呂福山

(甘肅電投武威熱電有限責任公司,甘肅 武威 730010)

隨著國家環(huán)保要求的不斷提升,CFB鍋爐(循環(huán)流化床鍋爐)燃燒氮氧化物排放量嚴格遵照GB 13223-2020《火電廠大氣污染物排放標準》來執(zhí)行,即確保氮氧化物排放量在200 mg/m3之下。經(jīng)過多年的技術(shù)變革,從低氮燃燒方面來看,相對于傳統(tǒng)煤粉鍋爐,CFB鍋爐具有顯著優(yōu)勢,但還是和現(xiàn)今的要求有著較大的差距。所以對于火電企業(yè)來說,在確保CFB鍋爐能夠充分發(fā)揮自身優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,如何進一步優(yōu)化低氮燃燒技術(shù)就成為最主要的工作之一。

1 案例基本情況概述

某發(fā)電廠所用的2×300 MW CFB鍋爐屬于循環(huán)流化床鍋爐,為緊身封閉、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu),采取一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐,能夠?qū)崿F(xiàn)平衡通風以及固態(tài)排渣,主要以混合煤作為燃燒介質(zhì)。此鍋爐是以最大連續(xù)負荷為基礎(chǔ)進行設(shè)計的,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量能夠達到1 065 t/h。鍋爐結(jié)構(gòu)復雜,包括多種零部件,主要有單爐膛雙布風板、空氣預熱器、高溫絕熱分離器、回料閥、冷渣器、尾部對流煙道等。為了能夠降低啟動用油量,設(shè)置了床上啟動燃燒器(8只)+床下啟動燃燒器(2只)結(jié)合的啟動方式[1]。隨著此鍋爐的長時間運行,漸漸暴露出了一些問題,如燃料燃燒不夠充分、氮氧化物排放超標等。因此,需要對此鍋爐的燃燒技術(shù)進行優(yōu)化,以有效解決這些問題。

2 鍋爐氮氧化物的形成以及燃燒機理分析

鍋爐燃燒過程中會形成NO以及NO2等氮氧化物,同時也會產(chǎn)生一定量N2O等產(chǎn)物,按照類型來劃分,可以將燃煤鍋爐運行時產(chǎn)生的氮氧化物分為如下幾種:第一,受到高溫影響,空氣內(nèi)氮氣受到氧化作用形成熱力型氮氧化物,此種氮氧化物占比達到近1/5左右;第二,燃煤燃燒過程中,空氣內(nèi)部氮元素和煤內(nèi)CH離子產(chǎn)生反應形成了相應的氮化物;第三,在煤燃燒過程中氮化物受到較高溫度影響后,會形成多種類型中間產(chǎn)物(如N、CN、HCN等),這些產(chǎn)物還會持續(xù)發(fā)生氧化反應而形成氮氧化物,同時,未分解的氮也會持續(xù)產(chǎn)生反應而發(fā)生氮氧化物。

對于CFB鍋爐來說,氮元素受到多種化學反應影響,例如受到氧化而產(chǎn)生氮氧化物,同時也會受到還原反應而轉(zhuǎn)換成為氮氣。因此,只要對氧化還原反應具有影響的因素,都會對CFB鍋爐內(nèi)氮氧化物情況造成相應影響。

第一,過量空氣系數(shù)。對于燃料型氮氧化物以及熱力型氮氧化物來說,為了能夠降低其排放量,可以對鍋爐內(nèi)部氧的濃度進行必要的限制。在實際操作時,可以通過一次風和二次風進行分級配風,逐漸降低一次風量的傳輸,同時,有必要增加二次風的輸入量,在保證兩者達到相應比例的情況下,就能夠減小氮氧化物排放量。通過此種方式能夠有效降低CFB鍋爐內(nèi)氮氧化物(約15%～20%),但同時也會增加CO濃度,造成燃燒效率降低[2]。

第二,燃料特性。對于CFB鍋爐來說,正常燃燒溫度下所形成的氮氧化物,絕大部分(約80%)都是從氮有機物受熱分解中的氮轉(zhuǎn)變而來,而剩余20%的氮氧化物則主要通過焦炭內(nèi)氮化合物氧化反應所得。

第三,燃燒溫度。雖然減小CFB鍋爐內(nèi)燃燒溫度能夠有效降低氮氧化物排放量,但鍋爐溫度的下降一定程度上也會使CO以及N2O排放量有所上升。

第四,CFB鍋爐脫硫劑應用。之所以要應用脫硫劑,根本目的就是要減小SO2排放量,但與此同時,內(nèi)部的氧化鈣、硫化鈣等物質(zhì)也會對氮氧化物排放造成較大影響。

3 CFB鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化

本文主要從一次風量、一次和二次風量配比、給煤量、返料量、床溫和床高控制以及調(diào)節(jié)等方面,對CFB鍋爐燃燒技術(shù)提出相應的優(yōu)化措施。

3.1 風量調(diào)節(jié)優(yōu)化

加強鍋爐風量方面的調(diào)節(jié)優(yōu)化,能夠進一步提升鍋爐內(nèi)燃煤燃燒的充分性。對于CFB鍋爐來說,所要進行的風量調(diào)節(jié)集中在一次風量調(diào)節(jié)、二次風量調(diào)節(jié)、一二次風量配比等方面。在實際操作時,要對CFB鍋爐過量空氣系數(shù)實施動態(tài)監(jiān)控,一旦此系數(shù)發(fā)生偏離(與設(shè)計值不符),就要對其進行調(diào)節(jié),要控制鍋爐總負荷<80%MCR。

第一,一次風量調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒過程中要特別注重一次風量的調(diào)節(jié),適宜的一次風能可以優(yōu)化物料的流動性,同時可以為鍋爐燃燒提供更多氧氣。對于2×300 MW CFB鍋爐來說,為了提升其燃燒效率,要保證其臨界流化風量≥180 000 Nm3/h,一旦流化風量不足,就會造成煤炭的結(jié)焦問題。鍋爐燃燒時,要對料層的溫度進行動態(tài)監(jiān)控,一旦發(fā)現(xiàn)料層溫度不足,就要減小一次風量,反之也是如此。需要按照料層的溫度來對一次風量進行設(shè)定,如果風量較大,就會造成爐膛底部密相區(qū)不夠穩(wěn)定,增大無效循環(huán)倍率,增加受熱面磨損,必然會消耗風機能耗。如果風量較小,就會限制燃料的流化,從而減小鍋爐的負荷,且也容易形成煤炭結(jié)焦的情況[3]。

第二,二次風量調(diào)節(jié)。需要按照煙氣內(nèi)含氧量來進行二次風量調(diào)節(jié),要將含氧量控制在3%～5%范圍內(nèi)。如果含氧量超過5%,就表明鍋爐內(nèi)部氧氣量過多,需要一定程度降低二次風量;反之,則要一定程度上增大二次風量。

第三,一次風量和二次風量配比。對于300MW CFB鍋爐來說,正常運行情況下,一次風量占比鍋爐總風量在40%左右,而二次風量可以進一步分為下二次風量、上二次風量,分別占比20%、30%。正常情況下,上、下二次風量的占比可進行一定的調(diào)節(jié),對于下二次風量來說,其占比可以在10%～30%范圍內(nèi)調(diào)節(jié),上二次風量占比可以在20%～40%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.2 床溫調(diào)節(jié)優(yōu)化

對于燃燒鍋爐來說,床溫等參數(shù)是確保鍋爐能夠正常循環(huán)流化的關(guān)鍵性指標之一,300MW CFB鍋爐設(shè)計額定床溫在890 ℃,如果考慮鍋爐在實際運行時的負荷波動情況,那么正常床溫要保持在850～950 ℃范圍內(nèi),床溫過高容易造成結(jié)焦問題,而床溫過低容易引發(fā)燃燒不充分的問題。在鍋爐燃燒過程中,要對床溫進行動態(tài)監(jiān)控,實際操作時,往往都是在密相區(qū)以及爐膛內(nèi)部設(shè)置熱電偶進行監(jiān)測[4]。

在鍋爐實際運行過程中,會因為多種因素的影響而造成床溫發(fā)生波動,例如鍋爐運行時很難對給煤量、煤質(zhì)等進行監(jiān)控,所以在鍋爐運行時一定要增強對床溫的監(jiān)測。一旦床溫變化范圍超出了850～950 ℃范圍,那么要對給煤量情況進行及時判定,明確給煤速度范圍是否適宜。給煤量超標、給煤速度不均衡等都會造成床溫發(fā)生波動,需要對其進行調(diào)節(jié)。

3.3 料層高度的優(yōu)化

料層高度指標直接影響著整個鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性,一般情況下,采用料層壓差來表示料層高度情況。對于300MW CFB鍋爐來說,正常情況下要將料層壓差控制在380～880 mmH2O。壓差上升表明料層變厚,反之則表明料層變薄。為了確保鍋爐的正常運行,要對料層壓差實施動態(tài)監(jiān)控。若是鍋爐燃燒情況良好,那么壓差具有較高的擺動頻率,但是幅度相對較小,一旦壓差擺動頻率下降、幅度變大,就表明燃煤流化不足,嚴重時容易造成結(jié)焦問題。此種情況下需要在鍋爐內(nèi)添加底渣,按照料層壓差、給煤速度、底渣分量等確定放渣量、放渣速度等指標[5]。隨著相應指標的調(diào)整,若是壓差的擺動頻率以及幅度恢復到正常狀態(tài),就要暫停添渣。

3.4 二氧化硫排放量的控制

二氧化硫是對空氣環(huán)境造成非常嚴重影響的污染物,所以需要對其排放量實施監(jiān)控,保證其處于標準范圍內(nèi)。對于300 MW CFB鍋爐來說,正常運行過程中,二氧化硫的排放量要保持在317 mg/Nm3之下。目前,往往是通過控制石灰石給料速度來影響二氧化硫的排放量,利用對石灰石給料速度的控制影響鍋爐內(nèi)鈣硫比,從而能夠?qū)Χ趸蚺欧帕窟M行控制。另外,鍋爐脫硫效率也會受到床溫、石灰石粒度等指標的影響,對于300 MW CFB鍋爐來說,為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳脫硫效果,往往要將床溫保持在850～950 ℃范圍內(nèi),從而對二氧化硫排放量進行有效控制。除此之外,所填石灰石粒徑以及給入量等都會對二氧化硫排放量產(chǎn)生影響,若發(fā)現(xiàn)二氧化硫排放量增加,可以通過適度增加石灰石給入量來減小二氧化硫排放量。石灰石粒徑大小直接決定著石灰石在鍋爐內(nèi)部的停留時間,對二氧化硫排放量影響較大。正常情況下,控制石灰石粒徑在100～500 μm范圍內(nèi),此種粒徑石灰石不但能夠保持較長時間停留,且燃燒所得的CaO以及CaSO4等都是比較好的床料。

3.5 氮氧化物排放量的控制

與二氧化硫類似,氮氧化物也是對環(huán)境具有較大污染的物質(zhì),對于300MW CFB鍋爐來說,工作所產(chǎn)生的氮氧化物主要是燃燒性NOx,而控制氮氧化物排放量的重要措施主要包括床溫的控制、分段燃燒等。若是保持床溫在850～950 ℃范圍內(nèi),那么就能夠確保氮氧化物排放量處在相對較低水平。若是床溫超出了此范圍,就需要馬上采取相應技術(shù)措施確保床溫恢復到正常狀態(tài);利用分段燃燒的方式可以使300 MW CFB鍋爐燃燒過程劃分為主燃燒區(qū)、再燃燒區(qū)、燃盡區(qū)等。通過再燃燒區(qū)的作用,使得主燃燒區(qū)產(chǎn)生的NOx還原成為N2,而在燃盡區(qū)能進一步將可燃物完全燃盡。除了以上措施外,在確保鍋爐正常運行基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)一次風量、二次風量的比例,也可以一定程度減小NOx排放量。

4 鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化對比分析

4.1 燃燒效率對比分析

對于2×300 MW CFB鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化前后的燃燒效率實施比對,具體情況見表1。

表1 熱損失以及鍋爐燃燒效率

通過上表所得數(shù)據(jù)可知,對CFB鍋爐燃燒技術(shù)實施優(yōu)化前后的鍋爐燃燒效率有著非常明顯的提升(從優(yōu)化前的85.46%提升到優(yōu)化后的92.63%),這就充分說明通過對鍋爐燃燒實施技術(shù)優(yōu)化改造,可以大大提升鍋爐的燃燒效率,更有利于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標。

4.2 污染物排放對比分析

為了能夠充分表明實際情況,在每一次完成試驗之后,都要進行試驗數(shù)據(jù)的梳理、分析,經(jīng)過多次測量之后,計算所得數(shù)據(jù)的平均值。若是所得數(shù)據(jù)中存在和正常值較大偏差的數(shù)據(jù),需要對其進行仔細分析,充分考慮各方面影響因素,如果將其歸類為試驗誤差造成的偏差,那么需要將其去除。通過多次試驗得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 NOx排放量統(tǒng)計

通過上表數(shù)據(jù)可知,對CFB鍋爐燃燒技術(shù)實施優(yōu)化前后,NOx排放量從優(yōu)化前的705.37 mg/m3下降到優(yōu)化后的612.32mg/m3,這就充分說明通過對鍋爐燃燒實施優(yōu)化改造,可以大大降低鍋爐污染物排放量,更有利于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標。

5 結(jié)語

本文主要以某發(fā)電廠2×300 MW CFB鍋爐為例,對其燃燒技術(shù)實施優(yōu)化,通過相應的試驗對比分析可知,通過技術(shù)的優(yōu)化可以大大提升鍋爐的實際運行效率、降低污染物排放、降低環(huán)境污染、提升經(jīng)濟效益。通過燃燒技術(shù)的優(yōu)化,可以進一步提升燃料的燃燒效率,保證鍋爐氣壓的穩(wěn)定性、提升運行過程中能量轉(zhuǎn)化率,確?；鹆Πl(fā)電的正常運行。通過燃燒指標的優(yōu)化,能夠進一步提升鍋爐燃燒的充分性,確保燃燒能夠覆蓋爐膛整個區(qū)域,減小內(nèi)部結(jié)渣的概率和速度,提升鍋爐安全性。