楊勇軍 逯建軍 王博(新疆藍山屯河能源有限公司,新疆 奇臺 831800)
能源與環(huán)境是當今社會存在的兩大問題,近幾年國家對環(huán)保的重視程度逐年提升,對火力發(fā)電企業(yè)大氣污染物排放的標準和要求愈發(fā)嚴格。根據(jù)國家下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》,要求NOx、SO2及煙塵分別達到50、35、10mg/Nm3排放要求。
雖然流化床鍋爐具有高效、清潔、低污染的燃燒技術(shù),但在如此嚴峻的環(huán)保壓力下,即使安裝配套的SCR+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù),煙氣氮氧化物排放指標也難以穩(wěn)定控制。國內(nèi)現(xiàn)有的循環(huán)流化床機組,由于存在煤種變化大、分離器效率差、一二次風配比不合理、運行床溫高、運行氧量高等因素,導致很多電廠的流化床鍋爐NOx排放濃度超過300mg/Nm3,遠遠不能使煙氣達標排放。一般來說,流化床鍋爐污染物排放中,SO2及煙塵的治理相對較為簡單,而NOx的治理相對困難。在這樣的背景下,本文提出一種比較實用的適合已建循環(huán)流化床低氮燃燒改造的技術(shù),即循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造技術(shù)。
為使得流化床鍋爐煙氣排放滿足國家指標要求,我公司決定采用低氮燃燒一體化改造技術(shù)對原有的四臺流化床鍋爐進行升級、改造,達到降低鍋爐尾部NOx排放濃度、提高鍋爐燃燒效率的目的。低氮燃燒一體化改造技術(shù)主要由二次風系統(tǒng)改造、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化、旋風分離器改造、返料系統(tǒng)改造、爐膛風帽改造、SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化、爐膛風帽改造共七大系統(tǒng)組成。當煤進入爐膛,在相應(yīng)的運行系統(tǒng)操作下與優(yōu)化的二次風系統(tǒng)結(jié)合,在爐膛內(nèi)分級燃燒,生成的灰通過物料分離系統(tǒng)高效分離后,循環(huán)灰通過穩(wěn)定的返料系統(tǒng)送至爐膛,其余的飛灰通過尾部煙道進入除塵裝置,在爐膛與分離器之間布置有便捷的爐內(nèi)噴氨脫硝系統(tǒng),達到低氮燃燒的目的。
(1)二次風系統(tǒng)改造
對流化床鍋爐來說,二次風是爐內(nèi)燃燒的主旋律,提高二次風率降低一次風率,是比較好的分級送風的好方法。本次改造通過適當降低一次風的含氧量,間接減少一次風率、增加二次風率。使得底部一次風所供給氧量的減少,密相區(qū)還原性氣氛加強。通過增加二次風的風率,增加二次風的壓頭,使得稀相區(qū)物料懸浮濃度的增加及燃燒份額的上移,局部未燃盡一氧化碳和其他還原性氣體濃度增加,對NOx的還原效果明顯,且對后續(xù)焦炭粒子燃盡有利。本次改造主要針對二次風量、風速、角度等進行更改。對一二次風的比例進行合理分配,使得一次風壓頭下降,二次風壓頭提升,大幅提高二次風的穿透力,達到分級燃燒的目的,使得燃料能夠燃盡。
(2)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化
改造前為降低成本,原有流化床四臺鍋爐燃煤主要為灰分低、堿金屬含量高的準東煤,并且原設(shè)計分離器效率低,而燃煤本身含灰量較低,即使燃煤摻燒電石渣,灰分也無法有效提升。分離器效率低、灰分差導致灰循環(huán)倍率明顯不足,爐內(nèi)熱負荷分配不均,造成鍋爐8個床溫測點溫度偏差大,有時候偏差可以達到60℃,造成燃燒極為不穩(wěn)定。本次煙再系統(tǒng)的優(yōu)化就是把鍋爐產(chǎn)生的含氧量低的一部分煙氣在煙囪前引出一支,通過新增加的煙再風機送到一次風的入口再次利用。通過煙氣的再次利用,使得原有一次風量有所降低,同時密相區(qū)的低氧可以抑制床溫,通過二次風量的適當增加,補充被替代的一次風量。通過煙再的低氧煙氣再次利用,在降低床溫的同時,可以有效控制鍋爐空預器進出口的氧含量,大幅降低NOx排放。
由于煙氣中存在一定的粉塵顆粒,可能對一次風機葉輪產(chǎn)生磨損。針對此項問題,對磨損的原理展開分析,具體如式(1):
式中:W為磨損量;Vd為粉塵速度;Dd為粉塵顆粒度;ρd為粉塵濃度;f為粉塵與金屬表面沖擊角度。
由公式(1)看出,氣流速度的2.5次方、粉塵粒徑的3次方與磨損成正比,是影響磨損的關(guān)鍵因素。當采用煙氣再循環(huán)后,一次風總量并不產(chǎn)生明顯的變化,僅在一次風中增加一部分煙氣量,由于鍋爐目前除塵效率很高,除塵器后粉塵濃度極低,粉塵粒徑小,且煙氣量僅為一次風量的20%~35%左右(設(shè)計值留有較大裕量,實際運行值更低),混合后的氣體含塵量進一步降低,磨損能力很弱,可以忽略不計。按照設(shè)計值,除塵后煙氣中的煙氣中含塵量≤10mg/m3,再和空氣混合后其濃度不大于5mg/m3,而在常規(guī)工業(yè)中的通風通道來說,一般將100mg/m3以下含塵量的氣體劃歸為潔凈氣體。因此,增加煙氣再循環(huán)不會對一次風機葉片壽命和運行安全性帶來不利影響。
(3)旋風分離器改造
循環(huán)流化床鍋爐的燃燒、傳熱都伴隨著大量的循環(huán)灰。若循環(huán)灰量不足,會造成鍋爐床溫偏高,風室壓力無法維持且鍋爐帶負荷能力差等一系列問題,可以說循環(huán)灰量的大小與循環(huán)灰的穩(wěn)定性對流化床鍋爐燃燒起著決定性作用。
原有鍋爐在設(shè)計初期對分離器入口流速設(shè)計值在24m/s,而一般比較理想的速率至少因該在27m/s以上。在加爐膛出口溫度低,進一步降低了分離器入口流速。此次改造分離器入口煙道形狀進行處理,增加入口流速來增加循環(huán)灰量。
(4)返料系統(tǒng)改造
返料系統(tǒng)主要是將煙氣中攜帶的大量沒有燃盡的高溫顆粒收集,通過返料風機重新送回爐膛再次循環(huán)燃燒。返料系統(tǒng)的可靠性對鍋爐安全及經(jīng)濟運行舉足輕重。改造前原有返料風機選型過大,才用的是大風量、低壓頭的風機,在啟停爐過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)返料不穩(wěn)定現(xiàn)象,有時候需要啟動兩臺返料風機才能保證返料風壓,頻繁啟動備用返料風機,會對返料量產(chǎn)生較大影響,導致風室壓力及床溫大幅波動,造成燃燒極為不穩(wěn)定,嚴重時會導致鍋爐結(jié)焦?;亓祥y實際上是一個小鼓泡床,起到立腿灰封和向爐內(nèi)輸灰的作用,回料風由下部小風室通過流化風帽進入閥體內(nèi),它的流量根據(jù)立管內(nèi)物料高度自動調(diào)節(jié),閥體本身調(diào)節(jié)流量的功能較弱。原設(shè)計回料閥床上風帽開孔率不合理,需保證改造后使松動風側(cè)的小孔總面積顯著小于流化風側(cè)的小孔總面積,控制回料風量不宜過大,否則會使進入立管的空氣量將增多,阻礙立管中物料向下流動,嚴重時將吹穿料腿進入分離器內(nèi),破壞分離器的分離效率,導致回料量減少,間接導致飛灰含碳量的增加。調(diào)整返料器松動側(cè)和流化側(cè)的風帽開孔率,使流化側(cè)遠大于松動側(cè),故重新更換調(diào)整風帽數(shù)量,并對小孔孔徑重新核算。原設(shè)計返料風機出力較大,單臺返料風機能夠使返料風壓滿足需要和保持穩(wěn)定,本次改造擬對風帽結(jié)構(gòu)、返料立管做一定的優(yōu)化,更換新型返料風帽,將立管內(nèi)腔縮徑,提高立管內(nèi)物料存儲高度。
(5)爐膛風帽改造
返原設(shè)計爐膛風帽約為1401個,為小口徑鐘罩式,數(shù)量太多且存在風帽結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理問題,將影響鍋爐的流化及對爐內(nèi)水冷壁產(chǎn)生額外的磨損。風帽不是數(shù)量越多流化效果越好,而應(yīng)計算出合適的風帽數(shù)量、并選用幾種不同規(guī)格的風帽、按進風方式的不同布置不同規(guī)格孔徑的風帽,只有這樣才能最大限度的消除因進風方式帶來的不利影響。經(jīng)核算原設(shè)計風帽芯管開孔率過小、帽頭開孔率過大,使得風帽小孔速度太低、出口處靜壓太低,且單一風帽結(jié)構(gòu),極易存在局部流化偏弱等問題。改造后需重新布置風帽,采用多規(guī)格不均勻布置,對風帽小孔孔徑做適當處理,以實現(xiàn)布風板對料層流化均勻性的基本目標。
(6) SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化
我公司鍋爐安裝有SNCR脫硝系統(tǒng),但脫硝系統(tǒng)存在噴槍數(shù)量和布置方式不滿足分離器入口實際流場和NOx分布特點,單只噴槍霧化效果和降氮效能并未達到優(yōu)良,沿煙道截面不能與煙氣有效均勻混合。為保證最終NOx排放能達到50mg/Nm3以下的超低排放,需對現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化升級。每臺鍋爐在每個旋風分離器入口設(shè)置8只噴槍,通過數(shù)學模型計算(CFD)的數(shù)模方式和專家系統(tǒng)解讀,來了解爐膛NOx濃度分布、爐膛溫度分布、爐膛氣流分布以及煙氣組分分布情況,確定噴槍的布置方式、數(shù)量和安裝位置。對現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化完善,對系統(tǒng)存在設(shè)備老化、設(shè)計不合理等缺陷進行處理,實現(xiàn)穩(wěn)定的超低排放指標。
(7)爐膛風帽改造
改造前,爐膛風帽約為1400個,都采用小口徑鐘罩式,按統(tǒng)一的間距布置。通過近幾年的運行,基本每半年將會有一半的風帽出現(xiàn)磨損嚴重,芯管燒斷的問題,每次停爐風室積灰嚴重,造成運行周期短等問題。
本次改造,打破單一風帽結(jié)構(gòu)布置,按照進風方式的不同,選擇不同規(guī)格孔徑的風帽分區(qū)布置,這樣就能最大限度的消除因進風方式不同帶來的不利影響。原有風帽存在芯管開孔率小,帽頭開孔率過大,導致出口處靜壓低,局部存在流化不良的問題,本次改造針對此問題進行優(yōu)化處理,減少風帽整體數(shù)量,采用多規(guī)格不均勻布置,以實現(xiàn)布風板均勻性目標。
2018年我公司采用流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造技術(shù)對2臺160t/h,2臺320t/h循環(huán)流化床鍋爐進行升級改造及應(yīng)用。
通過近一年的運行調(diào)整,目前我公司煙氣NOx、SO2及煙塵可控制在50、35、10mg/Nm3以下,氨逃逸<8ppm。與改造前同等鍋爐負荷相比,氨水用量減少近一半,且鍋爐原始NOx排放濃度由400mg/Nm3降至185mg/Nm3,實現(xiàn)鍋爐全負荷下穩(wěn)定超低排放。
2020年6月,我公司委托西安熱工院對我公司四臺流化床鍋爐進行性能驗收,并出具了相關(guān)的能效測試報告,NOx排放濃度可控制在50mg/Nm3以下,鍋爐熱效率在93%左右,床溫穩(wěn)定在880~920℃,鍋爐爐膛出口溫度提高30℃且左右偏差<15℃,鍋爐燃燒穩(wěn)更穩(wěn)定,低氮燃燒效果明顯,熱工院對我公司流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造非常認可。
通過本次流化床鍋爐的升級、改造,我公司的流化床鍋爐煙氣排放指標能夠達到國家煙氣超低排放的標準。
本次流化床鍋爐低氮一體化改造與前期相比,具有以下特點:
(1)改造后,鍋爐在額定負荷內(nèi)使得鍋爐初始NOx排放濃度從原有的400mg/Nm3降低至185mg/Nm3。
(2)改造后,結(jié)合SNCR脫硝系統(tǒng),鍋爐在額定負荷內(nèi)的NOx最終排放值穩(wěn)定在50mg/Nm3(O2)以下,實現(xiàn)全負荷下的NOx超低排放。
(3)改造后,鍋爐熱效率提高0.8個百分點,輔機電耗及產(chǎn)汽煤耗降低1.5kg/t。
(4) 改造后,鍋爐運行周期得到提升,爐內(nèi)受熱面磨損速率大幅下降。