杜榮

(中國石化集團資產(chǎn)經(jīng)營管理有限公司揚子石化分公司熱電廠,南京 210048)

按照國家發(fā)改委、環(huán)境保護部及國家能源局于2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》的要求,東部地區(qū)(含江蘇)燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)。近年來,由于環(huán)保要求越來越嚴,要求的燃煤鍋爐NOx排放濃度遠低于國家標準,而且要求實現(xiàn)全負荷煙氣達標排放,即燃煤鍋爐在啟動過程中,NOx排放濃度也不能超標。

燃煤鍋爐冷態(tài)啟動初期,選擇性催化還原(SCR)脫硝反應器入口煙溫低,無法達到SCR脫硝反應溫度,SCR脫硝系統(tǒng)無法投入,鍋爐出口NOx濃度超出環(huán)保排放要求,造成鍋爐啟動期間的NOx濃度排放超標[1]。實際啟動過程中多采用提前投用脫硝系統(tǒng)或鄰爐降低反應器出口NOx排放值以保證煙囪處NOx排放達標[2]。有時由于NOx排放濃度超標無法控制,只能停止鍋爐啟動以滿足環(huán)保要求,這給鍋爐的冷態(tài)啟動帶來極大困難。

1 設備概述

某電廠共有三臺由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造的型號為HG-540/13.4-YM20的超高壓燃煤鍋爐,鍋爐為負壓爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)(BMCR)工況額定蒸發(fā)量為540 t/h,總風量為570 t/h。三臺鍋爐燃燒后的煙氣經(jīng)脫硝、脫硫、除塵后匯入一個煙囪排向大氣。

鍋爐采用中速磨煤機、冷一次風機、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺鍋爐配4臺磨煤機,每臺磨煤機對應一層煤粉燃燒器噴嘴。正常運行時3臺磨煤機運行,1臺磨煤機備用,設計煤粉細度R90=18%。

鍋爐采用四角切圓、水平濃淡燃燒方式。每角燃燒器布置4只煤粉燃燒器和13個風室及噴嘴,其中SOFA風3個、二次風6個、周界風4個。AB層及CD層二次風噴嘴內設有OA、OB兩層油點火燃燒器,用于鍋爐啟動時暖爐、煤粉噴嘴點火和低負荷穩(wěn)燃。油槍采用簡單機械霧化噴嘴,油槍入口油壓力2.94 MPa,單只油槍設計額定出力為1 050 kg/h。油點火裝置為高能電弧點火器直接點燃燃料油。

下層煤粉燃燒器采用微油點火裝置,主要用于鍋爐的啟爐、停爐及低負荷穩(wěn)燃。油燃燒器與煤粉燃燒器相交安裝,單只油燃燒器總出力100 kg/h,煤粉燃燒器出力8 t/h。煤粉燃燒器布置示意圖見圖1。

圖1 煤粉燃燒器布置示意圖

鍋爐脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒+選擇性催化還原組合脫硝技術方案[3-5]。每臺鍋爐設置兩臺SCR脫硝反應器,每臺反應器催化劑采用3+1布置方式,3層填裝催化劑,1層備用。低氮燃燒器出口NOx濃度為280 mg/m3,SCR脫硝反應器出口NOx濃度為30 mg/m3。

2 NOx排放濃度超標問題及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

該電廠鍋爐在試運行期間冷啟動過程采用微油點火啟動和大油槍點火啟動兩種方式。微油點火是先投用暖風器將甲磨煤機入口熱風溫度加熱到130 ℃(能夠滿足制粉條件),然后投入四只微油槍,再啟動甲磨制粉,用位于A層煤粉燃燒器的微油槍直接點燃煤粉,達到以煤代油的目的。此種點火模式雖然可以節(jié)約燃料油,但由于投入煤粉燃燒后所生成的燃料型NOx濃度過大,而此時SCR脫硝反應器入口溫度過低,無法投入SCR脫硝系統(tǒng),從而造成鍋爐出口甚至煙囪排口的NOx排放濃度超標。

為了在鍋爐啟動過程中達到環(huán)保排放的要求,避免燃料型NOx的生成,鍋爐啟動直接使用大油槍點火系統(tǒng),并進行鍋爐升溫升壓,當SCR脫硝反應器入口溫度達到投用溫度后,再啟動制粉系統(tǒng)繼續(xù)升溫升壓,并可同步投入SCR脫硝反應器,保證鍋爐啟動過程中的NOx達標排放。

但實際操作中,鍋爐在冷態(tài)條件下啟動,投入大油槍時同樣會發(fā)生鍋爐出口NOx超標的問題。運行趨勢圖如圖2。

圖2 鍋爐冷態(tài)啟動運行參數(shù)趨勢圖

第1點為鍋爐點火前NOx數(shù)值,第2點為NOx最大值(表計量程,200 mg/m3),第3點時NOx開始下降,第4點時投入SCR脫硝系統(tǒng)。

從圖2的NOx濃度變化趨勢可以看出,鍋爐冷態(tài)啟動時,大油槍投入后NOx變化趨勢是先上升至最大值,穩(wěn)定一段時間后開始下降,但是超標時間長達兩個小時。大油槍點爐期間各點參數(shù)見表1。

表1 大油槍點爐期間各點參數(shù)

2.2 原因分析

針對使用大油槍點爐期間NOx濃度仍然超標的問題,對鍋爐啟動過程中的各參數(shù)進行分析對比,并結合NOx生成機理對點爐期間NOx生成原因進行分析。

1)鍋爐點爐過程中,未使用微油點火,煤粉未進入爐膛燃燒,可以排除燃料型NOx的生成對鍋爐出口NOx產(chǎn)生的影響。

2)鍋爐點火初期,爐膛溫度過低,可以排除熱力型NOx的生成對鍋爐出口NOx產(chǎn)生的影響。

3)從快速型NOx的生成機理可知,燃料在著火初期產(chǎn)生的CH原子團與氮氣分子撞擊反應會生成HCN類化合物,而HCN類化合物是生成NOx的前驅物,在富氧氛圍下會氧化成NOx,在缺氧條件下會還原為N2,而且NOx的生成量與溫度基本無關。

鍋爐使用大油槍點火時,一只油槍的流量為1 050 kg/h,而且采用機械霧化,霧化效果直接影響油槍的著火和燃燒。點火初期,由于爐膛溫度過低,油槍著火和燃燒效果差,不可避免地造成燃料油的不完全燃燒,再加上油槍霧化不好、燃燒配風不當?shù)纫蛩?就會加劇燃料油的不完全燃燒。燃料油的不完全燃燒會產(chǎn)生大量的碳氫化合物,CH原子團又與N2反應生成大量HCN類化合物。由于鍋爐整個啟動過程都處于富氧氛圍,這勢必會造成HCN類化合物被氧化成NOx,從而導致鍋爐在冷態(tài)啟動過程中的NOx排放濃度超標。

綜上所述,鍋爐在冷態(tài)啟動過程中使用大油槍造成NOx濃度超標的主要原因為快速型NOx的生成量過大。

3 解決方案及效果

3.1 解決方案

控制快速型NOx的生成量就要控制燃料油在燃燒中CH原子團的生成量,要控制燃料油在燃燒中CH原子團的生成量,就必須保證大油槍投入后能夠良好地著火燃燒,從而減少因燃料油不完全燃燒產(chǎn)生CH原子團的生成量[8]。

為了保證鍋爐冷態(tài)啟動初期大油槍能夠良好著火并完全燃燒,通過不斷地摸索、總結,鍋爐冷態(tài)啟動應做好以下工作:

1)點爐前準備工作

停爐期間對點火油槍進行全面檢查清理,及時更換有缺陷的槍頭,保證油槍點火后有著良好的霧化和燃燒效果,同時對油槍的點火系統(tǒng)全面檢查、檢修,保證油槍能夠一次點火成功,避免多次點火造成NOx排放濃度過高。

鍋爐點火前盡早投用底部加熱系統(tǒng),在鍋爐點火前盡量提高汽包壁溫及爐膛溫度,保證汽包壁溫大于110 ℃,爐膛出口溫度大于120 ℃,SCR脫硝反應器入口溫度大于80 ℃。爐膛溫度的提高,有利于油槍投運著火后穩(wěn)定燃燒、充分燃燒。同時由于汽包壁溫及爐膛溫度的升高,可以縮短鍋爐點火后的升溫升壓時間,盡快達到SCR脫硝反應溫度。

2)點爐期間操作

點爐優(yōu)先投用OB層油槍和D層煤粉燃燒器,以保證鍋爐點火后煙道的升溫速度,保證SCR脫硝反應器入口溫度能夠穩(wěn)定上升。

控制好點火期間的總風量、熱風壓力及風門開度。鍋爐點火前,調整送風機液耦開度及各二次風門開度,控制鍋爐總風量在180 t/h～190 t/h,熱風壓力600 Pa～800 Pa。油槍點火成功后,將大油槍層二次風門開度調整至60%,并根據(jù)火檢狀況及工業(yè)電視油槍著火燃燒情況,調整二次風壓力及風門開度,以油槍火檢不發(fā)生閃爍為原則盡量開大二次風門,保證油槍投運后的完全燃燒。

控制好升溫升壓速度。根據(jù)升壓速度和NOx排放濃度投入后續(xù)油槍,當油槍成功投運后,檢查燃料油壓力,當壓力下降0.1 MPa左右時,油槍霧化良好、著火正常。如燃料油壓力下降過多,立即停用油槍并聯(lián)系檢修檢查處理。投油期間重點關注鍋爐出口NOx濃度上升情況,當爐膛溫度上升,鍋爐出口NOx濃度穩(wěn)定在30 mg/m3后,方可根據(jù)升溫升壓要求投入第二只、第三只、第四只油槍。

3)脫硝系統(tǒng)配合控制

各爐做好配合調整,控制煙囪排口NOx排放濃度。如果有其他鍋爐在運,當煙囪排口NOx濃度上升時,可降低在運鍋爐出口NOx濃度,保證煙囪排口NOx濃度達標排放。

鍋爐在升溫升壓過程中,提前對脫硝系統(tǒng)進行檢查,保證脫硝系統(tǒng)在溫度滿足的情況下,隨時可以投運。SCR脫硝反應器入口溫度達到反應溫度后,及時投入脫硝系統(tǒng),重點檢查氨氣系統(tǒng)投入后流量變化,保證氨氣系統(tǒng)運行正常。

啟動制粉系統(tǒng),繼續(xù)升溫升壓直到鍋爐并爐,根據(jù)鍋爐出口及煙囪排口NOx濃度調整脫硝系統(tǒng),控制鍋爐出口煙氣NOx濃度達標排放。

3.2 方案實施后的效果

該電廠鍋爐冷態(tài)啟動按照上述方案執(zhí)行后,每次點爐過程均能較好地控制鍋爐出口NOx濃度,解決了點爐初期爐膛溫度較低情況下的NOx濃度控制困難的問題,取得了良好的效果。

圖3為方案實施后的鍋爐冷態(tài)啟動運行參數(shù)趨勢圖。

圖3 鍋爐冷態(tài)啟動運行參數(shù)趨勢圖

從圖3可以看出,在執(zhí)行了冷態(tài)啟動方案后,整個啟動過程中各參數(shù)平穩(wěn),NOx濃度始終在正常范圍內,未出現(xiàn)超標排放的問題。

4 結語

該電廠鍋爐在冷態(tài)啟動過程中,從底部加熱投用、油槍配置檢查、油槍霧化效果檢查、鍋爐總風量控制、燃燒配風調整、升壓速度控制、脫硝系統(tǒng)投用等方面進行優(yōu)化調整,徹底解決了鍋爐冷態(tài)啟動過程中的NOx濃度排放超標的問題,真正實現(xiàn)了鍋爐全負荷的NOx濃度環(huán)保達標排放。