CFB锅炉低氮燃烧改造对NOx排放质量浓度的影响
2016-09-28吴剑恒
吴剑恒
(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)
CFB锅炉低氮燃烧改造对NOx排放质量浓度的影响
吴剑恒1,2
(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)
对一台燃烧福建无烟煤的75 t/h中温旋风分离CFB锅炉进行低氮燃烧改造,将布风板有效截面积由13.43 m2缩减为11.38 m2，二次风率从40%提高到45%。工业热态试验证明该低氮改造取得了良好的效果:NOx排放质量浓度从210 mg/m3左右降低到180 mg/m3左右,可满足NOx排放质量浓度200 mg/m3限值要求;机械不完全燃烧损失q4降低了0.3%～0.6%,CO排放质量浓度也有所降低，提高了CFB锅炉的运行经济性。
CFB锅炉; NOx排放质量浓度; 低氮燃烧改造; 布风板有效截面积; 二次风率; 中温分离; 无烟煤
在CFB锅炉中,低温(炉床和炉膛温度在850～1 050 ℃)燃烧可避免空气中的氮生成NOx,分级燃烧可使燃料在还原气氛中燃烧，以减少NOx生成,从而降低NOx原始排放质量浓度。
为降低NOx原始排放质量浓度,从NOx生成机理和优化锅炉结构等方面着手,对燃烧福建无烟煤的75 t/h中温旋风分离CFB锅炉采取缩减炉床有效截面积、提高二次风率的低氮燃烧改造。笔者介绍该低氮燃烧改造内容及其效果,为其他锅炉改造提供借鉴。
1 改造前设备状况及分析
某CFB锅炉型号为DG75/3.82-11,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[1],2001年9月投运,截至2014年1月已累计运行92 944 h。锅炉主要运行参数见表1,结构见图1。
表1 锅炉主要运行参数
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；8)测点标高为18.23 m；9)测点标高为16.54 m。
图1 CFB锅炉简图
2 低氮燃烧改造思路和方案
多次工业热态试验[2-7]和多年运行实践均发现,维持适当的一二次风配比、合适的料层厚度,可使NOx排放质量浓度最小。经分析认为,在CFB锅炉中,燃料型NOx是生成NOx的主要组成部分,其质量分数超过95%;然而燃料型NOx主要产生于床层,主要是由燃料热解出来的焦炭燃烧所产生的[8],而且还原性气氛越强，NO生成量越少。CFB锅炉大多采用单侧集中给煤,尽管给入的燃料仅占床料总量的5%左右,进入炉膛后处于流化状态,并立即与高温床料进行扰动混合,但因空气与给煤分配不均和底部燃烧不够强烈,局部氧化性气氛下致使NO大量生成[9]。
为从源头上降低NOx生成量和排放质量浓度,从NOx生成机理和优化锅炉结构方面着手,对一台燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉进行了缩减布风板有效截面积、提高二次风率的低氮燃烧改造。
2.1 缩减布风板有效截面积改造
改造思路:在保证燃烧室正常流速、床料良好流化的基础上,缩减布风板有效截面积,加强密相区物料扰动混均并减少一次风量,增强密相区的还原性气氛,以降低NO生成量,并提高NO还原分解速率,从而降低NOx原始排放质量浓度。
改造方案:为降低改造成本,采用增加密相区耐磨浇注料厚度的方式,使前墙浇注料厚度由70 mm(从水冷壁中心计算,下同)增至250 mm,后墙浇注料厚度由70 mm增至180 mm,左右墙浇注料厚度均由70 mm增至162.5 mm(见图2)；布风板实际有效截面积由13.43 m2缩减为11.38 m2,缩减率达到15.26%;密相区四周水冷壁鳍片上焊接Y形抓钉+耐磨浇注料,砌注高度约1.9 m (与炉前给煤口上边沿平齐,标高6.62 m),然后向上平滑过渡至下二次风口下边沿(标高7.08 m)。
图2 缩减布风板面积改造图
2.2 提高二次风率改造
改造思路:为强化富燃料区(密相区)反应区间的还原性气氛,降低一次风量同时提高二次风量,将一、二次风量的比例由60∶40调整为55∶45，即二次风率从40%提高到45%。
改造方案:考虑现有二次风机不能满足送风要求(见表2,一、二次风机已改造为高效节能型风机[10]),从热一次风管道(标高16.5 m)引出一条内径为300 mm的管道,加装1个直径为300 mm的闸阀(命名为一次风至二次风联络阀)和2个单头金属波纹补偿器,连接到热上二次风管道(标高12.54 m),补充上二次风量并提高上二次风压。
表2 一、二次风机技术参数
运行方式:在锅炉负荷大于75% BMCR,保持一次风至二次风联络阀全开状态,通过调整二次风机变频器开度和上下二次风挡板开度来调节二次风量和上下二次风配比。
3 低氮燃烧改造效果
2014年2月完成了75 t/h CFB锅炉缩减布风板有效截面积和提高二次风率的低氮燃烧改造。为验证改造效果,按照DL/T 260—2012 《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》进行了工业热态试验。燃用设计煤种相近的福建无烟煤,设计煤种和试验煤种的工业分析和元素分析结果见表3,试验煤种的颗粒粒度分布见表4。由于该CFB锅炉已建成并投运多炉一塔石灰石-石膏湿法脱硫[11],故炉内没有添加石灰石。
表3 设计煤种和试验煤种的工业分析和元素分析
表4 试验煤种的颗粒度分布1)
注:1)设计要求煤粒度≤8 mm,其中99%≤6 mm,50%≤1.5 mm,30%≤1 mm。
试验内容、方法、步骤和计算方法见文献[5]。
3.1 空气过量系数λ对NOx排放质量浓度的影响
图3描述了维持二次风率β≈45%基本不变,锅炉负荷分别为75 t/h和64 t/h时空气过量系数λ对NOx排放质量浓度的影响。
图3 空气过量系数λ对NOx排放质量浓度的影响
由图3可见：随着空气过量系数λ的增加, NOx排放质量浓度显著增加，但增速渐小,呈现为开口向下的抛物线趋势(处于上升区间且未达到最高点),同时75 t/h负荷工况下的NOx排放质量浓度较高且增加速率略大。75 t/h负荷工况下的拟合公式为y=-2.303 6x2+34.696x+105.50,重合度为0.989 2;64 t/h负荷工况下的拟合公式为y=-1.285 7x2+25.486x+103.80,重合度为0.989 4。这与许多文献[8-9]得到的结果是一致的,也与工业热态试验结果[2-7]是一致的。
与改造前试验结果[4-7]相比,NOx排放质量浓度下降10～30 mg/m3。
空气过量系数λ偏低时,燃烧室处于还原性气氛,其中二次风口以下的密相区处于强还原性气氛,福建无烟煤在缺氧燃烧过程中NO生成量很少;由于福建无烟煤w(Vdaf)≤4%(见表3),挥发分N含量很低,NO的生成量也很小;同时,煤炭在缺氧燃烧时释放出大量的NH3、CO、HCN、H2和焦炭与NO反应将其还原为N2,从而降低了NOx排放质量浓度[8]。随着λ增加,燃烧室内的O2浓度提高,燃烧强度加剧,N转化为NO的速率加快, NO生成量增加;同时,也减弱了密相区内的还原性气氛,降低了CO、NH3、HCN、H2质量浓度,从而降低了NO被还原速度,增加了NOx排放质量浓度[5]。
75 t/h负荷工况下的NOx排放质量浓度较高,分析其原因主要有:(1)改造将一、二次风量的比例由60∶40调整为55∶45,在75 t/h设计负荷工况下一次风量由44 339 m3/h降至40 644 m3/h;同时布风板实际有效截面积由13.43 m2缩减为11.38 m2,布风板处设计烟速由3.83 m/s提高为4.14 m/s,物料在强还原气氛下的密相区停留时间缩短约0.05 s,不利于抑制NO生成,提高了NOx排放质量浓度;(2)试验用煤粒径偏大且分布不均(见表4),其中粒径小于0.9 mm的质量分数为40.2%,粒径大于5 mm的质量分数为27.33%,均远高于设计要求,需提高流化速度才能确保较大颗粒良好流化;(3)相同空气过量系数λ时75 t/h负荷工况所需一次风量增大,意味着流化速度提高,密相区扰动加剧,燃料与空气混合更均匀,大气泡数量减少,可降低局部氧浓度较高的状况发生,维持炉床内的还原性气氛,有效抑制NO生成,并加速NO还原分解,降低了NOx排放质量浓度; (4)负荷提高意味着福建无烟煤燃烧加剧,从而强化了福建无烟煤的后燃性[12],炉膛燃烧区域温度提高(见图4),增加了焦炭燃烧和挥发分N燃烧过程NO生成量[8],NOx排放质量浓度增加。
图4 不同工况下的炉膛测点烟温
3.2 二次风率β对NOx排放质量浓度的影响
图5描述了锅炉负荷分别为75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、上二次风率k≈50%时，二次风率β对NOx排放质量浓度的影响。
图5 二次风率β对NOx排放质量浓度的影响
(1)
从图5可以看出：随着二次风率β的增加, NOx排放质量浓度呈现先明显下降，但降速逐渐减小(β≤40%)至平缓(40%<β≤55%)，最后略微增加(β>55%),表现为开口向上的抛物线。75 t/h负荷工况下的拟合公式为y=2.869x2-33.607x+278.4,重合度为0.993 1;64 t/h负荷工况下的拟合公式为y=2.900 4x2-34.438x+263.45,重合度为0.990 8。这表明存在最佳的二次风率β且λ=1.2、k=50%时，最佳β在40%～55%,使NOx排放质量浓度最低。这与改造前工业热态试验得到的规律[6-7]是基本一致的。
与改造前试验结果[4-7]相比,NOx排放质量浓度下降10～40 mg/m3。分析其原因主要有: (1)在保持λ=1.2基本不变的情况下,二次风率β增加意味一次风量减少,密相区内燃料处于缺氧燃烧,生成大量的CO、NH3、HCN、H2和焦炭等不完全燃烧产物,可抑制NO生成,并利于NO还原分解; (2)总风量不变的情况下增加β,意味减少一次风量,从而降低了二次风口以下的物料流化速度,延长了物料在强还原性气氛区域的停留时间,可减少NO生成量，同时二次风口以上区域空气含氧量随之增加,福建无烟煤燃烧加剧,焦炭燃烧和挥发分N燃烧过程NO生成量增加,对NOx排放质量浓度起到双重作用; (3)当β在40%～55%,虽强化了下二次风口以下区域的还原性气氛,但严重缺氧也延迟了福建无烟煤的燃烧,并影响了CO、NH3、HCN、H2等与NO的还原反应[8],双重作用使NOx排放质量浓度达到最低值;(4)β大于55%后,下二次风口以下区域的缺氧状况更加严重,在双重作用下增加了NOx排放质量浓度。
3.3 上二次风率k对NOx排放质量浓度的影响
图6描述了锅炉负荷分别为75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、β≈45%时，上二次风率k对NOx排放质量浓度的影响。
图6 上二次风率k对NOx排放浓度的影响
从图6可以看出：随着上二次风率k的增加, NOx排放质量浓度表现为先明显降低且降速逐减(k≤40%)至基本平缓(40%
(2)
与改造前试验结果[6-7]相比,NOx排放质量浓度下降了20～40 mg/m3。这是因为:(1)根据图1,下二次风喷嘴中心距离回料口1.578 m,距离布风板2.44 m,并且该区域处于密相区和过渡区的交界,物料流速较小、浓度较大,下二次风对物料的扰动、混合作用有限,炉膛中心区域局部缺氧现象和炉膛四周局部富氧现象同时存在,NO生成量较大;上二次风喷嘴中心距离布风板为6.10 m,并且该区域在过渡区和稀相区的交界处,物料流速高、浓度小,上二次风的穿透射程远、混合能力强,从而提高了中心区域的传热强度和氧气浓度,两级燃烧作用明显[5],可抑制NO生成。(2)维持总二次风量(λ≈1.2、β≈45%)基本不变,增加上二次风率k意味着减少下二次风量,从而降低了密相区和过渡区的物料流化速度,延长了物料停留时间,并增强了密相区还原性气氛,减少了NOx排放质量浓度。(3)部分上二次风来自一次风,风压更高,穿透能力强,混合效果好,可有效抑制NOx生成。(4)大量氧气通过上二次风口补充进入炉膛,加剧了福建无烟煤的燃烧强度,强化了福建无烟煤的后燃性[12],提高了炉膛出口烟温tex,增加了NO生成量,且降低了NO还原速率。(5)k大于55%后,上二次风口以下区域的煤炭处于严重缺氧燃烧,双重作用使NOx排放质量浓度略微上升。
3.4 料层厚度对NOx排放质量浓度的影响
图7描述了锅炉负荷分别为75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、β≈45%、k≈50%时，料层厚度对NOx排放质量浓度的影响。
图7 料层厚度对NOx排放质量浓度的影响
从图7可以看出：随着料层厚度tm的增加, NOx排放质量浓度呈现先降低(tm≤5.5 kPa)至平缓(5.5 kPa
分析其主要原因有:(1)CFB锅炉中燃料型NOx是重要组成部分,且主要产生于床层[8]。(2)料层厚度较薄(tm≤5.5 kPa)时容易产生气泡、节涌等现象,虽然气泡分割强化了密相区的还原性气氛,但气泡不断合并和分裂造成密相区底部区域局部富氧和局部缺氧同时存在,NOx排放质量浓度增加。(3)料层厚度适中(5.5 kPa
3.5 对机械不完全燃烧损失q4和CO排放质量浓度的影响
图8、图9分别描述了锅炉负荷75 t/h且λ≈1.2时，二次风率β、上二次风率k对机械不完全燃烧损失q4和CO排放质量浓度的影响。
图8 二次风率β对机械不完全燃烧损失q4和CO排放质量浓度的影响
图9 上二次风率k对机械不完全燃烧损失q4和CO排放质量浓度的影响
由图8、图9可见：二次风率β、上二次风率k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y=0.081 5x2-1.205 9x+8.724 1、y=0.043 9x2-0.586 3x+6.248 1,重合度分别为0.984 7、0.985 4。这表明存在最佳的二次风率β、上二次风率k使机械不完全燃烧损失q4最小。试验证明,λ≈1.2时最佳β为45%～55%,最佳k为40%～55%。
与改造前的工业试验[2-3]相比得知：相近工况下q4降低了0.3%～0.6%,最佳的二次风率β由40%～50%调整到40%～55%,最佳上二次风率k由55%～65%前移到45%～55%。这说明本次低氮燃烧改造增强了空气和燃料在炉内的扰动、混合,强化了炉内物料循环,从而降低了机械不完全燃烧损失q4,提高了CFB锅炉的运行经济性；同时,由于一次风量相对减少(一次风率β设计值由60%降低到55%),最佳二次风率β、最佳上二次风率k区间随之变化。
由图8、图9可见：二次风率β、上二次风率k对CO排放质量浓度的影响曲线基本一致,均表现为随着β、k的增加, CO排放质量浓度先急剧降低再缓慢下降后趋于平缓,但变化量总体不大,即不会明显影响化学完全燃烧损失q3。这是因为提高二次风率β、上二次风率k,使二次风口以下的燃烧区域处于缺氧状态,增加了CO生成量,虽然NO还原消耗部分CO,双重作用仍增加了CO浓度;同时,提高了二次风的混合能力和搅拌作用,两级燃烧作用明显,加剧了福建无烟煤的燃烧,强化了福建无烟煤的后燃性,提高了炉膛内的燃烧温度(见图4),降低了CO排放质量浓度,提高了CFB锅炉的运行经济性。但是180 ℃左右的上二次风过大时,会使炉膛内温度降低,无烟煤的着火和燃烧延迟,而该锅炉在标高23 m处布置了蒸发管束受热面,850～1 050 ℃的高温含尘烟气经过蒸发管束后降低到650～750 ℃,难以维持福建无烟煤的燃烧,导致CO排放质量浓度升高。
4 结语
工业热态试验和运行实践证明,将布风板有效截面积由13.43 m2缩减为11.38 m2、二次风率从40%提高到45%的低氮燃烧改造使NOx排放质量浓度从约210 mg/m3降低到180 mg/m3左右，可减少NOx排放2.574 kg/h，按照锅炉平均年运行7 000 h计算，1台75 t/h CFB锅炉每年可以减少NOx排放量15.50 t，根据环境保护部文件规定每排放1 t当量NOx收取排污费1 200元,由《排污费征收使用管理条例》查得NOx当量值为0.95，则每年可少缴纳NOx排污费19 575元。
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Effects of Low-NOxCombustion Retrofit on NOxEmission Concentration of a CFB Boiler
Wu Jianheng1,2
(1. Fujian Key Laboratory of Clean Energy Utilization and Development, Jimei University,Xiamen 361021, Fujian Province, China;2. Fujian Shishi Thermal Power Co., Ltd.,Shishi 362700, Fujian Province, China)
A low-NOxcombustion retrofit was conducted on a 75 t/h intermediate-temperature cyclone separation CFB boiler burning Fujian anthracite by reducing the effective area of air distributor from 13.43 m2to 11.38 m2and improving the secondary air ratio from 40% to 45%. The low-NOxcombustion retrofit is proved to be effective by hot tests: the concentration of NOxemission is reduced from 210 mg/m3to 180 mg/m3, satisfying the 200 mg/m3concentration limit of NOxemission; the mechanical incomplete combustion lossq4is reduced by 0.3%～0.6%, with reduced mass concentration of CO emission and optimized operating economy of the CFB boiler.
CFB boiler; mass concentration of NOxemission; low-NOxcombustion retrofit; effective sectional area of air distributor; secondary air ratio; intermediate-temperature separation; anthracite
2015-10-23
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。
E-mail: wjh23456789@163.com
环保技术
TK229.66
A
1671-086X(2016)04-0244-06
