吳劍恒, 俞金樹, 何宏舟, 莊松田

(1. 集美大學 福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室, 福建廈門 361021;　2. 福建省石獅熱電有限責任公司, 福建石獅 362700;　3. 福建省鴻山熱電有限責任公司, 福建石獅 362700)

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運行與改造

75 t/h中溫分離CFB鍋爐增加三層二次風的低氮燃燒改造

吳劍恒1,2, 俞金樹3, 何宏舟1, 莊松田2

(1. 集美大學 福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室, 福建廈門 361021;2. 福建省石獅熱電有限責任公司, 福建石獅 362700;3. 福建省鴻山熱電有限責任公司, 福建石獅 362700)

摘要：分析了影響75 t/h中溫旋風分離CFB鍋爐NOx排放質量濃度的主要因素，采取增設一層上二次風形成三層二次風、抬高下二次風噴口高度、提高二次風噴口速度和增加二次風率等措施進行低氮燃燒改造。結果表明：NOx排放質量濃度從180 mg/m3左右降低到140 mg/m3左右,2臺CFB鍋爐每年可以減少NOx排放量44.62 t,且鍋爐機械不完全燃燒損失q4降低了1.0%～1.5%。

關鍵詞：CFB鍋爐; 中溫旋風分離; NOx排放質量濃度; 二次風率; 無煙煤; 機械不完全燃燒損失

CFB鍋爐作為20世紀70年代發(fā)展起來的一種高效的潔凈煤燃燒技術[1],以其低溫流化燃燒、物料循環(huán)反復、二次風分段送風的特點,具有優(yōu)越的調峰經(jīng)濟性、良好的煤種適應性、高效的劣質燃料燃燒效率、優(yōu)良的環(huán)保性能(氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內脫硫)和較高的灰渣綜合利用價值,近年來在國內外得到迅速的發(fā)展,成為中小型熱電廠和燃燒劣質燃料電廠的首選爐型。

在CFB鍋爐運行中,基本上都是在保證床料良好流化的基礎上,通過調整二次風量來調節(jié)風煤配比、一二次風配比和上下二次風配比,有效地控制爐內燃燒份額和物料混合,改善傳熱強度和穿透能力,優(yōu)化爐膛內溫度和物料分布,從而達到調整鍋爐負荷、提高效率的目的,還可有效降低NOx、SO2、CO等污染物的排放質量濃度[2-9]。

為此,從NOx生成機理和優(yōu)化鍋爐結構等方面,對燃燒福建無煙煤的中溫旋風分離CFB鍋爐增設一層二次風、形成上中下三層二次風的低氮燃燒改造,以降低NOx原始排放質量濃度。筆者介紹了2臺燃燒福建無煙煤的中溫旋風分離CFB鍋爐低氮燃燒改造內容及其效果,為其他鍋爐改造提供工業(yè)應用的借鑒。

1改造前設備狀況及分析

1.1 中溫旋風分離CFB鍋爐現(xiàn)狀

擬改造的2臺中溫旋風分離CFB鍋爐是某鍋爐制造廠為燃用福建無煙煤而設計的中溫中壓參數(shù)、DG75/3.82-11型CFB鍋爐,采用“高爐膛、低煙速、高爐膛燃燒溫度、中溫旋風絕熱分離、中物料循環(huán)倍率”設計方案[10],分別于2000年4月和2001年9月投運。截止到2014年底,2臺鍋爐累計運行時間分別為107 942 h和98 063 h。

圖1為CFB鍋爐簡圖。

為增強二次風的穿透性和擾動性,該CFB鍋爐前后墻的水冷壁以標高11.787 m處為拐點(見圖1),以上是豎直布置,以下呈倒錐形布置,爐膛橫截面(以水冷壁管中心計算)由4.645 m×5.905 m縮小到布風板(標高4.70 m)截面2.470 m×5.905 m。額定工況下,布風板處設計煙速為3.8 m/s,實際運行煙速為3.5～4.0 m/s;上二次風口以上的爐膛設計煙速為4.0 m/s,實際運行速度為3.5～4.5 m/s;設計物料循環(huán)倍率為18.22,實際物料循環(huán)倍率為15～20。該鍋爐采用分級燃燒技術,燃燒空氣包括一次風、二次風和播煤風,其中約占總風量55%的熱一次風分成左、右兩股,從爐底等壓水冷風室經(jīng)過風帽進入燃燒室密相區(qū)，約占總風量37%的二次風分為下層(噴嘴中心標高7.14 m)、上層(噴嘴中心標高10.80 m),通過布置在前后墻上的32個噴嘴(每層16個,前后墻各8個,對稱布置,噴嘴截面為110 mm×60 mm)從高速射入爐膛;約占總風量8%的播煤風(來自熱一次風,經(jīng)過增壓風機加壓)從落煤管(單側前墻給煤方式,2個給煤口,中心標高6.53 m)進入爐膛。鍋爐主要設計參數(shù)見表1,主要運行參數(shù)見表2。

表1　主要設計參數(shù)

表2　主要運行參數(shù)　℃

注：1)測點標高為4.85 m；2)測點標高為6.06 m；3)測點標高為11.10 m；4)測點標高為14.40 m；5)測點標高為19.00 m；6)測點標高為30.28 m；7)測點標高為12.00 m。

1.2 影響NOx排放質量濃度的因素分析

1.2.1 生成機理的影響

(1) 燃煤中含有N,燃燒過程中燃料N、空氣N與氧氣在合適環(huán)境下生成NO,且氧化性氣氛越強，NO生成量越多。所以僅可在燃燒過程控制NOx生成量,但無法避免NOx生成。

(2) 由于該鍋爐采用爐前集中給煤,盡管給入的福建無煙煤僅占床料總量的5%左右,并在流化狀態(tài)下立即與熾熱的床料進行混合,但因空氣與給煤分配的比例不均和底部燃燒還不夠強烈,燃燒室底部具有較高的氧濃度,局部氧化性氣氛下致使NO大量生成[11]。CFB鍋爐中燃料型NOx是其生成NOx的主要組成部分,其含量超過95%。

1.2.2 鍋爐結構的影響

(1) 2臺CFB鍋爐下二次風噴嘴中心(標高7.14 m)距離布風板(標高4.70 m)為2.44 m,距離回料口(標高5.56 m)只有1.58 m。該區(qū)域屬于燃燒室密相區(qū),物料濃度較大,下二次風的擾動、混合作用有限[8-9]。

(2) 落煤管中心(標高6.53 m)與下二次風噴嘴中心(標高7.14 m)的距離只有0.61 m,約占總風量8%的播煤風從落煤管進入爐膛,補充部分氧量,消弱了還原氣氛,不利于NO分解。

1.2.3 運行參數(shù)的影響

工業(yè)熱態(tài)試驗[6-9]證明:NOx排放質量濃度隨空氣過量系數(shù)λ增加而明顯增加,且增加速率逐漸減小;NOx排放質量濃度隨二次風率β的增加而明顯下降,且降低速率逐漸減小;NOx排放質量濃度隨著上二次風率k增加而呈現(xiàn)先明顯下降，再逐漸減小至平緩，最后略微上升的趨勢,表現(xiàn)為開口向上的拋物線;通過優(yōu)化運行參數(shù)和調整一二次風配比、上下二次風配比,可從源頭上降低NOx生成量和排放量,控制原始NOx排放質量濃度在180 mg/m3(干基,6%O2)左右。

2低氮燃燒改造方案分析

為從源頭上降低NOx生成量,在優(yōu)化運行燃燒和調整二次風比的基礎上,以多次工業(yè)試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),從NOx生成機理和優(yōu)化鍋爐結構方面著手,采用提高下二次風噴口高度和增設一層二次風對中溫分離CFB鍋爐進行低氮燃燒改造。

改造思路:為延長具有較強還原性氣氛的富燃料區(qū)(密相區(qū))反應區(qū)間,抬高下二次風噴嘴裝置高度0.5 m,并提高二次風風速,以增強下二次風的穿透性和擾動性,提高中心區(qū)域的傳熱強度和燃燒均勻性,減少NOx生成量;同時,將一、二次風量的比例由60∶40調整為50∶50,以強化密相區(qū)的還原氣氛;新增一層上二次風噴口,形成上、中、下三層二次風,補充氧氣并控制爐內燃燒、NOx生成與分解,實現(xiàn)NOx排放質量濃度從180 mg/m3左右降低到150 mg/m3以下;并且鍋爐具有高的熱效率,機械不完全燃燒損失q4得到良好的控制。

改造方案:(1)提高下二次風噴口在水冷壁上的高度0.5 m,由原標高7.14 m提到7.64 m;維持鍋爐四周標高9.6 m處的風箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm不變;噴口設計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s;(2)原上二次風更名為中二次風,噴口標高維持不變,風箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm由原標高12.54 m下降至12.04 m;中二次風噴口設計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s;(3)新增一層上二次風16個風嘴,噴口入口設在水冷壁前、后墻標高12.65 m處,左右對稱布置,水平安裝角度為30°;上二次風箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm設在標高15.3 m處,直接水平連接煙道;上二次風風源取自一次風熱風母管道(主要考慮現(xiàn)有二次風機不能滿足送風要求),上二次風噴口空氣設計速度為64 m/s,并設置風門擋板、風量流量計等。

3低氮燃燒改造效果

2015年2—3月,先后完成了2臺中溫旋風分離CFB鍋爐低氮燃燒改造。為驗證低氮燃燒改造效果,按照DL/T 260—2012 《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規(guī)范》[12]進行了工業(yè)熱態(tài)試驗。

燃用設計煤種相近的福建無煙煤,其化驗分析結果見表3,其粒徑分布見表4。

表3　設計煤種和試驗煤種的成分分析

表4　試驗用煤的粒徑分布

試驗內容、方法、步驟和計算方法見文獻[9]。

煙氣成分采用布置在除塵器出口煙氣分析儀進行測量,并用鄰近位置的煙氣排放連續(xù)自動監(jiān)測裝置進行比對,每5 min存儲記錄一組數(shù)據(jù)。

3.1 二次風率β對NOx排放質量濃度的影響

圖2描述了保持一次風量和上二次風量基本不變的情況下,二次風率β對NOx排放質量濃度的影響。

(1)

由圖2可見：隨著二次風率β的增加,NOx排放質量濃度快速下降,但降低速率逐漸減小;但二次風率β超過60%后,NOx排放質量濃度則呈現(xiàn)增加趨勢,表現(xiàn)為開口向上的拋物線,擬合公式為式(2),重合度為0.997 2。這表明存在最佳的二次風率β使NOx排放質量濃度最低,這與改造前試驗[7-9]得到的規(guī)律是基本一致的。

y=2.501 2x2-38.978x+267.72

(2)

與改造前[7-9]相比,在二次風率β相同的情況下,NOx排放質量濃度降低30～40 mg/m3;最佳的二次風率β由40%～50%后移至45%～60%。

主要原因有:(1)下二次風噴嘴中心上移0.5 m,下二次風口下部的處于較強還原氣氛下的富燃料區(qū)間(密相區(qū))增加,物料在強還原氣氛下停留時間延長,有利于抑制NO生成,且提高了NO還原速率[13],降低了NOx排放質量濃度;(2)下二次風噴嘴中心上移0.5 m,距離布風板的高度由2.44 m增至2.94 m, 距離回料口的高度由1.59 m增至2.09 m。該區(qū)域物料質量濃度有所降低,同時下二次風噴口設計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s,下二次風的穿透射程增大,擾動、混合作用增加,提高了爐膛中心區(qū)域的傳熱強度和氧氣濃度[13],兩級燃燒作用明顯;(3)本試驗是在維持一次風量和上二次風量基本不變、通過增加二次風機變頻器開度來增加二次風量調整二次風率β的,而研究證明[14-15]增加二次風率有抑制燃料氮的轉化、減少NOx生成的作用,從而降低NOx排放質量濃度。

3.2 中二次風率km對NOx排放質量濃度的影響

保持一次風量和上二次風量基本不變、二次風機變頻器開度基本不變、二次風率β≈50%的情況下,通過調節(jié)下二次風和中二次風擋板開度來改變中二次風率km。圖3描述了中二次風率km對NOx排放質量濃度的影響。

(3)

由圖3可見：隨著中二次風率km的增加, NOx排放質量濃度呈現(xiàn)先明顯下降(km≤30%),再下降速率逐漸減小(30%60%),表現(xiàn)為開口向上的拋物線,擬合公式為式(4),重合度為0.978 7。由此可推斷,燃燒福建無煙煤的中溫分離CFB鍋爐存在有一個最佳的中二次風率km,使NOx排放質量濃度最小,這與改造前試驗[7-9]得到的規(guī)律是基本一致的。根據(jù)本試驗結果,在過量空氣系數(shù)λ≈1.2、二次風率β≈50%的情況下,最佳的中二次風率km在45%～60%。

y=0.708 6x2-10.213x+154.32

(4)

與改造前[7-9]相比,在中二次風率km(原上二次風率k)基本相同的情況下,NOx排放質量濃度降低35～45 mg/m3;最佳的中二次風率km由55%～65%前移至45%～60%。

主要原因有:(1)將一、二次風量的比例由60∶40調整為50∶50,在額定工況下布風板設計煙速由3.83 m/s降低為3.65 m/s,加上下二次風噴嘴中心上移0.5 m,物料在強還原氣氛下的富燃料區(qū)間(密相區(qū))停留時間延長約0.17 s,有利于抑制NO生成;(2)中二次風噴口設計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s,增強了中二次風的穿透性和擾動性,提高了爐膛中心區(qū)域的傳熱強度和燃燒均勻性,減少了NOx生成量和排放量;(3)保持一次風量和上二次風量基本不變、二次風機變頻器開度基本不變、二次風率β≈50%的情況下,通過調節(jié)下二次風和中二次風擋板開度來改變中二次風率km,隨著中二次風率km增加,下二次風隨之減少,意味著中二次風噴嘴以下的流化速度變小,物料停留時間增加,密相區(qū)和過渡區(qū)的還原性氣氛增強,NOx的生成量和排放量減少;(4)隨著中二次風率km增加,爐膛內空氣含氧量隨之增加,強化了福建無煙煤的后燃性[16],提高了爐膛出口煙溫,增加了焦炭燃燒和揮發(fā)分N燃燒過程NO生成量,對NOx排放質量濃度起到雙重作用;(5)當中二次風率km在45%～60%,雖然中二次風噴嘴以下的煤炭處于還原性氣氛中不完全燃燒,但密相區(qū)內嚴重缺氧環(huán)境也延遲了顆粒的著火和燃燒, NO的生成量和排放量達到最低值;(4)當中二次風率km超過60%時,密相區(qū)內嚴重缺氧影響了NH3與NO的還原反應[17],導致NOx排放質量濃度增加。

3.3 上二次風率kup對NOx排放質量濃度的影響

保持一次風量基本不變、二次風機變頻器開度不變、下二次風和中二次風擋板開度不變,通過調節(jié)上二次風擋板開度(配合微調一次風機出口擋板開度)來改變上二次風率kup。圖4描述了上二次風率kup對NOx排放質量濃度的影響。

由圖4可見：隨著上二次風率kup的增加,NOx排放質量濃度呈現(xiàn)先平緩下降(kup≤15%)再逐漸上升的趨勢,擬合公式為式(5),重合度為0.974 9。

y=1.476 2x2-7.238 1x+127.43

(5)

(6)

主要原因有:(1)在水冷壁前后墻標高12.65 m處新增一層上二次風16個風嘴,上二次風噴口空氣設計速度為64 m/s,而該區(qū)域物料質量濃度較低,上二次風具有較強的穿透性和擾動性,可有效降低NOx生成量;(2)隨著上二次風率kup的增加,雖然上二次風的穿透射程隨之增加、混合和攪拌能力隨之加強,也提高了中心區(qū)域的傳熱強度和氧氣濃度,分級燃燒作用明顯,可有效抑制NOx生成量;(3)當上二次風率kup超過15%后,上二次風噴嘴以下的煤炭處于還原性氣氛中不完全燃燒,大量低溫(約180 ℃)的上二次風的射入雖然提供了充裕的氧氣,但降低了爐膛內的溫度,延遲了顆粒的著火和燃燒;(4)本試驗是保持一次風量和下、中二次風量基本不變,通過調節(jié)上二次風擋板開度(配合微調一次風機出口擋板開度)來改變上二次風率kup。上二次風率kup增加,意味著空氣過量系數(shù)λ增加,而試驗[7-9]證明NOx排放質量濃度隨空氣過量系數(shù)λ增加而增加。

3.4 對機械不完全燃燒損失q4的影響

圖5、圖6、圖7分別描述了二次風率β、中二次風率km、上二次風率kup對機械不完全燃燒損失q4的影響。

由圖5、圖6、圖7可見：二次風率β、中二次風率km、上二次風率kup對機械不完全燃燒損失q4的影響曲線均表現(xiàn)為開口向上的拋物線,擬合公式分別為式(7)、式(8)、式(9),重合度分別為0.996 1、0.987 8、0.997 4。這表明對于燃燒福建無煙煤的中溫旋風分離CFB鍋爐,存在最佳的二次風率β、中二次風率km、上二次風率kup使q4最小。本次熱態(tài)試驗表明,在過量空氣系數(shù)λ≈1.2的情況下,最佳的二次風率β為45%～55%,最佳的中二次風率km為45%～55%,最佳的上二次風率kup為5%～15%。

y=0.073 3x2-1.082 8x+7.648 5

(7)

y=0.039 6x2-0.541 4x+5.497

(8)

y=0.040 1x2-0.231 3x+3.950

(9)

同時,與改造前的工業(yè)試驗[18-20]相比較可知,相近工況下機械不完全燃燒損失q4降低了1.0%～1.5%。這說明本次低氮燃燒改造對提高空氣和燃料在爐內的擾動、混合有著明顯的增強作用,從而降低了鍋爐機械不完全燃燒損失q4,提高了CFB鍋爐的運行經(jīng)濟性。

4結語

75 t/h CFB鍋爐增加三層二次風的低氮燃燒改造，經(jīng)工業(yè)熱態(tài)試驗和運行實踐證明：該低氮燃燒改造使NOx排放質量濃度從約180 mg/m3降低到140 mg/m3左右，可減少NOx排放3.43 kg/h，按照鍋爐平均年運行6 500 h計算，2臺75 t/h CFB鍋爐每年可以減排NOx44.62 t，少繳納NOx排污費56 362元。

參考文獻：

[1] 岑可法,倪明江,駱仲泱,等．循環(huán)流化床鍋爐理論設計與運行[M]．北京:中國電力出版社,1998．

[2] Kobyashi N, Itaya Y, Piao G, et al．The behavior of flue gas from RDF combustion in a fluidized bed[J]．Power Technology, 2005,151(1):87-95．

[3] Knoebig T, Werther J. Horizontal reactant injection into large-scale fluidized bed reactors modeling of secondary air injection into a circulating fluidized bed combustor[J]. Chemical Engineering & Technology,1999,22(8): 656-659.

[4] 鄭捷慶,何宏舟,鄒崢,等．二次風調整對CFB鍋爐飛灰含碳量的影響[J]．現(xiàn)代化工,2007,27(S2):447-451．

[5] 吳劍恒．循環(huán)流化床鍋爐燃燒福建無煙煤爐內脫硫對污染物排放和電除塵效率的影響[J]．鍋爐技術,2012,43(3):33-39．

[6] 吳劍恒．燃燒福建無煙煤CFB鍋爐爐內脫硫對SO2、NOx和CO等污染物排放的影響[J]．工業(yè)鍋爐, 2011,27(3):5-10．

[7] 吳劍恒,何宏舟,俞金樹．燃燒調整對中溫分離循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物排放濃度的影響[J]．福建建材,2014,33(12):1-4．

[8] 吳劍恒．二次風改造和調整對燃用福建無煙煤循環(huán)流化床鍋爐運行經(jīng)濟性的影響[J]．鍋爐技術,2012,43(1):55-60．

[9] 吳劍恒,何宏舟,俞金樹．二次風對循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的影響[J]．電力學報,2014, 29(6):542-547，553．

[10] 吳劍恒．DG75/3.82-11型CFB鍋爐設計特點[J]．鍋爐技術,2004,35(1):28-31．

[11] 劉德昌．流化床燃燒技術的工業(yè)應用[M]．北京:中國電力出版社,1999．

[12] 國家能源局. DL/T 260—2012 燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規(guī)范[S]． 北京：中國電力出版社，2012.

[13] 楊建華,楊海瑞,岳光溪．循環(huán)流化床二次風射流穿透規(guī)律的試驗研究[J]．動力工程, 2008,28(4):509-513．

[14] 馮波,袁建偉,劉皓,等．循環(huán)流化床煤燃燒中氮氧化物排放的研究[J]．工程熱物理學報,1996,17(1):125-128．

[15] Spliethoff H, Greul U．Basic effect on NOxemissions in air staging and reburning at a bench-scale test facility [J]. Fuel,1996,75(5): 560-568．

[16] 何宏舟．CFB鍋爐潔凈燃燒福建無煙煤的理論與試驗研究[D]．杭州：浙江大學，2005．

[17] Lyon R K,Longwell J P. Selective non-catalytic reduction of NOxby NH3[C]. San Francisco, USA: The Proceedings of NOxControl Technology Seminar, 1976: 237-256.

[18] 吳劍恒．CFB鍋爐燃用福建無煙煤二次風特性試驗[J]．華北電力技術,2010,40(3):15-22．

[19] 吳劍恒．燃用福建無煙煤CFB鍋爐二次風率和上下二次風比的工業(yè)型試驗[J]．電力學報,2010,25(1):14-21．

[20] 吳劍恒,張金光．二次風調整對CFB鍋爐機械不完全燃燒損失的影響[J]．化工自動化及儀表,2010,37(5):97-101．

Low-NOxCombustion Retrofit of a 75 t/h MT Separated CFB Boiler by Adding the Third Layer of Secondary Air

Wu Jianheng1,2, Yu Jinshu3, He Hongzhou1, Zhuang Songtian2

(1. Fujian Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Development, Xiamen 361021, Fujian Province, China;2. Fujian Shishi Thermal Power Co., Ltd., Shishi 362700, Fujian Province, China;3. Fujian Hongshan Thermal Power Co., Ltd., Shishi 362700, Fujian Province, China)

Abstract：By analyzing the main factors influencing the NOx emission of a 75 t/h circulating fluidized bed (CFB) boiler with medium-temperature (MT) cyclone separators, a low-NOx combustion retrofit was conducted by adding the top layer of secondary air to form in total three layers of secondary air, elevating the nozzle height of bottom secondary air, raising the velocity at secondary air nozzles, and increasing the secondary air rate, etc. Results show that after the retrofit, the NOx emission has been reduced from original 180 mg/m3 to 140 mg/m3, thus the total annual reduction of NOx emission would get up to 44.62 t for the two CFB boilers, and the unburned carbon loss q4 would drop by 1.0%～1.5%.

Keywords：CFB boiler; MT cyclone separation; NOx emission; secondary air rate; anthracite; unburned carbon loss

收稿日期：2015-10-03

作者簡介：吳劍恒(1975—)，男，高級工程師，從事電廠生產(chǎn)運行、科技創(chuàng)新和技術管理工作。何宏舟(通信作者)E-mail: hhe99@126.com

中圖分類號：TK229.66

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0177-06