低揮發分煤四角切圓鍋爐低氮改造試驗

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.西安交通大學能源與動力工程學院,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會導致酸雨,并參與形成光化學煙霧,破壞臭氧層,形成 PM2.5,對自然環境及人體健康危害極大[1]。針對這一問題,我國提出了日益嚴格的排放限制標準。自2004年,低揮發分煤電站鍋爐NOx排放質量濃度限值由650～1 100 mg/Nm3(基準氧含量6%)逐步降低,至2020年,要求全國31省區分階段實現超低排放,即NOx排放質量濃度控制在50 mg/Nm3以下[2-3]。使用SCR反應器脫除尾部煙氣NOx是實現電站鍋爐低氮排放的主流技術方案,而排放限值降低導致SCR反應器出入口NOx質量濃度差過高;通過增加催化劑、增加液氨耗量能夠短期實現超低排放,但會造成安全、經濟、環保方面的問題[4]。爐內采用低氮燃燒器技術能夠降低SCR入口NOx質量濃度,協同使用SCR煙氣脫除系統,能夠在保證鍋爐安全穩定運行的同時控制NOx在較低水平。對現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%);當爐膛溫度在1 500～1 800℃,或爐內燃燒組織不均出現局部高溫區時,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,主燃燒區過量空氣系數是影響燃料型NOx生成的主要因素。

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

低揮發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,爐內主燃燒區著火條件惡化,往往引起嚴重的著火燃盡問題,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生嚴重的滅火事故[11]。為保證爐內穩定燃燒,大量機組大幅降低空氣分級程度,提高主燃區氧含量以強化著火,導致鍋爐退出低氮燃燒模式,爐膛出口NOx質量濃度升高,進而通過增大噴氨量控制NOx排放,長期運行導致氨泄漏量過大,空預器堵塞等,威脅鍋爐安全、經濟運行[12]。

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

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

1 設備概況

DG1110/17.4-Ⅱ12鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、自然循環、燃煤汽包鍋爐,單爐膛Π型布置,四角切圓燃燒,尾部雙煙道,固態排渣,平衡通風,全鋼架懸吊結構,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,爐內切圓沿逆時針方向旋轉,直徑為790 mm。制粉系統采用正壓直吹式,配3臺雙進雙出鋼球磨,磨煤機型號為MGS4062。鍋爐設計煤種Vdaf含量為15%～16%,屬于低揮發分貧煤。為兼顧燃煤經濟性與爐內著火穩定性,運行過程中采用貧煤與煙煤等比例摻燒方式運行,煤質分析見表1。

表1 鍋爐煤質分析Table 1 Properties of coal sample for boiler

爐內燃燒設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構),8層二次風噴口(AA、AB、BC、CC、DD、DE、EF、FF),在主燃燒區上方布置2層燃盡風噴口(OFA1、OFA2)。鍋爐燃燒系統布置及一次風噴口結構如圖1所示。一次風噴口分上下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反應器入口煙道NOx質量濃度為550～650 mg/Nm3,流經SCR脫硝反應器后排煙塔氮氧化物排放質量濃度為70～100 mg/Nm3。改造前SCR系統試驗表明,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致SCR出口氨逃逸明顯增加,與煙氣中的SO3反應生成硫酸氫銨(ABS)[14]。長期運行導致ABS沉積在換熱元件表面,造成空預器堵塞,空氣預熱器差壓增大到3 kPa以上,對機組安全運轉威脅極大。單獨采用SCR系統實現超低排放技術風險大,威脅機組安全、經濟運行。

圖1 燃燒系統結構示意Fig.1 Schematic of the combustion system

2 改造方案

針對燃用低揮發分煤鍋爐NOx排放與著火穩燃性能的矛盾,將深度空氣分級與強回流燃燒器技術結合使用,實現爐內燃燒穩定性及深度低氮燃燒的協同優化。改造前后燃燒器布置如圖1所示。采用深度空氣分級技術能夠在主燃燒區形成強還原性氣氛,改造后設計燃盡風率由改造前的15%增至24%(BMCR工況),取消原有燃盡風OFA噴口,增加3層分離燃盡風SOFA噴口。底層燃盡風SOFA1噴口中心高度較改造前OFA1中心高1.6 m,爐內NOx還原區擴大,實現爐內深度空氣分級。改造后主燃區二次風率降低,為避免二次風速降低造成爐內燃燒組織紊亂,因此對主燃燒區二次風噴口重新設計。改造前后爐內整體風量分布見表2。

表2 爐內整體風量分布設計參數Table 2 Parameters of the air distribution in furnace

主燃燒區燃燒器組整體布置形式與改造前一致,對噴口結構再設計。A層一次風布置小油槍煤粉點火裝置,采用普通直流一次風噴口,上5層一次風采用新型百葉窗水平濃淡燃燒器及強回流燃燒器噴口,實現主燃燒區煤粉氣流及時著火、穩定燃燒、低氮生成的性能。一次風采用百葉窗水平濃淡燃燒器,向火側送入濃煤粉氣流保證及時著火,背火側送入淡煤粉氣流,防止水冷壁高溫腐蝕。百葉窗水平濃淡結構基礎上,在燃燒器噴口位置布置齒型鈍體,強化燃燒器出口回流區面積及強度,促進高溫煙氣回流加熱煤粉氣流,從而提高水平濃淡燃燒器燃燒低揮發分煤的著火性能。周界風布置在一次風的四周,溫度遠低于爐內高溫煙氣。改造前一次風噴口周界風射流與煤粉射流平行,周界風與一次風混合較早,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;改造后周界風出口內壁與一次風呈25°角射出,延遲了低溫周界風與主煤粉氣流的混合,促進了噴口周邊高溫煙氣對中心煤粉氣流的卷吸回流加熱,縮短了煤粉著火時間,提高了爐膛燃燒穩定性。

3 改造效果

測量改造前后SCR入口的NOx質量濃度并統計反應器噴氨量,結果如圖2、3所示。

圖2 SCR入口NOx質量濃度變化Fig.2 NOxemission at SCR inlet

圖3 SCR系統氨耗量變化Fig.3 Ammonia consumption for SCR system

由圖2可知,SCR入口質量濃度在全負荷段由改造前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質量濃度均值由改造前70 mg/Nm3降至35 mg/Nm3,改造后SCR反應器液氨耗量由150～200 kg/h降至100～150 kg/h,有利于機組經濟性及長期穩定運行。

4 結 論

1)對燃用低揮發分煤四角切圓鍋爐進行低氮燃燒改造后,SCR入口 NOx質量濃度由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計方案,基本實現低揮發分煤鍋爐高效低NOx排放。

2)低氮燃燒器技術與SCR聯用滿足超低排放要求,排煙塔NOx排放質量濃度降低35 mg/Nm3,同時SCR反應器液氨耗量由150～200 kg/h降至100～150 kg/h,實現機組安全、經濟運行。

3)低揮發分煤四角切圓鍋爐在低氮燃燒設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定性,對同類型鍋爐改造具有借鑒作用。

參考文獻(References)：

[1]MAUZERALL D L,SULTAN B,KIM N,et al.NOxemissions from large point sources：Variability in ozone production,resulting health damages and economic costs[J].Atmospheric Environment,2005,39(16)：2851-2866.

[2]中國環境科學研究院.火電廠大氣污染物排放標準：GB 13223—2003[S].北京：中國環境科學出版社,2004.

[3]中華人民共和國環境保護部,中華人民共和國國家發展和改革委員會,國家能源局.全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案[J].節能與環保,2016(1)：32.Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China,National Development and Reform Commission,National Energy Administration.Full implementation of the coal-fired power plant ultra low emission and energy conservation work program[J].Energy Conservation&Environmental Protection,2016(1)：32.

[4]卞韶帥,余海燕,楊士華,等.鍋爐低氮燃燒與SCR脫硝聯合運行優化系統[J].熱力發電,2016,45(8)：81-86.BIAN Shaoshuai,YU Haiyan,YANG Shihua,et al.Optimization on combined operation of low-NOxcombustion and SCR denitration system in utility boilers[J].Thermal Power Generation,2016,45(8)：81-86.

[5]董琨,黃啟龍.燃煤電站鍋爐控制NOx技術的探討[J].潔凈煤技術,2008,14(4)：66-69.DONG Kun,HUANG Qilong.Study on control technology of NOxemission for coal-fired boiler[J].Clean Coal Technology,2008,14(4)：66-69.

[6]TANIGUCHI M,KAMIKAWA Y,YAMAMOTO K.Comparison of staged combustion properties between bituminous coals and a lowrank coal,fiber-shaped crystallized carbon formation,NOxemission and coal burnout properties at very high temperature[J].Combustion and Flame,2013,160(10)：2221-2230.

[7]魏剛,樊孝華,王毅斌,等.生物質混燃與空氣分級對NOx排放的影響[J].熱力發電,2015,44(5)：7-11.WEI Gang,FAN Xiaohua.WANG Yibin,etal.Effectof biomass co-firing and air staging on NOxemissions[J].Thermal Power Generation,2015,44(5)：7-11.

[8]劉克軍,徐杰,孔令軍,等.低揮發分煤低NOx燃燒技術研究與開發[J].節能技術,2012,30(1)：15-19.LIU Kejun,XU Jie,KONG Lingjun,et al.Research and development of low NOxcombustion technology for low-volatile coal[J].Energy Conservation Technology,2012,30(1)：15-19.

[9]黃鎮宇,陳樂,孫振龍,等.低揮發分煤低氮燃燒技術研究[J].電站系統工程,2012(6)：17-19.HUANG Zhenyu,CHEN Le,SUN Zhenlong,et al.Research on low nitrogen combustion using low volatile coal[J].Power System Engineering,2012(6)：17-19.

[10]王東平,賈宏祿,劉小平.利港電廠2×350 MW機組鍋爐低氮燃燒改造及其對鍋爐運行的影響[J].熱力發電,2008,37(12)：38-44.WANG Dongping,JIA Honglu,LIU Xiaoping.Ligang power station 2×350 MW boiler low NOxcombustion transformation and the effect on boiler opration[J].Thermal Power Generation,2008,37(12)：38-44.

[11]朱磊.鍋爐低氮改造后滅火原因分析與對策[J].浙江電力,2015(8)：41-44.ZHU Lei.Analysis on causes of boiler fire distinguishing after low nox retrofit and the countermeasures[J].Zhejiang Electric Power,2015(8)：41-44.

[12]邢希東.空預器堵灰原因及在線高壓水沖洗效果分析[J].電力安全技術,2015,17(2)：21-24.XING Xidong.Causes of the ash plugging of air preheater and the effect of the high pressure water flushing[J].Electric Safety Technology,2015,17(2)：21-24.

[13]茹啟明,陸騎,蘇勝,等.300 MW貧煤鍋爐低氮燃燒系統改造及性能優化[J].煤炭轉化,2016,39(2)：59-64.RU Qiming,LU Qi,SU Sheng,et al.Application and performance optimization of low-nitrogen combustion system retrofit for 300 MW lean coal-fired boiler[J].Coal Conversion,2016,39(2)：59-64.

[14]MENASHA J,DUNN-RANKIN D,MUZIO L,et al.Ammonium bisulfate formation temperature in a bench-scale single-channel air preheater[J].Fuel,2011,90(7)：2445-2453.