富氧低NOx穩(wěn)燃技術(shù)在300 MW煤粉鍋爐機(jī)組靈活性調(diào)峰中的應(yīng)用

陳子曦，王 慶，王泉海，雷云紅，李建波，賈 益，亢銀虎，盧嘯風(fēng)

(1.重慶大學(xué) 低品位燃料高效清潔利用技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶富燃科技股份有限公司，重慶 400050)

0 引 言

可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量逐年增加且運(yùn)行中有較強(qiáng)的隨機(jī)性。為促進(jìn)可再生能源發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)燃煤鍋爐機(jī)組提出了更高的調(diào)峰要求，要求部分鍋爐實(shí)現(xiàn)20%負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒甚至頻繁啟停[1-3]。因此鍋爐運(yùn)行中如何適應(yīng)深度調(diào)峰要求將是電站鍋爐燃燒技術(shù)的研究重點(diǎn)之一[4-6]。而且要求鍋爐在深度調(diào)峰的同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)污染物達(dá)標(biāo)排放[7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了許多低負(fù)荷穩(wěn)燃和降低NOx排放的技術(shù)研究。其中低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)主要包括氣化小油槍穩(wěn)燃技術(shù)和等離子穩(wěn)燃技術(shù)，前者對(duì)煤種要求較高，而等離子點(diǎn)火燃燒器不適合低揮發(fā)分煤種，且使用壽命短，易磨損漏水，造成一次粉管堵塞[8]。低NOx排放技術(shù)主要有低氧燃燒、分級(jí)送風(fēng)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、回收CO2或H2O富氧燃燒、雙分級(jí)或雙尺度燃燒技術(shù)等[9-13]，且在使用中達(dá)到較好的效果，此外還有尚在改進(jìn)與研究中的脈動(dòng)燃燒、化學(xué)鏈燃燒和MILD燃燒技術(shù)等，但這些技術(shù)在鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)難以達(dá)到穩(wěn)燃且同時(shí)抑制NOx生成的效果[14-18]。可見前人研究中同時(shí)滿足低負(fù)荷穩(wěn)燃和降低NOx生成的技術(shù)很少。為此，作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新的富氧低NOx穩(wěn)燃技術(shù)，在煤粉鍋爐超低負(fù)荷調(diào)峰時(shí)，能解決煤粉鍋爐不投油條件下的穩(wěn)燃問題和NOx生成量增大問題，并在某電廠的300 MW煤粉鍋爐機(jī)組進(jìn)行了應(yīng)用示范。

本文介紹了某電廠300 MW煤粉鍋爐燃燒器進(jìn)行富氧低NOx燃燒技術(shù)改造情況，在工業(yè)示范對(duì)不同負(fù)荷下NOx排放量和煙氣及蒸汽溫度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)富氧低NOx燃燒技術(shù)在超低負(fù)荷下的性能優(yōu)勢(shì)及其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為不同電站鍋爐深度調(diào)峰和低NOx排放提供參考和改造依據(jù)。

1 富燃低NOx穩(wěn)燃技術(shù)的基本原理

預(yù)燃室中的濃煤粉流在局部極高氧濃度下高速燃燒，之后形成的還原性氣氛中控制NOx的生成，局部缺氧使NOx還原為N2和O2，從而降低NOx生成量[19-20]。

由于煤粉在局部極高氧濃度下燃燒，提供著火所需的局部高溫，使富氧煤粉火焰的穩(wěn)定性好，可確保爐膛煤粉火焰著火穩(wěn)定，還可維持其余煤粉燃燒器在低NOx工況下運(yùn)行[21]。

2 富氧低NOx技術(shù)在煤粉鍋爐上的應(yīng)用

2.1 鍋爐概況

某電廠的1號(hào)爐為武漢鍋爐廠制造的亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐(WGZ1018-18.44-2)。鍋爐采用中速磨直吹制粉系統(tǒng)，墻式旋流燃燒器對(duì)沖布置，尾部雙煙道，煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，噴水減溫調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫，中間一次再熱，平衡通風(fēng)，三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，刮板撈渣機(jī)連續(xù)固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層以上為緊身封閉島式布置。

鍋爐尾部煙道安裝SCR脫硝系統(tǒng)，采用寬溫區(qū)脫硝催化劑，其使用溫度為260～400 ℃。鍋爐設(shè)計(jì)汽包壓力9.61 MPa，過(guò)熱蒸汽溫度543 ℃，再熱溫度543 ℃，蒸汽流量1 004 t/h。鍋爐燃用劣質(zhì)煙煤，煤質(zhì)性質(zhì)見表1。

表1 燃用煤種煤質(zhì)性質(zhì)

由于調(diào)峰運(yùn)行，該鍋爐機(jī)組在運(yùn)行中啟停頻繁，最低運(yùn)行負(fù)荷為額定負(fù)荷的40%～50%，無(wú)法滿足深度調(diào)峰至額定負(fù)荷25%的要求。為此，對(duì)機(jī)組進(jìn)行富氧低NOx燃燒技術(shù)改造，將鍋爐A、D兩層原12臺(tái)一次風(fēng)燃燒器改為富氧低NOx燃燒器，并配套安裝供氧系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

2.2 富氧低NOx燃燒器工作原理

圖1為富氧低NOx燃燒器原理，燃燒器主要由5部分組成。一次風(fēng)和煤粉經(jīng)過(guò)煤粉濃縮環(huán)后形成外稀內(nèi)濃的2股煤粉流，部分煤粉進(jìn)入富氧預(yù)混燃燒室呈富氧狀態(tài)，使該部分煤粉的著火溫度降低。預(yù)混室內(nèi)通入的壓縮氧氣與油槍噴口處的燃油充分混合后高效燃燒，產(chǎn)生的火焰具有動(dòng)量大、剛性強(qiáng)、傳播速度快、中心溫度高等特點(diǎn)，使富氧預(yù)混燃燒室內(nèi)的富氧煤粉快速熱解，釋放揮發(fā)分著火燃燒，產(chǎn)生大量熱而引燃整個(gè)一次風(fēng)煤粉。冷卻風(fēng)從冷卻風(fēng)入口射入，冷卻燃燒器殼體，避免了燃燒器被高溫火焰燒壞[22-23]。

圖1 富氧低NOx燃燒器原理Fig.1 Schematic diagram ofoxygen-enrichedand low NOx combustion

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

利用鍋爐原有溫度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)，獲得不同工況下煙氣溫度、蒸汽溫度以及壓力。在鍋爐SCR入口煙道處，按網(wǎng)格法設(shè)置10個(gè)深度1 m的SCR入口煙氣組分測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 SCR入口煙道處測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of measuring points at SCR inlet flue

2.4 試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，重點(diǎn)針對(duì)同時(shí)投運(yùn)A、D層富氧低NOx燃燒器前后及低負(fù)荷(20%～ 40%額定負(fù)荷)下SCR入口煙道NOx濃度與溫度進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值。試驗(yàn)工況見表2。

表2 NOx及煙溫測(cè)量工況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同工況下NOx生成量

圖3(a)為鍋爐改造前后SCR入口NOx濃度分布，圖3(b)為各工況NOx平均濃度。可以看出，富氧低NOx穩(wěn)燃燃燒器改造后NOx排放量顯著降低。改造前，SCR入口煙道處NOx濃度高達(dá)700 mg/Nm3左右。對(duì)比工況1、2，改造后未投入富氧低NOx燃燒系統(tǒng)時(shí)，NOx排放量降至481 mg /Nm3，其原因主要是富氧低NOx穩(wěn)燃燃燒器有煤粉濃縮環(huán)，將來(lái)流煤粉經(jīng)濃淡分離形成濃淡2股煤粉流，煤粉濃度均偏離了生成大量NOx的濃度范圍，其原理與濃淡分離燃燒器相似，從而降低了NOx排放量。

圖3 各工況的NOx生成量Fig.3 NOx concentration of operating conditions

投運(yùn)富氧低NOx穩(wěn)燃燃燒系統(tǒng)后(圖3(b)中工況3～5)，由于爐內(nèi)NOx的生成量減小，整個(gè)SCR入口煙道的NOx濃度分布顯著降低。通過(guò)局部富氧氣氛使油強(qiáng)烈燃燒產(chǎn)生高溫火焰，并使粉的著火溫度下降，著火提前。低濃度富氧富煤粉火焰中，由于煤多風(fēng)少，強(qiáng)化了反應(yīng)(1)、(2)，燃燒過(guò)程中生成較多的CO；高溫促進(jìn)了煤中揮發(fā)分的揮發(fā)，增加了揮發(fā)分中碳?xì)浠衔餄舛萚20,24]。揮發(fā)分中的NH3和HCN等作為NOx生成的主要前驅(qū)化合物，其生成和破壞機(jī)理對(duì)NOx的釋放具有重要作用，大量CO和碳?xì)浠衔锸惯€原性氣氛加強(qiáng)，抑制前驅(qū)化合物NH3和HCN中NH自由基和NCO自由基向NOx的轉(zhuǎn)化[25-27]，使反應(yīng)(3)～(5)的正向氧化反應(yīng)減弱，降低了燃燒初期的NOx生成量。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

投入富氧低NOx穩(wěn)燃燃燒器后，燃燒器中心區(qū)域形成局部高濃度富氧，將火焰逐級(jí)放大。先點(diǎn)燃高濃度微油火焰，產(chǎn)生極高的煙溫，再用高溫微油火焰點(diǎn)燃中心區(qū)域的富氧富煤粉火焰，產(chǎn)生高溫煤粉火焰，其點(diǎn)燃周邊的普通煤粉氣流，使鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)具有良好的穩(wěn)燃效果[28]。由于解決了點(diǎn)火穩(wěn)燃問題，低負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)配風(fēng)仍可沿用低NOx燃燒原理，因此在總體較高氧濃度的低負(fù)荷工況下，生成的NOx仍較少，且爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。

3.2 不同工況下SCR入口溫度

圖4為各工況SCR入口煙氣溫度。由圖4(a)可知，工況2與改造前SCR入口溫度分布相比變化很小，說(shuō)明改造對(duì)SCR入口煙氣溫度的影響不大，這是因?yàn)楦脑斐筛谎醯蚇Ox燃燒器后，由于燃燒工況穩(wěn)定，即使火焰中心溫度降低(降低NOx生成的需要)，但爐內(nèi)燃燒換熱情況與改造前無(wú)太大差異，且在同一負(fù)荷下鍋爐的給煤量和空氣量幾乎相等，煤粉燃燒釋放的總熱量相近，爐膛出口溫度變化不大，因此SCR入口煙氣溫度也無(wú)明顯改變。由圖4(b)可知，隨著負(fù)荷的降低，SCR入口煙氣溫度呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著鍋爐負(fù)荷的降低，給煤量和空氣量減少，使?fàn)t內(nèi)放熱量減少，爐膛出口煙溫隨之下降，尾部煙道各級(jí)受熱面溫度均下降，排煙溫度降低[29-30]。在整個(gè)試驗(yàn)工況負(fù)荷范圍內(nèi)，煙氣溫度能夠滿足此電廠1號(hào)機(jī)組SCR系統(tǒng)260～400 ℃正常投用的溫度需求，且運(yùn)行中可通過(guò)A、D層多點(diǎn)投運(yùn)調(diào)整SCR入口煙溫。本文在超低負(fù)荷時(shí)能維持SCR入口處盡可能高煙溫的關(guān)鍵是將爐膛最上層和最下層燃燒器改造為富氧低NOx燃燒。其中，最下層富氧低NOx燃燒器主要起低負(fù)荷穩(wěn)燃作用，最上層富氧低NOx燃燒器的主要作用是強(qiáng)化爐膛中上部燃燒，維持爐膛出口煙溫。鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)提高爐膛出口煙溫，即可使SCR入口具有較高的煙溫。

圖4 各工況SCR入口煙氣溫度Fig.4 Flue gas temperature at the SCR inlet ofthe operating conditions

3.3 超低負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行特性

表3為鍋爐在投運(yùn)富氧低NOx穩(wěn)燃系統(tǒng)時(shí)，23.5%負(fù)荷(鍋爐不投油槍)下鍋爐蒸汽受熱面璧溫偏差。此時(shí)鍋爐發(fā)電負(fù)荷為70.4 MW，主汽溫度485.4 ℃，SCR入口NOx濃度分別為287.4、259.4 mg/Nm3，SCR入口平均溫度分別為299、286.7 ℃，脫硝效率達(dá)93.7%、98.3%。

結(jié)合表3可知，說(shuō)明投運(yùn)富氧低NOx穩(wěn)燃系統(tǒng)后，鍋爐在20%～25%超低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，不僅能保證SCR入口溫度在較高的脫硝效率范圍內(nèi)，還能控制較低的NOx生成量。

表3 23.5%負(fù)荷下鍋爐內(nèi)最大壁溫偏差

4 經(jīng)濟(jì)性分析及工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)實(shí)爐試驗(yàn)及第三方性能測(cè)試結(jié)果，富氧低NOx燃燒技術(shù)改造前后的油耗見表4。富氧低NOx燃燒技術(shù)改造前，該鍋爐每年平均點(diǎn)火及穩(wěn)燃耗油260 t左右，改造后僅需91 t，節(jié)油率達(dá)65%，其中低負(fù)荷穩(wěn)燃節(jié)油率達(dá)到80%以上。按目前市場(chǎng)柴油價(jià)格0.81萬(wàn)/t計(jì)算，該鍋爐應(yīng)用富氧低NOx燃燒器后，在電網(wǎng)調(diào)峰強(qiáng)度下，每年減少油耗成本137萬(wàn)元(表4)，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表4 富氧低NOx燃燒技術(shù)改造改造前后的油耗

5 結(jié) 論

1) 富氧低NOx燃燒技術(shù)可保證鍋爐在23.5%負(fù)荷時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，且鍋爐NOx排放可達(dá)標(biāo)。

2)鍋爐實(shí)際運(yùn)行表明，鍋爐在接近20%的低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，NOx原始排放濃度可控制在300 mg/Nm3以下，SCR入口煙氣溫度在280 ℃以上，滿足該鍋爐SCR入口溫度要求。

3) 富氧低NOx燃燒器顯著降低了全年點(diǎn)火及低負(fù)荷穩(wěn)燃油耗，經(jīng)濟(jì)效益可觀。