75 t/h中温分离CFB锅炉增加三层二次风的低氮燃烧改造
2016-06-13吴剑恒俞金树何宏舟庄松田
吴剑恒, 俞金树, 何宏舟, 庄松田
(1. 集美大学 福建省能源清洁利用与开发重点实验室, 福建厦门 361021; 2. 福建省石狮热电有限责任公司, 福建石狮 362700; 3. 福建省鸿山热电有限责任公司, 福建石狮 362700)
运行与改造
75 t/h中温分离CFB锅炉增加三层二次风的低氮燃烧改造
吴剑恒1,2, 俞金树3, 何宏舟1, 庄松田2
(1. 集美大学 福建省能源清洁利用与开发重点实验室, 福建厦门 361021;2. 福建省石狮热电有限责任公司, 福建石狮 362700;3. 福建省鸿山热电有限责任公司, 福建石狮 362700)
摘要：分析了影响75 t/h中温旋风分离CFB锅炉NOx排放质量浓度的主要因素，采取增设一层上二次风形成三层二次风、抬高下二次风喷口高度、提高二次风喷口速度和增加二次风率等措施进行低氮燃烧改造。结果表明：NOx排放质量浓度从180 mg/m3左右降低到140 mg/m3左右,2台CFB锅炉每年可以减少NOx排放量44.62 t,且锅炉机械不完全燃烧损失q4降低了1.0%～1.5%。
关键词：CFB锅炉; 中温旋风分离; NOx排放质量浓度; 二次风率; 无烟煤; 机械不完全燃烧损失
CFB锅炉作为20世纪70年代发展起来的一种高效的洁净煤燃烧技术[1],以其低温流化燃烧、物料循环反复、二次风分段送风的特点,具有优越的调峰经济性、良好的煤种适应性、高效的劣质燃料燃烧效率、优良的环保性能(氮氧化物排放低、低成本石灰石炉内脱硫)和较高的灰渣综合利用价值,近年来在国内外得到迅速的发展,成为中小型热电厂和燃烧劣质燃料电厂的首选炉型。
在CFB锅炉运行中,基本上都是在保证床料良好流化的基础上,通过调整二次风量来调节风煤配比、一二次风配比和上下二次风配比,有效地控制炉内燃烧份额和物料混合,改善传热强度和穿透能力,优化炉膛内温度和物料分布,从而达到调整锅炉负荷、提高效率的目的,还可有效降低NOx、SO2、CO等污染物的排放质量浓度[2-9]。
为此,从NOx生成机理和优化锅炉结构等方面,对燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉增设一层二次风、形成上中下三层二次风的低氮燃烧改造,以降低NOx原始排放质量浓度。笔者介绍了2台燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉低氮燃烧改造内容及其效果,为其他锅炉改造提供工业应用的借鉴。
1改造前设备状况及分析
1.1 中温旋风分离CFB锅炉现状
拟改造的2台中温旋风分离CFB锅炉是某锅炉制造厂为燃用福建无烟煤而设计的中温中压参数、DG75/3.82-11型CFB锅炉,采用“高炉膛、低烟速、高炉膛燃烧温度、中温旋风绝热分离、中物料循环倍率”设计方案[10],分别于2000年4月和2001年9月投运。截止到2014年底,2台锅炉累计运行时间分别为107 942 h和98 063 h。
图1为CFB锅炉简图。
为增强二次风的穿透性和扰动性,该CFB锅炉前后墙的水冷壁以标高11.787 m处为拐点(见图1),以上是竖直布置,以下呈倒锥形布置,炉膛横截面(以水冷壁管中心计算)由4.645 m×5.905 m缩小到布风板(标高4.70 m)截面2.470 m×5.905 m。额定工况下,布风板处设计烟速为3.8 m/s,实际运行烟速为3.5～4.0 m/s;上二次风口以上的炉膛设计烟速为4.0 m/s,实际运行速度为3.5～4.5 m/s;设计物料循环倍率为18.22,实际物料循环倍率为15～20。该锅炉采用分级燃烧技术,燃烧空气包括一次风、二次风和播煤风,其中约占总风量55%的热一次风分成左、右两股,从炉底等压水冷风室经过风帽进入燃烧室密相区，约占总风量37%的二次风分为下层(喷嘴中心标高7.14 m)、上层(喷嘴中心标高10.80 m),通过布置在前后墙上的32个喷嘴(每层16个,前后墙各8个,对称布置,喷嘴截面为110 mm×60 mm)从高速射入炉膛;约占总风量8%的播煤风(来自热一次风,经过增压风机加压)从落煤管(单侧前墙给煤方式,2个给煤口,中心标高6.53 m)进入炉膛。锅炉主要设计参数见表1,主要运行参数见表2。
表1 主要设计参数
表2 主要运行参数 ℃
注：1)测点标高为4.85 m；2)测点标高为6.06 m；3)测点标高为11.10 m；4)测点标高为14.40 m；5)测点标高为19.00 m；6)测点标高为30.28 m；7)测点标高为12.00 m。
1.2 影响NOx排放质量浓度的因素分析
1.2.1 生成机理的影响
(1) 燃煤中含有N,燃烧过程中燃料N、空气N与氧气在合适环境下生成NO,且氧化性气氛越强，NO生成量越多。所以仅可在燃烧过程控制NOx生成量,但无法避免NOx生成。
(2) 由于该锅炉采用炉前集中给煤,尽管给入的福建无烟煤仅占床料总量的5%左右,并在流化状态下立即与炽热的床料进行混合,但因空气与给煤分配的比例不均和底部燃烧还不够强烈,燃烧室底部具有较高的氧浓度,局部氧化性气氛下致使NO大量生成[11]。CFB锅炉中燃料型NOx是其生成NOx的主要组成部分,其含量超过95%。
1.2.2 锅炉结构的影响
(1) 2台CFB锅炉下二次风喷嘴中心(标高7.14 m)距离布风板(标高4.70 m)为2.44 m,距离回料口(标高5.56 m)只有1.58 m。该区域属于燃烧室密相区,物料浓度较大,下二次风的扰动、混合作用有限[8-9]。
(2) 落煤管中心(标高6.53 m)与下二次风喷嘴中心(标高7.14 m)的距离只有0.61 m,约占总风量8%的播煤风从落煤管进入炉膛,补充部分氧量,消弱了还原气氛,不利于NO分解。
1.2.3 运行参数的影响
工业热态试验[6-9]证明:NOx排放质量浓度随空气过量系数λ增加而明显增加,且增加速率逐渐减小;NOx排放质量浓度随二次风率β的增加而明显下降,且降低速率逐渐减小;NOx排放质量浓度随着上二次风率k增加而呈现先明显下降，再逐渐减小至平缓，最后略微上升的趋势,表现为开口向上的抛物线;通过优化运行参数和调整一二次风配比、上下二次风配比,可从源头上降低NOx生成量和排放量,控制原始NOx排放质量浓度在180 mg/m3(干基,6%O2)左右。
2低氮燃烧改造方案分析
为从源头上降低NOx生成量,在优化运行燃烧和调整二次风比的基础上,以多次工业试验数据为依据,从NOx生成机理和优化锅炉结构方面着手,采用提高下二次风喷口高度和增设一层二次风对中温分离CFB锅炉进行低氮燃烧改造。
改造思路:为延长具有较强还原性气氛的富燃料区(密相区)反应区间,抬高下二次风喷嘴装置高度0.5 m,并提高二次风风速,以增强下二次风的穿透性和扰动性,提高中心区域的传热强度和燃烧均匀性,减少NOx生成量;同时,将一、二次风量的比例由60∶40调整为50∶50,以强化密相区的还原气氛;新增一层上二次风喷口,形成上、中、下三层二次风,补充氧气并控制炉内燃烧、NOx生成与分解,实现NOx排放质量浓度从180 mg/m3左右降低到150 mg/m3以下;并且锅炉具有高的热效率,机械不完全燃烧损失q4得到良好的控制。
改造方案:(1)提高下二次风喷口在水冷壁上的高度0.5 m,由原标高7.14 m提到7.64 m;维持锅炉四周标高9.6 m处的风箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm不变;喷口设计空气速度由48 m/s提高到54 m/s;(2)原上二次风更名为中二次风,喷口标高维持不变,风箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm由原标高12.54 m下降至12.04 m;中二次风喷口设计空气速度由48 m/s提高到54 m/s;(3)新增一层上二次风16个风嘴,喷口入口设在水冷壁前、后墙标高12.65 m处,左右对称布置,水平安装角度为30°;上二次风箱及主管道d=600 mm、δ=5 mm设在标高15.3 m处,直接水平连接烟道;上二次风风源取自一次风热风母管道(主要考虑现有二次风机不能满足送风要求),上二次风喷口空气设计速度为64 m/s,并设置风门挡板、风量流量计等。
3低氮燃烧改造效果
2015年2—3月,先后完成了2台中温旋风分离CFB锅炉低氮燃烧改造。为验证低氮燃烧改造效果,按照DL/T 260—2012 《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》[12]进行了工业热态试验。
燃用设计煤种相近的福建无烟煤,其化验分析结果见表3,其粒径分布见表4。
表3 设计煤种和试验煤种的成分分析
表4 试验用煤的粒径分布
试验内容、方法、步骤和计算方法见文献[9]。
烟气成分采用布置在除尘器出口烟气分析仪进行测量,并用邻近位置的烟气排放连续自动监测装置进行比对,每5 min存储记录一组数据。
3.1 二次风率β对NOx排放质量浓度的影响
图2描述了保持一次风量和上二次风量基本不变的情况下,二次风率β对NOx排放质量浓度的影响。
(1)
由图2可见：随着二次风率β的增加,NOx排放质量浓度快速下降,但降低速率逐渐减小;但二次风率β超过60%后,NOx排放质量浓度则呈现增加趋势,表现为开口向上的抛物线,拟合公式为式(2),重合度为0.997 2。这表明存在最佳的二次风率β使NOx排放质量浓度最低,这与改造前试验[7-9]得到的规律是基本一致的。
y=2.501 2x2-38.978x+267.72
(2)
与改造前[7-9]相比,在二次风率β相同的情况下,NOx排放质量浓度降低30～40 mg/m3;最佳的二次风率β由40%～50%后移至45%～60%。
主要原因有:(1)下二次风喷嘴中心上移0.5 m,下二次风口下部的处于较强还原气氛下的富燃料区间(密相区)增加,物料在强还原气氛下停留时间延长,有利于抑制NO生成,且提高了NO还原速率[13],降低了NOx排放质量浓度;(2)下二次风喷嘴中心上移0.5 m,距离布风板的高度由2.44 m增至2.94 m, 距离回料口的高度由1.59 m增至2.09 m。该区域物料质量浓度有所降低,同时下二次风喷口设计空气速度由48 m/s提高到54 m/s,下二次风的穿透射程增大,扰动、混合作用增加,提高了炉膛中心区域的传热强度和氧气浓度[13],两级燃烧作用明显;(3)本试验是在维持一次风量和上二次风量基本不变、通过增加二次风机变频器开度来增加二次风量调整二次风率β的,而研究证明[14-15]增加二次风率有抑制燃料氮的转化、减少NOx生成的作用,从而降低NOx排放质量浓度。
3.2 中二次风率km对NOx排放质量浓度的影响
保持一次风量和上二次风量基本不变、二次风机变频器开度基本不变、二次风率β≈50%的情况下,通过调节下二次风和中二次风挡板开度来改变中二次风率km。图3描述了中二次风率km对NOx排放质量浓度的影响。
(3)
由图3可见：随着中二次风率km的增加, NOx排放质量浓度呈现先明显下降(km≤30%),再下降速率逐渐减小(30%
y=0.708 6x2-10.213x+154.32
(4)
与改造前[7-9]相比,在中二次风率km(原上二次风率k)基本相同的情况下,NOx排放质量浓度降低35～45 mg/m3;最佳的中二次风率km由55%～65%前移至45%～60%。
主要原因有:(1)将一、二次风量的比例由60∶40调整为50∶50,在额定工况下布风板设计烟速由3.83 m/s降低为3.65 m/s,加上下二次风喷嘴中心上移0.5 m,物料在强还原气氛下的富燃料区间(密相区)停留时间延长约0.17 s,有利于抑制NO生成;(2)中二次风喷口设计空气速度由48 m/s提高到54 m/s,增强了中二次风的穿透性和扰动性,提高了炉膛中心区域的传热强度和燃烧均匀性,减少了NOx生成量和排放量;(3)保持一次风量和上二次风量基本不变、二次风机变频器开度基本不变、二次风率β≈50%的情况下,通过调节下二次风和中二次风挡板开度来改变中二次风率km,随着中二次风率km增加,下二次风随之减少,意味着中二次风喷嘴以下的流化速度变小,物料停留时间增加,密相区和过渡区的还原性气氛增强,NOx的生成量和排放量减少;(4)随着中二次风率km增加,炉膛内空气含氧量随之增加,强化了福建无烟煤的后燃性[16],提高了炉膛出口烟温,增加了焦炭燃烧和挥发分N燃烧过程NO生成量,对NOx排放质量浓度起到双重作用;(5)当中二次风率km在45%～60%,虽然中二次风喷嘴以下的煤炭处于还原性气氛中不完全燃烧,但密相区内严重缺氧环境也延迟了颗粒的着火和燃烧, NO的生成量和排放量达到最低值;(4)当中二次风率km超过60%时,密相区内严重缺氧影响了NH3与NO的还原反应[17],导致NOx排放质量浓度增加。
3.3 上二次风率kup对NOx排放质量浓度的影响
保持一次风量基本不变、二次风机变频器开度不变、下二次风和中二次风挡板开度不变,通过调节上二次风挡板开度(配合微调一次风机出口挡板开度)来改变上二次风率kup。图4描述了上二次风率kup对NOx排放质量浓度的影响。
由图4可见：随着上二次风率kup的增加,NOx排放质量浓度呈现先平缓下降(kup≤15%)再逐渐上升的趋势,拟合公式为式(5),重合度为0.974 9。
y=1.476 2x2-7.238 1x+127.43
(5)
(6)
主要原因有:(1)在水冷壁前后墙标高12.65 m处新增一层上二次风16个风嘴,上二次风喷口空气设计速度为64 m/s,而该区域物料质量浓度较低,上二次风具有较强的穿透性和扰动性,可有效降低NOx生成量;(2)随着上二次风率kup的增加,虽然上二次风的穿透射程随之增加、混合和搅拌能力随之加强,也提高了中心区域的传热强度和氧气浓度,分级燃烧作用明显,可有效抑制NOx生成量;(3)当上二次风率kup超过15%后,上二次风喷嘴以下的煤炭处于还原性气氛中不完全燃烧,大量低温(约180 ℃)的上二次风的射入虽然提供了充裕的氧气,但降低了炉膛内的温度,延迟了颗粒的着火和燃烧;(4)本试验是保持一次风量和下、中二次风量基本不变,通过调节上二次风挡板开度(配合微调一次风机出口挡板开度)来改变上二次风率kup。上二次风率kup增加,意味着空气过量系数λ增加,而试验[7-9]证明NOx排放质量浓度随空气过量系数λ增加而增加。
3.4 对机械不完全燃烧损失q4的影响
图5、图6、图7分别描述了二次风率β、中二次风率km、上二次风率kup对机械不完全燃烧损失q4的影响。
由图5、图6、图7可见：二次风率β、中二次风率km、上二次风率kup对机械不完全燃烧损失q4的影响曲线均表现为开口向上的抛物线,拟合公式分别为式(7)、式(8)、式(9),重合度分别为0.996 1、0.987 8、0.997 4。这表明对于燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉,存在最佳的二次风率β、中二次风率km、上二次风率kup使q4最小。本次热态试验表明,在过量空气系数λ≈1.2的情况下,最佳的二次风率β为45%～55%,最佳的中二次风率km为45%～55%,最佳的上二次风率kup为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)
同时,与改造前的工业试验[18-20]相比较可知,相近工况下机械不完全燃烧损失q4降低了1.0%～1.5%。这说明本次低氮燃烧改造对提高空气和燃料在炉内的扰动、混合有着明显的增强作用,从而降低了锅炉机械不完全燃烧损失q4,提高了CFB锅炉的运行经济性。
4结语
75 t/h CFB锅炉增加三层二次风的低氮燃烧改造，经工业热态试验和运行实践证明：该低氮燃烧改造使NOx排放质量浓度从约180 mg/m3降低到140 mg/m3左右，可减少NOx排放3.43 kg/h，按照锅炉平均年运行6 500 h计算，2台75 t/h CFB锅炉每年可以减排NOx44.62 t，少缴纳NOx排污费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
作者简介：吴剑恒(1975—)，男，高级工程师，从事电厂生产运行、科技创新和技术管理工作。何宏舟(通信作者)E-mail: hhe99@126.com
中图分类号：TK229.66
文献标志码：A
文章编号：1671-086X(2016)03-0177-06
