CFB鍋爐低氮燃燒改造對NOx排放質量濃度的影響

吳劍恒

(1. 集美大學 福建省能源清潔利用與開發重點實驗室, 福建廈門 361021;2. 福建省石獅熱電有限責任公司, 福建石獅 362700)

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CFB鍋爐低氮燃燒改造對NOx排放質量濃度的影響

吳劍恒1,2

(1. 集美大學 福建省能源清潔利用與開發重點實驗室, 福建廈門 361021;2. 福建省石獅熱電有限責任公司, 福建石獅 362700)

對一臺燃燒福建無煙煤的75 t/h中溫旋風分離CFB鍋爐進行低氮燃燒改造,將布風板有效截面積由13.43 m2縮減為11.38 m2，二次風率從40%提高到45%。工業熱態試驗證明該低氮改造取得了良好的效果:NOx排放質量濃度從210 mg/m3左右降低到180 mg/m3左右,可滿足NOx排放質量濃度200 mg/m3限值要求;機械不完全燃燒損失q4降低了0.3%～0.6%,CO排放質量濃度也有所降低，提高了CFB鍋爐的運行經濟性。

CFB鍋爐; NOx排放質量濃度; 低氮燃燒改造; 布風板有效截面積; 二次風率; 中溫分離; 無煙煤

在CFB鍋爐中,低溫(爐床和爐膛溫度在850～1 050 ℃)燃燒可避免空氣中的氮生成NOx,分級燃燒可使燃料在還原氣氛中燃燒，以減少NOx生成,從而降低NOx原始排放質量濃度。

為降低NOx原始排放質量濃度,從NOx生成機理和優化鍋爐結構等方面著手,對燃燒福建無煙煤的75 t/h中溫旋風分離CFB鍋爐采取縮減爐床有效截面積、提高二次風率的低氮燃燒改造。筆者介紹該低氮燃燒改造內容及其效果,為其他鍋爐改造提供借鑒。

1　改造前設備狀況及分析

某CFB鍋爐型號為DG75/3.82-11,采用“高爐膛、低煙速、高爐膛燃燒溫度、中溫旋風絕熱分離、中物料循環倍率”設計方案[1],2001年9月投運,截至2014年1月已累計運行92 944 h。鍋爐主要運行參數見表1,結構見圖1。

表1　鍋爐主要運行參數

注：1)測點標高為4.85 m；2)測點標高為6.06 m；3)測點標高為11.10 m；4)測點標高為14.40 m；5)測點標高為19.00 m；6)測點標高為30.28 m；7)測點標高為12.00 m；8)測點標高為18.23 m；9)測點標高為16.54 m。

圖1　CFB鍋爐簡圖

2　低氮燃燒改造思路和方案

多次工業熱態試驗[2-7]和多年運行實踐均發現,維持適當的一二次風配比、合適的料層厚度,可使NOx排放質量濃度最小。經分析認為,在CFB鍋爐中,燃料型NOx是生成NOx的主要組成部分,其質量分數超過95%;然而燃料型NOx主要產生于床層,主要是由燃料熱解出來的焦炭燃燒所產生的[8],而且還原性氣氛越強，NO生成量越少。CFB鍋爐大多采用單側集中給煤,盡管給入的燃料僅占床料總量的5%左右,進入爐膛后處于流化狀態,并立即與高溫床料進行擾動混合,但因空氣與給煤分配不均和底部燃燒不夠強烈,局部氧化性氣氛下致使NO大量生成[9]。

為從源頭上降低NOx生成量和排放質量濃度,從NOx生成機理和優化鍋爐結構方面著手,對一臺燃燒福建無煙煤的中溫旋風分離CFB鍋爐進行了縮減布風板有效截面積、提高二次風率的低氮燃燒改造。

2.1 縮減布風板有效截面積改造

改造思路:在保證燃燒室正常流速、床料良好流化的基礎上,縮減布風板有效截面積,加強密相區物料擾動混均并減少一次風量,增強密相區的還原性氣氛,以降低NO生成量,并提高NO還原分解速率,從而降低NOx原始排放質量濃度。

改造方案:為降低改造成本,采用增加密相區耐磨澆注料厚度的方式,使前墻澆注料厚度由70 mm(從水冷壁中心計算,下同)增至250 mm,后墻澆注料厚度由70 mm增至180 mm,左右墻澆注料厚度均由70 mm增至162.5 mm(見圖2)；布風板實際有效截面積由13.43 m2縮減為11.38 m2,縮減率達到15.26%;密相區四周水冷壁鰭片上焊接Y形抓釘+耐磨澆注料,砌注高度約1.9 m (與爐前給煤口上邊沿平齊,標高6.62 m),然后向上平滑過渡至下二次風口下邊沿(標高7.08 m)。

圖2　縮減布風板面積改造圖

2.2 提高二次風率改造

改造思路:為強化富燃料區(密相區)反應區間的還原性氣氛,降低一次風量同時提高二次風量,將一、二次風量的比例由60∶40調整為55∶45，即二次風率從40%提高到45%。

改造方案:考慮現有二次風機不能滿足送風要求(見表2,一、二次風機已改造為高效節能型風機[10]),從熱一次風管道(標高16.5 m)引出一條內徑為300 mm的管道,加裝1個直徑為300 mm的閘閥(命名為一次風至二次風聯絡閥)和2個單頭金屬波紋補償器,連接到熱上二次風管道(標高12.54 m),補充上二次風量并提高上二次風壓。

表2　一、二次風機技術參數

運行方式:在鍋爐負荷大于75% BMCR,保持一次風至二次風聯絡閥全開狀態,通過調整二次風機變頻器開度和上下二次風擋板開度來調節二次風量和上下二次風配比。

3　低氮燃燒改造效果

2014年2月完成了75 t/h CFB鍋爐縮減布風板有效截面積和提高二次風率的低氮燃燒改造。為驗證改造效果,按照DL/T 260—2012 《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》進行了工業熱態試驗。燃用設計煤種相近的福建無煙煤,設計煤種和試驗煤種的工業分析和元素分析結果見表3,試驗煤種的顆粒粒度分布見表4。由于該CFB鍋爐已建成并投運多爐一塔石灰石-石膏濕法脫硫[11],故爐內沒有添加石灰石。

表3　設計煤種和試驗煤種的工業分析和元素分析

表4　試驗煤種的顆粒度分布1)

注:1)設計要求煤粒度≤8 mm,其中99%≤6 mm,50%≤1.5 mm,30%≤1 mm。

試驗內容、方法、步驟和計算方法見文獻[5]。

3.1 空氣過量系數λ對NOx排放質量濃度的影響

圖3描述了維持二次風率β≈45%基本不變,鍋爐負荷分別為75 t/h和64 t/h時空氣過量系數λ對NOx排放質量濃度的影響。

圖3　空氣過量系數λ對NOx排放質量濃度的影響

由圖3可見：隨著空氣過量系數λ的增加, NOx排放質量濃度顯著增加，但增速漸小,呈現為開口向下的拋物線趨勢(處于上升區間且未達到最高點),同時75 t/h負荷工況下的NOx排放質量濃度較高且增加速率略大。75 t/h負荷工況下的擬合公式為y=-2.303 6x2+34.696x+105.50,重合度為0.989 2;64 t/h負荷工況下的擬合公式為y=-1.285 7x2+25.486x+103.80,重合度為0.989 4。這與許多文獻[8-9]得到的結果是一致的,也與工業熱態試驗結果[2-7]是一致的。

與改造前試驗結果[4-7]相比,NOx排放質量濃度下降10～30 mg/m3。

空氣過量系數λ偏低時,燃燒室處于還原性氣氛,其中二次風口以下的密相區處于強還原性氣氛,福建無煙煤在缺氧燃燒過程中NO生成量很少;由于福建無煙煤w(Vdaf)≤4%(見表3),揮發分N含量很低,NO的生成量也很小;同時,煤炭在缺氧燃燒時釋放出大量的NH3、CO、HCN、H2和焦炭與NO反應將其還原為N2,從而降低了NOx排放質量濃度[8]。隨著λ增加,燃燒室內的O2濃度提高,燃燒強度加劇,N轉化為NO的速率加快, NO生成量增加;同時,也減弱了密相區內的還原性氣氛,降低了CO、NH3、HCN、H2質量濃度,從而降低了NO被還原速度,增加了NOx排放質量濃度[5]。

75 t/h負荷工況下的NOx排放質量濃度較高,分析其原因主要有:(1)改造將一、二次風量的比例由60∶40調整為55∶45,在75 t/h設計負荷工況下一次風量由44 339 m3/h降至40 644 m3/h;同時布風板實際有效截面積由13.43 m2縮減為11.38 m2,布風板處設計煙速由3.83 m/s提高為4.14 m/s,物料在強還原氣氛下的密相區停留時間縮短約0.05 s,不利于抑制NO生成,提高了NOx排放質量濃度;(2)試驗用煤粒徑偏大且分布不均(見表4),其中粒徑小于0.9 mm的質量分數為40.2%,粒徑大于5 mm的質量分數為27.33%,均遠高于設計要求,需提高流化速度才能確保較大顆粒良好流化;(3)相同空氣過量系數λ時75 t/h負荷工況所需一次風量增大,意味著流化速度提高,密相區擾動加劇,燃料與空氣混合更均勻,大氣泡數量減少,可降低局部氧濃度較高的狀況發生,維持爐床內的還原性氣氛,有效抑制NO生成,并加速NO還原分解,降低了NOx排放質量濃度; (4)負荷提高意味著福建無煙煤燃燒加劇,從而強化了福建無煙煤的后燃性[12],爐膛燃燒區域溫度提高(見圖4),增加了焦炭燃燒和揮發分N燃燒過程NO生成量[8],NOx排放質量濃度增加。

圖4　不同工況下的爐膛測點煙溫

3.2 二次風率β對NOx排放質量濃度的影響

圖5描述了鍋爐負荷分別為75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、上二次風率k≈50%時，二次風率β對NOx排放質量濃度的影響。

圖5　二次風率β對NOx排放質量濃度的影響

(1)

從圖5可以看出：隨著二次風率β的增加, NOx排放質量濃度呈現先明顯下降，但降速逐漸減小(β≤40%)至平緩(40%<β≤55%)，最后略微增加(β>55%),表現為開口向上的拋物線。75 t/h負荷工況下的擬合公式為y=2.869x2-33.607x+278.4,重合度為0.993 1;64 t/h負荷工況下的擬合公式為y=2.900 4x2-34.438x+263.45,重合度為0.990 8。這表明存在最佳的二次風率β且λ=1.2、k=50%時，最佳β在40%～55%,使NOx排放質量濃度最低。這與改造前工業熱態試驗得到的規律[6-7]是基本一致的。

與改造前試驗結果[4-7]相比,NOx排放質量濃度下降10～40 mg/m3。分析其原因主要有: (1)在保持λ=1.2基本不變的情況下,二次風率β增加意味一次風量減少,密相區內燃料處于缺氧燃燒,生成大量的CO、NH3、HCN、H2和焦炭等不完全燃燒產物,可抑制NO生成,并利于NO還原分解; (2)總風量不變的情況下增加β,意味減少一次風量,從而降低了二次風口以下的物料流化速度,延長了物料在強還原性氣氛區域的停留時間,可減少NO生成量，同時二次風口以上區域空氣含氧量隨之增加,福建無煙煤燃燒加劇,焦炭燃燒和揮發分N燃燒過程NO生成量增加,對NOx排放質量濃度起到雙重作用; (3)當β在40%～55%,雖強化了下二次風口以下區域的還原性氣氛,但嚴重缺氧也延遲了福建無煙煤的燃燒,并影響了CO、NH3、HCN、H2等與NO的還原反應[8],雙重作用使NOx排放質量濃度達到最低值;(4)β大于55%后,下二次風口以下區域的缺氧狀況更加嚴重,在雙重作用下增加了NOx排放質量濃度。

3.3 上二次風率k對NOx排放質量濃度的影響

圖6描述了鍋爐負荷分別為75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、β≈45%時，上二次風率k對NOx排放質量濃度的影響。

圖6　上二次風率k對NOx排放濃度的影響

從圖6可以看出：隨著上二次風率k的增加, NOx排放質量濃度表現為先明顯降低且降速逐減(k≤40%)至基本平緩(40%55%)的趨勢,呈現為開口向上的拋物線趨勢。75 t/h和64 t/h負荷工況下的擬合公式分別為y=1.776x2-19.61x+224.81和y=1.323 6x2-13.319x+192.24,重合度分別為0.977 4和0.974 3。這表明存在最佳的上二次風率k,且λ=1.2、β=45%時最佳k為45%～55%,使NOx排放質量濃度最低。

(2)

與改造前試驗結果[6-7]相比,NOx排放質量濃度下降了20～40 mg/m3。這是因為:(1)根據圖1,下二次風噴嘴中心距離回料口1.578 m,距離布風板2.44 m,并且該區域處于密相區和過渡區的交界,物料流速較小、濃度較大,下二次風對物料的擾動、混合作用有限,爐膛中心區域局部缺氧現象和爐膛四周局部富氧現象同時存在,NO生成量較大;上二次風噴嘴中心距離布風板為6.10 m,并且該區域在過渡區和稀相區的交界處,物料流速高、濃度小,上二次風的穿透射程遠、混合能力強,從而提高了中心區域的傳熱強度和氧氣濃度,兩級燃燒作用明顯[5],可抑制NO生成。(2)維持總二次風量(λ≈1.2、β≈45%)基本不變,增加上二次風率k意味著減少下二次風量,從而降低了密相區和過渡區的物料流化速度,延長了物料停留時間,并增強了密相區還原性氣氛,減少了NOx排放質量濃度。(3)部分上二次風來自一次風,風壓更高,穿透能力強,混合效果好,可有效抑制NOx生成。(4)大量氧氣通過上二次風口補充進入爐膛,加劇了福建無煙煤的燃燒強度,強化了福建無煙煤的后燃性[12],提高了爐膛出口煙溫tex,增加了NO生成量,且降低了NO還原速率。(5)k大于55%后,上二次風口以下區域的煤炭處于嚴重缺氧燃燒,雙重作用使NOx排放質量濃度略微上升。

3.4 料層厚度對NOx排放質量濃度的影響

圖7描述了鍋爐負荷分別為75 t/h和64 t/h且λ≈1.2、β≈45%、k≈50%時，料層厚度對NOx排放質量濃度的影響。

圖7　料層厚度對NOx排放質量濃度的影響

從圖7可以看出：隨著料層厚度tm的增加, NOx排放質量濃度呈現先降低(tm≤5.5 kPa)至平緩(5.5 kPa6.50 kPa)的趨勢,表現為開口向上的拋物線趨勢。75 t/h負荷工況下的擬合公式為y=5.821 4x2-41.579x+229.40,重合度為0.983 3;64 t/h負荷工況下的擬合公式為y=5.964 3x2-43.664x+252.40,重合度為0.960 9。

分析其主要原因有:(1)CFB鍋爐中燃料型NOx是重要組成部分,且主要產生于床層[8]。(2)料層厚度較薄(tm≤5.5 kPa)時容易產生氣泡、節涌等現象,雖然氣泡分割強化了密相區的還原性氣氛,但氣泡不斷合并和分裂造成密相區底部區域局部富氧和局部缺氧同時存在,NOx排放質量濃度增加。(3)料層厚度適中(5.5 kPa6.5 kPa)意味著阻力增加,所需一次風壓提高,鍋爐運行所需的一次風機出口壓力較高、一次風量較大(在一次風擋板開度不變的情況下,一次風量隨料層厚度增加而減少),提高了密相區的空氣過量系數和氧濃度,減弱了還原性氣氛,增加了NO生成量。(5)改造后密相區容量減小,因爐床料層溫度穩定和物料循環需要,75 t/h負荷所需的料層厚度較大。

3.5 對機械不完全燃燒損失q4和CO排放質量濃度的影響

圖8、圖9分別描述了鍋爐負荷75 t/h且λ≈1.2時，二次風率β、上二次風率k對機械不完全燃燒損失q4和CO排放質量濃度的影響。

圖8　二次風率β對機械不完全燃燒損失q4和CO排放質量濃度的影響

圖9　上二次風率k對機械不完全燃燒損失q4和CO排放質量濃度的影響

由圖8、圖9可見：二次風率β、上二次風率k對機械不完全燃燒損失q4的影響曲線均表現為開口向上的拋物線。擬合公式分別為y=0.081 5x2-1.205 9x+8.724 1、y=0.043 9x2-0.586 3x+6.248 1,重合度分別為0.984 7、0.985 4。這表明存在最佳的二次風率β、上二次風率k使機械不完全燃燒損失q4最小。試驗證明,λ≈1.2時最佳β為45%～55%,最佳k為40%～55%。

與改造前的工業試驗[2-3]相比得知：相近工況下q4降低了0.3%～0.6%,最佳的二次風率β由40%～50%調整到40%～55%,最佳上二次風率k由55%～65%前移到45%～55%。這說明本次低氮燃燒改造增強了空氣和燃料在爐內的擾動、混合,強化了爐內物料循環,從而降低了機械不完全燃燒損失q4,提高了CFB鍋爐的運行經濟性；同時,由于一次風量相對減少(一次風率β設計值由60%降低到55%),最佳二次風率β、最佳上二次風率k區間隨之變化。

由圖8、圖9可見：二次風率β、上二次風率k對CO排放質量濃度的影響曲線基本一致,均表現為隨著β、k的增加, CO排放質量濃度先急劇降低再緩慢下降后趨于平緩,但變化量總體不大,即不會明顯影響化學完全燃燒損失q3。這是因為提高二次風率β、上二次風率k,使二次風口以下的燃燒區域處于缺氧狀態,增加了CO生成量,雖然NO還原消耗部分CO,雙重作用仍增加了CO濃度;同時,提高了二次風的混合能力和攪拌作用,兩級燃燒作用明顯,加劇了福建無煙煤的燃燒,強化了福建無煙煤的后燃性,提高了爐膛內的燃燒溫度(見圖4),降低了CO排放質量濃度,提高了CFB鍋爐的運行經濟性。但是180 ℃左右的上二次風過大時,會使爐膛內溫度降低,無煙煤的著火和燃燒延遲,而該鍋爐在標高23 m處布置了蒸發管束受熱面,850～1 050 ℃的高溫含塵煙氣經過蒸發管束后降低到650～750 ℃,難以維持福建無煙煤的燃燒,導致CO排放質量濃度升高。

4　結語

工業熱態試驗和運行實踐證明,將布風板有效截面積由13.43 m2縮減為11.38 m2、二次風率從40%提高到45%的低氮燃燒改造使NOx排放質量濃度從約210 mg/m3降低到180 mg/m3左右，可減少NOx排放2.574 kg/h，按照鍋爐平均年運行7 000 h計算，1臺75 t/h CFB鍋爐每年可以減少NOx排放量15.50 t，根據環境保護部文件規定每排放1 t當量NOx收取排污費1 200元,由《排污費征收使用管理條例》查得NOx當量值為0.95，則每年可少繳納NOx排污費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

吳劍恒(1975—)，男，高級工程師，從事電廠生產運行、科技創新和技術管理工作。

E-mail: wjh23456789@163.com

環保技術

TK229.66

A

1671-086X(2016)04-0244-06