四次風系統(tǒng)在58 MW煤粉工業(yè)鍋爐中的應用

陳 喆

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013； 3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

為貫徹國家大力推進煤炭清潔高效利用的發(fā)展戰(zhàn)略，有效改善京津冀大氣環(huán)境質(zhì)量，完成“美麗天津一號工程”任務，天津市環(huán)境保護局和天津市市場和質(zhì)量監(jiān)督管理委員會于2018年6月聯(lián)合發(fā)布天津市強制性地方標準《火電廠大氣污染物排放標準》(DB 12/810—2018)，標準自2018年7月1日正式開始實施。在該標準中對現(xiàn)有項目的污染物限值進行規(guī)定:“顆粒污染物排放限值為10 mg/Nm3，SO2排放限值為20 mg/Nm3，NOx排放限值為50 mg/Nm3。”

天津市人民政府于2018年10月30號發(fā)布的《天津市人民政府關(guān)于擴大高污染燃料禁燃區(qū)范圍的通告》(津政發(fā)[2018]25號文件)中指出:“西青區(qū)禁燃區(qū)面積287.88平方公里，其中原禁燃區(qū)面積53.56平方公里，新增禁燃區(qū)面積234.32平方公里，新增禁燃區(qū)范圍包括楊柳青鎮(zhèn)子牙河以南區(qū)域、辛口鎮(zhèn)、中北鎮(zhèn)、張家窩鎮(zhèn)和精武鎮(zhèn)?！币约啊靶略龈呶廴救剂辖紖^(qū)按照本市高污染燃料分類管控要求中II類進行管控”、“根據(jù)國務院《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》要求，本市高污染燃料II類管控區(qū)域內(nèi)禁止使用35蒸噸/小時以下燃煤鍋爐；按規(guī)定保留的燃煤鍋爐應達到大氣污染物特別排放限值或超低排放等相關(guān)標準要求”[1]。

根據(jù)出臺的系列政策或標準可看出天津市對環(huán)保的要求越來越嚴格，因此為適應新形式要求，結(jié)合天津市熱力有限公司華苑供熱所的5×58 MW高效煤粉鍋爐污染物排放情況，亟需對該5臺高效煤粉爐本體低氮燃燒系統(tǒng)進行升級改造，已達到NOx初始排放由500 mg/Nm3～600 mg/Nm3降至350 mg/Nm3(6%氧含量基準)，最終排放值由100 mg/Nm3降至50 mg/Nm3。

目前國內(nèi)常用的低氮燃燒技術(shù)涵括空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環(huán)、低氮燃燒器等，其中低氮燃燒器和空氣分級技術(shù)較為適合煤粉工業(yè)鍋爐。空氣分級技術(shù)的主要原理如下:燃燒過程中空氣分還原區(qū)和燃盡區(qū)進入鍋爐，燃料在缺氧富燃料狀態(tài)下形成還原區(qū)，生成的CO、HCN和NH3等還原性物質(zhì)可與NO發(fā)生反應，抑制燃料型NOx的生成；燃盡區(qū)主要完成煤粉的燃盡過程，NOx生成量較低。中心逆噴雙錐燃燒器在煤粉工業(yè)鍋爐領(lǐng)域應用較為廣泛，燃燒器內(nèi)燃燒組織較好，配合有效的空氣分級配風可實現(xiàn)較低的NOx排放。目前，空氣分級和低氮燃燒器相關(guān)低氮燃燒技術(shù)在大型電站鍋爐上的應用較多，在中小型煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)上的應用還停留在數(shù)值模擬和理論研究上，實例相對較少。

基于雙錐低氮燃燒器和空氣分級的基本理論，煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司在58MV煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)上進行四次風分級低氮燃燒試驗，分析鍋爐負荷、四次風配風比例、四次風配風方式等對低氮燃燒的影響，以期為煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的低氮燃燒提供數(shù)據(jù)支持。

1 改造前鍋爐基本情況

1.1 鍋爐基本參數(shù)

5×58 MW高效煤粉鍋爐的鍋爐本體為QXS58-1.6/130/70-AIII燃煤粉熱水鍋爐，主要參數(shù)如下:額定熱功率58 MW、額定出水壓力1.6 MPa、 額定出水溫度130 ℃、額定回水溫度70 ℃、 空氣溫度20 ℃、70 ℃～130 ℃的循環(huán)水量825.6 t/h、鍋爐水容量72 m3、爐膛輻射受熱面積295 m2、對流受熱面積1 098 m2、計算而得燃料低位發(fā)熱值24 838.6 J/g、排煙處過量空氣系數(shù)1.15、燃燒方式:煤粉燃燒器、室燃；排煙溫度117 ℃、鍋爐熱效率91.2%、燃料消耗量9 129.3 kg/h、適用燃料為AIII煤粉。

1.2 燃燒系統(tǒng)基本狀況

鍋爐燃料煤粉儲存在煤粉塔內(nèi)，通過一次風機將煤粉塔下方供料器內(nèi)煤粉輸送至鍋爐頂部燃燒器[2]，再在燃燒室內(nèi)引燃；每臺鍋爐配有2個燃燒器，燃燒器上布置二次風接口，爐頂燃燒器四角布置三次風接口，2個燃燒器共布置8個三次風接口；煤粉混合一次風、二次風、三次風在鍋爐爐膛內(nèi)分級燃燒，產(chǎn)生的煙氣在爐膛內(nèi)經(jīng)爐膛底部進入鍋爐尾部煙道，在尾部煙道設置SNCR和SCR脫硝裝置以及省煤器；出口煙溫降至129 ℃，由引風機抽出經(jīng)布袋除塵器凈化后再進入濕法煙氣脫硫系統(tǒng)[3]，最后經(jīng)過濕式電除塵器凈化后的潔凈煙氣由煙囪排入大氣。

項目煙氣處理排放的主要技術(shù)指標見表1。

表1 項目煙氣處理排放的主要技術(shù)指標Table 1 Main technological indicators of flue gas treatment discharge mg/m3

1.3 改造前鍋爐運行情況

58 MW熱水鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐采用雙燃燒器頂置火焰下噴結(jié)構(gòu)，爐膛尺寸:7 140 mm×3 875 mm×12 900 mm。每個燃燒器布置4個三次風噴口向下噴射，噴口尺寸為DN200，三次風進入后向下噴射在爐內(nèi)形成假想切圓[4]。三次風與二次風共用鼓風量通過管道電動閥門和流量計顯示調(diào)節(jié)。

圖1 58 MW熱水鍋爐基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure diagram of 58 MW hot water boiler

鍋爐正常運行負荷較高，一般可達到額定負荷80%以上。5臺鍋爐在運行過程中均存在不同程度的NOx初始排放高的問題。在不開啟三次風的條件下，NOx初始排放一般在500 mg/m3～600 mg/m3；在開啟三次風的正常運行條件(風量5 000 m3/h)下，NOx初始排放在500 mg/m3左右。

2 四次風系統(tǒng)改造方案

2.1 改造目的

針對天津日益嚴峻的環(huán)保政策以及為滿足NOx排放限制，根據(jù)低氮燃燒改造技術(shù)在中小型煤粉鍋爐的應用現(xiàn)狀[5-8]，以下提出相應的改造原則與改造方案。

2.2 改造原則

(1)系統(tǒng)低氮改造遵循環(huán)保、兼顧、合理的原則；

(2)改造的前提是采用的設備或技術(shù)須符合現(xiàn)狀鍋爐運行的實際情況及其他附屬設備使用要求；

(3)采用的技術(shù)及設備須符合國家有關(guān)安全、環(huán)保等強制性標準；

(4)改造后的鍋爐系統(tǒng)出力以及熱效率保持不變。

2.3 方案說明

鍋爐現(xiàn)有運行狀態(tài)簡介如下:鍋爐頂部燃燒器內(nèi)二次風量過量，二次風風速高、溫度低；二次風量降低，有利于提高燃燒器內(nèi)煙氣溫度和煤粉的燃燒進程，同時削弱爐內(nèi)氧化氣氛，以利于控制NOx的生成；新增爐膛中部的四次風系統(tǒng)，主要通過空氣分級燃燒的方式以實現(xiàn)低氮燃燒和煤粉燃盡的作用[9]?？傮w配風方案:二次風量(占理論空氣量的比例0.5～0.7)；三次風量(占理論空氣量的比例0.1～0.2)；四次風量(占理論空氣量的比例0.3～0.4)。

改造前后的鍋爐配風量對比示意如圖2所示。其中，各風量數(shù)值為風量與理論空氣量的比值。

圖2 鍋爐配風量對比示意Fig.2 Comparison diagram of boiler air distribution

2.4 具體方案

每臺鍋爐新設置1臺四次風機，單臺風機風量為35 000 m3/h，風壓4 000 Pa，功率為55 KW，風機為變頻控制，新增四次風機布置在鍋爐間零米層一次風機側(cè)，吸風口接至室外，進口加消音器；四次風接口設置在爐膛中部腰線處，四次風接口在爐前4個、爐后4個，噴口為變徑管；每個燃燒器配備4個噴口，即爐膛共設8個四次風噴口，噴口延長線交于燃燒器中軸線，噴口伸入爐膛部分采用不銹鋼材質(zhì)；四次風引出爐膛后的管道及閥門布置根據(jù)鍋爐本體平臺扶梯位置調(diào)整[10]，盡量保證操作方便。

四次風布置及噴口示意如圖3所示。

圖3 四次風布置及噴口位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of the quat- ernary air system distribution and the position of the nozzle

3 改造效果

3.1 運行穩(wěn)定性

依據(jù)文獻[11]可初步判斷，經(jīng)過爐側(cè)四次風改造后的鍋爐運行穩(wěn)定性有所提升，爐膛負壓波動減少。

3.2 爐膛溫度

改造后由于燃燒器出口火焰速度降低，爐膛內(nèi)火焰長度縮短，爐膛整體高溫區(qū)上移，換熱面利用效率提高，導致鍋爐爐膛出口溫度降低[12]。爐膛上部溫度提高約100 ℃，爐膛中部溫度提高約50 ℃，爐膛下部溫度降低50 ℃，爐膛出口溫度降低80 ℃，轉(zhuǎn)彎煙室溫度降低50 ℃左右。56 MW與50 MW鍋爐工況對比見表2，鍋爐溫度對比見表3。

表2 56 MW與50 MW鍋爐工況對比Table 2 The conditions comparison of 56 MW and 50 MW boiler m3/h

表3 56 MW與50 MW鍋爐溫度對比Table 3 The temperatures comparison of 56 MW and 50 MW boiler ℃

3.3 NOx初始排放

在54 MW負荷條件下，結(jié)合燃煤電站鍋爐低氮燃燒技術(shù)的相關(guān)應用研究[13-19]，對配風的影響進行相關(guān)實驗。單側(cè)二次風風量為18 000 m3/h，保持單側(cè)爐頂三次風和爐側(cè)四次風總量為8 000 m3/h，氧含量3.5%左右時，研究不同三四次風配比對NOx初始排放的影響。當爐頂三次風量由3 200 m3/h降低至700 m3/h時，由于鍋爐分級程度加強，鍋爐初始NOx排放由525 mg/m3降低至431 mg/m3。

當保持單側(cè)爐頂三次風風量不變時，研究不同二次風和四次風配比對NOx初始排放的影響。分析整體趨勢可知，在三次風量恒定時，四次風量越大、空氣分級程度越深則NOx初始排放量越低。爐頂三次風量為700 m3/h時，爐側(cè)四次風量由6 200 m3/h增至7 800 m3/h，NOx初始排放由435 mg/m3降至335 mg/m3；當爐頂三次風量為1 500 m3/h時，爐側(cè)四次風量由6 700 m3/h增至9 900 m3/h，NOx初始排放由522 mg/m3降至188 mg/m3；爐頂三次風量為3 000 m3/h時，爐側(cè)四次風量由7 000 m3/h增至8 000 m3/h，NOx初始排放由372 mg/m3降至328 mg/m3。爐頂三次風量降低時，其他條件相同，NOx初始排放降低。但對于爐頂三次風量為3 000 m3/h的工況，二、三、四次風量配比為14 500∶3 000∶7 000時分級程度已較深，NOx初始排放(372 mg/m3)低于配比為16 000∶1 500∶7 000的工況(410 mg/m3)，此時燃燒器內(nèi)過量空氣系數(shù)為0.56，應能形成較強的還原性氣氛，對NOx生成的抑制作用大于由于爐頂三次風強化燃燒促進NOx生成的作用，NOx初始排放降低。

改造后不同工況下鍋爐NOx初始排放見表4。

表4 不同工況對鍋爐NOx初始排放的影響Table 4 The influence of different working conditions on the initial NOx emission of boiler

由于SNCR的效率主要取決于噴槍位置選擇的溫度區(qū)間，SCR的效率主要取決于催化劑和蒸氨混合器中氨水的霧化程度，所以改造后對SNCR、SCR脫硝效率無影響。

3.4 鍋爐燃燒效率

采用四次風分級后，可能會有排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失2個方面的影響。四次風分級會改變爐膛內(nèi)溫度分布，導致排煙溫度變化，進而影響排煙熱損失和鍋爐燃燒效率；分級配風對煤粉燃盡的影響，影響飛灰和爐渣中含碳量，進而影響固體未完全燃燒熱損失和鍋爐燃燒效率[19]。

四次風分級改造后，鍋爐的排煙溫度比較穩(wěn)定，最高與最低溫度差小于3 ℃。合適的空氣分級條件下，鍋爐排煙溫度反而有所降低。計算的結(jié)果表明，四次風分級通過排煙熱損失影響鍋爐的熱效率在±0.2%。

四次風分級后對比了未分級燃燒和空氣分級工況下的飛灰和爐渣情況。化驗結(jié)果表明，采用分級配風后，當鍋爐負荷54 MV，單側(cè)二次風量12 500 m3/h，單側(cè)三次風量3 300 m3/h，單側(cè)四次風量9 200 m3/h時，對煤粉的燃盡有一定的影響。未分級時飛灰熱損失為0.39%，分級混合工況下飛灰熱損失為0.87%，降低鍋爐整體熱效率0.48%。未分級工況爐底出渣量為15 kg/h，分級工況爐底出渣量為45 kg/h，正常工況爐渣熱損失為0.33%，分級工況爐渣熱損失約0.98%，采用分級配風降低鍋爐總效率0.62%?？諝夥旨墝θ紵实挠绊懸姳?。

表5 空氣分級對燃燒效率的影響Table 5 Effect of air-staging on combustion efficiency %

3.5 鍋爐運行的經(jīng)濟性

考慮極端空氣分級配風情況下，鍋爐熱效率可能會降低約1%；正?？諝夥旨壟滹L情況下，鍋爐熱效率可能降低約0.5%。因此，鍋爐的運行可在熱效率和脫硝成本間選擇較優(yōu)化的方案以降低成本。以58 MV運行時分級配風量35%為例，鍋爐 初始NOx排放質(zhì)量濃度由650 mg/m3降至350 mg/m3，鍋爐燃燒效率降低0.5%，氨水濃度20%，可節(jié)省氨水用量55 kg/h；鍋爐30 t/h負荷煤粉消耗量增加16 kg/h，鍋爐運行成本可降低31元/h(氨水和煤粉單價分別按1 000元/t、1 500元/t)，年節(jié)約成本在56萬元左右，若改造投資按250萬元計算，則大約5年回收成本。

4 結(jié) 論

針對天津華苑供熱所5×58 MW煤粉工業(yè)鍋爐進行的爐側(cè)四次風分級改造，其工作量較小、整體改造成本低，在不影響鍋爐燃燒效率的前提下實現(xiàn)了鍋爐高負荷時NOx初始排放降至350 mg/Nm3(6%氧含量基準)的效果，達到了NOx最終排放值降至50 mg/Nm3、可改善大氣環(huán)境及滿足環(huán)保政策的要求。由此證明四次風分級低氮燃燒技術(shù)應用于煤粉工業(yè)鍋爐，可在保證鍋爐效率的同時有效降低鍋爐NOx初始排放。