對沖燃燒鍋爐燃用劣質(zhì)煤的脫硝優(yōu)化改造

摘要：劣質(zhì)煤的利用雖然對于我國煤炭清潔高效利用有著重要意義，但燃用的過程中卻存在著多種問題。以對沖鍋爐燃用劣質(zhì)煤為例，對沖鍋爐在燃燒情況方面雖然非常適合劣質(zhì)煤，但其燃用過程中存在NOx深度減排較差的問題，因此需要對脫硝系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化改造。以某發(fā)電廠330MW的對沖燃燒鍋爐為例，對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場優(yōu)化、大顆粒飛灰攔截、噴氨系統(tǒng)智能測控等改造。改造后結(jié)果通過CFD和冷態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，表明本次優(yōu)化改造不僅有效地解決了原系統(tǒng)氨逃逸率高、脫硝系統(tǒng)效率低等問題，還為其它燃用劣質(zhì)煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統(tǒng)的改造與優(yōu)化提供了范本和思路。

關(guān)鍵詞：對沖燃燒；脫硝；優(yōu)化改造；劣質(zhì)煤

引言

劣質(zhì)煤往往指低熱值煤或高硫煤，包括揮發(fā)分≥10%以下的貧煤、無煙煤，或揮發(fā)分gt;10%、低熱值（≤16.7MJ/kg）的部分煙煤與褐煤。煤洗選加工過程產(chǎn)生的洗煤、洗中煤、油頁巖、半焦等均屬于劣質(zhì)煤。目前，由于地區(qū)和成本的限制，部分地區(qū)的發(fā)電廠還采用劣質(zhì)煤作為動力燃料或摻燒燃料，受劣質(zhì)煤可燃性差、燃燒時(shí)爐膛溫度低、燃燒不穩(wěn)定等問題影響，導(dǎo)致燃煤發(fā)電廠在超低排放方面存在諸多問題。如，劣質(zhì)煤飛灰含量較高會使燃煤發(fā)電廠催化劑系統(tǒng)堵塞和磨損，從而導(dǎo)致脫硝效率的降低及下游設(shè)備的腐蝕[1]。另外，由于劣質(zhì)煤的煤質(zhì)特性，加強(qiáng)還原性氣氛雖然可以有效降低NOx，但灰分中高熔點(diǎn)的Fe2O3在還原性氣氛中會與SiO2形成共熔體，造成下游設(shè)備更嚴(yán)重的高溫腐蝕和結(jié)渣問題[2]，因此使用劣質(zhì)煤在燃用中會存在無法實(shí)現(xiàn)更低NOx排放的問題。

近年來，煤炭資源的高強(qiáng)度開發(fā)與煤化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量劣質(zhì)煤。鑒于國家政策對劣質(zhì)煤資源化、高值化、清潔化利用的要求，因而不少燃煤發(fā)電廠有大比例摻燒或直燃劣質(zhì)煤的需要，但受限于鍋爐型號仍為舊型的對沖鍋爐或四角切圓鍋爐[3]，導(dǎo)致劣質(zhì)煤燃燒過程及排放都出現(xiàn)了諸多問題。

20世紀(jì)90年代我國開始引入適合燃燒揮發(fā)分低的、難燃煤的W型火焰鍋爐，因而相對于四角切圓鍋爐，對沖燃燒鍋爐更類似于W型火焰鍋爐，只不過對沖鍋爐燃燒器布置在前后墻正對位置，而W型火焰鍋爐燃燒器斜向下噴出煤粉，煤粉在爐膛里經(jīng)歷更長的燃燒時(shí)間。對沖燃燒鍋爐相比于四角切圓鍋爐燃燒方式的熱負(fù)荷沿爐膛方向均勻性較好，爐膛出口及水平煙道的煙溫偏差小，易于控制；且對沖燃燒一二次風(fēng)混合早，有利于難燃的劣質(zhì)煤著火及燃盡；同時(shí)，采用旋流燃燒器的對沖燃燒鍋爐可以有效卷吸高溫?zé)煔?，造成爐內(nèi)高溫，更適合揮發(fā)分少著火點(diǎn)低的劣質(zhì)煤。但存在對沖燃燒鍋爐對易結(jié)焦的煤適應(yīng)能力弱的缺點(diǎn)，一二次風(fēng)混合早導(dǎo)致空氣分級效果差，混合爐內(nèi)溫度場較高使得爐內(nèi)NOx生成濃度較高[4]，且變負(fù)荷的情況下NOx濃度水平變化劇烈，在噴氨系統(tǒng)跟隨性較差的情況下會造成瞬時(shí)過度噴氨的狀況，導(dǎo)致氨逃逸現(xiàn)象[5]。因此，對沖鍋爐在燃用劣質(zhì)煤上雖然具有一定優(yōu)勢，但會造成相應(yīng)的脫硝情況惡化。

隨著國家政策要求的越來越嚴(yán)格，目前有不少燃煤發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)NOx排放水平已無法滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，燃煤發(fā)電廠的脫硝系統(tǒng)急需進(jìn)一步優(yōu)化與改造。本文以某電廠330MW的對沖燃燒鍋爐為例，通過對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場優(yōu)化、大顆粒飛灰攔截、噴氨系統(tǒng)智能測控等改造手段，解決原系統(tǒng)氨逃逸率高、脫硝系統(tǒng)效率低等問題，并為其它燃用劣質(zhì)煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統(tǒng)的改造和優(yōu)化提供參考與借鑒。

1設(shè)備與運(yùn)行概況

1.1 設(shè)備概況

對沖燃燒鍋爐為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒的燃煤汽包爐。SCR 反應(yīng)器采用3層固定床設(shè)計(jì)，其中2層半配置有催化劑，同時(shí)反應(yīng)器頂端有格柵式均流裝置，使煙氣均勻流向催化劑。催化劑采用平板式催化劑，由具有彈性的不銹鋼篩網(wǎng)板上加壓涂覆包括TiO2、V2O5和WO3等活性催化劑成分。催化劑最低噴氨溫度為 280℃，最高連續(xù)運(yùn)行煙溫為 420℃。所用燃煤的工業(yè)分析和煤灰的元素分析如表1、

表2所示，可以發(fā)現(xiàn)本鍋爐機(jī)組燃用的劣質(zhì)煤具有較高的灰分和較低的揮發(fā)分，會導(dǎo)致燃料燃用的時(shí)候難以著火，以及導(dǎo)致爐內(nèi)較高的飛灰含量從而造成催化劑層飛灰堵塞等問題；煤灰中含有堿土金屬元素，如Ca、Fe及S元素，在還原性氣氛下可能會加重結(jié)渣腐蝕的問題。

1.2 優(yōu)化改造前脫硝系統(tǒng)測試

優(yōu)化改造前先測試了320MW和180MW下脫硝系統(tǒng)的性能。利用網(wǎng)格法劃分SCR反應(yīng)器的入口煙道截面，且對測試各點(diǎn)的流速、溫度及NOx分布情況分別進(jìn)行測試，具體如表3所示。原SCR脫硝裝置布置在省煤器與空預(yù)器之間，煙道結(jié)構(gòu)性矛盾突出，省煤器出口煙道橫向截面變化較大，煙道經(jīng)過多次90°轉(zhuǎn)折后進(jìn)入到催化劑上游截面，由于原有導(dǎo)流板導(dǎo)流作用效果不夠，導(dǎo)致豎直煙道橫截面上煙氣流速均勻性較差。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可知原脫硝系統(tǒng)存在速度場、入口濃度場偏差大的問題，煙道內(nèi)流場均勻性較差；出口濃度場均勻性較差，流場均勻性及噴氨均勻性較差，因此需要對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

2 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造方案分析

2.1尾部煙道加裝大顆粒飛灰攔截裝置

我國常使用攔截濾網(wǎng)以捕集、分離大顆粒飛灰，常見的濾網(wǎng)主要有平板式和屋脊式[6]。另外，也有利用CFD軟件確定在合適的位置安裝擋灰板以實(shí)現(xiàn)飛灰攔截[7]，以及采用多層波紋板進(jìn)行飛灰攔截[8]。本項(xiàng)目改造采用平板式濾網(wǎng)對飛灰進(jìn)行攔截。

2.2流場優(yōu)化

通過CFD軟件對原脫硝系統(tǒng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。

2.2.1加裝導(dǎo)流板

原系統(tǒng)中脫硝頂部煙道位置僅在煙道拐彎處添加了導(dǎo)流板組，不能使煙氣平穩(wěn)過渡且分布均勻，導(dǎo)致催化劑層煙氣流速的偏差大，如圖1a所示。模擬結(jié)果顯示，催化劑上方截面速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)為23.2%，極大地影響催化劑對煙氣中氮氧化物的脫除性能。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)增加了導(dǎo)流板，突擴(kuò)了省煤器出口煙道，煙道轉(zhuǎn)折處及脫硝頂部煙道折向并突擴(kuò)，最終設(shè)計(jì)煙道內(nèi)加裝的導(dǎo)流板位置如圖1b所示。

2.2.2對噴氨支管等壓控制

傳統(tǒng)SCR噴氨管道長度較長，一般設(shè)計(jì)為等直徑管道。每經(jīng)過一根噴氨支管，管道里面的氨水就會噴出，管道內(nèi)的流量就會減少，但這樣會造成每個(gè)支管處的壓力不一致，從而導(dǎo)致噴氨支管的流速不一致，進(jìn)而使得噴氨格柵噴氨量分布不均。針對該問題，應(yīng)對噴氨管道采用變支管直徑等壓力設(shè)計(jì)，確保噴氨支管的流速基本一致。

2.2.3實(shí)現(xiàn)噴氨格柵全靜壓雙向調(diào)節(jié)

將噴氨格柵（AIG）分區(qū)，并改造AIG以實(shí)現(xiàn)全靜壓雙向可調(diào)節(jié)。對噴嘴進(jìn)行防磨防堵灰處理，提高噴氨均勻性及可靠性，再配合噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制噴氨，優(yōu)化催化劑反應(yīng)效率，減少氨逃逸。

2.2.4在AIG后加裝氨-煙擾流混態(tài)發(fā)生器

由于項(xiàng)目原有系統(tǒng)中煙道都較短，無法讓NH3與煙氣中的NOx充分混合，使得進(jìn)入催化劑層后的反應(yīng)均勻性差。因此，針對該問題，提出了在AIG后面加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器，使得噴氨后氨與煙氣經(jīng)過氨-煙擾流器增強(qiáng)氨-煙混合的均勻性，讓NH3與NOx均勻反應(yīng)，如圖2所示。

針對于原系統(tǒng)具有的脫硝系統(tǒng)反饋滯后、脫硝入口NOx濃度變化大、負(fù)荷波動大及調(diào)節(jié)速度慢等問題，優(yōu)化脫硝智能控制系統(tǒng)并在優(yōu)化中合理設(shè)置死區(qū)，充分利用前饋改進(jìn)CEMS系統(tǒng)，減少NOx測試延遲；增加微分前饋補(bǔ)償，匹配、限制參數(shù)設(shè)置；采用多變量前饋，優(yōu)化預(yù)測模型。優(yōu)化后的脫硝控制邏輯如圖3所示。

3 CFD模擬計(jì)算分析

3.1 CFD模型建立

對煙道進(jìn)行1：1建模，由于左右兩側(cè)SCR 脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與入口煙氣條件相同，且沿鍋爐中心線呈對稱布置，故僅以單側(cè)反應(yīng)器作為研究對象，模型計(jì)算入口為省煤器出口，模型計(jì)算出口為空預(yù)器入口。利用流體動力學(xué)計(jì)算軟件CFD對內(nèi)部煙氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型中主要考慮煙道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板及整流格柵對煙氣流場的影響，并對3個(gè)特征截面進(jìn)行分析，如圖4所示。其中，截面1為噴氨格柵上游位置截面，截面2為煙道模型縱截面，截面3為第一層催化劑上方500mm截面。

3.2 優(yōu)化后流場模擬結(jié)果

如圖5所示，流場優(yōu)化改造后速度分布偏差減小，催化劑區(qū)域的低速流體區(qū)基本消除，噴嘴處截面速度分布均勻性改善，煙道內(nèi)NOx分布均勻性提高；速度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.2%，滿足催化劑入口截面速度分布均勻性偏差小于15%的要求；首層催化劑上游煙氣的最大入射角為8.2°，滿足技術(shù)要求，改善了垂直性。優(yōu)化改造后的SCR脫硝系統(tǒng)速度場和濃度場的分布均勻性增強(qiáng)，脫硝效能提升，氨逃逸減少。

3.3 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究SCR反應(yīng)器的內(nèi)部流場，最簡單有效的方法是利用數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算求解，但由于數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜性，因而計(jì)算中用到了一些假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的反應(yīng)并不是真實(shí)情況，需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。冷態(tài)模擬技術(shù)被認(rèn)為是一種準(zhǔn)確、可靠、操作簡單的試驗(yàn)方法，且冷態(tài)試驗(yàn)對實(shí)際反應(yīng)器設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬的驗(yàn)證是不可替代的。

試驗(yàn)冷態(tài)模型如圖6所示，導(dǎo)流板、噴氨系統(tǒng)、混合器、整流格柵、催化劑層孔板、測點(diǎn)等均已安裝完成。實(shí)驗(yàn)采用冷態(tài)的空氣模擬實(shí)際煙氣，催化劑層前的流速分布由從壁面測孔伸入的高精度轉(zhuǎn)輪風(fēng)速儀測得，具體操作時(shí)應(yīng)在沿壁面方向和垂直于壁面方向進(jìn)行測量。

為了更量化地顯示催化劑層前的截面速度分布特性，作出如圖7所示的沿X和Y軸方向的平均速度分布曲線，其中沿X和Y軸某位置的速度值為該位置沿X或Y軸11個(gè)速度點(diǎn)的平均值。在3個(gè)負(fù)荷條件下，沿Y軸的平均速度分布較為均勻；相比而言，沿X軸的平均速度分布則總體呈現(xiàn)出一端速度低一端速度高的規(guī)律，這與圖速度云圖所呈現(xiàn)的直觀規(guī)律一致。分析認(rèn)為，該低速區(qū)是由上游煙道的折轉(zhuǎn)擴(kuò)張結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，在設(shè)計(jì)時(shí)已注意該區(qū)域低速區(qū)的消除。不同負(fù)荷下速度分布的標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示，3個(gè)工況下總體截面的速度標(biāo)準(zhǔn)差均較小，滿足總體截面速度標(biāo)準(zhǔn)差小于15%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用飄帶實(shí)驗(yàn)確定SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場分布及催化劑前的煙氣入射角度。煙氣經(jīng)過催化劑層上游彎頭、導(dǎo)流板后的流線在導(dǎo)流板及整流格柵的作用下偏斜角度得到糾正，在催化劑層上方飄帶的入射角度滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

針對燃用劣質(zhì)煤的對沖燃燒鍋爐燃用過程中飛灰堵塞催化劑層、噴氨系統(tǒng)跟隨性差、氨逃逸率高等問題，提出了包括大顆粒飛灰攔截、流場優(yōu)化、噴氨系統(tǒng)智能測控等改造手段的優(yōu)化改造方案。改造后通過CFD和冷態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明本次優(yōu)化改造既有效地解決了原系統(tǒng)氨逃逸率高、脫硝系統(tǒng)效率低等問題，又有效控制了尾部煙道空預(yù)器硫酸氫銨堵塞，提高了鍋爐運(yùn)行安全性，有利于實(shí)現(xiàn)NOx深度減排，同時(shí)還為其它燃用劣質(zhì)煤對沖燃燒鍋爐脫硝系統(tǒng)的改造和優(yōu)化提供了范本及思路。

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作者簡介

秦峰（1976—），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡姀S運(yùn)行節(jié)能生產(chǎn)管理、燃料管理。