75 t/h中溫分離CFB鍋爐增加三層二次風(fēng)的低氮燃燒改造

吳劍恒, 俞金樹, 何宏舟, 莊松田

(1. 集美大學(xué) 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(zé)任公司, 福建石獅 362700;　3. 福建省鴻山熱電有限責(zé)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(fēng)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(xué) 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(zé)任公司, 福建石獅 362700;3. 福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司, 福建石獅 362700)

摘要：分析了影響75 t/h中溫旋風(fēng)分離CFB鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的主要因素，采取增設(shè)一層上二次風(fēng)形成三層二次風(fēng)、抬高下二次風(fēng)噴口高度、提高二次風(fēng)噴口速度和增加二次風(fēng)率等措施進行低氮燃燒改造。結(jié)果表明：NOx排放質(zhì)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(guān)鍵詞：CFB鍋爐; 中溫旋風(fēng)分離; NOx排放質(zhì)量濃度; 二次風(fēng)率; 無煙煤; 機械不完全燃燒損失

CFB鍋爐作為20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種高效的潔凈煤燃燒技術(shù)[1],以其低溫流化燃燒、物料循環(huán)反復(fù)、二次風(fēng)分段送風(fēng)的特點,具有優(yōu)越的調(diào)峰經(jīng)濟性、良好的煤種適應(yīng)性、高效的劣質(zhì)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(nèi)脫硫)和較高的灰渣綜合利用價值,近年來在國內(nèi)外得到迅速的發(fā)展,成為中小型熱電廠和燃燒劣質(zhì)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(chǔ)上,通過調(diào)整二次風(fēng)量來調(diào)節(jié)風(fēng)煤配比、一二次風(fēng)配比和上下二次風(fēng)配比,有效地控制爐內(nèi)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(nèi)溫度和物料分布,從而達到調(diào)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(zhì)量濃度[2-9]。

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

1改造前設(shè)備狀況及分析

1.1 中溫旋風(fēng)分離CFB鍋爐現(xiàn)狀

擬改造的2臺中溫旋風(fēng)分離CFB鍋爐是某鍋爐制造廠為燃用福建無煙煤而設(shè)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(fēng)絕熱分離、中物料循環(huán)倍率”設(shè)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(fēng)的穿透性和擾動性,該CFB鍋爐前后墻的水冷壁以標(biāo)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(fēng)板(標(biāo)高4.70 m)截面2.470 m×5.905 m。額定工況下,布風(fēng)板處設(shè)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(fēng)口以上的爐膛設(shè)計煙速為4.0 m/s,實際運行速度為3.5～4.5 m/s;設(shè)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(shù),燃燒空氣包括一次風(fēng)、二次風(fēng)和播煤風(fēng),其中約占總風(fēng)量55%的熱一次風(fēng)分成左、右兩股,從爐底等壓水冷風(fēng)室經(jīng)過風(fēng)帽進入燃燒室密相區(qū)，約占總風(fēng)量37%的二次風(fēng)分為下層(噴嘴中心標(biāo)高7.14 m)、上層(噴嘴中心標(biāo)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(fēng)量8%的播煤風(fēng)(來自熱一次風(fēng),經(jīng)過增壓風(fēng)機加壓)從落煤管(單側(cè)前墻給煤方式,2個給煤口,中心標(biāo)高6.53 m)進入爐膛。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1,主要運行參數(shù)見表2。

表1　主要設(shè)計參數(shù)

表2　主要運行參數(shù)　℃

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

1.2 影響NOx排放質(zhì)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(jié)構(gòu)的影響

(1) 2臺CFB鍋爐下二次風(fēng)噴嘴中心(標(biāo)高7.14 m)距離布風(fēng)板(標(biāo)高4.70 m)為2.44 m,距離回料口(標(biāo)高5.56 m)只有1.58 m。該區(qū)域?qū)儆谌紵颐芟鄥^(qū),物料濃度較大,下二次風(fēng)的擾動、混合作用有限[8-9]。

(2) 落煤管中心(標(biāo)高6.53 m)與下二次風(fēng)噴嘴中心(標(biāo)高7.14 m)的距離只有0.61 m,約占總風(fēng)量8%的播煤風(fēng)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(zhì)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(zhì)量濃度隨二次風(fēng)率β的增加而明顯下降,且降低速率逐漸減小;NOx排放質(zhì)量濃度隨著上二次風(fēng)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(diào)整一二次風(fēng)配比、上下二次風(fēng)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(zhì)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(diào)整二次風(fēng)比的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)方面著手,采用提高下二次風(fēng)噴口高度和增設(shè)一層二次風(fēng)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(yīng)區(qū)間,抬高下二次風(fēng)噴嘴裝置高度0.5 m,并提高二次風(fēng)風(fēng)速,以增強下二次風(fēng)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(fēng)量的比例由60∶40調(diào)整為50∶50,以強化密相區(qū)的還原氣氛;新增一層上二次風(fēng)噴口,形成上、中、下三層二次風(fēng),補充氧氣并控制爐內(nèi)燃燒、NOx生成與分解,實現(xiàn)NOx排放質(zhì)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(fēng)噴口在水冷壁上的高度0.5 m,由原標(biāo)高7.14 m提到7.64 m;維持鍋爐四周標(biāo)高9.6 m處的風(fēng)箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm不變;噴口設(shè)計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s;(2)原上二次風(fēng)更名為中二次風(fēng),噴口標(biāo)高維持不變,風(fēng)箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm由原標(biāo)高12.54 m下降至12.04 m;中二次風(fēng)噴口設(shè)計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s;(3)新增一層上二次風(fēng)16個風(fēng)嘴,噴口入口設(shè)在水冷壁前、后墻標(biāo)高12.65 m處,左右對稱布置,水平安裝角度為30°;上二次風(fēng)箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm設(shè)在標(biāo)高15.3 m處,直接水平連接煙道;上二次風(fēng)風(fēng)源取自一次風(fēng)熱風(fēng)母管道(主要考慮現(xiàn)有二次風(fēng)機不能滿足送風(fēng)要求),上二次風(fēng)噴口空氣設(shè)計速度為64 m/s,并設(shè)置風(fēng)門擋板、風(fēng)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(fēng)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(shè)計煤種相近的福建無煙煤,其化驗分析結(jié)果見表3,其粒徑分布見表4。

表3　設(shè)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(nèi)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(fēng)率β對NOx排放質(zhì)量濃度的影響

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

(1)

由圖2可見：隨著二次風(fēng)率β的增加,NOx排放質(zhì)量濃度快速下降,但降低速率逐漸減小;但二次風(fēng)率β超過60%后,NOx排放質(zhì)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(fēng)率β使NOx排放質(zhì)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(fēng)率β相同的情況下,NOx排放質(zhì)量濃度降低30～40 mg/m3;最佳的二次風(fēng)率β由40%～50%后移至45%～60%。

主要原因有:(1)下二次風(fēng)噴嘴中心上移0.5 m,下二次風(fēng)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(zhì)量濃度;(2)下二次風(fēng)噴嘴中心上移0.5 m,距離布風(fēng)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(zhì)量濃度有所降低,同時下二次風(fēng)噴口設(shè)計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s,下二次風(fēng)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(fēng)量和上二次風(fēng)量基本不變、通過增加二次風(fēng)機變頻器開度來增加二次風(fēng)量調(diào)整二次風(fēng)率β的,而研究證明[14-15]增加二次風(fēng)率有抑制燃料氮的轉(zhuǎn)化、減少NOx生成的作用,從而降低NOx排放質(zhì)量濃度。

3.2 中二次風(fēng)率km對NOx排放質(zhì)量濃度的影響

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

(3)

由圖3可見：隨著中二次風(fēng)率km的增加, NOx排放質(zhì)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(fēng)率km,使NOx排放質(zhì)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(jié)果,在過量空氣系數(shù)λ≈1.2、二次風(fēng)率β≈50%的情況下,最佳的中二次風(fēng)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(fēng)率km(原上二次風(fēng)率k)基本相同的情況下,NOx排放質(zhì)量濃度降低35～45 mg/m3;最佳的中二次風(fēng)率km由55%～65%前移至45%～60%。

主要原因有:(1)將一、二次風(fēng)量的比例由60∶40調(diào)整為50∶50,在額定工況下布風(fēng)板設(shè)計煙速由3.83 m/s降低為3.65 m/s,加上下二次風(fēng)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(fēng)噴口設(shè)計空氣速度由48 m/s提高到54 m/s,增強了中二次風(fēng)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(fēng)量和上二次風(fēng)量基本不變、二次風(fēng)機變頻器開度基本不變、二次風(fēng)率β≈50%的情況下,通過調(diào)節(jié)下二次風(fēng)和中二次風(fēng)擋板開度來改變中二次風(fēng)率km,隨著中二次風(fēng)率km增加,下二次風(fēng)隨之減少,意味著中二次風(fēng)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(fēng)率km增加,爐膛內(nèi)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(zhì)量濃度起到雙重作用;(5)當(dāng)中二次風(fēng)率km在45%～60%,雖然中二次風(fēng)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(nèi)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(dāng)中二次風(fēng)率km超過60%時,密相區(qū)內(nèi)嚴重缺氧影響了NH3與NO的還原反應(yīng)[17],導(dǎo)致NOx排放質(zhì)量濃度增加。

3.3 上二次風(fēng)率kup對NOx排放質(zhì)量濃度的影響

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

由圖4可見：隨著上二次風(fēng)率kup的增加,NOx排放質(zhì)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(biāo)高12.65 m處新增一層上二次風(fēng)16個風(fēng)嘴,上二次風(fēng)噴口空氣設(shè)計速度為64 m/s,而該區(qū)域物料質(zhì)量濃度較低,上二次風(fēng)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(fēng)率kup的增加,雖然上二次風(fēng)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(dāng)上二次風(fēng)率kup超過15%后,上二次風(fēng)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(fēng)的射入雖然提供了充裕的氧氣,但降低了爐膛內(nèi)的溫度,延遲了顆粒的著火和燃燒;(4)本試驗是保持一次風(fēng)量和下、中二次風(fēng)量基本不變,通過調(diào)節(jié)上二次風(fēng)擋板開度(配合微調(diào)一次風(fēng)機出口擋板開度)來改變上二次風(fēng)率kup。上二次風(fēng)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(zhì)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(fēng)率β、中二次風(fēng)率km、上二次風(fēng)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(fēng)率β、中二次風(fēng)率km、上二次風(fēng)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(fēng)分離CFB鍋爐,存在最佳的二次風(fēng)率β、中二次風(fēng)率km、上二次風(fēng)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(fēng)率β為45%～55%,最佳的中二次風(fēng)率km為45%～55%,最佳的上二次風(fēng)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(nèi)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(jié)語

75 t/h CFB鍋爐增加三層二次風(fēng)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(zhì)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。

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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(shù)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(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0177-06