雙尺度低氮燃燒技術(shù)在褐煤直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐的應(yīng)用

蘇漢杰,佟 輝,李鐵華,孫文選

(大慶油田電力集團(tuán),黑龍江 大慶 163453)

雙尺度低氮燃燒技術(shù)在褐煤直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐的應(yīng)用

蘇漢杰,佟 輝,李鐵華,孫文選

(大慶油田電力集團(tuán),黑龍江 大慶 163453)

針對(duì)大慶油田電力集團(tuán)宏偉熱電廠NOx排放值偏高、鍋爐燃燒器和水冷壁結(jié)焦問題,闡述了雙尺度低氮燃燒技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn),分析了鍋爐燃燒器低氮改造的不利條件,提出了鍋爐燃燒器低氮改造的技術(shù)方案,并對(duì)改造后的鍋爐進(jìn)行了冷態(tài)和熱態(tài)燃燒調(diào)整試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,雙尺度低氮燃燒技術(shù)在褐煤直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐上應(yīng)用后,提高了鍋爐效率,緩解了結(jié)焦現(xiàn)象,NOx排放濃度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

雙尺度;低氮燃燒技術(shù);褐煤;直吹式制粉系統(tǒng)

宏偉熱電廠1～5號(hào)鍋爐燃用褐煤, NOx排放一直在550～850 mg/Nm3,NOx排放值不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[1],鍋爐效率出現(xiàn)明顯下降,鍋爐燃燒器和水冷壁存在嚴(yán)重結(jié)焦問題。為了解決宏偉熱電廠1～5號(hào)鍋爐NOx排放值偏高等問題,本文根據(jù)宏偉熱電廠煤質(zhì)、爐型特點(diǎn),分析了燃燒器改造的邊界條件,結(jié)合雙尺度低氮燃燒技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn),針對(duì)不同蒸發(fā)量的鍋爐,提出了不同的燃燒器改造技術(shù)方案,通過靜態(tài)和熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn),燃燒器改造后NOx排放濃度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 雙尺度燃燒技術(shù)原理和特點(diǎn)

雙尺度燃燒技術(shù)在空間尺度和過程尺度上綜合考慮了爐內(nèi)燃燒降低NOx的解決方案[2],將爐內(nèi)三維空間分為近壁區(qū)和中心區(qū),高度方向分為兩個(gè)氧化還原區(qū),以獨(dú)特的空氣分級(jí)技術(shù),強(qiáng)化形成兩區(qū)內(nèi)三場(chǎng)特性的差異化分布,包括著火、火焰?zhèn)鞑ァ⑷急M等過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)三場(chǎng)特性差異分布。雙尺度燃燒技術(shù)的特點(diǎn)如下:

1) 保證鍋爐機(jī)組降氮改造后效率不下降。在煤粉燃燒時(shí),其揮發(fā)分首先燃燒,產(chǎn)生COx、NOx和SOx。在欠氧燃燒方式、850～1100 ℃下,生成氮?dú)浠衔?其中氨基(NH2)和煤中H生成氨氣(NH3),這樣就會(huì)形成SNCR脫硝的條件,如圖1所示。

圖1 SNCR脫硝條件

由圖1可知,燃燒過程中部分NOx已經(jīng)被還原成H2O和N2,無法做到充分燃燒,會(huì)降低鍋爐效率,為此,采用雙尺度燃燒技術(shù)在主燃燒區(qū)上部增加二次風(fēng),形成再次燃燒,將原來沒有充分燃燒的煤燃盡[3],既滿足了鍋爐燃燒降低NOx的要求,又保證了鍋爐效率,雙尺度燃燒分區(qū)如圖2所示。

圖2 雙尺度燃燒分區(qū)

2) 雙尺度燃燒器具有穩(wěn)燃性。雙尺度燃燒技術(shù)具有很強(qiáng)的穩(wěn)燃性,可通過改變主燃燒器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),即采用低NOx燃燒器、一次風(fēng)噴口集中濃淡組合、接力熱回流環(huán)渦穩(wěn)燃等技術(shù)手段,煤粉在噴口處熱解著火后,碳的著火燃燒區(qū)段的特性有利于與爐中心復(fù)合射流大渦的復(fù)合連接[4]。環(huán)渦內(nèi)碳粒有較高的內(nèi)回流率,延長(zhǎng)了在環(huán)渦內(nèi)停留時(shí)間,顯著提高了環(huán)渦內(nèi)碳燃燒發(fā)熱量。

3) 解決水冷壁結(jié)焦和腐蝕問題。由于鍋爐一般采用四角切圓燃燒的方式,煤粉燃燒形成旋窩區(qū),燃燒后的灰粒被旋轉(zhuǎn)甩出,高熔點(diǎn)的灰粒接觸到水冷壁迅速凝結(jié)成焦渣。雙尺度燃燒技術(shù)就是在水冷壁和燃燒中心形成隔絕,加裝一套貼壁風(fēng)的形式,讓灰粒不與水冷壁接觸,控制爐膛結(jié)焦現(xiàn)象,在煤粉燃燒過程上優(yōu)化了燃燒不同階段三場(chǎng)特性,使火焰邊部可控、可調(diào),爐膛不結(jié)渣,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間爐膛不吹灰。

由于水冷壁與燃燒煙氣和灰分隔斷,碳?xì)浠衔锖蚇H3也接觸不到水冷壁,規(guī)避了水冷壁腐蝕的問題[5]。

2 低氮燃燒器改造邊界條件

2.1 鍋爐機(jī)組現(xiàn)狀

大慶油田電力集團(tuán)宏偉熱電廠1～5號(hào)鍋爐(1、2號(hào)鍋爐型號(hào)為HG-220/9.8-HM12,3～5號(hào)鍋爐型號(hào)為HG-410/9.8-HM16)型式為單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、燃燒褐煤、汽包鍋爐,采用風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng),設(shè)計(jì)煤種為蒙東大雁褐煤,鍋爐容易結(jié)焦,應(yīng)用基實(shí)際發(fā)熱量為13 500 kJ/kg,可燃基揮發(fā)分為44.5%,全水分為36.1%。

改造前,1～5號(hào)鍋爐NOx排放在550～850 mg/Nm3,超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);1、2號(hào)鍋爐在煤質(zhì)較差時(shí)有結(jié)焦現(xiàn)象,引風(fēng)機(jī)出力略顯不足,運(yùn)行中出現(xiàn)微正壓;3～5號(hào)鍋爐水冷壁和燃燒器有結(jié)焦現(xiàn)象, 3號(hào)爐排煙溫度高于設(shè)計(jì)值。

2.2 改造不利條件

1) 煤水分較高,磨煤機(jī)的通風(fēng)量較大,煤粉初期燃燒所需要的著火點(diǎn)較高,不利于煤粉著火、穩(wěn)燃。

2) 制粉系統(tǒng)為風(fēng)扇磨,對(duì)阻力調(diào)節(jié)比較敏感。

3) 煤粉顆粒較粗,均勻性較差;單回粉管,容易堵塞。

4) 爐膛高度較低,燃盡高度偏小。

2.3 改造后主要性能要求

1) NOx排放濃度1、2號(hào)爐不大于350 mg/Nm3,3～5號(hào)爐不大于420 mg/Nm3。

2) 鍋爐熱效率不低于改造前水平。

3) 排放煙氣中的CO濃度不大于100 uL/L。

4) 鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷不高于改造前,爐內(nèi)無結(jié)焦、結(jié)渣現(xiàn)象,可長(zhǎng)期不進(jìn)行吹灰,不發(fā)生高溫腐蝕現(xiàn)象。

5) 未燃盡碳損失、燃燒器阻力不大于改造前。

3 鍋爐燃燒器改造方案

綜合考慮上述因素,決定對(duì)1、2號(hào)鍋爐采用深度的改造方案,即拆除原燃燒器,整體更換新型低氮燃燒器,相應(yīng)的吊架、切圓、二次風(fēng)噴口布置、一次風(fēng)噴口布置、標(biāo)高等進(jìn)行調(diào)整;在18.16 m標(biāo)高新增加燃盡風(fēng),布置兩層噴口,能上下擺動(dòng);更換磨煤機(jī)分離器出口至噴口之間的一次風(fēng)煤粉管道及彎頭;更換相應(yīng)的水冷壁管屏;重新設(shè)計(jì)二次風(fēng)風(fēng)箱、風(fēng)道、鋼梁、保溫、樓梯平臺(tái)等;在水平煙道增加聲波吹灰器。改造立面如圖3所示。

圖3 1、2號(hào)爐改造后燃燒器立面圖

1、2號(hào)鍋爐燃燒器噴射方向的假想切圓直徑為φ748 mm,每組燃燒器共有兩層一次風(fēng)口,每個(gè)一次風(fēng)口尺寸為906 mm×616 mm,兩層一次風(fēng)標(biāo)高分別為13 325 mm、12 039 mm,AB層二次風(fēng)與一次風(fēng)切圓中心反偏3°,最上層二次風(fēng)噴口布置兩個(gè)貼壁風(fēng)口,與爐墻夾角15°;燃燒器噴口均為固定噴口,每組燃燒器布置上、中、下三層二次風(fēng)口,在下層二次風(fēng)口中設(shè)置有油燃燒器,用于鍋爐點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)燃;在燃燒器一次風(fēng)噴口周圍布置一圈周界風(fēng),中部布置夾心風(fēng),將一次風(fēng)分為上下兩部分,以實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)煤粉的集中濃淡布置;在四角角區(qū)標(biāo)高18 160 mm處布置兩層分離式燃盡風(fēng)(SOFA)噴口,其切圓與主燃區(qū)相同,風(fēng)量占總風(fēng)量的30%,SOFA噴口可以實(shí)現(xiàn)上下各20°垂直擺動(dòng),左右各10°水平擺動(dòng)。改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 1、2號(hào)爐改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)3～5號(hào)爐采用淺度改造方案,更換一次風(fēng)組件、二次風(fēng)噴口,在上兩層二次風(fēng)噴口增加貼壁風(fēng)組件;在鍋爐標(biāo)高20.7 m處增加燃盡風(fēng),布置兩層噴口,更換相應(yīng)的水冷壁管屏;更換磨煤機(jī)分離器出口至噴口之間的一次風(fēng)煤粉管道及彎頭;重新設(shè)計(jì)改造燃盡風(fēng)的風(fēng)箱、風(fēng)道;鋼梁、保溫、樓梯平臺(tái)等。改造立面圖如圖4所示。

圖4 3～5號(hào)爐改造后燃燒器立面圖

3～5號(hào)鍋爐在兩層上排二次風(fēng)噴口處設(shè)有貼壁風(fēng)噴口,向水冷壁補(bǔ)充氧氣,能有效提高近壁區(qū)域的氧化性氣氛,提高灰熔點(diǎn),緩解爐膛的結(jié)渣。在主燃區(qū)上方標(biāo)高20 700 mm處布置兩層分離式燃盡風(fēng)(SOFA)噴口,與1、2爐設(shè)計(jì)型式相同。改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 3～5號(hào)爐改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)

4 改造后冷態(tài)試驗(yàn)及結(jié)果

1) 測(cè)量一次風(fēng)速,主要考察送粉量大小。測(cè)量結(jié)果表明，5臺(tái)爐的風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)一次風(fēng)速偏高,大多數(shù)都在40 m/s以上,所以需通過調(diào)整一次風(fēng)擋板角度,解決該問題。

2) 二次風(fēng)特性試驗(yàn)。鍋爐二次風(fēng)特性試驗(yàn)主要是考察二次風(fēng)門開、關(guān)對(duì)噴口風(fēng)速影響。試驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)門特性較好,不會(huì)影響鍋爐燃燒調(diào)整。

3) 空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)。冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)實(shí)際情況通過煙花示蹤能夠表現(xiàn)出來,動(dòng)力場(chǎng)情況較好。氣流剛性強(qiáng),從下向上看為順時(shí)針方向切圓。鍋爐切圓煙花示蹤如圖5所示。

5 改造后熱態(tài)試驗(yàn)及結(jié)果

鍋爐低氮燃燒器改造后進(jìn)行熱態(tài)燃燒調(diào)整試驗(yàn),主要分析鍋爐改造后的燃燒情況、煙氣NOx排放情況、排煙含氧量及CO含量,標(biāo)定排煙溫度、爐膛溫度,給定鍋爐燃燒配風(fēng)方式。

5.1 試驗(yàn)期間煤質(zhì)變化

在試驗(yàn)期間，按應(yīng)用基低位發(fā)熱量看,最好的煤是14.4 MJ/kg,最差的煤是12.64 MJ/kg,平均值在13.51 MJ/kg,總體看煤質(zhì)穩(wěn)定,與設(shè)計(jì)煤質(zhì)相差不大。

5.2 燃燒調(diào)整過程中NOx排放情況

在鍋爐改造結(jié)束后進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)。調(diào)試初期,3～5號(hào)爐NOx排放不超過420 mg/Nm3,改造效果較理想;1、2爐NOx排放超過400 mg/Nm3,沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

通過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使二次風(fēng)門、二次風(fēng)總風(fēng)門關(guān)閉很小,也不會(huì)影響鍋爐燃燒穩(wěn)定,最終確定配風(fēng)方式為保持束腰配風(fēng)[6]、關(guān)小二次風(fēng)總風(fēng)門來調(diào)整運(yùn)行氧量。經(jīng)燃燒試驗(yàn)調(diào)整后,NOx排放情況:1號(hào)爐最低為270 mg/Nm3,2號(hào)爐最低為210 mg/Nm3;3號(hào)爐最低為280 mg/Nm3,4號(hào)爐最低為210 mg/Nm3,5號(hào)爐最低為350 mg/Nm3,1號(hào)和5號(hào)爐各種工況下NOx排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 1號(hào)爐NOx排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 5號(hào)爐NOx排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5.3 測(cè)定爐膛溫度

在3～5號(hào)爐燃盡風(fēng)區(qū)域前后墻的觀火孔處測(cè)得爐溫,比角區(qū)測(cè)得爐溫高100 ℃,表明爐膛內(nèi)不具有高溫結(jié)焦情況,爐膛結(jié)焦主要是煤粉顆粒粗,未燃盡的煤粉顆粒粘在水冷壁上導(dǎo)致的結(jié)焦。

5.4 鍋爐熱效率試驗(yàn)

根據(jù)鍋爐熱效率及NOx排放試驗(yàn),1～5號(hào)鍋爐熱效率不低于改造前水平,其中2號(hào)爐熱效率略高于改造前水平,NOx排放濃度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 論

1) 雙尺度低氮燃燒技術(shù)首次在大慶油田電力集團(tuán)宏偉熱電廠410 t/h和220 t/h鍋爐燃燒褐煤以及風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)應(yīng)用后, NOx排放達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),1、2號(hào)爐NOx排放低于350 mg/Nm3,3～5號(hào)爐NOx排放低于420 mg/Nm3。

2) 鍋爐改造后結(jié)焦情況明顯好轉(zhuǎn),吹灰次數(shù)明顯減少,減溫水量下降,鍋爐熱效率不低于改造前水平。

[1] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)部. GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2011.

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[4] 于明金,解海龍,樊睿源,等.燃煤電站鍋爐低NOx燃燒技術(shù)初探[J].電站系統(tǒng)工程,2006(2):9-11. YU Mingjin, XIE Hailong, FAN Ruiyuan, et al. Study on low NOxcombustion technologies of coal-fired utility boiler [J]. Power System Engineering, 2006(2):9-11.

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Application of double-scale low NOxcombustion technology in direct firing pulverizing system burning with lignite

SU Hanjie, TONG Hui, LI Tiehua, SUN Wenxuan

(Daging Oilfield Electric Power Group，Daqing 163453，China)

Aiming at the problems in Hongwei Power Plant of Daqing Oilfield Electric Power Group, including relatively high NOxemission, boiler burner and water wall coking, this paper expounded the principle and technological characteristics of double-scale low NOxcombustion technology, analyzed the unfavorable conditions for the low NOxtransformation of boiler burner, proposed the transformer technology plan, and made the experiment on cold-state and hot-state combustion adjustment for the transformed boiler. The experiment result shows that the application of double-scale low NOxcombustion technology in direct firing pulverizing system burning with lignite enhances boiler efficiency and relieve water wall coking, which makes the NOxemission concentration meet the design requirements.

double-scale; low NOxcombustion technology; lignite; direct firing pulverizing system

2015-07-03。

蘇漢杰(1968—),男,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。

TK227.1

A

2095-6843(2015)06-0557-04