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        W型火焰鍋爐低氮燃燒優(yōu)化改造

        2016-08-05 02:48:15娟,楊
        電力安全技術 2016年6期
        關鍵詞:噴口水冷壁燃燒器

        李 娟,楊 杰

        (華能邯峰發(fā)電廠,河北 邯鄲 056200)

        W型火焰鍋爐低氮燃燒優(yōu)化改造

        李 娟,楊 杰

        (華能邯峰發(fā)電廠,河北 邯鄲 056200)

        在闡述了熱力型、燃料型和快速型NOx生成機理及其控制技術的基礎上,通過剖析某發(fā)電廠2號鍋爐的結構和燃燒特點,對其制定了低氮燃燒優(yōu)化改造方案。方案實施后,NOx排放量降低超過50 %,效果顯著。

        W型火焰鍋爐;低氮燃燒;改造;氮氧化物

        0 引言

        在燃煤電廠排放的大氣污染物中,氮氧化物(NOx)是一種對生態(tài)環(huán)境和人體健康都有危害,且已經(jīng)成為重點治理對象的大氣污染物。隨著節(jié)能減排政策的深入,各種控制NOx排放的技術也在實踐中逐漸成熟。而W型火焰鍋爐本身由于爐膛容積相對較小,爐膛火焰溫度較高,所以排放的NOx單位數(shù)值較高,相對來說也較難控制和治理。

        1 NOx生成機理和目前的控制技術

        NOx主要指NO和NO2,還包括N2O,N2O3,N2O4,N2O5。在燃煤鍋爐生成的NOx中,NO占95 %,N2O大概占5 %,其他形式的NOx占比微乎其微。按照NOx的生成機理,可以分為3種:熱力型、燃料性和快速型。

        1.1 NOx生成機理

        熱力型NOx是空氣中的氮在高溫下氧化而成的,影響熱力型NOx生成的因素主要包括燃燒反應的溫度、氧氣的濃度和燃燒反應的時間,其中溫度對熱力型NOx生成的影響最大。實際上,溫度在1 350 ℃以下,熱力型NOx的生成量很少;隨著溫度的上升,熱力型NOx的生成量隨之快速上升;當溫度上升到1 600 ℃以上時,熱力型NOx生成量能夠占到總NOx生成量的25 %-30 %。

        燃料型NOx生成量占鍋爐燃燒NOx總生成量的70 %-80 %。一般認為,燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中產(chǎn)生熱分解,再進一步氧化生成的,同時還存在NO的還原反應。燃料型NOx的生成與還原,不僅與煤種的特性、燃料中氮化合物的狀態(tài)、煤中的氮熱分解時在揮發(fā)分和焦炭中所分配的比例和各組分成分有關,還與燃燒過程中氧的濃度和燃燒溫度等因素有關。

        快速型NOx的生成是通過燃料中產(chǎn)生的CH原子團撞擊N2分子,生成HCN類化合物,再進一步氧化生成的,這個反應很快,所以生成的NOx稱為快速型NOx。溫度對快速型NOx的影響比較小,與熱力型和燃料型NOx的生成量相比,快速型NOx的生成量要少得多。

        一般來說熱力型、燃料型和快速型NOx的生成量和溫度的變化關系可以用圖1來定性描述。

        圖1 NOx生成量和火焰溫度的關系

        1.2 目前的控制技術

        目前,燃煤鍋爐的NOx的燃燒控制技術比較多,并已在國內(nèi)外得到了廣泛應用。適宜于燃煤鍋爐的NOx控制技術主要有低NOx燃燒器、空氣分級、燃料再燃、煙氣再循環(huán),根據(jù)NOx減排要求不同,這些技術既可單獨使用也可組合使用。

        (1) 低NOx燃燒器。通過燃燒器噴嘴的局部煤粉濃縮與燃燒器二次空氣分級參與燃燒,實現(xiàn)燃燒初期的局部濃淡偏差燃燒,控制燃燒初期的氮基中間產(chǎn)物含量與NOx生成。

        (2) 爐內(nèi)空氣分級。為充分利用煤粉火焰初期生成的氮基中間產(chǎn)物,將約20 %-30 %的二次空氣從燃燒器上方的燃燼風噴口進入爐膛,推遲與一次風的混合,使燃燒器區(qū)域的過??諝庀禂?shù)低于1.0,形成爐膛高度方向的空氣分級燃燒。低NOx燃燒器與空氣分級燃燒相結合,延長了氮基中間產(chǎn)物在還原性環(huán)境區(qū)域的停留時間,能夠提高整個燃燒系統(tǒng)的NOx控制能力。

        (3) 燃料再燃。為改善因低氮燃燒所引起的煤粉燃燼問題,燃料再燃技術將爐膛分為3個燃燒區(qū)域:主燃區(qū),采用傳統(tǒng)燃燒器高溫富氧(1.1-1.15)燃燒80 %-85 %煤粉,強化煤粉初期燃燒的同時,伴隨生成大量NOx;再燃區(qū),15 %-20 %的二次燃料(天然氣為主)從燃燒器上方噴入爐膛,在缺氧(0.7-0.9)條件下生成大量HCN類化合物,用于還原來自主燃區(qū)域的NOx;燃燼區(qū),剩余二次風由OFA(燃燼風)噴口送入燃燼區(qū),富氧(1.15)燃燒未燃燼C與CO。再燃技術可降低NOx排放約50 %-70 %。

        (4) 低氮燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。在精確監(jiān)測的基礎上,通過優(yōu)化煤粉燃燒系統(tǒng)各參數(shù)之間的非線性對應關系,能夠充分挖掘與發(fā)揮現(xiàn)有燃燒裝置的NOx控制潛力。

        2 W型火焰鍋爐簡介和其低氮燃燒方案

        2.1 某電廠2號鍋爐簡介

        某電廠2號鍋爐容量660 MW,型式為W型火焰、亞臨界п型爐,設計摻燒煤種為50 %貧煤和50 %無煙煤。由于爐型特點和煤質特性,鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的NOx最高到2 200 mg/Nm3。鍋爐采用雙拱形爐膛,并配備6臺D-12-D型雙進雙出球磨機,每臺磨煤機設計了6組雙旋風筒式燃燒器與分級配風方式,燃燒器錯列均勻布置在前后墻拱上,煤粉氣流往下噴射形成“W”火焰。W型火焰不僅具有較長的火焰行程,而且高溫火焰能夠回流卷吸到燃燒器火焰根部,有利于提高煤粉的快速著火與穩(wěn)燃。

        鍋爐爐膛采用膜式水冷壁,爐膛寬度為34 480 mm,上爐膛深度為9 525 mm,下爐膛深度為15 631 mm,爐膛高度(爐膛至頂棚)為39 680 mm,最低燃燒器至灰斗高度為8 030 mm,上排燃燒器至屏過距離為20 390 mm。由于鍋爐本身爐膛容積相對較小,且制粉系統(tǒng)與燃燒器設備存在的不足,鍋爐燃燒過程中NOx排放量較高。鍋爐在滿負荷下,無煙煤摻燒比例在14.6 %-27.8 %時,NOx排放量約為1 600-2 200 mg/Nm3。

        2.2 W型火焰鍋爐的基本改造方案

        為了燃燒難燃無煙煤,下沖火焰W型鍋爐通常采取高煤粉濃度、高溫、高氧量集中送風、高停留時間方式組織燃燒,而高氧量集中送風則是造成鍋爐NOx排放濃度高達1 600-2 200 mg/Nm3的主要原因,且其中熱力型NOx所占比例較高,這也是無煙煤W型鍋爐通過燃燒控制NOx難度高的主要原因。

        現(xiàn)代低NOx燃燒技術將煤質、制粉系統(tǒng)、燃燒器、二次風及燃燼風等技術作為一個整體考慮,以低NOx燃燒器與空氣分級為核心,在爐內(nèi)組織燃燒溫度、氣氛與停留時間,形成早期的、強烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒,利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物來抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。針對W型火焰鍋爐,如何在高溫下組織爐內(nèi)空氣分級燃燒,尤其是控制高溫區(qū)域內(nèi)的含氧量是抑制NOx生成濃度的關鍵。此外,還需兼顧煤粉燃燼、防結渣與防腐蝕等問題。

        (1) 低NOx燃燒器。煤粉燃燒器的首要任務是燃燒,W型火焰鍋爐除采用長火焰大回流燃燒方式外,還采用細煤粉(篩余R90與煤的揮發(fā)分數(shù)值相近)、低一次風煤比(約1.2)、煤粉濃縮(濃縮分離后,濃相一次風煤比約0.7)、低一次風率(15 %-20 %)、低射流速度(10-15 m/s)、一次風粉預熱(風粉溫度通常約100 ℃,一次風粉置換或熱風送粉可達190 ℃)及噴嘴穩(wěn)燃鈍體等措施,來降低煤粉的著火熱,提高揮發(fā)分的析出速率和析出量。高濃度煤粉在高溫煙氣中的濃淡偏差燃燒,一方面能夠實現(xiàn)煤粉的早期著火燃燒,同時還為在火焰鋒面上通過缺氧氣氛控制早期的燃料型NOx生成創(chuàng)造了有利條件。

        (2) 爐內(nèi)空氣分級。為增加濃相煤粉在欠氧氣氛區(qū)域內(nèi)的停留時間,充分利用燃燒初期產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物,提高燃燒過程中的NOx自還原能力,通常推遲燃燒器區(qū)域的二次風與一次風的混合,并在爐膛上部布置一層或多層高位燃燼風,在爐內(nèi)縱向形成大范圍的空氣分級燃燒。W型火焰鍋爐早期在燃燒室內(nèi)采取多級分級配風,減少燃燒初期的助燃空氣的摻入量;當前則還將部分助燃空氣從二次風中分離構成SOFA(分離式燃燼風),使燃燒器區(qū)域的過??諝庀禂?shù)小于0.8-0.9,控制燃燒初期的燃料型NOx,并通過燃燼風的后期加入,完成焦炭、CO及其他中間產(chǎn)物的燃燼。

        將高效低NOx燃燒器與空氣分級相結合,這是一般鍋爐燃燒過程中控制NOx生成的主要措施。對于燃燒無煙煤的W型火焰鍋爐,由于煤粉著火特性較差,燃燒過程中的NOx控制難度相對要大一些。

        3 低氮燃燒改造

        該發(fā)電廠2號鍋爐低氮燃燒改造采用了“引射回流、多點分級”的低氮燃燒技術。低氮燃燒改造范圍如圖2所示,主要包括:燃燒器改造,即采用2級煤粉濃淡分級+高低速噴口的新型燃燒器;增加拱上二次風噴口;增加AB風門,用于控制拱上二次風;D/E風門開度完善;F風下傾改造;增加OFA系統(tǒng);衛(wèi)燃帶優(yōu)化改造。

        圖2 低氮燃燒改造范圍示意

        3.1 燃燒器改造

        將原有36臺百葉窗濃淡分離式燃燒器更換為36臺配有2級煤粉濃淡分離裝置+高低速噴嘴的新型燃燒器。燃燒器主噴嘴及乏氣噴嘴的數(shù)量和位置與改造前基本一致,即每個燃燒器具有2個主噴嘴(安裝在原主噴嘴位置)、1個乏氣噴嘴(從油槍風噴口伸入爐膛,由于乏氣管處溫度較高,原來的陶瓷防磨改為更能耐高溫的SIC膠泥防磨)。本次改造采用的新型燃燒器通過采用2級煤粉濃淡分離裝置可以提高煤粉分離效果,同時采用高低速噴口在主噴口出口處形成外濃內(nèi)淡、外低速內(nèi)高速的濃煤粉氣流形態(tài),可有效促進濃煤粉氣流著火并保證濃煤粉氣流下射剛性,為低氮燃燒創(chuàng)造條件。

        3.2 增加拱上二次風噴口

        本次低氮改造在燃燒器側后方前、后爐拱上各增加20個拱上二次風噴口,將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上向下送入爐膛,使其卷吸高溫煙氣,增強高溫煙氣回流至濃煤粉氣流根部,促進濃煤粉氣流著火,引射并攜帶濃煤粉氣流下行,提高濃煤粉氣流下射深度,有利于控制飛灰可燃物含量;同時拱上二次風分級補入濃煤粉氣流中,有利于控制NOx排放量。本次低氮燃燒改造中新增加的40個拱上二次風噴口中,位于爐膛4個角(防止翼墻與側墻結焦)及中心線附近的總共8個拱上二次風噴口,每個噴口需改造3根水冷壁管;其余32個拱上二次風噴口,每個需改造5根水冷壁管,共計拱上水冷壁管需改造184根,涉及管子對接焊縫約371道。在新更換的水冷壁管下部焊接衛(wèi)燃帶耙釘,待鍋爐水壓試驗完成后,采用剛玉自流料對拱上衛(wèi)燃帶進行恢復澆筑。

        3.3 新增AB風門

        本次低氮燃燒改造將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上,通過新增拱上二次風噴口送入爐膛,但根據(jù)負荷變化以及煤質變化需對拱上二次風風量進行調(diào)節(jié)控制。因此,本次低氮燃燒改造將原尺寸較小的AB風門去除,安裝36臺尺寸為1 000 mm×680 mm的新AB風門,用于控制拱上二次風量與燃燒器噴口冷卻風量。

        3.4 D/E風門開度完善

        由于D/E風送入位置在煤粉氣流根部,溫度較低的D/E風送入不利于煤粉氣流的著火;但同時考慮到該部位爐膛結焦情況,本次低氮燃燒改造D/E風門開度全部關至較小的10 %開度。

        3.5 F風下傾改造

        本次低氮燃燒改造將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上新增的二次風噴口送入爐膛。為了保證F風的入射速度,達到繼續(xù)引射煤粉氣流下行的作用,并提高煤粉氣流的下射深度,保證煤粉顆粒在爐內(nèi)的停留時間,本次低氮燃燒改造重新制作F風導流裝置取代原有導流裝置。新的F風導流裝置下傾20°布置,同時采用孔隙率較小的均流板對F風噴口上半部分進行封堵,以在較小風量下保證F風入射速度。

        3.6 新增OFA系統(tǒng)

        本次低氮燃燒改造在上爐膛前后墻標高為+28 640 mm處分別增加20組OFA噴口(前后墻共40組)。其中爐膛兩側的2組OFA噴口采用方形噴口(前后墻共4組),噴口尺寸為300 mm× 300 mm,設計風速為50 m/s,入射角度可在水平0°與下傾30°之間調(diào)節(jié),以消除爐膛兩側自由上行的煙氣通道,可進一步提高燃燒效率及保證較低的NOx,CO的排放。其余36組OFA噴口采用直流外旋流的出口氣流形式,同時OFA噴口下傾15°布置,該OFA噴口較原鍋爐有如下2點改進:

        (1) OFA噴口整體長度由1 025 mm減小至690 mm;

        (2) 中心直流風噴口直徑由Φ253 mm增加至Φ335mm。

        OFA取至環(huán)形二次風箱左右側,OFA風箱從環(huán)形二次風箱左右兩側各引出2個風道延伸得到,其中上爐膛前后墻外燃燼風風道尺寸為1 470 mm× 2 100 mm,較原鍋爐1 400 mm×2 000 mm,通流面積增加了約10 %。以上改進可進一步減小燃燼風阻力損失,提高燃燼風入射速度,使燃燼風與煙氣的后期混合更為充分,可進一步提高燃燒效率及保證較低的NOx,CO排放。新增的OFA風箱4個角安裝電動調(diào)節(jié)門和風量測量裝置,以控制及測量OFA系統(tǒng)的風量。需對新增的每個方形OFA噴口的4根水冷壁管進行改造,共計對4×4=16根水冷壁管進行了改造;需對每個內(nèi)直流外旋流的OFA噴口的6根水冷壁管進行改造,共計對36×6=216根水冷壁管進行了改造。共計對40組OFA噴口的232根水冷壁管進行了改造,加上個別吹灰器水冷壁管拉直處理,OFA噴口安裝共涉及約541道管子對接焊縫的焊接。

        4 結束語

        該發(fā)電廠2號鍋爐于2015-01-22T14:00開啟送風機,并于22:00投油點火。鍋爐啟動過程中,當2號機組負荷達到330 MW時,鍋爐撤出全部油槍,此時燃燒穩(wěn)定,汽水參數(shù)正常,啟動過程中未發(fā)現(xiàn)任何因低氮燃燒改造而出現(xiàn)的問題。改造后該機組正常運行將近9個月,鍋爐燃燒穩(wěn)定,汽水參數(shù)正常,減溫水低于改造前水平,初步調(diào)整后NOx排放量降低。通過本次低氮燃燒改造,優(yōu)化工況下NOx排放量可降至752 mg/Nm3,相對于改造前NOx排放量降低超過50 %。

        1 樊泉桂.鍋爐原理[M].北京:中國電力出版社,2008.

        2 閻維平.清潔煤發(fā)電技術[M].北京:中國電力出版社,2002.

        2015-09-16;

        2016-04-13。

        李 娟(1978-),女,工程師,主要從事集控運行工作,email:chicheng_01@126.com。

        楊 杰(1984-), 男,工程師,主要從事鍋爐運行工作。

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