循環流化床機組環保參數異常原因分析與對策

杜佳軍，張 鵬，韓新建

(神華集團循環流化床技術研發中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

循環流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應性廣、環保性能好、負荷調節靈活等優點，近年來發展迅速，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，CFB鍋爐單機容量、裝機規模、技術先進性均已達到世界領先水平，CFB鍋爐技術也實現了由超高壓、亞臨界到超臨界的過渡，目前正在開展超超臨界CFB鍋爐關鍵技術的研發[2-3]。

CFB鍋爐通常采用爐內添加石灰石脫除SO2、低溫分級燃燒實現低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準要求的逐步嚴格，多數CFB機組增設了爐外脫硫脫硝設施，而其環保參數控制也越發重要[4]。CFB鍋爐存在熱慣性大、爐內脫硫滯后、爐內脫硫抑氮矛盾等特性[5]，在機組啟停、運行及變負荷過程中，受煤質變化、運行調整控制和設備穩定性等影響，易出現環保參數波動頻繁、瞬時值高等異常現象，直接影響機組安全環保運行。

1 環保參數控制

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的最佳溫度，因此將石灰石與燃煤一同送入爐內即可實現高效脫硫，實踐證明其效率大于90%[6]。CFB鍋爐燃燒溫度低、爐內還原氣氛強，NOx原始排放濃度一般在200 mg/m3左右，通過技術改造及運行優化后仍有下降空間[7]。爐外脫硫工藝中，除石灰石-石膏濕法脫硫外，CFB機組還可選擇循環流化床半干法脫硫，其效率可達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、電袋復合除塵等。

現行大氣污染物排放標準[10]下，CFB機組脫硫工藝一般以爐內噴鈣脫硫為主，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合除塵。為了滿足大氣污染物超低排放要求，某些企業提出爐內噴鈣+爐外循環流化床半干法脫硫、爐內低溫分級燃燒+爐外SNCR脫硝、高效布袋除塵的CFB機組污染物控制技術路線[11]。同時，部分CFB發電企業也采用了石灰石-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工藝，如圖1所示。上述CFB機組污染物控制技術工藝路線均能滿足大氣污染物超低排放標準要求。

圖1 CFB機組污染物超低排放技術路線

2 參數異常分析

CFB機組環保參數異常現象按原因可分為設備故障、運行調整及自動控制、啟停機3類。從機組運行狀況看，環保參數異常主要集中在SO2和NOx，占比80%以上。某公司近5年CFB機組環保參數異常統計如圖2所示。

圖2 某公司近5年CFB機組環保參數異常統計

2.1 SO2異常分析

CFB鍋爐爐內脫硫影響因素有床溫、煤質、石灰石品質及Ca/S等。床溫影響石灰石活性、脫硫反應速率等。燃煤硫含量越高，SO2排放量越大。不同石灰石的反應活性不同，石灰石粒度對脫硫反應有較大影響，最佳平均粒徑為100～500 μm。在給煤量一定的條件下，Ca/S是影響爐內脫硫效率的最重要因素[12]。循環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。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、石灰石系統故障、運行調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致排放折算高，易造成參數異常。

燃煤硫含量變化大時，SO2排放濃度會出現較大波動而導致參數異常，硫含量變化大與煤源穩定性、燃煤摻配均勻性等相關。煤倉堵煤直接影響給煤系統運行的可靠性，某給煤機斷煤后，相鄰給煤機出力增加，使爐內局部燃燒增強，SO2瞬時值增大，導致參數異常。煤倉堵煤受煤質、煤倉結構等影響，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，出現堆積、搭橋及黏壁現象[13]。煤倉下部一般為錐形結構，由上至下豎直方向上的壓力產生的摩擦力逐漸增大，90%以上的煤倉堵塞均發生在煤倉下部出口1～2 m內。

回料器返料不暢影響爐內燃燒工況的穩定性，石灰石給料泵下料不暢等影響其給入及均勻性，2者均影響設備運行的可靠性及爐內脫硫反應進程，從而導致參數異常。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、二次風量增減過大、過急等相關[14]。石灰石給料泵下料不暢一般由石灰石粉黏結堵塞排氣管而影響正常排氣，使步序無法繼續造成。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。在二次風量跟蹤滯后、石灰石量未及時調整時，風、煤、石灰石配比不合理，最終出現參數異常。

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，而爐內脫硫添加的石灰石經煅燒后得到的CaO也會對NOx生成具有一定的促進作用[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、反應溫度、接觸時間、還原劑噴入點等影響。CFB鍋爐NOx異常主要發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異常主要由運行調整及自動控制品質不佳等造成。

CFB鍋爐啟停過程中，為維持最低運行風量，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滿足排放標準要求，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，降負荷時給煤減少量與二次風減少量匹配性差，在氧含量急劇增加后易出現NOx異常現象。此外，SNCR脫硝還原劑輸送管道調節閥門易卡澀，導致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、濾袋材質、運行阻力等有關，除此以外，電袋復合除塵還與煙氣性質、設備結構等相關。電袋復合除塵充分發揮電除塵和布袋除塵各自優點，前級電場收集了大部分煙塵，后級濾袋使用壽命進一步延長。CFB鍋爐運行中煙塵異常由濾袋破損、CEMS系統故障等造成，CEMS系統故障包括煙塵儀鏡片臟污、煙氣預處理冷凝器故障等。機組啟停過程中，氧含量高導致煙塵折算高，易出現參數異常。此外，煙囪入口負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致參數異常。由于管路堵塞、溫控和電源裝置運行錯誤等造成煙氣預處理冷凝器故障后，煙氣分析儀工作異常，處理時易出現氧含量超限而導致參數異常。此外，煙囪入口負壓波動會引起煙氣中粉塵分布不均，現場測量為點測量或線測量時易產生較大誤差而導致煙塵異常。

3 解決對策

3.1 設備故障措施

導致CFB機組環保參數異常的設備故障主要包括煤倉堵煤、回料器返料不暢、石灰石系統故障、SNCR脫硝還原劑輸送管道閥門卡澀、除塵器濾袋破損、CEMS系統煙塵儀鏡片臟污及煙氣預處理冷凝器故障等，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，同時嚴格執行機組停運煤倉燒空要求，防止燃煤長時間存放造成結塊、蓬煤等現象堵塞煤倉。煤倉防堵中，可采用雙曲線煤斗、旋轉式煤斗、煤倉內敷設光滑襯板、設置倉壁振動器及液壓疏通機等，中心給煤機技術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。優化CFB機組升降負荷過程中一、二次風風量，減小變化幅度，同時控制爐膛床層顆粒濃度在合理范圍內，尤其是上部差壓，防止鍋爐物料循環系統失衡問題發生。

嚴格控制鍋爐爐內脫硫石灰石品質(粒徑、水分等)滿足要求，在上料管道加裝濾網和磁性吸附裝置去除鐵塊等異物。嚴格控制SNCR脫硝尿素品質及溶液內雜物，檢查清理管道濾網等。嚴格管控CMES系統設備維護，定期清理煙塵儀鏡片及分析煙塵數據曲線，發現異常上漲及時處理，冷凝管故障處理時杜絕氧含量超限現象。

3.2 運行調整及自動控制

CFB機組運行中，燃煤硫含量變化大、電網AGC指令變化大或頻繁、參數操作調整不及時、爐內脫硫及SNCR脫硝自動控制品質不佳等易導致環保參數異常。

加強燃煤煤質及摻配管理，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。優化機組AGC調節速率設置，50%～75%負荷時為3 MW/min，75%負荷以上時為2～3 MW/min，穩定燃燒工況，控制氧含量在合理范圍內；根據機組每5 min/10 min AGC指令變化幅度及次數進行自動閉鎖，避免污染物排放急劇波動；出現給煤機斷煤、石灰石系統故障等異常工況時，及時退出機組AGC調節。

CFB鍋爐運行調整中，維持一次風量在小范圍內變化，協同考慮調整給煤量、石灰石量及二次風量，防止因爐內脫硫抑氮矛盾特性導致參數異常；同時采用少量多次運行操作調節方式，提高機組變負荷工況下爐內燃燒工況的穩定性。優化鍋爐爐內石灰石脫硫和SNCR脫硝自動控制，增加SO2、NOx預估邏輯、負荷和氧量前饋等(圖4)；進行SNCR脫硝還原劑調節流量特性試驗優化自動噴入，針對機組高低負荷實現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 爐內脫硫及SNCR脫硝控制優化原理

3.3 啟停機對策

CFB機組啟停過程中，導致環保參數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、運行風煤匹配不合理爐內燃燒波動大等。

機組啟停過程中，保證爐內流化正常情況下，降低運行氧含量在5%左右，并控制在合理范圍內，以減少因氧含量高排放折算高導致的參數異常。進行SNCR脫硝優化運行試驗，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上降低NOx排放濃度(圖5)。嚴格控制機組啟停過程中一、二次風機與引風機風量匹配，避免風量大幅波動引起爐內燃燒工況異常，同時減少煙囪入口負壓波動，由此控制污染物排放濃度的穩定性。

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脫硫劑，可在較低爐膛溫度下實現脫除SO2；充分匹配脫硫劑和給煤反應時間、給煤量之間的關系，減緩SO2排放濃度的波動幅度；采用煙氣再循環技術控制運行氧含量在3%左右，盡可能降低NOx原始排放濃度；選擇合適的機組并網和解列時間點，避免由于CEMS系統計算原因導致環保參數小時均值異常；提高機組設備運行安全可靠性及事故應急處理能力，避免及減少因鍋爐四管泄漏等非正常停運過程中環保參數的異常。

4 結 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脫硝效率低等導致，CEMS系統故障是機組煙塵異常的重要原因。機組啟停過程中環保參數的異常主要是由氧含量高導致污染物排放折算高造成。

2)通過控制燃煤品質，采用煤倉防堵技術解決堵煤問題，優化機組升降負荷過程中一、二次風量調整控制消除回料器返料不暢，加強石灰石品質控制、SNCR脫硝及CMES系統設備維護等提升設備可靠性，減少環保參數異常現象。

3)加強燃煤管理及改進上煤方式，優化AGC調節速率及自動閉鎖等設置，協同調整給煤量、石灰石量及二次風量等；優化爐內石灰石脫硫和SNCR脫硝自動控制，增加SO2、NOx預估邏輯、負荷和氧量前饋等，降低環保參數異常。

4)機組啟停中，采用控制氧量、優化SNCR脫硝、合理匹配風機風量等，降低污染物排放濃度及波動幅度；采用消石灰作為脫硫劑、煙氣再循環控制氧量、選擇合適機組并網和解列時間、提高設備可靠性等，進一步減少環保參數異常。