李杰義,劉 興,李 兵,劉英進,墨慶鋒,甄志廣,譚厚章

(1.石家莊良村熱電有限公司,河北石家莊 052165;2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,陜西西安 710049)

0 引 言

電站鍋爐運行過程中生成的NOx是大氣污染的主要來源之一。NO和NO2會導(dǎo)致酸雨,并參與形成光化學(xué)煙霧,破壞臭氧層,形成 PM2.5,對自然環(huán)境及人體健康危害極大[1]。針對這一問題,我國提出了日益嚴(yán)格的排放限制標(biāo)準(zhǔn)。自2004年,低揮發(fā)分煤電站鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度限值由650～1 100 mg/Nm3(基準(zhǔn)氧含量6%)逐步降低,至2020年,要求全國31省區(qū)分階段實現(xiàn)超低排放,即NOx排放質(zhì)量濃度控制在50 mg/Nm3以下[2-3]。使用SCR反應(yīng)器脫除尾部煙氣NOx是實現(xiàn)電站鍋爐低氮排放的主流技術(shù)方案,而排放限值降低導(dǎo)致SCR反應(yīng)器出入口NOx質(zhì)量濃度差過高;通過增加催化劑、增加液氨耗量能夠短期實現(xiàn)超低排放,但會造成安全、經(jīng)濟、環(huán)保方面的問題[4]。爐內(nèi)采用低氮燃燒器技術(shù)能夠降低SCR入口NOx質(zhì)量濃度,協(xié)同使用SCR煙氣脫除系統(tǒng),能夠在保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的同時控制NOx在較低水平。對現(xiàn)有電站鍋爐進行低氮燃燒改造勢在必行。

煤中的燃料N和空氣中的N2在燃燒時產(chǎn)生NOx。煤粉燃燒生成的NOx主要有燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx[5]。煤粉鍋爐的快速型NOx生成量較低(＜5%);當(dāng)爐膛溫度在1 500～1 800℃,或爐內(nèi)燃燒組織不均出現(xiàn)局部高溫區(qū)時,熱力型NOx生成量較大,一般熱力型NOx占20%以下;燃料型NOx是氮氧化物生成的主要途徑,主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)是影響燃料型NOx生成的主要因素。

控制主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)至還原性氣氛后,烴類物質(zhì)(CHi)能夠與NO發(fā)生還原反應(yīng),降低NOx排放[6-7]。烴類物質(zhì)通過脫揮發(fā)分過程釋放,所以低揮發(fā)分煤釋放的烴類物質(zhì)較少,因此對低揮發(fā)分煤鍋爐采用空氣分級技術(shù)后,NOx排放質(zhì)量濃度往往高于同類煙煤鍋爐。實驗室一維爐研究表明,要達(dá)到相同的NOx排放質(zhì)量濃度,低揮發(fā)分煤需要更低的主燃區(qū)過量空氣系數(shù)[8]。

低揮發(fā)分煤著火燃盡性能差,對燃用貧煤鍋爐進行低氮燃燒器改造后,爐內(nèi)主燃燒區(qū)著火條件惡化,往往引起嚴(yán)重的著火燃盡問題,如管壁超溫、飛灰可燃物含量大幅升高、鍋爐效率下降[9-10],部分機組在改造后甚至發(fā)生嚴(yán)重的滅火事故[11]。為保證爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒,大量機組大幅降低空氣分級程度,提高主燃區(qū)氧含量以強化著火,導(dǎo)致鍋爐退出低氮燃燒模式,爐膛出口NOx質(zhì)量濃度升高,進而通過增大噴氨量控制NOx排放,長期運行導(dǎo)致氨泄漏量過大,空預(yù)器堵塞等,威脅鍋爐安全、經(jīng)濟運行[12]。

目前,國內(nèi)針對燃用低揮發(fā)分煤電站鍋爐進行低氮燃燒器改造的成功經(jīng)驗較少,據(jù)報道燃燒低揮發(fā)分煤四角切圓鍋爐NOx平均排放質(zhì)量濃度為600～750 mg/Nm3[13],高于同類燃燒煙煤鍋爐的NOx排放水平。

本文針對低揮發(fā)分煤氮氧化物排放與著火穩(wěn)燃性能的矛盾,耦合深度空氣分級與燃燒器設(shè)計、著火強化技術(shù)對某330 MW燃用低揮發(fā)分煤四角切圓鍋爐進行低氮燃燒改造。提升煤粉著火穩(wěn)燃性能的同時,控制爐膛出口NOx排放在較低水平,結(jié)合SCR煙氣脫除技術(shù),保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的同時實現(xiàn)燃煤機組超低排放,可為同類機組應(yīng)用低氮燃燒技術(shù)提供借鑒。

1 設(shè)備概況

DG1110/17.4-Ⅱ12鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐,單爐膛Π型布置,四角切圓燃燒,尾部雙煙道,固態(tài)排渣,平衡通風(fēng),全鋼架懸吊結(jié)構(gòu),爐膛橫截面為正方形,寬度為12.8 m。煤粉氣流從爐膛四角沿假想切圓切向射入爐膛,爐內(nèi)切圓沿逆時針方向旋轉(zhuǎn),直徑為790 mm。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式,配3臺雙進雙出鋼球磨,磨煤機型號為MGS4062。鍋爐設(shè)計煤種Vdaf含量為15%～16%,屬于低揮發(fā)分貧煤。為兼顧燃煤經(jīng)濟性與爐內(nèi)著火穩(wěn)定性,運行過程中采用貧煤與煙煤等比例摻燒方式運行,煤質(zhì)分析見表1。

表1 鍋爐煤質(zhì)分析Table 1 Properties of coal sample for boiler

爐內(nèi)燃燒設(shè)備為百葉窗水平濃淡直流燃燒器,布置形式為四角切圓燃燒。每角燃燒器共布置16層噴口,其中有6 層一次風(fēng)噴口(A、B、C、D、E、F,A層因布置少油點火裝置不采用濃淡分離結(jié)構(gòu)),8層二次風(fēng)噴口(AA、AB、BC、CC、DD、DE、EF、FF),在主燃燒區(qū)上方布置2層燃盡風(fēng)噴口(OFA1、OFA2)。鍋爐燃燒系統(tǒng)布置及一次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)如圖1所示。一次風(fēng)噴口分上下2組布置,上組底層燃燒器D中心線與下組頂層燃燒器C中心線距離為2.3 m。

改造前,SCR反應(yīng)器入口煙道NOx質(zhì)量濃度為550～650 mg/Nm3,流經(jīng)SCR脫硝反應(yīng)器后排煙塔氮氧化物排放質(zhì)量濃度為70～100 mg/Nm3。改造前SCR系統(tǒng)試驗表明,增大噴氨量可以將脫硝出口NOx含量短期降至超低排放限值50 mg/Nm3以下;但是噴氨量大幅上升導(dǎo)致SCR出口氨逃逸明顯增加,與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨(ABS)[14]。長期運行導(dǎo)致ABS沉積在換熱元件表面,造成空預(yù)器堵塞,空氣預(yù)熱器差壓增大到3 kPa以上,對機組安全運轉(zhuǎn)威脅極大。單獨采用SCR系統(tǒng)實現(xiàn)超低排放技術(shù)風(fēng)險大,威脅機組安全、經(jīng)濟運行。

圖1 燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the combustion system

2 改造方案

針對燃用低揮發(fā)分煤鍋爐NOx排放與著火穩(wěn)燃性能的矛盾,將深度空氣分級與強回流燃燒器技術(shù)結(jié)合使用,實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性及深度低氮燃燒的協(xié)同優(yōu)化。改造前后燃燒器布置如圖1所示。采用深度空氣分級技術(shù)能夠在主燃燒區(qū)形成強還原性氣氛,改造后設(shè)計燃盡風(fēng)率由改造前的15%增至24%(BMCR工況),取消原有燃盡風(fēng)OFA噴口,增加3層分離燃盡風(fēng)SOFA噴口。底層燃盡風(fēng)SOFA1噴口中心高度較改造前OFA1中心高1.6 m,爐內(nèi)NOx還原區(qū)擴大,實現(xiàn)爐內(nèi)深度空氣分級。改造后主燃區(qū)二次風(fēng)率降低,為避免二次風(fēng)速降低造成爐內(nèi)燃燒組織紊亂,因此對主燃燒區(qū)二次風(fēng)噴口重新設(shè)計。改造前后爐內(nèi)整體風(fēng)量分布見表2。

表2 爐內(nèi)整體風(fēng)量分布設(shè)計參數(shù)Table 2 Parameters of the air distribution in furnace

主燃燒區(qū)燃燒器組整體布置形式與改造前一致,對噴口結(jié)構(gòu)再設(shè)計。A層一次風(fēng)布置小油槍煤粉點火裝置,采用普通直流一次風(fēng)噴口,上5層一次風(fēng)采用新型百葉窗水平濃淡燃燒器及強回流燃燒器噴口,實現(xiàn)主燃燒區(qū)煤粉氣流及時著火、穩(wěn)定燃燒、低氮生成的性能。一次風(fēng)采用百葉窗水平濃淡燃燒器,向火側(cè)送入濃煤粉氣流保證及時著火,背火側(cè)送入淡煤粉氣流,防止水冷壁高溫腐蝕。百葉窗水平濃淡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,在燃燒器噴口位置布置齒型鈍體,強化燃燒器出口回流區(qū)面積及強度,促進高溫?zé)煔饣亓骷訜崦悍蹥饬?從而提高水平濃淡燃燒器燃燒低揮發(fā)分煤的著火性能。周界風(fēng)布置在一次風(fēng)的四周,溫度遠(yuǎn)低于爐內(nèi)高溫?zé)煔狻８脑烨耙淮物L(fēng)噴口周界風(fēng)射流與煤粉射流平行,周界風(fēng)與一次風(fēng)混合較早,在降低煤粉濃度的同時,增加了煤粉氣流的著火熱,不利于煤粉在噴口附近還原性氣氛下及時著火;改造后周界風(fēng)出口內(nèi)壁與一次風(fēng)呈25°角射出,延遲了低溫周界風(fēng)與主煤粉氣流的混合,促進了噴口周邊高溫?zé)煔鈱χ行拿悍蹥饬鞯木砦亓骷訜?縮短了煤粉著火時間,提高了爐膛燃燒穩(wěn)定性。

3 改造效果

測量改造前后SCR入口的NOx質(zhì)量濃度并統(tǒng)計反應(yīng)器噴氨量,結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 SCR入口NOx質(zhì)量濃度變化Fig.2 NOxemission at SCR inlet

圖3 SCR系統(tǒng)氨耗量變化Fig.3 Ammonia consumption for SCR system

由圖2可知,SCR入口質(zhì)量濃度在全負(fù)荷段由改造前550～600 mg/Nm3降至350～400 mg/Nm3,燃燒生成階段NOx控制效果明顯。改造前飛灰含碳量月統(tǒng)計均值為2.41%,改造后為2.65%,改造后飛灰含碳量小幅增加。SCR出口NOx質(zhì)量濃度均值由改造前70 mg/Nm3降至35 mg/Nm3,改造后SCR反應(yīng)器液氨耗量由150～200 kg/h降至100～150 kg/h,有利于機組經(jīng)濟性及長期穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

1)對燃用低揮發(fā)分煤四角切圓鍋爐進行低氮燃燒改造后,SCR入口 NOx質(zhì)量濃度由550～600 mg/Nm3降低至350～400 mg/Nm3;飛灰含碳量由2.41%小幅增至2.65%。耦合空氣分級及強化著火的低氮燃燒器設(shè)計方案,基本實現(xiàn)低揮發(fā)分煤鍋爐高效低NOx排放。

2)低氮燃燒器技術(shù)與SCR聯(lián)用滿足超低排放要求,排煙塔NOx排放質(zhì)量濃度降低35 mg/Nm3,同時SCR反應(yīng)器液氨耗量由150～200 kg/h降至100～150 kg/h,實現(xiàn)機組安全、經(jīng)濟運行。

3)低揮發(fā)分煤四角切圓鍋爐在低氮燃燒設(shè)計中強化煤粉氣流著火,能夠兼顧鍋爐污染物控制與燃燒穩(wěn)定性,對同類型鍋爐改造具有借鑒作用。

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