1 000 MW燃煤機組負荷變化對顆粒物排放特性影響

李 洋，羅 林，吳建群，吳 昊，于敦喜

(1.廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

截至2020年，我國燃煤火電裝機量達到10.8億kW，占全國發電裝機量的49.1%[1]。近年來隨著水電、風電等清潔能源電力的大力發展，火電年發電小時數不斷下降，2020年僅為4 340 h[1]。同時國家“十四五”能源規劃指出煤電未來將逐漸由基荷型電源轉變為調節型電源。煤電裝機容量過剩及其在國家能源定位中的改變將導致大量機組長期在低于額定負荷條件下運行。燃煤發電機組在低負荷下工作會導致鍋爐效率降低、污染物生成和排放規律發生變化。為了滿足國家提出的超低排放標準，必須對燃煤火電機組(尤其是600 MW以上大機組)在不同負荷下的污染物生成和排放規律進行深入研究。

現有的研究工作主要關注鍋爐低負荷運行條件下NOx和SO2的生成與排放特性。低負荷運行會導致NOx排放濃度明顯升高，主要原因[2-5]有：① 低負荷條件下，爐膛過量空氣系數偏高和一次風濃度增加導致爐膛內燃料型NOx濃度升高；② 負荷降低將導致進入SCR的煙氣溫度降低，偏離選擇性催化還原脫硝系統(SCR)最佳工作溫度。鍋爐SO2的生成主要取決于煤中S含量[5]，而低負荷條件下會導致機組熱損增大，單位發電量煤耗增大[6]，最終導致單位發電量生成SO2濃度升高。此外，負荷降低將導致煙氣流速降低，濕法脫硫裝置(WFGD)內煙氣對脫硫漿液液滴表面的擾動作用降低，影響最終脫硫效率[7]。因此低負荷條件下SO2排放特性也會有明顯變化。

過量空氣系數、煙氣流速以及WFGD中氣液作用等影響氣體污染物排放的關鍵因素對顆粒物的排放同樣有重要影響[8]。機組負荷變化對NOx和SO2等氣體污染物排放的影響意味著負荷變化也可能導致煙氣中顆粒物排放特性發生變化。但目前鮮見相關研究，僅有少量研究獲得的結論也不一致。部分學者發現機組負荷的變化對靜電除塵器(ESP)后煙塵排放濃度無明顯相關性[5,9]。而劉建忠等[10]對燃煤電站ESP前后顆粒物特性進行系統分析，結果發現機組負荷從100%降低至80%時，ESP對PM2.5和總塵的脫除率均上升，而更低負荷的影響及機理仍需進一步揭示。

筆者基于某電廠1 000 MW超超臨界燃煤機組，研究不同運行負荷條件下ESP前后和煙囪入口顆粒物排放特性，探討機組運行負荷變化對顆粒物排放的影響規律，以期為電廠環保設備運行和調控提供參考。

1 試 驗

1.1 運行工況及燃料特性

試驗在廣東某1 000 MW超超臨界燃煤機組開展，該機組鍋爐型號為DG3033/26.15-Ⅱ，采用對沖燃燒、旋流式燃燒器系統。機組污染物脫除采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+濕式電除塵器(WESP)”的技術路線。為研究機組運行負荷變化對顆粒物排放規律的影響，分別對機組在典型運行負荷、600、700、800和900 MW條件下ESP前后和煙囪入口處顆粒物濃度進行測量。為保證數據代表性和穩定性，在負荷穩定1 h以上進行樣品和數據采集。試驗期間負荷最大波動小于±5%，鍋爐不投油槍助燃，不進行吹灰。

為保證數據的可靠性和穩定性，試驗期間采用電廠常用煤種并保持煤種和配煤方案不變，對入爐煤粉基礎特性進行分析，結果見表1。

表1 原煤特性

1.2 采樣方法與測試方法

采樣過程遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》、HJ/T 397—2007《固定污染源廢氣監測技術規范》和ISO 23210—2009《固定污染源排氣中PM10/PM2.5質量濃度的測定：低濃度下利用撞擊計進行測量》。采用K型熱電偶測量煙氣溫度。采用PCME濕煙氣粉塵分析儀對ESP后和煙囪入口顆粒物濃度進行測試，測量數據為1 h內的平均值。采用OPTIMA7煙氣分析儀測量煙氣中O2、NOx和SO2含量。采用低壓撞擊器(DLPI)對ESP前的PM10進行采樣測量，為保證數據的可靠性，重復試驗為3次以上。

PM10采樣系統如圖1所示，主要包括等速取樣槍、稀釋氣體流量計、PM10旋分分離器、低壓撞擊器(DLPI)和真空泵。為保證煙氣中H2O和SO3不發生凝結，煙道外采樣槍采用加熱層保溫，保證稀釋后進入旋風分離器中煙氣溫度為135 ℃，在旋風分離器中空氣動力學直徑大于10 μm顆粒物被脫除，PM10進入DLPI進一步切割分離成粒徑0.028、0.056、0.094、0.154、0.258、0.377、0.605、0.935、1.580、2.360、3.950、6.600和9.800 μm的13個粒徑段。關于顆粒物采樣過程和DLPI詳細介紹可參考文獻[11]。

圖1 顆粒物采樣系統

采用聚碳酸酯膜采集PM10，采用百萬分之一天平測量采集樣品前后膜片的質量，通過對采樣前后膜片的質量進行差減獲得膜片上顆粒物的質量；采用X射線熒光探針(XRF)對顆粒物成分進行分析。煙氣流量和給煤量等數據從電廠DCS系統上直接獲取。

2 結果與討論

2.1 負荷變化對顆粒物生成規律的影響

為比較不同負荷條件下污染物排放濃度，將測試污染物濃度折算為標況煙氣中污染物濃度。不同工況條件下煙氣中顆粒物質量濃度如圖2所示，可知鍋爐運行負荷在600～900 MW時，煙氣中PM1、PM2.5和PM10平均質量濃度分別為135～150，620～694以及1 960～2 000 mg/Nm3。在考慮測試結果誤差條件下，鍋爐負荷變化對煙氣中PM1、PM2.5和PM10質量濃度均沒有影響。但實際上不同負荷條件下顆粒物濃度變化是顆粒物生成量以及煙氣流量變化綜合影響的結果。雖然負荷降低鍋爐煙氣流量也會相應降低，但煙氣流量變化和負荷變化量并不成比例[5]。主要是因為負荷降低時，為了保證煤粉的穩燃，通常會采用更高的過量空氣系數。這會導致負荷變化時，煙氣流量減少比例小于負荷降低比例[6]。因此，為了對比機組負荷變化對煤中礦物向顆粒物遷移的影響規律，將顆粒物的生成量折算為燃燒單位質量煤所產生的顆粒物，結果如圖3所示。

圖2 不同工況下煙氣中顆粒物質量濃度

圖3 單位質量煤顆粒物生成量

由圖3可知，當機組運行負荷在80%(800 MW)以上時，燃燒單位質量煤所產生的顆粒物變化不明顯。每克煤燃燒產生的PM1、PM2.5和PM10分別約為0.9、4.3和13.5 mg。當機組負荷從80%降低到70%和60%時，每克煤燃燒產生的PM1分別增加0.2和0.4 mg，PM2.5分別增加0.8和2.1 mg，PM10分別增加1.7 mg和4.8 mg。由此可知機組負荷低于80%時，隨著機組運行負荷的降低，單位煤燃燒所產生的顆粒物會增加；且負荷越低，單位質量煤燃燒產生的顆粒物增加量越明顯。說明機組的低負荷運行雖然沒有改變煙氣中顆粒物的生成濃度，但會導致煤中礦物向細顆粒物(PM10)遷移的比例增加。考慮到顆粒物粒徑越小越不易被除塵器脫除[12]，低負荷下燃燒相同煤粉時顆粒物的凈化成本更高。而這些在前人研究中并未被關注。

進一步分析不同運行負荷條件下PM10的成分，主要成分包括Na、S、Ca、Si和Al。由化學成分分析結果發現負荷變化時，難熔元素Si和Al變化趨勢相似，而易氣化元素S、Na和助熔的堿性元素Ca變化趨勢相似。考慮篇幅限制，分別以Ca和Si為例分析運行負荷變化對煤中礦物元素向PM10遷移轉化的影響。

ESP前PM10化學成分如圖4所示，可知隨著負荷逐漸降低，煤中Si向PM10中的遷移明顯降低(Al變化趨勢相同)，而Ca向PM10中的遷移明顯增加(Na和S變化趨勢相同)，尤其是當鍋爐負荷由800 MW降低為700 MW時變化更明顯。說明爐膛負荷的變化會導致煤中不同礦物元素向PM10的遷移規律發生變化。這是機組負荷變化時，燃燒單位質量煤，顆粒物生成量發生變化的主要原因。

圖4 ESP前PM10化學成分

當鍋爐負荷降低時，爐膛煙氣流量降低，但過量空氣系數增加。氧含量的增加及煙氣在煙道中停留時間的增長有利于發生硫酸鹽化[11]，從而導致S向PM10遷移增加。而燃燒溫度的降低明顯不利于礦物熔融形成Ca和Na等硅鋁酸鹽的共融體[11,13]，從而抑制了含Ca和Na礦物的聚合，導致含Ca和Na礦物更傾向于生成PM10小顆粒。因此鍋爐負荷降低導致燃燒單位質量煤時PM10生成量增加，而S、Ca和Na等在PM10中相對含量的升高會導致Si和Al相對含量降低。

2.2 負荷變化對ESP后顆粒物排放影響

ESP是燃煤電廠最重要的除塵設備，對煙氣中顆粒物的排放質量濃度影響最明顯。前人對于負荷變化條件下，ESP后顆粒物的排放規律仍存在爭議。因此本文進一步測量變負荷條件下ESP后煙氣中顆粒物的質量濃度。由于不同負荷條件下，煙氣流量和過量空氣系數均不同，為了統一對比標準，均將煙氣中顆粒物質量濃度折算到體積分數6% O2條件下進行，數值為在線測試裝置0.5 h的測試平均值，結果如圖5所示。

圖5 ESP前煙氣中飛灰質量濃度及ESP后煙氣中顆粒物質量濃度

由圖5可知，機組負荷高于700 MW時，負荷變化對ESP后顆粒物排放沒有明顯影響，排放均值在9 mg/Nm3左右。但機組負荷降至600 MW時，顆粒物排放質量濃度明顯增加。顆粒物質量濃度的變化主要受ESP進口飛灰濃度和ESP除塵效率2方面影響。采用總塵測試儀對ESP進口總塵進行分析發現，不同負荷條件下ESP進口飛灰質量濃度并沒有明顯變化，因此除塵器的除塵效率差異是導致ESP出口煙塵濃度發生變化的最主要原因。

對不同負荷條件下ESP除塵效率進行計算，結果見表2。可知不同負荷條件下ESP除塵效率變化與張雙平等[4]的模擬結果不同，降低負荷并未提高ESP除塵效率。負荷降至600 MW時，ESP除塵效率反而降低，導致600 MW負荷條件下ESP后排放顆粒物質量濃度增加。考慮到ESP入口飛灰和細顆粒物質量濃度相似，試驗期間ESP工作參數不變，因此可認為飛灰特性變化是導致低負荷條件下ESP除塵效率略降低的主要原因。考慮到試驗期間使用同一種煤粉，飛灰具有相似的化學成分，負荷變化可能導致飛灰未燃盡碳含量發生變化。本研究對不同負荷條件下飛灰未燃盡碳含量進行測試，發現在低負荷條件下，由于爐膛過量空氣系數較大，煤灰在爐膛中停留時間較長，因此未燃盡碳含量較低(僅約0.3%)。而高負荷條件下，飛灰中未燃盡碳含量可達4%。研究表明，飛灰中的未燃盡碳會降低飛灰比電阻，而比電阻的降低有利于提高ESP對飛灰的脫除率[14]。因此，高負荷條件下未燃盡碳含量較高導致的飛灰比電阻降低可能是高負荷條件下ESP除塵效率更高的主要原因。

表2 不同負荷條件下ESP除塵效率

2.3 負荷變化對煙囪入口顆粒物排放影響

煙氣經過ESP后，超過99.9%的飛灰會被ESP脫除，但部分工況條件下，ESP后排放煙氣中煙塵仍無法滿足超凈排放要求(煙塵質量濃度小于10 mg/Nm3)，因此煙氣在經WFGD脫硫后會經過WESP進一步脫除煙塵，最后才進入煙囪排入大氣中。本文對進入煙囪煙氣中的煙塵進行測量，結果如圖6所示。

圖6 煙囪入口顆粒物質量濃度

由圖6可知，機組負荷在600～900 MW時，煙塵質量濃度為3.8～6.5 mg/Nm3。說明在不同運行負荷條件下，采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+WESP”的污染物脫除路線可有效將煙氣中煙塵質量濃度降至10 mg/Nm3以下，達到超凈排放要求。進一步對不同負荷條件下煙氣中顆粒物質量濃度進行對比，發現機組負荷對煙囪入口煙氣中顆粒物質量濃度的影響與其對ESP后顆粒物質量濃度的影響相反。當機組負荷降低時，煙氣中顆粒物質量濃度逐漸降低。在高負荷條件下，負荷降低對煙氣中顆粒物質量濃度影響更明顯。

對不同負荷條件下，計算煙氣經過WFGD+WESP后的除塵效率，結果見表3。可知不同負荷條件下，WFGD+WESP對煙氣中顆粒物脫除率的差異是導致煙囪入口煙氣中顆粒物質量濃度差異的主要原因，隨著機組運行負荷的降低，WFGD+WESP對煙氣中顆粒物脫除效率明顯增加。由于試驗期間WFGD和WESP工作參數不變，因此煙氣參數變化是導致WFGD+WESP除塵效率改變的主要原因。

表3 不同負荷條件下WFGD+WESP除塵效率

由于試驗機組采用了MGGH(Media GGH)技術，在不同負荷條件下，煙氣在WFGD入口有相似溫度(90～93 ℃)，因此猜測煙氣流速變化是導致WFGD+WESP除塵效率變化的主要原因。進一步分析該系統除塵效率和煙氣流速的相關性(圖7)，可以發現煙氣流速與除塵效率呈明顯的負相關性。較低的煙氣流速有利于提高WFGD+WESP的除塵效率。前人研究表明[15-16]，WFGD對煙氣中顆粒物排放的影響主要包括2方面：① WFGD中飽和蒸汽可促進部分顆粒物團聚，最終被脫硫漿液沖刷脫除，煙氣流速降低增長了煙氣在WFGD中的停留時間，有利于顆粒物的脫除；② 煙氣可攜帶部分石膏或石灰石漿液，導致石膏和石灰石向煙氣中顆粒物遷移，而煙氣流速的降低可有效抑制煙氣對石膏和石灰石漿液的攜帶作用。對于WESP，氣體流速的降低有利于增加煙氣在WESP中的停留時間，從而提高WESP除塵效率。可見低負荷條件下，煙氣流速的降低有利于進一步提高WFGD+WESP整體的除塵效率。

圖7 WFGD+WESP除塵效率與煙氣流速的相關性

2.4 綜合分析

采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+WESP”超凈排放技術可以將煙囪出口顆粒物濃度降低至超凈排放標準以下。同時該系統對煙氣中顆粒物的凈化具有良好的負荷變化適應性。整體上分析，由于WFGD和WESP的存在，機組負荷的降低可進一步降低煙囪顆粒物排放。雖然機組負荷變化不會導致煙塵排放惡化，但從煙塵脫除成本考慮，仍應盡量避免機組在低負荷下運行。首先，機組的低負荷運行會導致燃燒單位質量的煤細顆粒物生成量增加，增大除塵難度；其次，在不同負荷條件下，ESP、WFGD和WESP均在相同的工作參數下工作，這意味著負荷越低，除去相同質量的顆粒物成本越高，因此機組低負荷運行不利于顆粒物的經濟性脫除。考慮到安裝WESP后，負荷的降低有利于提高其對顆粒物的脫除效率，因此為了降低除塵成本，可在低負荷下優化ESP和WESP的運行參數，在保證煙囪顆粒物排放達標的條件下，盡量降低除塵能耗。

3 結 論

1)機組運行負荷變化對ESP前煙氣中PM1、PM2.5和PM10質量濃度影響不明顯。但機組負荷由90%降至60%時，會導致單位燃煤中PM1、PM2.5和PM10生成量分別增大47.6%、50.1%和38.7%，增加了煙氣中顆粒物的脫除難度。

2)70%～90%運行負荷條件下，機組運行負荷變化對ESP除塵效率影響不明顯，但負荷由90%降至60%時，會導致ESP除塵效率降低較明顯(由99.931% 降至99.901%)。

3)機組安裝的WFGD+WESP能有效凈化煙氣中顆粒物，保證負荷變化條件下煙囪顆粒物排放可達到超凈排放標準。同時，負荷的降低有利于進一步提高WFGD+WESP對顆粒物的脫除效率，當負荷由90%降至60%時，WFGD+WESP除塵效率由30.127% 提高至69.517%。