超临界循环流化床锅炉低负荷掺烧试验研究
摘 要：为掌握世界首台600 MW超临界循环流化床锅炉低负荷工况下燃料变化对锅炉燃烧稳定性和设备运行可靠性的影响，进行了不同比例设计煤与神华煤的实炉掺烧试验，对比研究了4个试验工况下燃烧系统、汽水系统、烟风系统和主要污染物排放参数的特性，试验结果表明：超临界循环流化床锅炉在60%额定负荷工况下掺烧50%神华煤时，锅炉仍能够保持稳定可靠运行，锅炉热效率平均达到90%以上，过热蒸汽和再热蒸汽参数满足设计要求，SO2和NOx排放值均低于200 mg/m3，满足四川地区现阶段排放限值要求。
关键词：超临界；循环流化床锅炉；低负荷；掺烧；燃烧特性
0 引 言
我国是世界上最大的煤炭消费国和生产国，消费量和生产量占世界总量的一半左右[1]。煤炭作为我国的主体能源，占一次能源生产和消费的比例在70%以上，是国家能源安全的重要保障[2]。未来相当长时期内我国煤炭需求量仍将增加，但占一次能源消费的比例将逐步下降，预计2030年降至约50%[3]。在能源革命和经济发展新常态下，“煤为基础，多元发展”的能源战略方针成为主要发展方向[4]。燃煤发电是煤炭利用的主要方式，占煤炭消费总量50%以上[5]。我国能源政策要求火电动力煤尽量使用低品位煤，受煤炭品质日益下降，火电调峰要求不断提高，发电小时数持续降低，煤炭开采利用带来严重环境污染等诸多不利因素的限制，火电行业对锅炉清洁燃烧技术提出更高要求[6] 。循环流化床发电技术是国际公认的商业化程度最好的洁净煤发电技术之一[7-8]，目前我国已成为世界上循环流化床锅炉台数最多、总装机容量最大和发展速度最快的国家[9]，近年来大型化、高参数化的超临界循环流化床技术成为主要发展方向[10-11]，该技术具有燃料适应性广、燃烧稳定、负荷调节性好等诸多优点[12]，特别是污染物排放易于控制且成本较低，简单地在炉内添加石灰石粉脱硫效率就可达90%以上，采用空气分级燃烧可将NOx排放控制在低于250 mg/m3的水平，仅为煤粉炉的1/3左右，在各种负荷(尤其低负荷)时维持较高床温就能保证较高燃烧效率[13]。进入“十三五”时期以来，我国面临经济下行和产能过剩的严峻压力，全国电力供需形势总体宽松、部分地区过剩，电力需求增速将长期处于低位波动。中电联在《2016年上半年全国电力供需形势分析预测报告》中指出6月底全国6 000 kW及以上火电设备利用时间为1 964 h(其中煤电2 031 h)，同比降低194 h，为近十年来的同期最低水平。随着机组低负荷运行渐为常态，火电利用小时数将持续走低，提升机组长期低负荷运行经济性对于发电企业可持续发展十分必要。随着煤炭市场的变化，众多煤电企业的燃料长期偏离设计煤质[14]，掺烧或改烧非设计煤非常普遍[15]，给锅炉安全稳定经济运行带来挑战。四川白马电站拥有我国首台自主研发、世界单机容量最大的600 MW超临界循环流化床机组[16]，由于缺乏可直接借鉴的经验，为解决机组难以长期燃烧设计煤及保持满负荷工况运行而导致的锅炉热效率下降、运行可靠性变差等问题，通过本试验研究低负荷工况、大比例掺烧神华煤对锅炉燃烧特性和运行参数的影响规律，为超临界循环流化床锅炉低负荷运行优化和后续燃用神华煤的超超临界循环流化床锅炉工程提供实炉参考数据。
1 锅炉系统概况
600 MW超临界循环流化床锅炉为东方锅炉厂设计制造的DG1900/25.4-Ⅱ9型UP式直流锅炉，采用双布风板、H型布置、平衡通风、一次中间再热、循环流化床燃烧方式，外置床调节床温及再热蒸汽温度，高温蒸汽冷却式旋风分离器进行气固分离。锅炉整体呈左右对称布置，支架在锅炉钢架上。锅炉热力系统由三部分组成：① 布置有主循环回路，包括炉膛、汽冷式旋风分离器、回料器以及外置床、冷渣器以及二次风系统等；② 布置尾部烟道，包括低温再热器、低温过热器和省煤器；③ 单独布置的回转式空气预热器。600 MW超临界循环流化床锅炉BMCR(Boiler Maximum Continuous Rating)和BRL(Boiler Rated Load)工况主要设计参数见表1。
表1 超临界循环流化床锅炉主要设计参数
Table 1 Designed parameters of supercritical circulating fluidized bed boiler
2 掺烧试验工况
本试验燃用煤种选用设计煤和神华煤，煤质成分分析见表2。 600 MW超临界循环流化床锅炉60%额定负荷下在设计煤中按照不同比例掺烧神华煤，其中工况1为100%燃烧设计煤，工况2为燃烧30%设计煤+70%神华煤，工况3为燃烧50%设计煤+50%神华煤，工况4为100%燃烧神华煤。掺烧试验完成上述各工况下的锅炉性能试验，分析600 MW超临界循环流化床锅炉低负荷运行时燃料变化对低负荷稳定燃烧特性、主辅设备可靠性和主要污染物排放特性的影响。各工况下锅炉运行参数见表3。
表2 试验用煤种的煤质成分分析
Table 2 Quality analysis of designed coal and Shenhua coal
表3 不同掺烧工况下超临界循环流化床锅炉运行参数
Table 3 Operation parameters of supercritical circulating fluidized bed boiler in different co-combustion conditions
3 不同掺烧比例对锅炉运行的影响
3.1 对燃烧系统的影响
碳燃烬率和燃烧效率是ASME标准根据燃料情况评价燃烧系统燃烧状态优劣的指标，由以下2个公式得出
式中,MpCbo为碳燃烬率，%；MpCb为应用基燃烧掉的碳，%；MpCF为应用基碳含量，%。
式中,ECm 为燃烧效率，%；QC 为灰渣中未燃碳引起的热损失，%；QCO 为烟气中CO引起的热损失，%；QH 为烟气中氢引起的热损失，%；QCH 为烟气中碳氢化物引起的热损失，%。
碳燃烬率是指烧掉的碳量与可利用碳量的比值，碳燃烬率越高，燃烧效果越好。燃烧效率是用100减去燃烧过程中因可燃物未燃烬而造成的各种损失，表示了燃烧的完整性，燃烧效率越高，燃烧损失越小。图1为各工况下的碳燃烬率和燃烧效率。
图1 不同掺烧工况下的碳燃烬率和燃烧效率对比
Fig.1 Carbon burnout ratio and combustion efficiency of supe rcritical circulating fluidized bed boiler in different co-combustion conditions
600 MW超临界循环流化床锅炉在低负荷运行时，不同掺烧工况下神华煤具有更高的燃烧效率和锅炉效率，而设计煤较低，掺烧煤介于两者之间。600 MW超临界循环流化床锅炉设置有6个外置床换热器，对称布置在炉膛两侧，通过调节外置床换热器中受热面的吸热量来调节锅炉主循环回路受热面和尾部受热面的吸热比例，试验各工况运行床温在825.1～839.1 ℃，碳燃烬率都在96%以上，燃烧效率在94%以上，表明锅炉在低负荷运行时仍具有良好的床温调节性能和较强的燃料适应能力，平均床温虽然处于较低水平，但燃烧稳定性良好，锅炉能够实现稳定运行。
3.2 对汽水系统的影响
600 MW超临界循环流化床锅炉的汽水系统示意如图2所示。锅炉给水经给水控制台进入尾部烟道的省煤器，加热后进入水冷壁吸热后经混合集箱引入汽水分离器。分离后的饱和蒸汽进入布置在高温分离器的受热面，吸热后汇集于出口集箱，经包墙过热器流入布置在尾部烟道上部的低温过热器。从低温过热器引出的蒸汽依次流经布置在外置床换热器中的一级中温过热器和二级中温过热器，由连接管分别引入布置在炉膛上部的高温屏式过热器，吸热后的过热蒸汽进入汽轮机做功。高压缸做功后的蒸汽经尾部烟道中部的低温再热器吸热后，流经布置在外置床换热器中的高温再热器，汇合后引入汽轮机。
600 MW循环流化床锅炉在低负荷运行时，超临界参数难以维持，试验工况下锅炉处在亚临界参数运行，主汽压力在16.57～17.73 MPa，主汽温度控制在569 ℃。各试验工况下主要受热面壁温参数如图3所示。锅炉汽水系统主要受热面运行状况受到工质温度、压力和所处在锅炉不同位置烟气的温度、压力、流速等因素影响。受热面是否安全不超温是衡量汽水系统可靠性的主要指标。试验工况下各主要受热面壁温均没有超过壁温报警值，除了低温再热器壁温接近报警值，最小相差仅0.8 ℃，在低负荷运行时需要重点注意调节控制之外，屏式过热器壁温裕量为11.6～16.9 ℃，高温再热器壁温裕量为22.9～30.1 ℃，其他受热面壁温裕量都在40 ℃以上，过热蒸汽和再热蒸汽参数控制稳定，锅炉汽水系统能够实现安全、可靠、稳定运行。
图2 循环流化床锅炉汽水系统示意
Fig.2 Sketch map of supercritical circulating fluidized bed boiler steam-water system
图3 循环流化床锅炉主要受热面壁温
Fig.3 Main heat surface wall temperature of supercritical circulating fluidized bed boiler
3.3 对烟风系统的影响
600 MW循环流化床锅炉烟风系统由一次风系统、二次风系统、高压流化风系统、引风机和烟囱等组成。由于掺烧煤种燃烧特性差异，造成锅炉运行中一二次风量、比例和过量空气系数、不同区域受热面吸热份额都有所差别，燃烧产生的烟气量也存在较大差异。设备运行状况和烟风系统可靠性由炉膛出口氧含量和风机电流等指标直观反应。不同掺烧工况下锅炉烟风系统风机电流如图4所示。
600 MW循环流化床锅炉在低负荷工况下运行，不同掺烧工况下风机电流与额定值相比均有较大裕度，其中一次风机电流在224～245 A，未超过设计值400 A；二次风机只开启一台，电流在174～187 A，未超过设计值234 A；引风机电流在137.2～143.5 A，未超过设计值415 A；高压流化风机开启3台，电流在46.4～48.8 A，未超过设计值60 A。
图4 不同掺烧工况下风机电流
Fig.4 Fan currents in different co-combustion conditions
过量空气影响锅炉燃烧和经济运行[17]。锅炉炉膛出口氧含量直接反应燃料燃烧所需的风量和实际给入风量的比例情况。为了保证锅炉具有较高的燃烧效率和脱硫效率，同时考虑到将NOx排放值、风机功耗和炉膛受热面磨损维持在较低水平，600 MW循环流化床锅炉炉膛出口设计氧含量为3.5%，在低负荷工况下根据掺烧煤质进行氧含量调节，工况1～工况4氧含量分别为3.10%、2.89%、2.86%、3.21%，偏离设计值较小，有利于锅炉保持良好的运行。
总体上烟风系统各设备能够满足试验过程中不同配比掺烧燃料的燃烧需要，并保有一定裕量，可为将来锅炉进一步实现燃烧优化提供条件。
3.4 对主要大气污染物排放的影响
循环流化床锅炉脱硫效率受钙硫比、石灰石反应活性、锅炉运行参数等因素影响，其中受床温影响最为显著，脱硫最佳温度区间为790～850 ℃[18]。600 MW循环流化床锅炉Ca/S值控制在2左右，热重分析显示石灰石反应能力系数为60，反应活性高。外置床换热器可以调节炉膛温度在合理范围内，密相区平均床温825.1～838.3 ℃，波动较小，满足炉内高效脱硫的温度要求，保证了600 MW循环流化床锅炉在低负荷工况下仍然有良好的脱硫能力。掺烧试验各工况SO2排放量和脱硫效率见表4。由于掺烧入炉煤煤种、硫分和热值变化，各工况SO2实际排放值波动较大(154.7～199.2 mg/m3)，各工况最低脱硫效率94.8%，最高98.2%，能够满足现阶段四川地区环保排放限值要求。
表4 不同工况下SO2和NOx排放情况
Table 4 SO2 and NOx emission of supercritical circulating fluidized bed boiler in different co-combustion conditions
循环流化床锅炉燃烧影响NOx生成的因素有床温、过氧量、分段燃烧、燃料特性等，床温降低有利于减少NOx的排放[18]。掺烧试验中循环流化床锅炉炉膛温度较低，试验各工况密相区平均温度832 ℃，较煤粉炉燃烧温度低很多，燃料中氮转化成NOx的生成率随燃烧温度的降低而减小。降低循环流化床锅炉炉内特别是密相区过量空气系数有利于还原性气氛的保持，NOx排放值会明显降低。循环流化床锅炉运行氧含量的确定还需要兼顾热效率、受热面磨损及SO2排放等因素，根据煤种不同一般控制在3%～5%。由于脱硫反应需要氧参与，当氧含量过低时，固硫反应过程受到限制，会造成脱硫效率下降、石灰石利用率降低、SO2排放值提高的现象，根据实炉运行经验氧含量不宜低于2.0%。掺烧试验中氧含量平均值2.99%，最大值3.21%，控制在较低水平，对于降低NOx的生成量有利。分级燃烧是降低燃煤锅炉NOx排放的有效措施，掺烧试验中通过调整一二次风的比例，一次风从炉膛底部给入，占燃烧所需空气的47%～51%，保证炉膛内NOx生成区域处于缺氧燃烧的还原性气氛，在缺氧状态下焦炭和CO对NO还原，有利于降低NOx排放量。随着燃烧反应的进行，二次风在燃烧室上部不同高度进行补充，提供完全燃烧所需的空气。掺烧试验不同工况下的NOx排放量见表4。试验各工况NOx排放值最低71.6 mg/m3，最高166.4 mg/m3，平均129.6 mg/m3，虽然波动范围较大，但都低于200 mg/m3，满足现阶段四川地区环保排放限值的要求。
4 结 论
1)600 MW超临界循环流化床锅炉在60%额定负荷情况下，在设计煤中掺烧神华煤能够实现锅炉安全稳定运行和污染物达标排放。低负荷工况下掺烧50%神华煤仍具有良好的床温调节性能和较强的燃料适应能力，锅炉能够稳定运行，热效率平均达到90%以上。过热蒸汽和再热蒸汽参数控制稳定，能够满足设计要求，烟风系统运行可靠，SO2和NOx排放值能够控制在200 mg/m3以内，满足现阶段排放限值要求。
2)本试验研究受电网调度和电厂发电指标等外部因素限制，试验低负荷工况为60%额定工况，由于锅炉在低负荷工况下运行时热平衡、物料平衡与高负荷时存在很大差异，今后有必要进行更低负荷的稳燃试验和满负荷下更大比例掺烧非设计煤种的对比试验，为大容量高参数超超临界循环流化床锅炉的设计和运行优化提供实炉参考数据。
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Co-combustion tests under low load condition on supercritical circulating fluidized bed boiler
Abstract:In order to obtain the effects of variable fuel on the operating reliability and stability under low load of the first 600 MW supercritical CFB boiler in the world，the co-combustion experiments of different proportions of designed coal and Shenhua coal were carried out on the 600 MW supercritical CFB boiler under low load condition.The characteristics of the combustion system,steam-water system,flue gas-air system and pollutant emission were analyzed.The results showed that the operation of the supercritical CFB boiler maintained stable and the average thermal efficiency reached above 90% when the blending ratio of Shenhua coal was 50% under 60% rated load condition.The parameters of superheated steam and reheated steam could satisfy the design requirements.The emission of SO2 and NOx were controlled below 200 mg/m3，which met the environmental protection criteria of Sichuan Province.
Key words:supercritical;circulating fluidized bed boiler;low load;co-combustion;combustion characteristic
收稿日期：2016-07-28；
责任编辑：孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.015
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0600200)
引用格式：赵永宏，韩 平.超临界循环流化床锅炉低负荷掺烧试验研究[J].洁净煤技术，2016，22(6)：76-81.
ZHAO Yonghong，HAN Ping.Co-combustion tests under low load condition on supercritical circulating fluidized bed boiler[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：76-81.
中图分类号：TK229.6
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)06-0076-06
