張 鵬，范浩東，余 耀，賀建平，杜佳軍，辛勝偉，張 縵，楊海瑞

(1.神華集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安 710065；2.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084；4.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；5.神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司，山西 忻州 036501)

0 引 言

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、脫硫效率高、氮氧化物排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，成為我國低熱值燃料規(guī)?；玫淖罴逊绞街?，同時能較好地適應(yīng)目前超低排放和火電調(diào)峰要求。CFB技術(shù)在我國發(fā)展十分迅速，100 MW等級以上機(jī)組超過350臺，我國已經(jīng)成為世界上最大的超臨界CFB鍋爐市場，其中350 MW超臨界CFB機(jī)組成為了燃煤發(fā)電的主力機(jī)組[1]。隨著新能源上網(wǎng)以及環(huán)保壓力日趨增大，我國在電網(wǎng)深度調(diào)峰前提下，明確提出了超低排放要求，CFB鍋爐機(jī)組必須以降低污染物排放作為首要目標(biāo)。各種燃燒中及燃燒后污染物控制技術(shù)相繼提出并得到工程實(shí)施，從多方面保證鍋爐在不同負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行的同時滿足超低排放的環(huán)保要求[2]。

國內(nèi)外許多學(xué)者研究了CFB機(jī)組性能隨負(fù)荷的變化規(guī)律，針對燃燒優(yōu)化及污染物生成機(jī)制進(jìn)行了大量冷態(tài)流動、現(xiàn)場熱態(tài)試驗(yàn)等工作。蔡晉等[3]以某電廠350 MW超臨界CFB鍋爐為研究對象，分析了機(jī)組變負(fù)荷時的床溫、蒸汽參數(shù)以及污染物排放的變化。馬素霞等[4]針對75 t/h CFB鍋爐，依據(jù)大量變工況試驗(yàn)，給出爐膛上部固體物料濃度的分布曲線，并在此基礎(chǔ)上分析了不同負(fù)荷下爐膛內(nèi)固體顆粒濃度隨運(yùn)行條件(運(yùn)行風(fēng)速等)的變化規(guī)律。牟犇等[5]研究了CFB鍋爐機(jī)組能量變遷過程，對動態(tài)過程中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行了定量計算與比較。張建春等[6]對不同負(fù)荷下CFB鍋爐的燃燒份額分布進(jìn)行了研究。馬志斌等[7]研究了不同負(fù)荷下CFB鍋爐粉煤灰理化性質(zhì)變化規(guī)律。付赟家和袁春全[8]發(fā)現(xiàn)CFB鍋爐熱效率在稍低于額定負(fù)荷時最高，隨著鍋爐負(fù)荷率的降低，鍋爐煤耗近似呈正比減少；當(dāng)鍋爐負(fù)荷率降至50%～60%時，鍋爐熱效率明顯下降。

不難發(fā)現(xiàn)，以上這些研究普遍存在一定的局限性：① CFB試驗(yàn)裝置與CFB鍋爐實(shí)際情況差異較大，獲得的試驗(yàn)結(jié)論往往不能直接應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際；② CFB鍋爐現(xiàn)場試驗(yàn)由于測試難度大和測試條件限制，不能準(zhǔn)確獲得鍋爐在不同負(fù)荷下流動、傳熱、鍋爐效率以及污染物排放的整體情況；③ 350 MW機(jī)組與其他低容量、低參數(shù)機(jī)組結(jié)構(gòu)有較大的差別，低容量、低參數(shù)機(jī)組的研究結(jié)果不能直接應(yīng)用到350 MW超臨界機(jī)組上。

因此，筆者基于某350 MW超臨界CFB鍋爐機(jī)組，研究了在50%、75%、100%負(fù)荷下鍋爐的床壓降分布、溫度分布、吸熱負(fù)荷分布、熱效率以及污染物排放特性的變化規(guī)律。

1 鍋爐設(shè)備概況

某350 MW超臨界CFB機(jī)組配套東方鍋爐廠制造的超臨界直流CFB鍋爐，采用一次中間再熱、單布風(fēng)板單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、水冷滾筒式冷渣器。鍋爐主要參數(shù)及煤質(zhì)分析結(jié)果見表1和表2。

表1 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

表2 鍋爐煤質(zhì)分析

2 負(fù)荷變化對鍋爐性能影響規(guī)律

CFB鍋爐負(fù)荷變化將直接影響爐內(nèi)床層壓降、床層溫度、吸熱負(fù)荷以及熱效率，本節(jié)詳細(xì)研究鍋爐在50%、75%、100%負(fù)荷時床層壓降分布、風(fēng)室壓力及布風(fēng)板上壓力分布、爐內(nèi)溫度分布，以及受熱面吸熱份額分布的影響規(guī)律。

2.1 負(fù)荷變化對床層壓降的影響

床層壓降直接反映爐內(nèi)物料量的多少，在來料粒度分布一定的情況下，直接反映循環(huán)灰量的大小，因此CFB鍋爐運(yùn)行中需要合理的床層壓降[9]。床層壓降低，循環(huán)量不夠，會造成稀相區(qū)吸熱量不足，密相區(qū)床溫過高，不能保證額定負(fù)荷。床層壓降過高，一方面輔機(jī)能耗增高，影響效率；另一方面，過大的循環(huán)灰量會造成嚴(yán)重磨損，鍋爐可用性大大降低，不利于設(shè)備長期運(yùn)行。因此，選擇合理的床層壓降十分必要。圖1為機(jī)組在不同負(fù)荷下上部壓差分布。由圖1可知，爐膛上部壓差隨機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增加。CFB鍋爐爐內(nèi)傳熱特性與上部物料濃度及溫度有關(guān)，實(shí)際調(diào)整時一般采用提高上部顆粒濃度的方式實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同負(fù)荷下上部壓差分布

流化床料的均勻性對爐膛內(nèi)燃燒狀況尤為重要，床料均勻程度由布風(fēng)板直接決定，布風(fēng)板阻力適中則爐膛內(nèi)氣流分布均勻，床料不均爐膛內(nèi)部將出現(xiàn)流化不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致溫度不均勻引起床面結(jié)焦，鍋爐被迫停運(yùn)。布風(fēng)板另外一個主要作用是支撐靜止的床料[10]。圖2為不同負(fù)荷下風(fēng)室壓力及布風(fēng)板上壓力分布。由圖2可知，隨著負(fù)荷增加，風(fēng)室壓力逐漸增加，布風(fēng)板上壓力逐漸降低。物料平衡分析表明，隨著負(fù)荷增加，進(jìn)入外循環(huán)回路的物料量增加，爐內(nèi)床料量下降，床壓降低[11]。負(fù)荷增高的同時，一次風(fēng)量增加也會導(dǎo)致布風(fēng)板阻力增大，風(fēng)室壓力提高。

圖2 不同負(fù)荷下風(fēng)室壓力及布風(fēng)板上壓力分布

圖3為不同負(fù)荷下爐內(nèi)不同高度方向上壓力分布。由圖3可知，隨爐膛高度增加，不同負(fù)荷下爐膛壓力先快速降低之后變得平緩。隨著負(fù)荷增加，爐膛底部(10 m以下區(qū)域)平均物料壓差由452 Pa/m降低到315 Pa/m，爐膛上部(10 m以上區(qū)域)平均物料壓差由9.5 Pa/m增加到40 Pa/m。

圖3 不同負(fù)荷工況下爐內(nèi)不同高度方向上壓力分布

2.2 負(fù)荷變化對爐內(nèi)溫度分布的影響

床溫是CFB鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行中，通常將床溫控制在850～950℃，在保證燃燒效率的同時提高脫硫脫硝效果。圖4為不同負(fù)荷工況下爐內(nèi)床溫分布，可知不同負(fù)荷下，扣除邊壁效應(yīng)的影響，前后墻床溫分布都較均勻，前墻床溫偏差在42 ℃ 以內(nèi)，后墻偏差在55 ℃以內(nèi)，且隨著負(fù)荷增加，邊壁效應(yīng)的影響逐漸減小，這主要是由于一次風(fēng)量增加，密相區(qū)流化效果明顯改善。

圖4 不同負(fù)荷工況下爐內(nèi)床溫分布

圖5為不同負(fù)荷工況下爐內(nèi)溫度場分布。由圖5可知，不同負(fù)荷工況下，隨著爐膛高度增加爐內(nèi)溫度逐漸下降。低負(fù)荷50%工況下，爐膛上部溫度僅603 ℃，當(dāng)機(jī)組參數(shù)進(jìn)一步提高到超超臨界，如何維持低負(fù)荷汽溫的問題將尤其突出，亟需今后重點(diǎn)研究。

圖5 不同負(fù)荷工況下爐內(nèi)溫度場分布

2.3 負(fù)荷變化對吸熱份額分布的影響

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的350 MW以上超臨界CFB鍋爐中，通常爐內(nèi)布置適合機(jī)組容量的水冷壁和水冷附加受熱面、高過，尾部煙道一般布置低過、低再，布置中過和高再的方式有2種：一種是布置在外置床中(圖6(a))，一種是布置在爐內(nèi)(不帶外置床)或尾部煙道內(nèi)[12](圖6(b))。為了解不同受熱面布置時吸熱份額分布規(guī)律，對這2種典型受熱面布置結(jié)構(gòu)熱力匹配特性進(jìn)行分析。

圖6 2臺典型超臨界CFB鍋爐示意

鍋爐A：超臨界CFB鍋爐帶有外置床，爐膛、汽冷型分離器、外置床、尾部單煙道組成整個機(jī)組的受熱面，爐膛采用了“褲衩腿”單爐膛結(jié)構(gòu)。由于左右兩側(cè)受熱面對稱布置，可以視為2個受熱面布置完全相同的超臨界CFB鍋爐。鍋爐B：超臨界CFB鍋爐不帶外置床，受熱面由爐膛、汽冷型分離器、尾部雙煙道組成，爐膛采用單布風(fēng)板單爐膛結(jié)構(gòu)。

圖7為不同負(fù)荷工況下鍋爐不同受熱面吸熱份額比較。由圖7可知，不同負(fù)荷工況下，2種典型受熱面布置的循環(huán)流化床鍋爐蒸汽參數(shù)接近，因此給水、過熱器和再熱器的吸熱比例基本相同，鍋爐A水冷壁吸熱量設(shè)計時較鍋爐B更大。當(dāng)處于超臨界工況下，由于鍋爐B省煤器吸熱量較小，水冷壁欠焓較大，水動力特性更可靠。

圖7 不同負(fù)荷下2臺鍋爐受熱面吸熱份額比較

圖8為不同負(fù)荷工況下2臺CFB鍋爐不同部件吸熱份額。由圖8可知，不同負(fù)荷工況下2種受熱面布置尾部煙道吸熱份額基本相同，爐內(nèi)與外置床吸熱份額總和相同，此時爐內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)需與熱力系統(tǒng)相匹配。

圖8 不同負(fù)荷工況下2臺鍋爐各部件吸熱份額比較

圖9為不同工況下2臺流化床鍋爐爐內(nèi)溫度場分布。由圖9可知，由于鍋爐A帶有外置床，爐內(nèi)溫度場分布較均勻，其爐膛出口溫度平均溫度高約100 ℃。

圖9 不同工況下兩臺鍋爐爐內(nèi)溫度場分布

當(dāng)蒸汽參數(shù)從超臨界提高到超超臨界，主蒸汽溫度由571 ℃提高到605 ℃，再熱蒸汽溫度由569 ℃提高到603 ℃(高效超超臨界為623 ℃)，帶有外置床的循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)布置受熱面時仍有較大的溫差，而不設(shè)置外置床的循環(huán)流化床鍋爐在低負(fù)荷時，爐膛上部溫度偏低，汽溫很難保證，是今后需要重點(diǎn)攻關(guān)研究之一[13]。外置床技術(shù)是可供選擇的解決方案之一，由于上部溫度較高，低負(fù)荷汽溫特性良好，但是考慮到外置床內(nèi)金屬材料裕量限值，再熱汽溫?zé)崞羁刂埔蟾訃?yán)格。

2.4 負(fù)荷變化對鍋爐效率的影響

較大差異的負(fù)荷會對機(jī)組的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在以下2方面：① 無法及時調(diào)整燃燒狀態(tài)，爐內(nèi)煤風(fēng)比值的變化無法及時適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的突變；② 負(fù)荷變化時會使?fàn)t內(nèi)燃燒工況不穩(wěn)定，為了適應(yīng)這種負(fù)荷的突變要進(jìn)行調(diào)整，大大降低鍋爐的燃燒效率，大幅度降低鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[14]。表3為不同工況下鍋爐熱效率試驗(yàn)結(jié)果。

表3 熱效率試驗(yàn)結(jié)果

圖10為變負(fù)荷運(yùn)行時對鍋爐效率的影響，由圖10可知，低負(fù)荷運(yùn)行階段的鍋爐爐內(nèi)溫度相對較低，導(dǎo)致燃燒不充分，增大不完全燃燒熱損失使鍋爐燃燒工況變差，特別是當(dāng)鍋爐的負(fù)荷在50%以下時，過低的負(fù)荷會使?fàn)t膛內(nèi)部的溫度降到最低值。此外，當(dāng)鍋爐自身出力不足導(dǎo)致無法達(dá)到額定蒸發(fā)量，使鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低，同時，鍋爐在低于額定負(fù)荷運(yùn)行時，燃料在爐膛內(nèi)部停留的時間過短，燃料燃燒不完全，爐膛出口煙氣量增大，煙氣的流速及溫度大于正常值，煙氣損失增大，鍋爐效率降低[15]，這也是滿負(fù)荷時效率下降的原因。CFB鍋爐的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷范圍在鍋爐額定負(fù)荷的80%～90%。

圖10 機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行對鍋爐效率的影響

3 負(fù)荷變化對污染物排放的影響

3.1 負(fù)荷變化對SO2的影響

CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒生成SO2可以通過添加石灰石等脫硫劑進(jìn)行脫除。石灰石隨給煤一起送入爐膛以后，受熱分解成CaO，CaO與SO2發(fā)生固硫反應(yīng)生成CaSO4，并隨灰渣排到爐外。

圖11為鍋爐在3種負(fù)荷運(yùn)行時爐膛出口SO2的排放質(zhì)量濃度變化。由圖11可知，SO2排放質(zhì)量濃度先急劇增加，到達(dá)最大值之后開始下降。這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)荷升高時，給煤增加，煤中的硫分析出導(dǎo)致爐膛內(nèi)SO2質(zhì)量濃度急劇增加，之后由于床溫升高，達(dá)到脫硫最佳溫度范圍，導(dǎo)致脫硫反應(yīng)效率提高，爐膛出口SO2質(zhì)量濃度降低。

圖11 機(jī)組在變負(fù)荷工況下運(yùn)行出口SO2排放質(zhì)量濃度

3.2 負(fù)荷變化對NOx的影響

圖12為鍋爐在升降負(fù)荷時爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度變化。由圖12可知，升負(fù)荷過程中，排煙溫度升高，這是由于燃料量、風(fēng)量、蒸汽流量均相應(yīng)增加，各級受熱面處的工質(zhì)和煙氣溫度升高，導(dǎo)致爐膛排煙溫度升高。當(dāng)負(fù)荷增加時，床溫呈升高趨勢，NOx的排放直接與床溫有關(guān)[16]。由于運(yùn)行床溫和二次風(fēng)配比比較合理，升負(fù)荷時NOx排放質(zhì)量濃度在30～45 mg/m3，運(yùn)行床溫較低、合理二次風(fēng)配比造成缺氧環(huán)境和入爐燃料所含有機(jī)氮化物較少等，是該鍋爐NOx原始排放偏低的重要原因。對于中低負(fù)荷區(qū)間的變負(fù)荷工況，由于需維持最低流化風(fēng)速，隨著負(fù)荷降低，一次風(fēng)量逐漸降低至最低流化風(fēng)量，不能發(fā)揮分級配風(fēng)的優(yōu)勢，密相區(qū)的還原性氣氛相對中高負(fù)荷時差，導(dǎo)致NOx的原始排放質(zhì)量濃度顯著大于中高負(fù)荷時[17]。

圖12 機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時NOx排放質(zhì)量濃度

4 結(jié) 論

1)通過不同負(fù)荷下350 MW超臨界CFB機(jī)組各參數(shù)變化趨勢分析可知，該機(jī)組具有較高運(yùn)行靈活性和調(diào)峰能力。隨負(fù)荷增加，爐膛上部壓差逐漸增加；風(fēng)室壓力逐漸增加，布風(fēng)板上壓力逐漸降低；爐膛內(nèi)部平均物料濃度在底部和上部變化率不一致，爐膛內(nèi)部平均物料濃度逐漸降低，而爐膛上部平均物料濃度逐漸升高，這也是負(fù)荷升高導(dǎo)致的結(jié)果。

2)不同負(fù)荷工況下，隨著爐膛高度增加，爐內(nèi)床溫逐漸下降；2種典型受熱面布置的超臨界CFB鍋爐蒸汽參數(shù)接近，尾部煙道吸熱份額基本相同。

3)循環(huán)流化床鍋爐都有一個經(jīng)濟(jì)負(fù)荷范圍，在鍋爐額定負(fù)荷的80%～90%。爐膛出口SO2排放質(zhì)量濃度先增加后減小，NOx排放質(zhì)量濃度逐漸減小。在機(jī)組運(yùn)行過程中盡量使鍋爐在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，避免出現(xiàn)調(diào)峰時的低負(fù)荷和超負(fù)荷運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐效率最佳。