循环流化床机组大气污染物排放运行优化研究

洪卫林

摘 要：随着火电厂大气污染物排放标准要求日益严格，循环流化床机组大气污染物排放控制运行综合优化的研究成为重点。以CFB机组"炉内脱硫+烟气SNCR+尾部湿法脱硫"的大气污染物排放控制技术路线为例，对炉内脱硫、湿法脱硫、脱硝和综合电耗等进行了经济性分析，确立了CFB机组大气污染物运行优化技术路线。结合活性石灰石量、煤质含硫量校正、SO2及O2预测模型，提出了CFB机组炉内脱硫动态优化控制方案，克服SO2在动态运行过程中瞬时值超限的控制难题。该文提出的CFB机组大气污染物运行优化技术路线和炉内脱硫动态优化控制方法均在实际机组进行了运行试验，验证了其可行性。

关键词：循环流化床机组；大气污染物；经济性分析；运行控制优化

引言

循环流化床燃烧技术因燃料适应性广、污染排放控制成本低等优势，近年来发展迅速。截至2016年，我国CFB锅炉机组的总投运容量约1亿kW，占火电装机总容量的12%以上。当前我国50%左右的煤炭用于发电，这一比重到2020年需提高到60%以上。环境保护部提出，新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度需要达到燃气轮机组排放浓度限值，即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3的要求。国家环保局对现运行机组的大气污染物排放指标也日益严苛，电厂人员在运行控制中需要考虑SO2和NOx的排放，对运行参数调整，导致机组的经济效益有所降低。

1经济性分析

CFB锅炉可在炉内加入脱硫剂进行脱硫，脱硫效率较高，同时由于低温燃烧，NOx原始生成量相对煤粉炉较低。目前国家对烟气排放指标的要求，越来越严格，而国内很多的CFB锅炉脱硫效率仅停留在80%左右，如果要达到较高的脱硫效率，需要增加脱硫剂，更普遍的是需要在尾部增加烟气脱硫装置，例如湿法脱硫、半干法脱硫等。而炉内炉外脱硫的机理和效果差异较大，甚至与脱硝过程有一定的耦合，合理分配炉内外脱硫比例、优化控制CFB机组大气污染物排放运行有利于进一步增加CFB锅炉的竞争力。在机理分析的基础上结合经济性分析是一种有效的方法。对于已安装一定容量尾部湿法脱硫装置的CFB机组，装置的采购费等已无需考虑，主要矛盾在如何分配炉内外脱硫比例、控制综合运行成本。大气污染物排放优化运行的经济性分析主要包括炉内脱硫成本、湿法脱硫成本、脱硝成本和综合电耗成本。

2大气污染物稳态运行优化

CFB机组的大气污染物稳态优化根据电厂是否建设尾部脱硫设备分成两种情况。若电厂已经建设一定容量的外部设备，则在考虑经济性的时候不会再考虑其建设成本，而单从运行角度考虑成本，此时需要结合尾部脱硫设备的容量。反之，则需同时考虑运行成本和建设成本，因此，提出的CFB机组大气污染物运行优化技术路线，也能为CFB机组尾部脱硫设备的选型提供依据，并寻找对应工况下机组大气污染控制运行的最优参数[1]。

2.1稳态运行优化

稳态运行优化是在已有脱硫脱硝设备的基础上进行运行参数的调整达到最优经济性，最关键的是确定各工况下对应的炉内炉外脱硫比例。运行最优工况由于不同机组的煤价、氨水价格、石灰石價格等不同会有一定的区别。在CFB机组稳态运行过程中，风煤配比不变，煤质波动不大的前提下，SO2和NOx的原始生成量基本不变，结合各项成本计算不难得到最优的脱硫脱硝运行工况。

2.2设备选型

在电厂设计阶段，根据锅炉满负荷设计参数，在上述最优脱硫脱硝运行工况基础上，考虑脱硫脱硝塔建造和运维成本，能够为电厂脱硫脱硝设备选型提供理论参考。一些运行参数，如煤量风量等选取的是满负荷工况下的基本数值，故在一般情况下对选型结果影响变化不大。而模型中，石灰石价格、氨水价格等参数对于不同电厂变化较大，会对设备选型结果造成较大的影响。同时，不同地区炉膛出口SO2浓度排放要求不同，也会一定程度影响设备选型。若将该思路应用在试验对象上，可得对于试验CFB机组而言，其湿法脱硫设备设计值为100%容量，而在满负荷下最佳的运行比例炉内[Ca]/[S]为0.6，炉外脱硫量并不需要100%，甚至不到70%，某种程度上并不经济。因此建议在选型之前根据建立的经济性模型做相对应的试验，选择合理的型号。

3大气污染物动态控制优化

随着火电行业对大规模新能源的消纳，AGC指标及一次调频等考核对CFB机组的要求愈发严格，导致了在CFB机组运行过程中，动态工况增多，时常处在动态调整过程中。在CFB机组动态运行过程中，风煤配比受到负荷调节的影响波动较大，因此SO2和NOx的原始生成量也随之明显变化，这就对脱硫脱硝的控制提出了更高的要求。大气污染物动态值超限是目前CFB机组仍需克服的难题。解决这个难题，需综合考虑CFB机组炉内炉外调节速率，由于尾部脱硫设备控制方式和手段基本已经成熟，维持炉内脱硫反应的稳定性，保证炉膛原始排放量的稳定至关重要[2]。

3.1传统炉内脱硫控制

CFB机组配风调节手段有限。二次风量与煤粉炉比较，调节设备有限；一次风量受床压和最低流化风的限制，其调节范围也有限；流化风量从启动到满负荷原则上要求固定风量，因此需要考虑炉膛的正常流化状态；一次风阶跃扰动会引起床温、氧量等变化对象具有逆向反应的特点。在传统的炉内脱硫控制中，加入石灰石引起二氧化硫变化是大延迟、大惯性的控制对象，所以一般采用串级控制系统，主调节器用于维持烟气中二氧化硫含量，使其与给定值相等，副调节器接受主调节器的输出信号和石灰石流量的反馈信号，副调节器的输出控制石灰石给粉机。

3.2炉内脱硫动态优化

石灰石作用于CFB锅炉的脱硫剂和床料，其床料中的含量直接影响锅炉的脱硫效率和燃烧效率，因此测知炉膛中的燃料量和活性石灰石含量，对炉内脱硫进行提前控制，对提高锅炉燃烧控制性能具有重要的意义。此外，由于CFB燃烧技术的煤种适应范围广，含硫量变化范围宽，同时煤具有自脱硫能力，煤质发生变化导致煤中含硫量也相应改变，为高效控制石灰石供给量，需要煤质硫分在线检测。

结束语

本文提出的CFB机组大气污染物运行优化技术路线和炉内脱硫动态优化控制理论已得到应用，仍有优化空间，需深入研究理论体系，推进工程应用。

参考文献：

[1]王学深. 135MW循环流化床锅炉低NOx排放运行优化研究[D]. 华北电力大学， 2015.

[2]樊文. 大型循环流化床机组超低排放技术研究与应用[D]. 华北电力大学， 2017.