广州发电厂脱硝工程技术改造对锅炉的影响及运行优化
2013-02-13叶常勇
叶常勇
(广州发电厂有限公司,广东 广州 510160)
1 概况
为了满足环境保护要求,达到广州市政府提出的排放指标,广州发电厂有限公司于2010年7~9月份对5 台锅炉实施了脱硝工程技术改造。改造工程主要分为两个部分:一是低NOx燃烧系统改造;二是尾部受热面改造,即在尾部烟道上安装单层SCR(选择性催化还原技术)处理工艺,对锅炉烟气进行脱硝处理。
2 低NOx 燃烧系统改造
2.1 工程改造思路
低NOx燃烧系统改造为整体改造。本次燃烧器改造目的:在保持锅炉较高的燃烧效率情况下,防止结渣,炉膛出口NOx得到较大幅度地削减。
改造采用了烟台龙源电力技术股份有限公司的双尺度燃烧技术,双尺度燃烧技术是一种低NOx燃烧技术,同时兼顾防渣及锅炉效率,煤种适应性更宽。双尺度燃烧技术简单讲是炉内燃烧过程的空间尺度与过程尺度全方位优化的复合燃烧技术。空间尺度:是指将炉内燃烧的三维空间在水平方向上分为近壁区和中心区两个区域,同时在垂直方向上分为两个氧化还原区。过程尺度:强调的是炉内燃烧过剩空气系数α 分布的差异化,使整个炉内的燃烧由集中扩散燃烧向分散、还原扩散燃烧方向优化。
2.2 改造范围及布置特点
本次燃烧系统改造范围主要包括主燃烧器部分和燃尽风部分。改造前各炉一次风均采用直流燃烧器,四角布置,如图1所示。
图1 改造前直流燃煤器
改造后在水平断面上,一次风射流在炉内形成直径300 mm 顺时针切园,二次风射流在炉内形成直径608 mm 逆时针切园,防结渣及降低NOx排放。
2.3 低氮燃烧器各部件特点
改造后低氮燃烧器设2 层一次风、3 层二次风和2 层三次风喷嘴,并增加了高位燃尽风。
(1)高位燃尽风SOFA。喷口由汽缸驱动,可整组上下±20°摆动,用来调节汽温、飞灰及NOx;水平方向上可左右±10°摆动,全部喷口就地手动操作,起到消旋作用,防止烟气出口造成过大的偏差。
(2)一次风。采用上下浓淡的射流形式,浓淡分离采取分离式挡片装置,一次风喷口加装波纹形稳燃顿体,后缩60 mm,加大烟气回流量。
(3)上、中二次风增设贴避风,在不影响主气流的情况下,起到防渣、降氮的目的。
(4)三次风与改造前比,新增一层三次风喷口。在原三次风管上加装分叉管,三次风一层变两层,降低了原较高的三次风速。三次风喷口加装内缩式稳燃波纹顿体,起到加强燃烧的目的,这样既不会对主燃烧器煤粉气流的燃烧造成明显影响,又可起到压火作用,延长煤粉气流在炉内的燃烧时间。
3 尾部受热面改造
3.1 改造的目的及方案
结合锅炉与SCR 工艺特点,在保证锅炉安全经济运行的前提下,在高温省煤器与高温空气预热器之间布置一层SCR 装置对烟气进行进一步脱硝。
3.2 SCR 烟气脱硝工作原理
选择性催化还原(Selctive Catalytic Reduction,SCR)烟气脱硝技术是基于在金属催化剂的作用下,向来自锅炉高温省煤器出口的烟气喷入还原剂氨,NH3在一定温度和催化剂的作用下,有选择地把烟气中的NOx还原成N2和H2O,而不与烟气中的氧气发生反应。表面化学反应为:
该反应的最佳反应温度为320~420 ℃,相当于高温省煤器出口至空气预热器入口处的烟气温度。
4 脱硝工程改造对锅炉运行的影响
4.1 低氮燃烧器改造给锅炉运行带来的影响
低氮燃烧器改造后,给锅炉运行带来的影响较大,主要表现在煤粉燃烧过程拉长、炉膛出口烟温升高、三次风喷燃器的使用寿命缩短、过热器结焦、积灰加剧以及飞灰可燃物增大。
(1)煤粉燃烧过程拉长,炉膛出口烟温升高。因增加了高位燃尽风,在总风量不变的情况下,二次风量减小,导致煤粉缺氧燃烧;同时二次风速有所降低,上二次风的压粉作用减弱;又三次风由原来一个喷口改为上下两个喷口,造成三次风速降低。这些使得炉内煤粉燃烧过程拉长,相应炉膛出口烟温升高。这虽然有利于锅炉在低负荷下维持较高主汽温度,但也容易引起过热器超温、结焦和积灰。
(2)三次风喷燃器的使用寿命缩短。由于各风速的降低和为保证SCR 进口NOx浓度不超规定值(370 mg/m3),运行人员在低负荷或双磨运行时,需对各次风进行进一步调整,未能燃烧的成分随气流上升到三次风区域与三次风强烈混合,在此区域开始剧烈燃烧,造成此区域温度高,易发生局部结焦。同时三次风喷口采用大钝体,卷吸高温烟气能力强,也易烧三次风喷口。另外三次风由原来一个喷口改为上下两个喷口,流通面积增大,三次风速降低,使结焦加剧。不到一年时间,多台炉相继出现三次风喷燃器烧烂的情况。
(3)过热器结焦、积灰加剧。低氮燃烧器改造后,煤粉燃烧过程拉长,相应炉膛出口烟温有所提高。同时为了保证SCR 反应器进口NOx浓度不超过规定值(370 mg/m3),就要对各次风进行调整以控制炉膛出口烟气含氧量,从而导致炉膛上部过热器结焦、积灰情况严重。
(4)飞灰可燃物增大。低氮燃烧器改造后,虽然NOx降幅很大,但发现烧同一煤种,飞灰可燃物升幅也较高。原因主要有两个:一是煤粉燃烧过程拉长;二是为保证SCR 进口NOx不超规定值,要控制炉膛出口烟气含氧量。
4.2 加装SCR 对锅炉运行带来的影响
(1)NH3逃逸对下游设备的影响。在NH3与NOx的反应过程中,会有少量的NH3随烟气一起逃逸出反应器,并与SO3发生反应,生成NH4HSO4与(NH4)2SO4,沉积在催化剂表面和空气预热器换热管上,冷凝析出晶体物质,与烟尘粘结一起沉积,降低了催化剂的活性,增大了空预器的换热阻力和空预器堵塞、腐蚀的风险,造成飞灰、空预器清洗水、FGD 废水中含NH3。
(2)SCR 对锅炉经济性的影响。SCR 脱硝装置需要安装反应器及连接烟道,增大了锅炉的散热面积,锅炉的散热损失增加。SCR 脱硝装置也使锅炉烟气侧阻力增加,增加了引风机的功率和电耗,锅炉运行成本增加。
(3)SCR 改造对锅炉安全的影响。由于改造需要,增加了高温省煤器吸热面积,导致省煤器出口水温相比改造前升高了约25~29 ℃。改造后的省煤器出口水温接近饱和温度,危及到锅炉的自然水循环和汽包出口蒸汽的品质。
(4)SCR 对制粉出力的影响。尾部受热面改造后,在额定负荷下,高温省煤器出口烟温比改造前低了40 ℃左右(见表1)。改造后磨煤机入口风温降低了30~40℃,风温的降低,使制粉干燥出力不足。另外为使SCR 进口NOx不超规定值,双制粉系统运行时,需要关小排粉机入口风门,这进一步减小了制粉系统的通风量。这些都影响了制粉系统的出力,使得制粉出力下降了约6%。
表1 广州发电厂SCR 改造前后参数对比
(5)SCR 对锅炉燃烧的影响。为保证烟囱出口NOx不超标,需要对SCR 进口NOx做限制,这样就要减小一、二、三次风量、开大燃尽风等措施来减少炉膛氧量,以使SCR 进口NOx不超规定值。然而从运行情况来看,这样的调节会带来飞灰的增加和炉内结焦的加剧。特别在低负荷、双磨运行和满负荷时,调整难度加大,甚至影响到锅炉的安全运行。
5 运行管理及优化建议
(1)炉膛出口NOx及飞灰可燃物的控制。为控制炉膛出口NOx,需要减少炉膛氧量,然而这样会带来飞灰可燃物的增加。故在保证NOx排放量不超标的情况下,应设法降低飞灰可燃物。根据试验总结出以下措施:将1、2、3号炉氧量控制在2%~3%之间,4、5号炉氧量控制在2.5%~3.5%之间,以控制炉膛出口NOx排放量不超370 mg/m3;上层燃尽风应全开,下层燃尽风视情况开20%~30%;一次风速根据给粉机转速来定;二次风对炉内燃烧起扰动、加强燃烧等作用,其风量的大小直接影响飞灰可燃物的大小。单制粉系统运行时上中下二次风门开度依次为100%、30%~50%、100%;双制粉系统时,上二次风可关至70%运行,以保证足够的一次风速;为了使NOx排放不超标,同一烟囱各炉之间应尽量避免同一时间双制粉系统运行。
(2)提高制粉系统干燥出力的措施。可采取关小再循环风门、开大热风门、适当开大排粉机入口风门等措施。经过运行调整,制粉出力可以增加近2%~4%,同时排粉机电流下降。
(3)防止省煤器出口水温超温的措施。运行中,如果高温省煤器出口水温超过305 ℃,应及时采取吹灰等措施进行控制;如果高温省煤器出口水温超过315 ℃,应及时进行燃烧调整,必要时停止汽机的高温加热器运行。
(4)防止过热器结焦、积灰加剧的措施。煤种掺烧、煤中添加除焦剂、合理配风、在保证SCR 进口NOx不超标的情况下,适当的增大炉膛出口氧量、定期吹灰、减少双制粉系统运行时间、同一烟囱的各台炉之间避免同一时间双制粉系统运行等。
(5)NH3逃逸的解决措施。通过对喷氨系统进行优化调整以改善SCR 反应器出口的NOx和NH3的浓度分布;运行中严格控制SCR 进口烟气温度在320~420 ℃之间;运行中加强尾部烟道和SCR 反应器的吹灰工作;锅炉启动至正常运行后投入SCR 反应器运行,停炉前退出运行;在保证烟囱出口NOx不超标的前提下,可以减少喷入尿素热解反应器的尿素溶液量,同时也节约了尿素使用量;做好脱硝设备的日常维护工作。
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