫硫成本、脫硝成本和綜合電耗成本。

2大氣污染物穩態運行優化

CFB機組的大氣污染物穩態優化根據電廠是否建設尾部脫硫設備分成兩種情況。若電廠已經建設一定容量的外部設備，則在考慮經濟性的時候不會再考慮其建設成本，而單從運行角度考慮成本，此時需要結合尾部脫硫設備的容量。反之，則需同時考慮運行成本和建設成本，因此，提出的CFB機組大氣污染物運行優化技術路線，也能為CFB機組尾部脫硫設備的選型提供依據，并尋找對應工況下機組大氣污染控制運行的最優參數[1]。

2.1穩態運行優化

穩態運行優化是在已有脫硫脫硝設備的基礎上進行運行參數的調整達到最優經濟性，最關鍵的是確定各工況下對應的爐內爐外脫硫比例。運行最優工況由于不同機組的煤價、氨水價格、石灰石價格等不同會有一定的區別。在CFB機組穩態運行過程中，風煤配比不變，煤質波動不大的前提下，SO2和NOx的原始生成量基本不變，結合各項成本計算不難得到最優的脫硫脫硝運行工況。

2.2設備選型

在電廠設計階段，根據鍋爐滿負荷設計參數，在上述最優脫硫脫硝運行工況基礎上，考慮脫硫脫硝塔建造和運維成本，能夠為電廠脫硫脫硝設備選型提供理論參考。一些運行參數，如煤量風量等選取的是滿負荷工況下的基本數值，故在一般情況下對選型結果影響變化不大。而模型中，石灰石價格、氨水價格等參數對于不同電廠變化較大，會對設備選型結果造成較大的影響。同時，不同地區爐膛出口SO2濃度排放要求不同，也會一定程度影響設備選型。若將該思路應用在試驗對象上，可得對于試驗CFB機組而言，其濕法脫硫設備設計值為100%容量，而在滿負荷下最佳的運行比例爐內[Ca]/[S]為0.6，爐外脫硫量并不需要100%，甚至不到70%，某種程度上并不經濟。因此建議在選型之前根據建立的經濟性模型做相對應的試驗，選擇合理的型號。

3大氣污染物動態控制優化

隨著火電行業對大規模新能源的消納，AGC指標及一次調頻等考核對CFB機組的要求愈發嚴格，導致了在CFB機組運行過程中，動態工況增多，時常處在動態調整過程中。在CFB機組動態運行過程中，風煤配比受到負荷調節的影響波動較大，因此SO2和NOx的原始生成量也隨之明顯變化，這就對脫硫脫硝的控制提出了更高的要求。大氣污染物動態值超限是目前CFB機組仍需克服的難題。解決這個難題，需綜合考慮CFB機組爐內爐外調節速率，由于尾部脫硫設備控制方式和手段基本已經成熟，維持爐內脫硫反應的穩定性，保證爐膛原始排放量的穩定至關重要[2]。

3.1傳統爐內脫硫控制

CFB機組配風調節手段有限。二次風量與煤粉爐比較，調節設備有限；一次風量受床壓和最低流化風的限制，其調節范圍也有限；流化風量從啟動到滿負荷原則上要求固定風量，因此需要考慮爐膛的正常流化狀態；一次風階躍擾動會引起床溫、氧量等變化對象具有逆向反應的特點。在傳統的爐內脫硫控制中，加入石灰石引起二氧化硫變化是大延遲、大慣性的控制對象，所以一般采用串級控制系統，主調節器用于維持煙氣中二氧化硫含量，使其與給定值相等，副調節器接受主調節器的輸出信號和石灰石流量的反饋信號，副調節器的輸出控制石灰石給粉機。

3.2爐內脫硫動態優化

石灰石作用于CFB鍋爐的脫硫劑和床料，其床料中的含量直接影響鍋爐的脫硫效率和燃燒效率，因此測知爐膛中的燃料量和活性石灰石含量，對爐內脫硫進行提前控制，對提高鍋爐燃燒控制性能具有重要的意義。此外，由于CFB燃燒技術的煤種適應范圍廣，含硫量變化范圍寬，同時煤具有自脫硫能力，煤質發生變化導致煤中含硫量也相應改變，為高效控制石灰石供給量，需要煤質硫分在線檢測。

結束語

本文提出的CFB機組大氣污染物運行優化技術路線和爐內脫硫動態優化控制理論已得到應用，仍有優化空間，需深入研究理論體系，推進工程應用。

參考文獻：

[1]王學深. 135MW循環流化床鍋爐低NOx排放運行優化研究[D]. 華北電力大學， 2015.

[2]樊文. 大型循環流化床機組超低排放技術研究與應用[D]. 華北電力大學， 2017.