王 虎，范浩東，辛勝偉，張 縵，王君峰，鄔萬竹，楊海瑞，張 鵬

(1.國家能源集團循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，陜西 西安 710065；2.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084；3.太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024；4.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

電力行業(yè)的脫碳對實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的減排目標至關(guān)重要，近年來，國內(nèi)外學者對中國電力行業(yè)深度減排開展了很多研究，普遍結(jié)論是需要大力發(fā)展非化石能源發(fā)電技術(shù)[1-2]。可再生能源大規(guī)模發(fā)展，實現(xiàn)其大比例消納亟需燃煤發(fā)電提供靈活調(diào)峰服務(wù)，支撐能源結(jié)構(gòu)平穩(wěn)轉(zhuǎn)型。

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、污染控制成本低、適合深度調(diào)峰等特點[3]，在我國目前能源轉(zhuǎn)型中扮演重要角色，我國在役CFB發(fā)電機組中，超臨界參數(shù)裝機容量占20%以上，而超臨界機組深度調(diào)峰過程中除亞臨界機組面臨的低負荷工況布風板的穩(wěn)定流化、氮氧化物控制難題外，還涉及水動力的安全性問題。

王鵬程等[4]以某電廠350 MW超臨界CFB鍋爐為例，在分析機組深度調(diào)峰過程中遇到的鍋爐穩(wěn)燃及流化、水動力安全、汽動給水泵控制和污染物控制等一系列問題的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的控制策略和技術(shù)措施。蔡晉等[5]分析超臨界350 MW機組CFB鍋爐變負荷時各參數(shù)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)通過控制給煤量、風量等外部操作條件來實現(xiàn)。在變負荷過程中通過控制排渣量可調(diào)節(jié)床溫，床溫過高時需適當減小排渣量，從而保證鍋爐運行安全。合理控制床溫和風煤比，可以使NOx原始排放質(zhì)量濃度較低。

為研究超臨界CFB鍋爐深度調(diào)峰特性，筆者以某350 MW超臨界CFB鍋爐為研究對象，分析超臨界CFB鍋爐深度調(diào)峰過程中的流化穩(wěn)定性、超低負荷氮氧化物控制以及水動力安全特性，提供適應(yīng)該爐型的調(diào)峰控制方法，為同類型超臨界或超超臨界機組提供借鑒。

1 超臨界CFB鍋爐深度調(diào)峰關(guān)鍵技術(shù)

CFB鍋爐本身具有低負荷穩(wěn)燃的優(yōu)點，對于絕大多數(shù)鍋爐，可實現(xiàn)30% BMCR負荷不投油穩(wěn)定運行，而在國家消納新能源、火電機組用于調(diào)峰的背景下，應(yīng)進一步降低火電負荷，實現(xiàn)機組的深度調(diào)峰，其核心難題包括超低負荷的流化穩(wěn)定、超低負荷氮氧化物控制以及水動力的安全性問題，針對上述問題開展研究，形成如下核心技術(shù)。

1.1 超低負荷的流化穩(wěn)定

流化床鍋爐深度調(diào)峰最大的難點是如何實現(xiàn)低負荷的流化穩(wěn)定，特別是對大容量鍋爐，布風板截面大，一旦流化出現(xiàn)問題，會造成床層結(jié)渣、污染物排放增加等問題[6-7]。工程上為保證低負荷的穩(wěn)定流化，當負荷低于50%時，鍋爐總風量維持不變、一次風量不變，對低負荷而言，燃料處于富氧狀態(tài)，導致氮氧化物升高，因此，要進一步降低鍋爐的穩(wěn)燃負荷，應(yīng)進一步降低鍋爐低負荷時一次風量(圖1)，在減小鍋爐廠用電的同時，有效抑制深調(diào)工況NOx排放。而CFB鍋爐風量的分配與爐內(nèi)燃燒份額密切相關(guān)，風量調(diào)整的同時爐內(nèi)燃燒份額分布需相應(yīng)調(diào)整。

圖1 鍋爐風量隨負荷的變化Fig.1 Variation of boiler air volume with load

根據(jù)CFB流態(tài)重構(gòu)理論，其核心是減小床料粒度，顆粒終端流化速度減小(圖2)，臨界流化風速降低[8]，保證穩(wěn)定流化所需的風量減小，此外，隨著床料粒度減小，沿爐膛高度燃燒份額分布發(fā)生變化，相較于傳統(tǒng)流化床鍋爐，流態(tài)重構(gòu)后爐膛上部燃燒份額增加，下部燃燒份額減少[9]，如圖3所示，此時滿負荷工況設(shè)計的臨界流化風速降低，對應(yīng)布風板面積減小，在改善深度調(diào)峰工況穩(wěn)定流化的同時減少氮氧化物生成[10]。

圖2 粒度對臨界流化風速的影響Fig.2 Effect of particle size on critical fluidization wind speed

圖3 粒度對燃燒份額分布的影響Fig.3 Effect of particle size on combustion fraction distribution

1.2 超低負荷氮氧化物控制

1.2.1 爐內(nèi)流態(tài)重構(gòu)

床料平均粒度和循環(huán)流率對CFB還原性氣氛的影響至關(guān)重要，在爐膛下部密相區(qū)，燃料顆粒處于乳化相，床料平均粒度降低，使爐膛下部密相區(qū)氣泡相向乳化相的傳質(zhì)阻力增大，強化了燃料顆粒的局部還原性氣氛，同時循環(huán)物料的粒度變小，強化了爐膛上部物料的團聚，而燃料顆粒處于顆粒團中，形成了與爐膛下部密相區(qū)類似的局部還原性氣氛[11]，如圖4所示。CFB燃燒主要是燃料型NOx，即燃料燃燒過程中含氮化合物氧化生成NOx，其轉(zhuǎn)化率受燃燒氣氛的強烈影響，在還原性氣氛下轉(zhuǎn)化率急劇降低。因此燃料顆粒的反應(yīng)氣氛決定了NOx的原始排放[12]。CFB上部快速床區(qū)燃燒中的焦炭及CO對已生成的NOx有還原降解作用。因此上部燃燒氣氛同樣強烈影響NOx的還原能力[13]。

圖4 密相區(qū)和稀相區(qū)焦炭顆粒表面的局部還原性氣氛Fig.4 Local reducing atmosphere on the surface of coke particles in dense and thin phase regions

降低床料平均粒度抑制NOx生成理論在工程實現(xiàn)的核心是開發(fā)高效分離器、高通量低能耗回料閥等關(guān)鍵部件，滿足床料平均粒度降低的要求[14]。通過提高分離器進口段的顆粒加速能力及調(diào)整回料閥內(nèi)部顆粒流化形態(tài)為負壓差黏性滑移流狀態(tài)，可最終實現(xiàn)循環(huán)物料中位粒徑從傳統(tǒng)CFB的150～250 μm 減至90～100 μm[15]。

1.2.2 爐內(nèi)氧量和溫度的均勻性

由于350 MW超臨界流化床鍋爐爐膛空間進一步增大，爐內(nèi)氧量和溫度分布的均勻性對氮氧化物的原始生成也至關(guān)重要，局部高溫和局部富氧必然導致氮氧化物增加[16]。圖5為不同負荷、不同高度的爐膛溫度分布。

圖5 不同負荷和高度的爐膛溫度分布Fig.5 Furnace temperature distribution at different loads and heights

因此，在鍋爐設(shè)計上采用相應(yīng)的方法，如水冷風室的進風從后墻4點均勻給入，避免兩側(cè)進風導致爐內(nèi)流場不均勻；爐前多點給煤，后墻多點排渣，采用雙路回料閥，盡量使循環(huán)灰返料點在爐膛后墻均勻布置；此外，設(shè)計時還應(yīng)抑制多分離器并聯(lián)的氣固偏流，抑制同床波動、偏床等現(xiàn)象，可有效改善爐內(nèi)氧量和溫度均勻性[17]。

采用上述設(shè)計，在某350 MW超臨界CFB鍋爐上應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)不同負荷和高度的爐膛溫度偏差很小，如圖5所示，357 MW滿負荷時爐內(nèi)溫度同層偏差在±20 ℃ 以內(nèi)，60%負荷時爐內(nèi)同層溫度偏差在±25 ℃以內(nèi)，30%負荷時爐內(nèi)同層溫度偏差在±30 ℃以內(nèi)。此外，在鍋爐從啟動到滿負荷以及變負荷運行過程中，3個旋風分離器入口煙溫的溫度偏差始終在±10 ℃以內(nèi)，且隨負荷變化沒有明顯差別[18]。

通過以上運行數(shù)據(jù)，進一步說明沿爐膛水平斷面溫度場非常均勻，3個旋風分離器之間溫度偏差也很小，為氮氧化物的控制提供了有力保障[19]。

1.3 超低負荷水動力安全性

CFB鍋爐由于其特殊的燃燒方式，爐膛內(nèi)物料濃度高，為防止受熱面磨損，只能采用垂直管圈布置，為降低爐膛高度，需在爐膛內(nèi)布置水冷屏，補充水冷壁受熱面，因此，國內(nèi)外超臨界CFB鍋爐水冷壁設(shè)計的主流技術(shù)是采用貫穿整個爐膛高度的水冷中間隔墻與水冷壁并聯(lián)布置，質(zhì)量流速較低，約550 kg/(m2·s)，較低的質(zhì)量流速導致低負荷水動力安全性變差，中隔墻壁溫偏差增加，運行一段時間出現(xiàn)受熱面變形[20]。圖6為二次上升管水冷壁布置方式，水冷壁回路劃分如圖7所示(括號內(nèi)數(shù)字為水循環(huán)回路編號)。

圖6 二次上升水冷壁Fig.6 Secondary rising water wall

圖7 水冷壁回路劃分Fig.7 Water wall circuit division

通過研究超臨界流體的傳熱惡化判別方法，確定垂直管圈水冷壁質(zhì)量流速的優(yōu)選范圍，某350 MW超臨界CFB鍋爐開發(fā)了垂直管圈二次上升水冷壁工質(zhì)流程結(jié)構(gòu)，即水冷壁出口工質(zhì)經(jīng)下降管再進入水冷屏的工質(zhì)流程，水冷壁回路劃分如圖7所示，使水冷壁和水冷屏內(nèi)工質(zhì)形成較高的低質(zhì)量流速，通過建立水冷壁系統(tǒng)的水動力計算模型，預測該系統(tǒng)的水動力特性，100% BMCR負荷汽溫偏差約±18 ℃，75% BMCR負荷最大偏差約±10 ℃，30% BMCR負荷最大偏差約±1 ℃。分析各水冷壁回路受爐膛水冷壁結(jié)構(gòu)差異和熱負荷分布特點影響，各回路出口工質(zhì)溫度存在一定偏差，隨負荷降低，水冷壁出口越接近大比熱區(qū)，使各水冷壁回路的工質(zhì)溫度偏差較小，尤其在低負荷30% BMCR左右時，水冷壁出口處于飽和工質(zhì)狀態(tài)，使工質(zhì)溫度幾乎沒有偏差，偏差為±1 ℃，圖8為水冷壁溫度預測值[20]。

圖8 水冷壁溫度預測值Fig.8 Predicted water wall temperature

確定垂直管圈水冷壁質(zhì)量流速的優(yōu)選范圍，不但可減小工質(zhì)熱偏差、提高低負荷水動力安全性，還避免了中隔墻結(jié)構(gòu)導致的受熱面變形問題，具有更好的變負荷適應(yīng)性[20]。

此外，對于超臨界鍋爐，機組在深度調(diào)峰過程中，考慮到鍋爐水動力的安全性，應(yīng)盡可能避免干濕態(tài)轉(zhuǎn)換，然而在機組超低負荷運行時，爐內(nèi)流動不均勻?qū)е赂蓾駪B(tài)頻繁轉(zhuǎn)換，蒸汽參數(shù)波動劇烈，此外，超低負荷給煤控制困難，易導致水煤比失調(diào)，從而引起干濕態(tài)頻繁轉(zhuǎn)換。同時，超低負荷水冷壁質(zhì)量流速降低，可能造成流動不穩(wěn)定。針對上述難點，通過解決爐內(nèi)流動不均勻性、優(yōu)化控制系統(tǒng)、精準控制給煤量以及采用二次上升水冷壁結(jié)構(gòu)，保證直流管圈自補償特性前提下，適當提高質(zhì)量流速,保證超低負荷水動力安全[21]。

2 350 MW超臨界CFB鍋爐概況

某電廠350 MW超臨界CFB鍋爐采用單布風板、單爐膛、M型布置、平衡通風、一次中間再熱、高溫冷卻式旋風分離器進行氣固分離。鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。鍋爐主要由膜式水冷壁爐膛，3臺冷卻式旋風分離器和由汽冷包墻包覆的尾部豎井3部分組成，鍋爐總體布置如圖9所示。采用不帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動循環(huán)系統(tǒng)。爐膛四周水冷壁采用光管，中隔墻水冷壁采用內(nèi)螺紋管。爐膛內(nèi)前墻布置6片中溫過熱器管屏、6片高溫過熱器管屏、6片高溫再熱器管屏以及5片隔墻水冷壁。鍋爐共布置10個給煤口，全部布置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。

圖9 鍋爐總體布置示意Fig.9 General layout of boiler

爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風室，水冷風室兩側(cè)布置一次熱風道，風室兩側(cè)進風，空預器一、二次風出口均在兩側(cè)。尾部采用雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置3組低溫再熱器，后煙道布置2組低溫過熱器和2組一級中溫過熱器，向下前后煙道合成一個，在其中布置 H 型鰭片管式省煤器和臥式空氣預熱器。

鍋爐采用CFB燃燒，在控制氮氧化物原始生成的基礎(chǔ)上，設(shè)有SNCR裝置，在分離器入口煙道噴尿素作為氮氧化物還原劑。鍋爐設(shè)計燃料為矸石和中煤的混煤，混合后燃料分析見表1，鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表2。圖10為鍋爐設(shè)計燃料粒度篩分曲線。

表1 鍋爐實際燃料分析Table 1 Actual fuel analysis for boiler

表2 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main design parameters of boiler

圖10 鍋爐實際燃料粒度篩分曲線Fig.10 Actual fuel particle size screening curves of boiler

3 350 MW超臨界CFB鍋爐運行結(jié)果

采用上述關(guān)鍵技術(shù)，鍋爐可以實現(xiàn)20% BMCR工況長期穩(wěn)定運行，以下對影響深度調(diào)峰的關(guān)鍵參數(shù)進行分析。

3.1 床溫

燃料分析表明，雖然揮發(fā)分含量較高，但燃料氮大部分存在于焦炭中，因此，相較于同等揮發(fā)分燃料，氮氧化物原始生成量不高，鍋爐設(shè)計時，選取較高的床溫930 ℃，以保證燃料燃盡，鍋爐運行值與設(shè)計值相當，由于不設(shè)置外置式換熱器，因此運行過程中床溫隨鍋爐負荷的升高而增加，圖11為CFB鍋爐運行床溫隨負荷變化趨勢。

圖11 CFB鍋爐運行床溫隨負荷變化趨勢Fig.11 Variation trend of operating bed temperature of CFB boiler with load

3.2 鍋爐運行氧量

通過爐內(nèi)流態(tài)優(yōu)化，提高爐膛上部燃燒份額，減小鍋爐滿負荷一次風比例，減小布風板面積，使鍋爐深度調(diào)峰過程中運行氧量較傳統(tǒng)設(shè)計明顯降低，為低負荷氮氧化物的控制提供有利條件，圖12為省煤器出口氧量隨鍋爐負荷的變化。在50%負荷以下時，為保證爐內(nèi)充分流化，需維持總風量不變，因此負荷越低氧量越高。高于50%負荷時正常設(shè)計氧量不變，運行中由于各種原因運行氧量會有所波動。

圖12 CFB鍋爐運行氧量隨負荷變化趨勢Fig.12 Variation trend of operating oxygen content of CFB boiler with load

3.3 水冷壁溫度

由于使用二次上升水冷壁工質(zhì)流程，水冷壁工質(zhì)獲得較高的低質(zhì)量流速，水冷壁出口壁溫測點顯示值表明，水冷壁在滿負荷時壁溫偏差在16 ℃以內(nèi)，20%超低負荷運行時，最大壁溫偏差為17 ℃(圖13)，保證了鍋爐的安全運行。

圖13 20% BMCR工況不同管子水冷壁出口溫度Fig.13 Outlet temperature of water wall of different pipes under 20% BMCR conditions

3.4 氮氧化物排放

通過優(yōu)化分離回料系統(tǒng)性能，降低了床料及循環(huán)灰的平均粒度，通過給煤、排渣、送風等均勻布置，使該鍋爐爐內(nèi)溫度和氧量分布十分均勻，同時由于滿負荷設(shè)計床溫較高，超低負荷爐膛出口煙溫滿足SNCR脫硝反應(yīng)溫度窗口，結(jié)合爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)，最終實現(xiàn)了鍋爐全負荷氮氧化物的超低排放。鍋爐不同負荷脫硝劑用量及對應(yīng)的氮氧化物排放值如圖14所示。

圖14 不同負荷下脫硝劑用量及對應(yīng)NOx排放趨勢Fig.14 Agent dosage and corresponding NOx emission trend under different loads

4 結(jié) 論

1)通過降低床料粒度，實現(xiàn)爐內(nèi)流態(tài)重構(gòu)，減小爐膛下部燃燒份額，同時床料粒度降低，低負荷時穩(wěn)定流化所需最小流化風量減小，保證深度調(diào)峰工況的穩(wěn)定流化。

2)通過提高分離器進口段顆粒的加速能力，調(diào)整回料閥內(nèi)部顆粒流化形態(tài)為負壓差黏性滑移流狀態(tài)，使循環(huán)物料中位粒徑從傳統(tǒng)CFB的150～250 μm降至90～100 μm，較細的物料強化了氣泡相向乳化相的擴散阻力，進而降低NOx生成。此外，通過供風、給煤、排渣和返料等的均勻布置，避免了大床面非均勻性導致的NOx排放高的問題。

3)通過垂直管圈二次上升水冷壁設(shè)計，水冷壁在滿負荷時最大壁溫偏差在16 ℃以內(nèi)，20%超低負荷運行時，最大壁溫偏差為17 ℃，為深度調(diào)峰提供了保障。