1 000 MW燃煤机组负荷变化对颗粒物排放特性影响
0 引 言
截至2020年，我国燃煤火电装机量达到10.8亿kW，占全国发电装机量的49.1%[1]。近年来随着水电、风电等清洁能源电力的大力发展，火电年发电小时数不断下降，2020年仅为4 340 h[1]。同时国家“十四五”能源规划指出煤电未来将逐渐由基荷型电源转变为调节型电源。煤电装机容量过剩及其在国家能源定位中的改变将导致大量机组长期在低于额定负荷条件下运行。燃煤发电机组在低负荷下工作会导致锅炉效率降低、污染物生成和排放规律发生变化。为了满足国家提出的超低排放标准，必须对燃煤火电机组(尤其是600 MW以上大机组)在不同负荷下的污染物生成和排放规律进行深入研究。
现有的研究工作主要关注锅炉低负荷运行条件下NOx和SO2的生成与排放特性。低负荷运行会导致NOx排放浓度明显升高，主要原因[2-5]有：① 低负荷条件下，炉膛过量空气系数偏高和一次风浓度增加导致炉膛内燃料型NOx浓度升高；② 负荷降低将导致进入SCR的烟气温度降低，偏离选择性催化还原脱硝系统(SCR)最佳工作温度。锅炉SO2的生成主要取决于煤中S含量[5]，而低负荷条件下会导致机组热损增大，单位发电量煤耗增大[6]，最终导致单位发电量生成SO2浓度升高。此外，负荷降低将导致烟气流速降低，湿法脱硫装置(WFGD)内烟气对脱硫浆液液滴表面的扰动作用降低，影响最终脱硫效率[7]。因此低负荷条件下SO2排放特性也会有明显变化。
过量空气系数、烟气流速以及WFGD中气液作用等影响气体污染物排放的关键因素对颗粒物的排放同样有重要影响[8]。机组负荷变化对NOx和SO2等气体污染物排放的影响意味着负荷变化也可能导致烟气中颗粒物排放特性发生变化。但目前鲜见相关研究，仅有少量研究获得的结论也不一致。部分学者发现机组负荷的变化对静电除尘器(ESP)后烟尘排放浓度无明显相关性[5,9]。而刘建忠等[10]对燃煤电站ESP前后颗粒物特性进行系统分析，结果发现机组负荷从100%降低至80%时，ESP对PM2.5和总尘的脱除率均上升，而更低负荷的影响及机理仍需进一步揭示。
笔者基于某电厂1 000 MW超超临界燃煤机组，研究不同运行负荷条件下ESP前后和烟囱入口颗粒物排放特性，探讨机组运行负荷变化对颗粒物排放的影响规律，以期为电厂环保设备运行和调控提供参考。
1 试 验
1.1 运行工况及燃料特性
试验在广东某1 000 MW超超临界燃煤机组开展，该机组锅炉型号为DG3033/26.15-Ⅱ，采用对冲燃烧、旋流式燃烧器系统。机组污染物脱除采用“低NOx燃烧 SCR 低低温ESP WFGD 湿式电除尘器(WESP)”的技术路线。为研究机组运行负荷变化对颗粒物排放规律的影响，分别对机组在典型运行负荷、600、700、800和900 MW条件下ESP前后和烟囱入口处颗粒物浓度进行测量。为保证数据代表性和稳定性，在负荷稳定1 h以上进行样品和数据采集。试验期间负荷最大波动小于±5%，锅炉不投油枪助燃，不进行吹灰。
为保证数据的可靠性和稳定性，试验期间采用电厂常用煤种并保持煤种和配煤方案不变，对入炉煤粉基础特性进行分析，结果见表1。
表1 原煤特性
Table 1 Properties of raw coal %
注：*由差减法获得。
1.2 采样方法与测试方法
采样过程遵循GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、HJ/T 397—2007《固定污染源废气监测技术规范》和ISO 23210—2009《固定污染源排气中PM10/PM2.5质量浓度的测定：低浓度下利用撞击计进行测量》。采用K型热电偶测量烟气温度。采用PCME湿烟气粉尘分析仪对ESP后和烟囱入口颗粒物浓度进行测试，测量数据为1 h内的平均值。采用OPTIMA7烟气分析仪测量烟气中O2、NOx和SO2含量。采用低压撞击器(DLPI)对ESP前的PM10进行采样测量，为保证数据的可靠性，重复试验为3次以上。
PM10采样系统如图1所示，主要包括等速取样枪、稀释气体流量计、PM10旋分分离器、低压撞击器(DLPI)和真空泵。为保证烟气中H2O和SO3不发生凝结，烟道外采样枪采用加热层保温，保证稀释后进入旋风分离器中烟气温度为135 ℃，在旋风分离器中空气动力学直径大于10 μm颗粒物被脱除，PM10进入DLPI进一步切割分离成粒径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个粒径段。关于颗粒物采样过程和DLPI详细介绍可参考文献[11]。
图1 颗粒物采样系统
Fig.1 Particulate matter sampling system
采用聚碳酸酯膜采集PM10，采用百万分之一天平测量采集样品前后膜片的质量，通过对采样前后膜片的质量进行差减获得膜片上颗粒物的质量；采用X射线荧光探针(XRF)对颗粒物成分进行分析。烟气流量和给煤量等数据从电厂DCS系统上直接获取。
2 结果与讨论
2.1 负荷变化对颗粒物生成规律的影响
为比较不同负荷条件下污染物排放浓度，将测试污染物浓度折算为标况烟气中污染物浓度。不同工况条件下烟气中颗粒物质量浓度如图2所示，可知锅炉运行负荷在600～900 MW时，烟气中PM1、PM2.5和PM10平均质量浓度分别为135～150，620～694以及1 960～2 000 mg/Nm3。在考虑测试结果误差条件下，锅炉负荷变化对烟气中PM1、PM2.5和PM10质量浓度均没有影响。但实际上不同负荷条件下颗粒物浓度变化是颗粒物生成量以及烟气流量变化综合影响的结果。虽然负荷降低锅炉烟气流量也会相应降低，但烟气流量变化和负荷变化量并不成比例[5]。主要是因为负荷降低时，为了保证煤粉的稳燃，通常会采用更高的过量空气系数。这会导致负荷变化时，烟气流量减少比例小于负荷降低比例[6]。因此，为了对比机组负荷变化对煤中矿物向颗粒物迁移的影响规律，将颗粒物的生成量折算为燃烧单位质量煤所产生的颗粒物，结果如图3所示。
图2 不同工况下烟气中颗粒物质量浓度
Fig.2 Particulate matter concentration in the flue gas under different conditions
图3 单位质量煤颗粒物生成量
Fig.3 Yield of particulate matter from coal combustion
由图3可知，当机组运行负荷在80%(800 MW)以上时，燃烧单位质量煤所产生的颗粒物变化不明显。每克煤燃烧产生的PM1、PM2.5和PM10分别约为0.9、4.3和13.5 mg。当机组负荷从80%降低到70%和60%时，每克煤燃烧产生的PM1分别增加0.2和0.4 mg，PM2.5分别增加0.8和2.1 mg，PM10分别增加1.7 mg和4.8 mg。由此可知机组负荷低于80%时，随着机组运行负荷的降低，单位煤燃烧所产生的颗粒物会增加；且负荷越低，单位质量煤燃烧产生的颗粒物增加量越明显。说明机组的低负荷运行虽然没有改变烟气中颗粒物的生成浓度，但会导致煤中矿物向细颗粒物(PM10)迁移的比例增加。考虑到颗粒物粒径越小越不易被除尘器脱除[12]，低负荷下燃烧相同煤粉时颗粒物的净化成本更高。而这些在前人研究中并未被关注。
进一步分析不同运行负荷条件下PM10的成分，主要成分包括Na、S、Ca、Si和Al。由化学成分分析结果发现负荷变化时，难熔元素Si和Al变化趋势相似，而易气化元素S、Na和助熔的碱性元素Ca变化趋势相似。考虑篇幅限制，分别以Ca和Si为例分析运行负荷变化对煤中矿物元素向PM10迁移转化的影响。
ESP前PM10化学成分如图4所示，可知随着负荷逐渐降低，煤中Si向PM10中的迁移明显降低(Al变化趋势相同)，而Ca向PM10中的迁移明显增加(Na和S变化趋势相同)，尤其是当锅炉负荷由800 MW降低为700 MW时变化更明显。说明炉膛负荷的变化会导致煤中不同矿物元素向PM10的迁移规律发生变化。这是机组负荷变化时，燃烧单位质量煤，颗粒物生成量发生变化的主要原因。
图4 ESP前PM10化学成分
Fig.4 Chemical composition of PM10 before ESP
当锅炉负荷降低时，炉膛烟气流量降低，但过量空气系数增加。氧含量的增加及烟气在烟道中停留时间的增长有利于发生硫酸盐化[11]，从而导致S向PM10迁移增加。而燃烧温度的降低明显不利于矿物熔融形成Ca和Na等硅铝酸盐的共融体[11,13]，从而抑制了含Ca和Na矿物的聚合，导致含Ca和Na矿物更倾向于生成PM10小颗粒。因此锅炉负荷降低导致燃烧单位质量煤时PM10生成量增加，而S、Ca和Na等在PM10中相对含量的升高会导致Si和Al相对含量降低。
2.2 负荷变化对ESP后颗粒物排放影响
ESP是燃煤电厂最重要的除尘设备，对烟气中颗粒物的排放质量浓度影响最明显。前人对于负荷变化条件下，ESP后颗粒物的排放规律仍存在争议。因此本文进一步测量变负荷条件下ESP后烟气中颗粒物的质量浓度。由于不同负荷条件下，烟气流量和过量空气系数均不同，为了统一对比标准，均将烟气中颗粒物质量浓度折算到体积分数6% O2条件下进行，数值为在线测试装置0.5 h的测试平均值，结果如图5所示。
图5 ESP前烟气中飞灰质量浓度及ESP后烟气中颗粒物质量浓度
Fig.5 Fly ash concentration before ESP and particulate matter concentration after ESP
由图5可知，机组负荷高于700 MW时，负荷变化对ESP后颗粒物排放没有明显影响，排放均值在9 mg/Nm3左右。但机组负荷降至600 MW时，颗粒物排放质量浓度明显增加。颗粒物质量浓度的变化主要受ESP进口飞灰浓度和ESP除尘效率2方面影响。采用总尘测试仪对ESP进口总尘进行分析发现，不同负荷条件下ESP进口飞灰质量浓度并没有明显变化，因此除尘器的除尘效率差异是导致ESP出口烟尘浓度发生变化的最主要原因。
对不同负荷条件下ESP除尘效率进行计算，结果见表2。可知不同负荷条件下ESP除尘效率变化与张双平等[4]的模拟结果不同，降低负荷并未提高ESP除尘效率。负荷降至600 MW时，ESP除尘效率反而降低，导致600 MW负荷条件下ESP后排放颗粒物质量浓度增加。考虑到ESP入口飞灰和细颗粒物质量浓度相似，试验期间ESP工作参数不变，因此可认为飞灰特性变化是导致低负荷条件下ESP除尘效率略降低的主要原因。考虑到试验期间使用同一种煤粉，飞灰具有相似的化学成分，负荷变化可能导致飞灰未燃尽碳含量发生变化。本研究对不同负荷条件下飞灰未燃尽碳含量进行测试，发现在低负荷条件下，由于炉膛过量空气系数较大，煤灰在炉膛中停留时间较长，因此未燃尽碳含量较低(仅约0.3%)。而高负荷条件下，飞灰中未燃尽碳含量可达4%。研究表明，飞灰中的未燃尽碳会降低飞灰比电阻，而比电阻的降低有利于提高ESP对飞灰的脱除率[14]。因此，高负荷条件下未燃尽碳含量较高导致的飞灰比电阻降低可能是高负荷条件下ESP除尘效率更高的主要原因。
表2 不同负荷条件下ESP除尘效率
Table 2 Collection efficiency of ESP under different operation loads
2.3 负荷变化对烟囱入口颗粒物排放影响
烟气经过ESP后，超过99.9%的飞灰会被ESP脱除，但部分工况条件下，ESP后排放烟气中烟尘仍无法满足超净排放要求(烟尘质量浓度小于10 mg/Nm3)，因此烟气在经WFGD脱硫后会经过WESP进一步脱除烟尘，最后才进入烟囱排入大气中。本文对进入烟囱烟气中的烟尘进行测量，结果如图6所示。
图6 烟囱入口颗粒物质量浓度
Fig.6 Particulate matter concentration in the flue gas of the stack inlet
由图6可知，机组负荷在600～900 MW时，烟尘质量浓度为3.8～6.5 mg/Nm3。说明在不同运行负荷条件下，采用“低NOx燃烧 SCR 低低温ESP WFGD WESP”的污染物脱除路线可有效将烟气中烟尘质量浓度降至10 mg/Nm3以下，达到超净排放要求。进一步对不同负荷条件下烟气中颗粒物质量浓度进行对比，发现机组负荷对烟囱入口烟气中颗粒物质量浓度的影响与其对ESP后颗粒物质量浓度的影响相反。当机组负荷降低时，烟气中颗粒物质量浓度逐渐降低。在高负荷条件下，负荷降低对烟气中颗粒物质量浓度影响更明显。
对不同负荷条件下，计算烟气经过WFGD WESP后的除尘效率，结果见表3。可知不同负荷条件下，WFGD WESP对烟气中颗粒物脱除率的差异是导致烟囱入口烟气中颗粒物质量浓度差异的主要原因，随着机组运行负荷的降低，WFGD WESP对烟气中颗粒物脱除效率明显增加。由于试验期间WFGD和WESP工作参数不变，因此烟气参数变化是导致WFGD WESP除尘效率改变的主要原因。
表3 不同负荷条件下WFGD WESP除尘效率
Table 3 Dust collection efficiency of WFGD WESP under different operation loads
由于试验机组采用了MGGH(Media GGH)技术，在不同负荷条件下，烟气在WFGD入口有相似温度(90～93 ℃)，因此猜测烟气流速变化是导致WFGD WESP除尘效率变化的主要原因。进一步分析该系统除尘效率和烟气流速的相关性(图7)，可以发现烟气流速与除尘效率呈明显的负相关性。较低的烟气流速有利于提高WFGD WESP的除尘效率。前人研究表明[15-16]，WFGD对烟气中颗粒物排放的影响主要包括2方面：① WFGD中饱和蒸汽可促进部分颗粒物团聚，最终被脱硫浆液冲刷脱除，烟气流速降低增长了烟气在WFGD中的停留时间，有利于颗粒物的脱除；② 烟气可携带部分石膏或石灰石浆液，导致石膏和石灰石向烟气中颗粒物迁移，而烟气流速的降低可有效抑制烟气对石膏和石灰石浆液的携带作用。对于WESP，气体流速的降低有利于增加烟气在WESP中的停留时间，从而提高WESP除尘效率。可见低负荷条件下，烟气流速的降低有利于进一步提高WFGD WESP整体的除尘效率。
图7 WFGD WESP除尘效率与烟气流速的相关性
Fig.7 Correlation between dust collection efficiency of WFGD WESP and flue gas velocity
2.4 综合分析
采用“低NOx燃烧 SCR 低低温ESP WFGD WESP”超净排放技术可以将烟囱出口颗粒物浓度降低至超净排放标准以下。同时该系统对烟气中颗粒物的净化具有良好的负荷变化适应性。整体上分析，由于WFGD和WESP的存在，机组负荷的降低可进一步降低烟囱颗粒物排放。虽然机组负荷变化不会导致烟尘排放恶化，但从烟尘脱除成本考虑，仍应尽量避免机组在低负荷下运行。首先，机组的低负荷运行会导致燃烧单位质量的煤细颗粒物生成量增加，增大除尘难度；其次，在不同负荷条件下，ESP、WFGD和WESP均在相同的工作参数下工作，这意味着负荷越低，除去相同质量的颗粒物成本越高，因此机组低负荷运行不利于颗粒物的经济性脱除。考虑到安装WESP后，负荷的降低有利于提高其对颗粒物的脱除效率，因此为了降低除尘成本，可在低负荷下优化ESP和WESP的运行参数，在保证烟囱颗粒物排放达标的条件下，尽量降低除尘能耗。
3 结 论
1)机组运行负荷变化对ESP前烟气中PM1、PM2.5和PM10质量浓度影响不明显。但机组负荷由90%降至60%时，会导致单位燃煤中PM1、PM2.5和PM10生成量分别增大47.6%、50.1%和38.7%，增加了烟气中颗粒物的脱除难度。
2)70%～90%运行负荷条件下，机组运行负荷变化对ESP除尘效率影响不明显，但负荷由90%降至60%时，会导致ESP除尘效率降低较明显(由99.931% 降至99.901%)。
3)机组安装的WFGD WESP能有效净化烟气中颗粒物，保证负荷变化条件下烟囱颗粒物排放可达到超净排放标准。同时，负荷的降低有利于进一步提高WFGD WESP对颗粒物的脱除效率，当负荷由90%降至60%时，WFGD WESP除尘效率由30.127% 提高至69.517%。
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Effect of load change of an 1 000 MW coal-fired unit on particulate matter emission
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