高明明,岳光溪,雷秀堅,劉吉臻,張文廣,陳 峰
(1.清華大學(xué)熱能工程系,熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室,北京100084;2.四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司,四川內(nèi)江641000;3.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京102206;4.北京國電智深控制技術(shù)有限公司,北京102200)
當(dāng)前鍋爐燃燒過程中控制SO2排放的技術(shù)分為3大類[1]:第一類是燃燒前煤中硫的脫除,在SO2產(chǎn)生的源頭上加以控制,如洗煤和生物脫硫技術(shù)等;第二類是燃燒過程中控制SO2的生成,主要是向爐內(nèi)添加脫硫劑,然后在燃燒過程中脫硫,如循環(huán)流化床(CFB)鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù);第三類是燃燒后脫除煙氣中的SO2,將燃燒后的煙氣在排放前進(jìn)行脫硫處理,如濕法脫硫和利用海水脫硫等.
CFB鍋爐在加入脫硫劑進(jìn)行脫硫時會影響鍋爐的燃燒狀況,從而增加運(yùn)行成本.因此,要精確控制n(Ca)/n(S)(Ca、S物質(zhì)的量比)以確保鍋爐的正常運(yùn)行,達(dá)到理想的脫硫效果,降低運(yùn)行成本.過量的脫硫劑會造成很大的附加灰渣量和相應(yīng)物理熱損失,同時又增加了爐膛磨損,影響燃燒工況和鍋爐效率.目前,我國對煙氣排放指標(biāo)的要求越來越嚴(yán)格,而國內(nèi)很多CFB鍋爐的脫硫效率僅停留在60%~90%[2],如果要達(dá)到較高的脫硫效率,需要增加脫硫劑,從而增加了運(yùn)行成本.基于上述原因,如果能夠及時監(jiān)測出爐內(nèi)存儲的活性石灰石質(zhì)量狀態(tài),可以提前了解爐膛內(nèi)當(dāng)前的脫硫狀況,及時調(diào)節(jié)石灰石給料量來控制SO2排放,避免SO2排放濃度不穩(wěn)定和石灰石投入過量,造成原料浪費(fèi),降低鍋爐效率.CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫技術(shù)是在鍋爐燃燒過程中加入一定比例的石灰石粉,其主要成分為CaCO3,該物質(zhì)在爐內(nèi)鍛燒分解,發(fā)生如下反應(yīng)[3]:
爐內(nèi)分解生成的細(xì)小CaO 顆粒與SO2發(fā)生反應(yīng),生成的CaSO4混入燃料燃燒后的灰渣中,從而達(dá)到爐內(nèi)脫硫的目的.運(yùn)行中CFB鍋爐內(nèi)有大量的固體流化床料,溫度維持在850~900 ℃.送入的燃料在灼熱的環(huán)境中迅速升溫燃燒,即使是難以燃燒的煤種,如無煙煤或其他難著火的劣質(zhì)煤等,也能很好地著火燃燒.這個燃燒溫度是CaCO3分解和SO2與CaO 發(fā)生脫硫反應(yīng)的最佳溫度[4-5],同時由于石灰石粉的表面積大,所以能與燃燒生成的SO2充分接觸.但由于石灰石與SO2反應(yīng)生成的CaSO4的摩爾體積是CaO 的2倍多,CaSO4的摩爾體積為39.6 cm3/mol,CaO 的摩爾體積為16.8cm3/mol.因此,石灰石鍛燒生成的CaO 顆粒上的微孔會被生成的CaSO4所堵塞,SO2難于擴(kuò)散進(jìn)入石灰石內(nèi)部與新鮮的CaO 繼續(xù)反應(yīng),使得石灰石的利用率降低,要使脫硫效率達(dá)到規(guī)定的要求,需要增加石灰石,n(Ca)/n(S)也要相應(yīng)增大.
首先,n(Ca)/n(S)是影響鍋爐脫硫效率和SO2排放的首要因素[6],這是本文的研究重點.由于脫硫反應(yīng)生成的CaSO4的摩爾體積大,從而導(dǎo)致其堵住了CaO 顆粒中的空隙,使得入爐石灰石的利用率降低,一般情況下投入的石灰石的利用率僅為20%~50%,為達(dá)到較高的脫硫效率,投入石灰石的量相當(dāng)大,在Ca/S 物質(zhì)的量比大于1.8 時,脫硫效率為85%以上[7].
其次,燃燒溫度對鍋爐脫硫效率也有重要影響[8].如式(2)所示,脫硫反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng),溫度升高使反應(yīng)速率加快,但是逆向的分解反應(yīng)加強(qiáng).而且CFB鍋爐密相區(qū)是還原性氣氛,在氧化性氣氛中CaSO4相對穩(wěn)定,在很強(qiáng)的還原性氣氛中CaSO4發(fā)生式(3)所示的分解反應(yīng):
同時,石灰石分解溫度提高后,生成的CaO 顆粒的空隙率降低,不利于提高脫硫效率.因此在脫硫過程中,存在一個最佳的脫硫反應(yīng)溫度,目前公認(rèn)的最佳脫硫反應(yīng)溫度為850~900 ℃.
CFB鍋爐爐膛中存儲的等待反應(yīng)的CaO 定義為活性石灰石.一方面因為和燃料中析出的SO2進(jìn)行脫硫反應(yīng),使得活性石灰石的質(zhì)量逐漸減少,另一方面不斷地在爐膛入口處補(bǔ)充石灰石,生成新的活性石灰石,CaCO3在底渣和飛灰中的損耗占總石灰石量的比例較小,可根據(jù)實際運(yùn)行情況選取比例系數(shù).新進(jìn)入爐膛的石灰石粉在850 ℃的高溫下分解為CaO 和CO2,根據(jù)式(2),可得出單位時間反應(yīng)的SO2物質(zhì)的量和反應(yīng)的CaO 物質(zhì)的量相等,Ca與S反應(yīng)的物質(zhì)的量之比為1∶1.在控制系統(tǒng)中可以假設(shè)燃料中含有的S在爐內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為SO2,根據(jù)燃燒系統(tǒng)物料質(zhì)量平衡理論,可建立爐內(nèi)活性石灰石模型.
式中:mCa為爐內(nèi)活性石灰石的質(zhì)量,kg;MCa為CaO的摩爾質(zhì)量,g/mol;Mc為CaCO3的摩爾質(zhì)量,g/mol;F1(t)為石灰石給料量,kg/s;F0(t)為計算給煤量,kg/s;η為石灰石給料量中所含純凈CaCO3的比例,通常情況下η為0.9;K為活性石灰石和SO2的反應(yīng)速率常數(shù);為爐內(nèi)補(bǔ)充的活性石灰石質(zhì)量流量,kg/s;KF0(t)mCa為與SO2反應(yīng)消耗的活性石灰石質(zhì)量流量,kg/s.
對模型進(jìn)行整理,在tk+1時刻,活性石灰石的質(zhì)量mCa為
式中:ts為模型的采樣時間;mCa(tk)為tk時刻床料中活性石灰石的存儲質(zhì)量.
石灰石加入爐膛后,在較短的時間內(nèi)分解生成CaO 和CO2,因此可忽略分解反應(yīng)時間.根據(jù)化學(xué)平衡理論,煙氣中排放SO2的量等于單位時間內(nèi)爐膛生成SO2的總量減去爐內(nèi)與活性石灰石反應(yīng)的SO2的量,即
式中:qV為單位時間進(jìn)入爐膛的風(fēng)量,m3/s;α=1-α′,α′為漏風(fēng)系數(shù);為煙氣中SO2濃度,mol/m3;G(t)為單位時間內(nèi)煤進(jìn)入爐膛后燃燒生成SO2的速率,mol/s;RS(t)為SO2的反應(yīng)速率,mol/s.
SO2生成速率與計算給煤量、爐內(nèi)溫度和風(fēng)量有關(guān).在計算爐內(nèi)SO2濃度時,假設(shè)燃料中的S 在二次風(fēng)入口以下的床層內(nèi)完成SO2的轉(zhuǎn)化,隨著負(fù)荷的增加,爐膛上部生成的SO2的濃度有所增大,如此假設(shè)使得計算得到的SO2濃度與實際值之間存在誤差.
影響SO2原始排放量的主要因素有2個:一是煤中含硫的類型,一類為低價硫,即能氧化成SO2,另外一類是硫酸鹽,不會形成SO2,所以對煤中的全硫需要加以區(qū)分;二是煤灰分中的CaO 有自脫硫能力.在控制系統(tǒng)中需要根據(jù)運(yùn)行工況和實際情況對模型和參數(shù)進(jìn)行修正以減少誤差,爐內(nèi)SO2的生成速率G[9]為
式中:ws為煤中含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ηs為硫轉(zhuǎn)化率.
脫硫過程取決于CaO 與SO2之間的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程.根據(jù)其反應(yīng)速率確定脫硫劑的消耗量和SO2的吸收量,CaO 反應(yīng)速率RCa[10]為
式中:cSO2為爐膛內(nèi)SO2濃度,mol/m3;λ為石灰石反應(yīng)活性系數(shù),一般取0.035[10-11];T為床溫,K;kv為SO2的反應(yīng)速率常數(shù);ρCa為活性石灰石的密度,kg/m3;R為摩爾氣體常數(shù),8.31J/(mol·K);Sg為石灰石有效比表面積,m2/kg.
假設(shè)cSO2=kG(t)=εF0(t),其中k為比例系數(shù),ε為爐膛內(nèi)SO2濃度與計算給煤量的比例系數(shù).在穩(wěn)定工況下,爐內(nèi)補(bǔ)充的石灰石質(zhì)量流量和反應(yīng)的石灰石質(zhì)量流量相等,即單位時間內(nèi)反應(yīng)的石灰石RCa和補(bǔ)充石灰石的反應(yīng)速率相等.
在穩(wěn)定工況下,活性石灰石的質(zhì)量mCa,0為
綜合式(6)~式(8),可得到爐膛出口SO2濃度的預(yù)測模型:
假設(shè)RS(t)=RCa(t),即SO2反應(yīng)速率與活性石灰石反應(yīng)速率相等.令,則式(8)可簡化為
式(13)可簡化為
根據(jù)燃燒系統(tǒng)物料平衡理論,可知穩(wěn)定工況下鍋爐補(bǔ)充的石灰石中含有的活性石灰石質(zhì)量流量等于和SO2反應(yīng)消耗的活性石灰石質(zhì)量流量.如果爐內(nèi)存儲的活性石灰石質(zhì)量穩(wěn)定,則排放煙氣中SO2的質(zhì)量濃度穩(wěn)定.假設(shè)石灰石給料中所含純凈CaCO3的比例為η,可得
在穩(wěn)定工況下,保持爐膛中活性石灰石質(zhì)量mCa穩(wěn)定時,石灰石給料量F1(t)和計算給煤量F0(t)的比值為
優(yōu)化的n(Ca)/n(S)為
式中:φ為模型系數(shù);η取值為0.9.
根據(jù)上述分析,在CFB鍋爐中保持爐內(nèi)活性石灰石質(zhì)量的穩(wěn)定,可以保證煙氣出口SO2質(zhì)量濃度的穩(wěn)定.根據(jù)活性石灰石質(zhì)量的平衡計算入爐石灰石量與計算給煤量的優(yōu)化配比,實時調(diào)節(jié)石灰石的給料量,從而避免了以往任何工況都用固定n(Ca)/n(S)來進(jìn)行石灰石給料的控制方式.
根據(jù)式(9)和式(10),計算活性石灰石顆粒的反應(yīng)速率常數(shù)kv,利用不同工況下kv和床溫T進(jìn)行最小二乘法辨識,擬合方程為
在CFB鍋爐爐膛溫度控制范圍內(nèi)求取模型參數(shù),在不同穩(wěn)定工況下進(jìn)行參數(shù)值計算,統(tǒng)計參數(shù)平均值,然后通過最小二乘法進(jìn)行辨識,得到模型參數(shù)與主要變量的關(guān)系.
為了驗證所構(gòu)造模型的有效性,對某600 MW超臨界CFB 鍋爐進(jìn)行實驗研究,在Simulink 組件中構(gòu)建的模型見圖1.表1和表2給出了煤質(zhì)特性和石灰石特性,表3給出了鍋爐的主要技術(shù)參數(shù).
圖1 在Simulink組件中構(gòu)建的模型Fig.1 Schematic diagram of the Simulink model
表1 煤質(zhì)特性Tab.1 Coal quality
在負(fù)荷為540 MW的穩(wěn)定工況下,保持送風(fēng)量和石灰石給料量的穩(wěn)定值分別為430m3/s和30kg/s,對給煤量進(jìn)行階躍擾動實驗.采集時間為135 min,在第20min,給煤量從108kg/s 降低到96kg/s,穩(wěn)定50 min 后,給煤量重新升高到108 kg/s.對爐內(nèi)活性石灰石質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測,同時收集計算給煤量、石灰石給料量、送風(fēng)量以及活性石灰石質(zhì)量、SO2質(zhì)量濃度的預(yù)測值和實測值數(shù)據(jù).實驗結(jié)果見圖2~圖6.
表2 石灰石特性Tab.2 Limestone properties
表3 鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of the boiler
由圖5可知,由于給煤量減少,爐內(nèi)生成的SO2質(zhì)量濃度減小,使得活性石灰石質(zhì)量逐漸增大.隨著給煤量的逐漸降低,活性石灰石質(zhì)量從穩(wěn)定時的5 700kg增大到6 300kg,在第70min后,隨著給煤量的升高,活性石灰石質(zhì)量逐漸減小,最后穩(wěn)定在5 880kg.
圖2 給煤量階躍擾動Fig.2 Step disturbance of coal feed rate
圖3 石灰石給料量的變化Fig.3 Variation of limestone feed rate
圖4 送風(fēng)量的變化Fig.4 Variation of air flow rate
圖5 爐內(nèi)活性石灰石質(zhì)量的變化Fig.5 Variation of in-furnace limestone mass
圖6 SO2 質(zhì)量濃度預(yù)測值與實測值的對比Fig.6 Comparison of SO2concentration between prediction results and actual measurements
由圖6可知,SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值與實測值的平均誤差為15.28mg/m3,最大誤差率為10.22%,平均誤差率為5.38%,兩者誤差保持在較小的范圍內(nèi),同時可以看到計算值具有一定的預(yù)測性.綜合上述分析,活性石灰石的質(zhì)量與給煤量有很大關(guān)系,如果給煤量降低,活性石灰石質(zhì)量增大,這是因為爐膛內(nèi)生成SO2的量減少,以及活性石灰石發(fā)生的脫硫反應(yīng)減弱,使得爐內(nèi)活性石灰石質(zhì)量逐漸增大,最后穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài).
圖7給出了基于“活性石灰石”的狀態(tài)監(jiān)測模型圖.圖8 給出了該模型的工程應(yīng)用邏輯圖.其中,為滯后環(huán)節(jié)模塊;為比例增益模塊;為系數(shù)輸入模塊;和分別為加法、除法、乘法和減法計算模塊;為積分模塊;為切換模塊;為開關(guān)量連接輸入模塊.
圖7 基于“活性石灰石”的狀態(tài)監(jiān)測模型圖Fig.7 State monitoring model based on"active limestone"
圖8 基于“活性石灰石”狀態(tài)監(jiān)測模型的工程應(yīng)用邏輯圖Fig.8 Logical diagram for engineering application of state monitoring model based on"active limestone"
某600 MW CFB鍋爐是超臨界CFB燃燒方式直流爐[12-13],該鍋爐采用一次中間再熱、雙布風(fēng)板、單爐膛、平衡通風(fēng)、H 形露天布置.模型輸入的石灰石給料量為石灰石給料口1和石灰石給料口2(床料入口)共2個石灰石給料機(jī)給料量的總和.根據(jù)石灰石給料量、計算給煤量和送風(fēng)量,實時計算當(dāng)前爐內(nèi)存儲的活性石灰石質(zhì)量和預(yù)測煙氣中SO2的質(zhì)量濃度.
保持計算給煤量和送風(fēng)量穩(wěn)定,在發(fā)電機(jī)功率為450 MW 的穩(wěn)定工況下,對石灰石給料量進(jìn)行階躍擾動實驗,SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值與實際運(yùn)行值的對比見圖9,其中采集數(shù)據(jù)時間為13:20—18:20,共計運(yùn)行5h的數(shù)據(jù).在14:15對石灰石進(jìn)行階躍擾動,石灰石給料口2的石灰石給料量從17t/h降低到0,只有石灰石給料口1給料.經(jīng)過40min后,在14:55 石灰石給料口2 的石灰石給料量恢復(fù)到17t/h.由于石灰石給料量的降低,爐膛中活性石灰石質(zhì)量減小,脫硫反應(yīng)速率降低,使得SO2的質(zhì)量濃度逐漸增大,由于模型的延時模塊時間設(shè)置較短,預(yù)測模型反應(yīng)較快,計算得到的SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值為73mg/m3,SO2質(zhì)量濃度實際運(yùn)行值從開始的35mg/m3經(jīng)過40min后逐漸增大到70mg/m3.在恢復(fù)石灰石給料口2的石灰石給料量后,SO2質(zhì)量濃度實際運(yùn)行值逐漸減小到35 mg/m3.由圖9 可知,SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值與實際運(yùn)行值的變化趨勢吻合,動態(tài)過程中兩者的平均誤差為15mg/m3,且預(yù)測SO2質(zhì)量濃度對石灰石給料量的響應(yīng)時間短,具有一定的超前性,在達(dá)到新的穩(wěn)定工況后SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值與實際運(yùn)行值的誤差較小,平均誤差為6mg/m3,預(yù)測精度可以滿足實際要求.
圖9 SO2 質(zhì)量濃度預(yù)測值與實際運(yùn)行值的對比Fig.9 Comparison of SO2concentration between prediction results and operation data
當(dāng)鍋爐負(fù)荷為450 MW 時,計算基于活性石灰石平衡的n(Ca)/n(S).帶入該負(fù)荷下的工作點參數(shù),n(Ca)/n(S)為
由式(20)可知,該負(fù)荷下n(Ca)/n(S)為1.9就可以達(dá)到脫硫效果.利用該n(Ca)/n(S)可以對石灰石給料量進(jìn)行校正,較固定n(Ca)/n(S)為2.1的石灰石給料方式節(jié)約成本,為機(jī)組運(yùn)行過程中確定石灰石給料量提供指導(dǎo).
(1)構(gòu)造了一種CFB 鍋爐特有的“活性石灰石”狀態(tài)監(jiān)測模型,基于計算給煤量、送風(fēng)量和爐內(nèi)活性石灰石質(zhì)量構(gòu)造了SO2質(zhì)量濃度預(yù)測模型,可以通過監(jiān)測“活性石灰石”狀態(tài)量的變化對SO2質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測.
(2)通過對某600 MW 超臨界CFB 鍋爐實際運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真,驗證了所構(gòu)造的“活性石灰石”狀態(tài)監(jiān)測模型和SO2質(zhì)量濃度預(yù)測模型的有效性.
(3)根據(jù)爐內(nèi)“活性石灰石”的穩(wěn)定性,提出一種基于“活性石灰石”平衡的n(Ca)/n(S)優(yōu)化配比方法.將該方法應(yīng)用于某600MW 超臨界CFB鍋爐脫硫控制系統(tǒng)中,得到的SO2質(zhì)量濃度預(yù)測值和n(Ca)/n(S)優(yōu)化配比值均在合理范圍內(nèi),說明基于“活性石灰石”的SO2控制和n(Ca)/n(S)優(yōu)化配比方法是可行有效的.
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