摘要：在3MW循环流化床锅炉燃烧试验台上,对某超临界660MW机组CFB锅炉设计煤种进行了试烧试验,研究了锅炉设计煤种的自脱硫性能,添加石灰石对炉内脱硫效率的影响,以及炉内低NOx燃烧特性。结果表明:燃用设计煤种时,炉内燃烧较为稳定;设计煤种具有一定的自脱硫效果且与床温有关,床温在860~900℃时,自脱硫效率可达31.6%;添加石灰石后, 炉内脱硫效率可提高至95.1%,且脱硫效率与钙硫摩尔比和石灰石粒径有关,且对燃烧效率影响较大;不同负荷下, 1%,NOx排放量均可维持在较低水平。
前言：为了提高煤炭质量,降低燃煤过程中的污染物生成量,我国煤炭大多经过洗选,洗选产品经过配比,可满足不同用户对煤质的需求.随着我国煤炭产量的逐年增加,经洗选产生以煤矸石为主的低热值煤量也在逐年增加.以平朔矿区为例,2013年产煤1.2亿t,经洗选后产生以煤矸石为主的低热值煤达4800万t,除就地将其少部分用于电力燃料和化工原料外,其余大多被露天堆置或就地填埋,综合利用率较低. 循环流化床锅炉技术是上世纪80年代初发展起来的高效、低污染的洁净煤燃烧技术,并且具有燃料适应性广、燃烧和脱硫效率高、NOx排放量低、调峰能力强等优点,在国内外得到了较快的展.由于国家对环保要求越来越严格,燃煤电厂控制污染物排放的成本也在逐年升高,从而使得CFB锅炉技术发展前景广阔. 本文在3MWCFB燃烧试验台上,对平660MW机组CFB锅炉设计煤进行试烧试验,研究燃用低热值煤种时SO2和NOx的排放特性,可为同类型锅炉的设计和运行优化提供参考.
1 试验研究
1.1试验系统
试验主要包括设计煤种自脱硫试验、添加石灰石对炉内脱硫、燃烧效率影响试验和炉内低NOx燃烧特性试验.3MWCFB燃烧试验台如图1所示. 试验台主要由床下点火风道、布风装置、主循环回路、尾部烟道、水冷系统、烟风系统、给料系统、排渣装置和钢构架组成.该锅炉采用平衡通风、M型布置,钢构架支吊.流化风室采用等压风室,其布风板上布置有钟罩型风帽.在炉膛出口配置1个旋风分离器,其下方布置有1个“ J”阀回料器,由旋风分离器分离落下的物料经回料器返回炉膛.根据需要, 其中一部分可经外置换热器后再返回炉膛.炉膛内衬为耐火、耐磨、绝热材料,炉膛内燃烧温度由水冷管、模拟水冷壁控制.高温尾部烟道设置有水冷器及旁路烟道,可有效调节空气预热器(空预器)入口烟温.低温烟道采用双烟道结构,内设空预器,通过烟气挡板可有效调节一、二次风温.试验台采用点火风道点火启动.试验台一次风主要用作燃烧风、流化风、播煤风、石灰石的输送风以及天然气枪的燃烧风;二次风主要用作助燃风;高压风系统主要提供回料器、外置床以及锥形阀、点火枪用风等.热烟气首先将部分热量传递给水冷壁,然后流经旋风分离器进入尾部烟道,经水冷器进入空预器后,最终进入除尘器,由烟囱排向大气.飞灰通过尾部烟道进入除尘器后排出.底渣经由炉膛底部2个排渣口进入冷渣器冷却后排出;旋风分离器分离的颗粒物通过回料器或外置式换热器被送回炉内或排出. 为取得试验数据,在炉膛上设置有烟气温度和压力测点、烟气和灰取样孔以及进行其他试验所需取样孔.在高温烟道出口和除尘器排灰口布置ABB烟气分析仪和等速取样仪,以测量烟气成分及飞灰可燃物.从排渣管口取样,以分析底渣含碳量.
1.2 实验样品
本试验采用平朔660MW机组CFB锅炉设计煤种,该煤种由洗中煤和煤矸石配比而成,其工业分析和元素分析见表1.
2 试验结果与分析
2.1 燃烧稳定性
由于CFB锅炉对煤质的适应性较强,设计煤种可在不同负荷下稳定燃烧.3MWCFB锅炉不同负荷下的床温变化曲线如图2所示.由图2可见,CFB燃烧试验运行平稳,床温可保持在900℃左右.
2.2设计煤种自脱硫效果
煤种成分较为复杂,其中的矿物质成分如CaO等对煤燃烧生成的SO2有一定脱除能力,或可促进脱硫反应;另外,煤中含有的一部分无机硫是以硫酸盐等形式存在并且较为稳定,在流化床燃烧温度下较难分解,在煤灰中还有多孔结构颗粒对SO2有一定的吸附作用.因此, SO2的实际排放质量浓度于以全硫计算的理论排放质量浓度,这种现象称为煤的自脱硫.如在炉内选择适当的条件,可有效提高煤种的自脱硫效率,减少炉内脱硫石灰石的投入量. 煤自身的钙硫摩尔比与煤的灰分、CaO质量分数和含硫量有关,将煤自身钙硫摩尔比Ks, self定义为:
式中: w (CaO)为煤灰中CaO质量分数war(A)为煤中收到基灰质量分数,%; wt,ar(S)为收到基硫分质量分数,试验用设计煤种煤灰中的CaO质量分数为1.25%,全硫质量分数为1.72%,灰质量分数约为46.47%,自身钙硫摩尔比为0.193. 试验中将添加石灰石后的钙硫摩尔比定义为所掺入石灰石与煤含硫量(全硫)的摩尔比,不考虑煤自身钙硫摩尔比.加入石灰石后的脱硫效率ηs按下式计算:
式中, w ( SO2)是折算到6g煤在过量空气系数为1.4条件(6%O2)下的干烟气量. 设计煤种折算硫分约为1.392g /MJ,属于高硫煤,理论SO2排放质量浓度约为8030mg /m3.为了验证设计煤种的自脱硫能力,进行了自脱硫试验.设计煤种在不投石灰石条件下, SO2排放质量浓度和自脱硫效率随床温的变化如图3所示.
由图3可见:温度在860~900℃范围内,设计煤种的自脱硫效率较高,最高可达31.6%;随着温度的增加,SO2排放质量浓度迅速增加,当床温升至924℃时 SO2排放质量浓度达到最大值6313mg/m3,此时的自脱硫效率为20.4%.这是由于床温升高时,炉内床料(包括大量循环灰)中积存的硫酸盐分解,使短时间内的SO2排放质量浓度增加,而煤中含有的脱硫成分有限,导致SO2排放质量浓度升高. 因此, CFB锅炉内采用石灰石进行脱硫存在最佳脱硫反应温度,当床温逐渐升高时,石灰石分解生成CaO速率加快,有利于脱硫反应的进行;随着床温的进一步升高,煤中的硫酸盐以及脱硫反应产生的CaSO4受热分解速率加快,生成的SO2比例升高,将会降低炉内脱硫效率.因此,应选择合适的炉温以提高炉内脱硫效率. 在2.58MW负荷下,钙硫摩尔比为3.7,床温900℃,一次风率约为40%,二次风配比不变的条件下,炉膛出口氧体积分数对SO2排放质量浓度的影响如图4所示.由图4可见, SO2排放质量浓度氧体积分数的升高变化并不是很明显.
2.3 添加石灰石对脱硫效率的影响
表2为不同负荷下添加石灰石对脱硫效率的影响.由表2可见,钙硫摩尔比为3.70时,脱硫效率最高可95.1%,但与660MW机组CFB锅炉钙硫摩尔比≤1.8SO2排放质量浓度≤830mg/m3的供货协议数据相差较多.
这是因为试验用石灰石粒径为d50=39.9μm,d97=320.0μm,由于粒径太细,石灰石进入炉内很快被气流携带出炉膛,与密相区物料混合不佳,在进入分离器后石灰石很难被捕集,不能建立有效的石灰石循环,造成石灰石逃逸量较大,进而在脱硫试验中表现出钙硫摩尔比偏大,石灰石利用率不高.因此,实炉运行时应对石灰石粒度分布进行优化,以满足设计要求.
2.4添加石灰石对锅炉燃烧效率的影响
表3为不同负荷下炉膛内投入与未投入石灰石对其燃烧效率的影响.
由表3可见:炉膛内投入石灰石后,其燃烧效率明显较未投入石灰石时整体降低.这主要是由于进入炉内石灰石量增加,使得炉内灰渣总量增加,固体不完全燃烧损失增大,燃烧效率降低.
2.5风量配比对污染物排放量的影响
图5为NOx排放质量浓度随氧体积分数变化曲 线.由图5可见,设计煤种在高负荷,氧体积分数为3.7%~4.4的工况下,NOx排放质量浓度在80~120mg/m3.在2个低床稳燃工况下,设计煤种的NOx放质量浓度分别为196mg /m3和228mg /m3,这与过高的氧体积分数有关,此时氧体积分数分别为10.54%和12.34%.由于随着氧体积分数的增加, NOx的生成量呈逐渐上升的趋势,因此, 在保证锅炉效率的同时,要控制CFB锅炉运行时的氧体积分数,从而达到减少NOx排放量的目的.
表4为2.58MW负荷下,一次风比例不变,上下两层二次风配比对锅炉NOx排放质量浓度及燃 烧效率的影响.由表4可见,二次风分级配风有利 于减少燃烧过程中NOx的生成量,随着下层风量的减少,NOx生成量降低,但在减少NOx生成的同时,由于风量的分阶段送入,煤粉燃尽率下降,造成炉内燃烧效率也随之下降.为了在保证炉内具有低NOx排放的同时,兼顾对燃烧效率的影响,对二次风配比进行了优化。
3 低NOx排放与提高燃烧效率措施
3.1 低NOx排放措施
1) 由于NOx的生成与燃烧过程有关,在不同负荷下, 通过调节给煤方式以及一、二次风配比可有效降低燃烧过程中NOx的生成.表4也表明了调节上、下二次风配比可有效提高炉内的低NOx燃烧水平
2)本文中超临界660MW机组CFB锅炉在旋风分离器内布置有非选择性催化还原(SNCR)装置,可有效降低锅炉NOx排放质量浓度,使其低于国家排放标准.
3.2提高燃烧效率措施
燃烧效率主要与煤粉的燃尽有关.提高燃烧效率, 就是要降低飞灰和底渣中含碳量.煤质本身对流化床的燃烧有着重要的影响,同时煤粉粒径和炉内平均温度则直接决定着煤粉颗粒的燃尽时间.针对设计煤质特性, 可采取以下措施以提高炉内的燃烧效率.
1)选用合理的燃料粒径,增大燃料燃烧反应比表面积,减少燃料燃尽所需时间.
2)在满足排放要求的前提下,设计较高的炉膛 平均温度(890℃),可提高燃料燃烧反应的速率. 在床层中煤粉颗粒挥发物的析出速率和碳的反应速率随床温的增加而加快.因此,提高床温有利于高燃烧速率和缩短燃尽时间.同时,采用外置式换热器结构,可有效调整床温,尤其在低负荷工况下, 床温仍可维持在800℃左右.
3)降低炉膛烟气流速,合理设计炉膛高度,保证燃料颗粒在炉内停留时间,使分离器不能捕集到的细燃料颗粒一次通过炉膛后即可基本燃尽.
4)采用高效旋风分离器和较高的床料保有量, 增加燃料在主循环回路的停留时间.
5)采用回料口给煤方式,使燃料在进入炉膛之前与循环灰颗粒混合并得到有效的预热,缩短其达到着火点的时间,有利于燃料的着火和一次燃尽.
6)炉膛排渣口均匀布置在炉墙两侧,使排渣口覆盖范围广,结构设计中远离给煤口,避免未燃烧的煤粒短路直接进入排渣口,提高底渣含碳量.
4 结论
1)由于煤中含有一定的CaO成分,因此煤具有一定的自脱硫能力, SO2的排放质量浓度随床温的升高而增加,自脱硫效率逐渐降低.为了提高煤种的自脱硫能力,需合理控制炉内床温.
2)在CFB锅炉内添加石灰石可有效提高炉内脱硫效果,但需选取合理的石灰石粒径,以使在较低的钙硫摩尔比条件下,具有较高的脱硫效率.
3)调整风量和配风方式可有效减少燃烧过程中的NOx生成量,但分阶段送入二次风也将延缓煤粉在炉内的燃尽,降低炉内燃烧效率.应合理选择二次风配风方式,以保证炉内具有较高的燃烧效率和低NOx燃烧效果.
4)通过优化一、二次风配比,在旋风分离器内布置SNCR装置,可有效降低锅炉NOx排放质量浓度,使其低于国家标准,同时通过优化锅炉设计可保证炉内的燃烧效率.
原标题：660MW机组CFB锅炉设计煤种排放特性试验
