1 000 MW燃煤機(jī)組負(fù)荷變化對顆粒物排放特性影響

李 洋，羅 林，吳建群，吳 昊，于敦喜

(1.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

截至2020年，我國燃煤火電裝機(jī)量達(dá)到10.8億kW，占全國發(fā)電裝機(jī)量的49.1%[1]。近年來隨著水電、風(fēng)電等清潔能源電力的大力發(fā)展，火電年發(fā)電小時(shí)數(shù)不斷下降，2020年僅為4 340 h[1]。同時(shí)國家“十四五”能源規(guī)劃指出煤電未來將逐漸由基荷型電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)型電源。煤電裝機(jī)容量過剩及其在國家能源定位中的改變將導(dǎo)致大量機(jī)組長期在低于額定負(fù)荷條件下運(yùn)行。燃煤發(fā)電機(jī)組在低負(fù)荷下工作會導(dǎo)致鍋爐效率降低、污染物生成和排放規(guī)律發(fā)生變化。為了滿足國家提出的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，必須對燃煤火電機(jī)組(尤其是600 MW以上大機(jī)組)在不同負(fù)荷下的污染物生成和排放規(guī)律進(jìn)行深入研究。

現(xiàn)有的研究工作主要關(guān)注鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行條件下NOx和SO2的生成與排放特性。低負(fù)荷運(yùn)行會導(dǎo)致NOx排放濃度明顯升高，主要原因[2-5]有：① 低負(fù)荷條件下，爐膛過量空氣系數(shù)偏高和一次風(fēng)濃度增加導(dǎo)致爐膛內(nèi)燃料型NOx濃度升高；② 負(fù)荷降低將導(dǎo)致進(jìn)入SCR的煙氣溫度降低，偏離選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)(SCR)最佳工作溫度。鍋爐SO2的生成主要取決于煤中S含量[5]，而低負(fù)荷條件下會導(dǎo)致機(jī)組熱損增大，單位發(fā)電量煤耗增大[6]，最終導(dǎo)致單位發(fā)電量生成SO2濃度升高。此外，負(fù)荷降低將導(dǎo)致煙氣流速降低，濕法脫硫裝置(WFGD)內(nèi)煙氣對脫硫漿液液滴表面的擾動作用降低，影響最終脫硫效率[7]。因此低負(fù)荷條件下SO2排放特性也會有明顯變化。

過量空氣系數(shù)、煙氣流速以及WFGD中氣液作用等影響氣體污染物排放的關(guān)鍵因素對顆粒物的排放同樣有重要影響[8]。機(jī)組負(fù)荷變化對NOx和SO2等氣體污染物排放的影響意味著負(fù)荷變化也可能導(dǎo)致煙氣中顆粒物排放特性發(fā)生變化。但目前鮮見相關(guān)研究，僅有少量研究獲得的結(jié)論也不一致。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的變化對靜電除塵器(ESP)后煙塵排放濃度無明顯相關(guān)性[5,9]。而劉建忠等[10]對燃煤電站ESP前后顆粒物特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷從100%降低至80%時(shí)，ESP對PM2.5和總塵的脫除率均上升，而更低負(fù)荷的影響及機(jī)理仍需進(jìn)一步揭示。

筆者基于某電廠1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組，研究不同運(yùn)行負(fù)荷條件下ESP前后和煙囪入口顆粒物排放特性，探討機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化對顆粒物排放的影響規(guī)律，以期為電廠環(huán)保設(shè)備運(yùn)行和調(diào)控提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 運(yùn)行工況及燃料特性

試驗(yàn)在廣東某1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組開展，該機(jī)組鍋爐型號為DG3033/26.15-Ⅱ，采用對沖燃燒、旋流式燃燒器系統(tǒng)。機(jī)組污染物脫除采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+濕式電除塵器(WESP)”的技術(shù)路線。為研究機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化對顆粒物排放規(guī)律的影響，分別對機(jī)組在典型運(yùn)行負(fù)荷、600、700、800和900 MW條件下ESP前后和煙囪入口處顆粒物濃度進(jìn)行測量。為保證數(shù)據(jù)代表性和穩(wěn)定性，在負(fù)荷穩(wěn)定1 h以上進(jìn)行樣品和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)期間負(fù)荷最大波動小于±5%，鍋爐不投油槍助燃，不進(jìn)行吹灰。

為保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)期間采用電廠常用煤種并保持煤種和配煤方案不變，對入爐煤粉基礎(chǔ)特性進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 原煤特性

1.2 采樣方法與測試方法

采樣過程遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》、HJ/T 397—2007《固定污染源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和ISO 23210—2009《固定污染源排氣中PM10/PM2.5質(zhì)量濃度的測定：低濃度下利用撞擊計(jì)進(jìn)行測量》。采用K型熱電偶測量煙氣溫度。采用PCME濕煙氣粉塵分析儀對ESP后和煙囪入口顆粒物濃度進(jìn)行測試，測量數(shù)據(jù)為1 h內(nèi)的平均值。采用OPTIMA7煙氣分析儀測量煙氣中O2、NOx和SO2含量。采用低壓撞擊器(DLPI)對ESP前的PM10進(jìn)行采樣測量，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)試驗(yàn)為3次以上。

PM10采樣系統(tǒng)如圖1所示，主要包括等速取樣槍、稀釋氣體流量計(jì)、PM10旋分分離器、低壓撞擊器(DLPI)和真空泵。為保證煙氣中H2O和SO3不發(fā)生凝結(jié)，煙道外采樣槍采用加熱層保溫，保證稀釋后進(jìn)入旋風(fēng)分離器中煙氣溫度為135 ℃，在旋風(fēng)分離器中空氣動力學(xué)直徑大于10 μm顆粒物被脫除，PM10進(jìn)入DLPI進(jìn)一步切割分離成粒徑0.028、0.056、0.094、0.154、0.258、0.377、0.605、0.935、1.580、2.360、3.950、6.600和9.800 μm的13個粒徑段。關(guān)于顆粒物采樣過程和DLPI詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[11]。

圖1 顆粒物采樣系統(tǒng)

采用聚碳酸酯膜采集PM10，采用百萬分之一天平測量采集樣品前后膜片的質(zhì)量，通過對采樣前后膜片的質(zhì)量進(jìn)行差減獲得膜片上顆粒物的質(zhì)量；采用X射線熒光探針(XRF)對顆粒物成分進(jìn)行分析。煙氣流量和給煤量等數(shù)據(jù)從電廠DCS系統(tǒng)上直接獲取。

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)荷變化對顆粒物生成規(guī)律的影響

為比較不同負(fù)荷條件下污染物排放濃度，將測試污染物濃度折算為標(biāo)況煙氣中污染物濃度。不同工況條件下煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度如圖2所示，可知鍋爐運(yùn)行負(fù)荷在600～900 MW時(shí)，煙氣中PM1、PM2.5和PM10平均質(zhì)量濃度分別為135～150，620～694以及1 960～2 000 mg/Nm3。在考慮測試結(jié)果誤差條件下，鍋爐負(fù)荷變化對煙氣中PM1、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均沒有影響。但實(shí)際上不同負(fù)荷條件下顆粒物濃度變化是顆粒物生成量以及煙氣流量變化綜合影響的結(jié)果。雖然負(fù)荷降低鍋爐煙氣流量也會相應(yīng)降低，但煙氣流量變化和負(fù)荷變化量并不成比例[5]。主要是因?yàn)樨?fù)荷降低時(shí)，為了保證煤粉的穩(wěn)燃，通常會采用更高的過量空氣系數(shù)。這會導(dǎo)致負(fù)荷變化時(shí)，煙氣流量減少比例小于負(fù)荷降低比例[6]。因此，為了對比機(jī)組負(fù)荷變化對煤中礦物向顆粒物遷移的影響規(guī)律，將顆粒物的生成量折算為燃燒單位質(zhì)量煤所產(chǎn)生的顆粒物，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同工況下煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度

圖3 單位質(zhì)量煤顆粒物生成量

由圖3可知，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷在80%(800 MW)以上時(shí)，燃燒單位質(zhì)量煤所產(chǎn)生的顆粒物變化不明顯。每克煤燃燒產(chǎn)生的PM1、PM2.5和PM10分別約為0.9、4.3和13.5 mg。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從80%降低到70%和60%時(shí)，每克煤燃燒產(chǎn)生的PM1分別增加0.2和0.4 mg，PM2.5分別增加0.8和2.1 mg，PM10分別增加1.7 mg和4.8 mg。由此可知機(jī)組負(fù)荷低于80%時(shí)，隨著機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的降低，單位煤燃燒所產(chǎn)生的顆粒物會增加；且負(fù)荷越低，單位質(zhì)量煤燃燒產(chǎn)生的顆粒物增加量越明顯。說明機(jī)組的低負(fù)荷運(yùn)行雖然沒有改變煙氣中顆粒物的生成濃度，但會導(dǎo)致煤中礦物向細(xì)顆粒物(PM10)遷移的比例增加?？紤]到顆粒物粒徑越小越不易被除塵器脫除[12]，低負(fù)荷下燃燒相同煤粉時(shí)顆粒物的凈化成本更高。而這些在前人研究中并未被關(guān)注。

進(jìn)一步分析不同運(yùn)行負(fù)荷條件下PM10的成分，主要成分包括Na、S、Ca、Si和Al。由化學(xué)成分分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)荷變化時(shí)，難熔元素Si和Al變化趨勢相似，而易氣化元素S、Na和助熔的堿性元素Ca變化趨勢相似?？紤]篇幅限制，分別以Ca和Si為例分析運(yùn)行負(fù)荷變化對煤中礦物元素向PM10遷移轉(zhuǎn)化的影響。

ESP前PM10化學(xué)成分如圖4所示，可知隨著負(fù)荷逐漸降低，煤中Si向PM10中的遷移明顯降低(Al變化趨勢相同)，而Ca向PM10中的遷移明顯增加(Na和S變化趨勢相同)，尤其是當(dāng)鍋爐負(fù)荷由800 MW降低為700 MW時(shí)變化更明顯。說明爐膛負(fù)荷的變化會導(dǎo)致煤中不同礦物元素向PM10的遷移規(guī)律發(fā)生變化。這是機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，燃燒單位質(zhì)量煤，顆粒物生成量發(fā)生變化的主要原因。

圖4 ESP前PM10化學(xué)成分

當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，爐膛煙氣流量降低，但過量空氣系數(shù)增加。氧含量的增加及煙氣在煙道中停留時(shí)間的增長有利于發(fā)生硫酸鹽化[11]，從而導(dǎo)致S向PM10遷移增加。而燃燒溫度的降低明顯不利于礦物熔融形成Ca和Na等硅鋁酸鹽的共融體[11,13]，從而抑制了含Ca和Na礦物的聚合，導(dǎo)致含Ca和Na礦物更傾向于生成PM10小顆粒。因此鍋爐負(fù)荷降低導(dǎo)致燃燒單位質(zhì)量煤時(shí)PM10生成量增加，而S、Ca和Na等在PM10中相對含量的升高會導(dǎo)致Si和Al相對含量降低。

2.2 負(fù)荷變化對ESP后顆粒物排放影響

ESP是燃煤電廠最重要的除塵設(shè)備，對煙氣中顆粒物的排放質(zhì)量濃度影響最明顯。前人對于負(fù)荷變化條件下，ESP后顆粒物的排放規(guī)律仍存在爭議。因此本文進(jìn)一步測量變負(fù)荷條件下ESP后煙氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。由于不同負(fù)荷條件下，煙氣流量和過量空氣系數(shù)均不同，為了統(tǒng)一對比標(biāo)準(zhǔn)，均將煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度折算到體積分?jǐn)?shù)6% O2條件下進(jìn)行，數(shù)值為在線測試裝置0.5 h的測試平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 ESP前煙氣中飛灰質(zhì)量濃度及ESP后煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度

由圖5可知，機(jī)組負(fù)荷高于700 MW時(shí)，負(fù)荷變化對ESP后顆粒物排放沒有明顯影響，排放均值在9 mg/Nm3左右。但機(jī)組負(fù)荷降至600 MW時(shí)，顆粒物排放質(zhì)量濃度明顯增加。顆粒物質(zhì)量濃度的變化主要受ESP進(jìn)口飛灰濃度和ESP除塵效率2方面影響。采用總塵測試儀對ESP進(jìn)口總塵進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷條件下ESP進(jìn)口飛灰質(zhì)量濃度并沒有明顯變化，因此除塵器的除塵效率差異是導(dǎo)致ESP出口煙塵濃度發(fā)生變化的最主要原因。

對不同負(fù)荷條件下ESP除塵效率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。可知不同負(fù)荷條件下ESP除塵效率變化與張雙平等[4]的模擬結(jié)果不同，降低負(fù)荷并未提高ESP除塵效率。負(fù)荷降至600 MW時(shí)，ESP除塵效率反而降低，導(dǎo)致600 MW負(fù)荷條件下ESP后排放顆粒物質(zhì)量濃度增加。考慮到ESP入口飛灰和細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度相似，試驗(yàn)期間ESP工作參數(shù)不變，因此可認(rèn)為飛灰特性變化是導(dǎo)致低負(fù)荷條件下ESP除塵效率略降低的主要原因?？紤]到試驗(yàn)期間使用同一種煤粉，飛灰具有相似的化學(xué)成分，負(fù)荷變化可能導(dǎo)致飛灰未燃盡碳含量發(fā)生變化。本研究對不同負(fù)荷條件下飛灰未燃盡碳含量進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷條件下，由于爐膛過量空氣系數(shù)較大，煤灰在爐膛中停留時(shí)間較長，因此未燃盡碳含量較低(僅約0.3%)。而高負(fù)荷條件下，飛灰中未燃盡碳含量可達(dá)4%。研究表明，飛灰中的未燃盡碳會降低飛灰比電阻，而比電阻的降低有利于提高ESP對飛灰的脫除率[14]。因此，高負(fù)荷條件下未燃盡碳含量較高導(dǎo)致的飛灰比電阻降低可能是高負(fù)荷條件下ESP除塵效率更高的主要原因。

表2 不同負(fù)荷條件下ESP除塵效率

2.3 負(fù)荷變化對煙囪入口顆粒物排放影響

煙氣經(jīng)過ESP后，超過99.9%的飛灰會被ESP脫除，但部分工況條件下，ESP后排放煙氣中煙塵仍無法滿足超凈排放要求(煙塵質(zhì)量濃度小于10 mg/Nm3)，因此煙氣在經(jīng)WFGD脫硫后會經(jīng)過WESP進(jìn)一步脫除煙塵，最后才進(jìn)入煙囪排入大氣中。本文對進(jìn)入煙囪煙氣中的煙塵進(jìn)行測量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 煙囪入口顆粒物質(zhì)量濃度

由圖6可知，機(jī)組負(fù)荷在600～900 MW時(shí)，煙塵質(zhì)量濃度為3.8～6.5 mg/Nm3。說明在不同運(yùn)行負(fù)荷條件下，采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+WESP”的污染物脫除路線可有效將煙氣中煙塵質(zhì)量濃度降至10 mg/Nm3以下，達(dá)到超凈排放要求。進(jìn)一步對不同負(fù)荷條件下煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷對煙囪入口煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度的影響與其對ESP后顆粒物質(zhì)量濃度的影響相反。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度逐漸降低。在高負(fù)荷條件下，負(fù)荷降低對煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度影響更明顯。

對不同負(fù)荷條件下，計(jì)算煙氣經(jīng)過WFGD+WESP后的除塵效率，結(jié)果見表3?？芍煌?fù)荷條件下，WFGD+WESP對煙氣中顆粒物脫除率的差異是導(dǎo)致煙囪入口煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度差異的主要原因，隨著機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的降低，WFGD+WESP對煙氣中顆粒物脫除效率明顯增加。由于試驗(yàn)期間WFGD和WESP工作參數(shù)不變，因此煙氣參數(shù)變化是導(dǎo)致WFGD+WESP除塵效率改變的主要原因。

表3 不同負(fù)荷條件下WFGD+WESP除塵效率

由于試驗(yàn)機(jī)組采用了MGGH(Media GGH)技術(shù)，在不同負(fù)荷條件下，煙氣在WFGD入口有相似溫度(90～93 ℃)，因此猜測煙氣流速變化是導(dǎo)致WFGD+WESP除塵效率變化的主要原因。進(jìn)一步分析該系統(tǒng)除塵效率和煙氣流速的相關(guān)性(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)煙氣流速與除塵效率呈明顯的負(fù)相關(guān)性。較低的煙氣流速有利于提高WFGD+WESP的除塵效率。前人研究表明[15-16]，WFGD對煙氣中顆粒物排放的影響主要包括2方面：① WFGD中飽和蒸汽可促進(jìn)部分顆粒物團(tuán)聚，最終被脫硫漿液沖刷脫除，煙氣流速降低增長了煙氣在WFGD中的停留時(shí)間，有利于顆粒物的脫除；② 煙氣可攜帶部分石膏或石灰石漿液，導(dǎo)致石膏和石灰石向煙氣中顆粒物遷移，而煙氣流速的降低可有效抑制煙氣對石膏和石灰石漿液的攜帶作用。對于WESP，氣體流速的降低有利于增加煙氣在WESP中的停留時(shí)間，從而提高WESP除塵效率。可見低負(fù)荷條件下，煙氣流速的降低有利于進(jìn)一步提高WFGD+WESP整體的除塵效率。

圖7 WFGD+WESP除塵效率與煙氣流速的相關(guān)性

2.4 綜合分析

采用“低NOx燃燒+SCR+低低溫ESP+WFGD+WESP”超凈排放技術(shù)可以將煙囪出口顆粒物濃度降低至超凈排放標(biāo)準(zhǔn)以下。同時(shí)該系統(tǒng)對煙氣中顆粒物的凈化具有良好的負(fù)荷變化適應(yīng)性。整體上分析，由于WFGD和WESP的存在，機(jī)組負(fù)荷的降低可進(jìn)一步降低煙囪顆粒物排放。雖然機(jī)組負(fù)荷變化不會導(dǎo)致煙塵排放惡化，但從煙塵脫除成本考慮，仍應(yīng)盡量避免機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行。首先，機(jī)組的低負(fù)荷運(yùn)行會導(dǎo)致燃燒單位質(zhì)量的煤細(xì)顆粒物生成量增加，增大除塵難度；其次，在不同負(fù)荷條件下，ESP、WFGD和WESP均在相同的工作參數(shù)下工作，這意味著負(fù)荷越低，除去相同質(zhì)量的顆粒物成本越高，因此機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行不利于顆粒物的經(jīng)濟(jì)性脫除?？紤]到安裝WESP后，負(fù)荷的降低有利于提高其對顆粒物的脫除效率，因此為了降低除塵成本，可在低負(fù)荷下優(yōu)化ESP和WESP的運(yùn)行參數(shù)，在保證煙囪顆粒物排放達(dá)標(biāo)的條件下，盡量降低除塵能耗。

3 結(jié) 論

1)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化對ESP前煙氣中PM1、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度影響不明顯。但機(jī)組負(fù)荷由90%降至60%時(shí)，會導(dǎo)致單位燃煤中PM1、PM2.5和PM10生成量分別增大47.6%、50.1%和38.7%，增加了煙氣中顆粒物的脫除難度。

2)70%～90%運(yùn)行負(fù)荷條件下，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化對ESP除塵效率影響不明顯，但負(fù)荷由90%降至60%時(shí)，會導(dǎo)致ESP除塵效率降低較明顯(由99.931% 降至99.901%)。

3)機(jī)組安裝的WFGD+WESP能有效凈化煙氣中顆粒物，保證負(fù)荷變化條件下煙囪顆粒物排放可達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，負(fù)荷的降低有利于進(jìn)一步提高WFGD+WESP對顆粒物的脫除效率，當(dāng)負(fù)荷由90%降至60%時(shí)，WFGD+WESP除塵效率由30.127% 提高至69.517%。