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某超临界循环流化床锅炉 NOx 排放与问题分析

发布时间:2022-10-04 05:18:42 来源:18新利luck在线娱乐网 作者:18新利luck在线娱乐网注册

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  摘要:针对超临界循环流化床锅炉在机组负荷 50%以下时 NOx 达不到超低排放要求的情况,以某电厂 350 MW 循环流化床 机组为例,分析了该机组在实现超低负荷下 NOx 超低排放要求中存在的 NOx 超标、氨耗量过多和播煤风结构不合理等问题。结合 循环流化床锅炉自身特点,对锅炉部分结构提出了改造方案:新增一层二次风喷口同时进行二次风喷口改造、对落煤管进行托举 风改造、调整选择性非催化还原法(SNCR)尿素的分配方式,开展燃烧方式的调整优化。该文所提出的方案能为同容量机组的运行 和改造提供指导。

  随着国家对节能减排标准要求的逐步提高, 火电机组在 环保、经济、安全、市场等各方面面临的风险和压力也在提高。如何提高火电机组的综合性能指标,并保证机组安全、经济、 稳定、环保运行是火电机组需要长期考虑的问题。近年来,由 于电网结构调整,风电及光伏等新能源比重越来越大,更多的 火电机组参与调峰,电网深度调峰需求愈发明显。循环流化床 锅炉可以实现 40%稳燃负荷;但由于 SNCR 反应效率受制于 锅炉床温,仅能实现 50%调峰;50%负荷以下,即使开大尿素喷 枪开度,仍不能满足超低排放要求,严重影响机组参与电网深 度调峰。为解决以上问题,得到锅炉低负荷运行下优化火电机 组运行方式,本文以某电厂 350 MW 循环流化床机组为例,分 析了机组在超低负荷下运行存在的问题并提出对应的机组改 造方案,为同容量机组的改造给予一定指导。

  某电厂 350 MW 超临界循环流化床锅炉为变压运行直流 炉,循环流化床燃烧方式,一次中间再热、平衡通风、全钢构架 结构;锅炉采用汽冷式旋风分离器进行气固分离,运转层标高 为 12.6 m。过热器采用两级喷水调节蒸汽温度(直流负荷之后 以调节煤水比来调节温度)、再热器采用以烟气挡板调节蒸汽 温度为主, 同时设置微量喷水和事故喷水调温为辅的调温方 式。该机组现燃用煤种为校核燃料,相对于设计煤种,实际燃 用煤种热值偏低,灰分偏高,如表 1 所示。

  本锅炉为上海锅炉厂超临界参数、一次再热、岛式布置、 全钢架支吊结合的循环流化床锅炉。锅炉采用汽冷式旋风分 离器进行气固分离,运转层标高为 12.6 m。锅炉本体钢架由三 跨组成:第一跨布置启动分离器储水箱、炉膛、热一二次风道、 播煤风管道、滚筒冷渣器、输渣皮带等;第二跨布置汽冷旋风 分离器、回料器、高压流化风管道、风道燃烧器等;第三跨布置 尾部烟道、四分仓回转式空预器等,并预留 SCR 脱硝设备安装 空间。

  SNCR 脱硝技术原理主要是将氨气、尿素等还原剂通过喷 枪喷入水平烟道, 在合适的温度和气氛下将 NOx 还原生成氧 气和水,从而达到降低 NOx 排放量的目的 [1] 。主要化学反应是 以循环流化床锅炉旋风分离器入口水平烟道为反应器, 在适 当的温度下不使用催化剂将 NOx 还原生成氧气和水的反应, 其间主要的反应如方程式(1)~(2) [2] :

  SNCR 脱硝系统的一般工艺流程为:①尿素运输到厂区后 制成指定浓度的尿素溶液储存在储存罐内;②储存罐内的尿 素溶液通过高压泵与凝结泵出口引流而来的凝结水稀释后输 送至水平烟道平台处;③尿素溶液的浓度根据喷入点的烟温 流速以及 NOx 浓度等工况确定 [3] ;④尿素溶液经分配装置送 入分布在水平烟道平台上的各个喷枪,在雾化风压力下,尿素 溶液喷射入旋风分离器入口水平烟道对 NOx 进行还原。

  对于燃烧矿物材料的燃烧设备而言,NOx 的生成主要有 2 个来源:①燃料中的杂环结构氮在高温下分解,然后被氧化, 称之为燃料型 NOx;②空气中的氮在高温下与氧气反应生成 的 NOx,称之为热力型 NOx。热力型 NOx 主要是在 1 300 ℃的 高温区产生,而循环流化床锅炉的燃烧区间温度一般在 850 ℃ ~900 ℃之间,远低于热力型 NOx 的生成温度,所以循环流化 床锅炉不具备氧化空气中的氮形成热力型 NOx 的条件。烟气 中的 NOx 主要来源为燃料型 NOx, 所以循环流化床锅炉的原 始 NOx 排放浓度相较于其他燃烧方式的锅炉较低 [4] 。

  根据前人的统计数据,燃用同种燃料时,循环流化床锅炉 的原始 NOx 排放浓度显著低于煤粉炉 [5] ,同时 NOx 原始排放 浓度随着燃料中干燥无灰基挥发分含量的增加而增加。前者 主要是由于循环流化床锅炉的燃烧温度较低, 不具备生成热 力型 NOx 的条件, 烟气中的 NOx 主要来源于燃料型 NOx,但 会生成一定量的 N 2 O。后者是因为随着燃料干燥无灰基挥发分 的增加,燃料型 NOx 的产生量有所增加[6]。

  (2)炉膛过量空气系数:循环流化床锅炉密相区氧量的增 加会提高 NOx 生成;

  (3)燃料挥发分含量:燃料的挥发分含量越高,循环流化 床锅炉产生的 NOx 就越多。

  机组连续运行 4 d 的机组负荷和 NOx 排放如图 1 所示, 机组负荷高于 50%时, 投运 SNCR 后可满足炉膛出口 NOx 小 于 50 mg/Nm3,但尿素耗量偏大。当机组负荷小于 50%时,投运 SNCR 也不能保证炉膛出口 NOx 小于 50 mg/Nm3,达不到超低 排放要求,不能进行深度调峰。原因主要是低负荷下炉膛温度较 低,偏离了 SNCR 的最佳反应温度区间。因为 SNCR 脱硝不使用 催化剂, 所以相比于使用催化剂的 SCR 脱硝反应而言,SNCR 脱 硝反应更依赖温度,一般需要控制在 850 ℃~1 150 ℃ [8] 。温度的 变化导致了 SNCR 脱硝反应速率下降,反应不充分。负荷较低 时,烟气流速较低,尿素喷枪喷口内外压差降低。尿素溶液喷 出时速度相应降低,导致了尿素溶液雾化效果变差,也影响了 SNCR 的脱硝效率。部分运行参数对比见表 2。

  如表 2 所示,分离器 C 出口烟温比 A 和 B 处烟温低 50 ℃ 左右,同时一次风风量/二次风风量显著提高,出口氧量明显升 高。这说明现有的机组二次风配风方式不合理,需要进一步的 优化。

  落煤管炉膛侧管口如图 2 所示, 落煤管出口处下侧区别 于上侧呈黑色, 这主要是因为原有托举风经环形风管进入炉膛后仅在落煤管上半环形进口进入, 而在下半环形进口的空 气气流速度较小, 没有实现对落煤管底部出口煤颗粒进行抛 洒的功能。总结与归纳后,目前机组主要面临以下 4 个问题:

  (1)低负荷、低烟气流速下,尿素溶液雾化效果较差,雾化 液滴同烟气混合均匀性较低,严重影响 SNCR 脱硝效率;

  (2)低负荷下炉内床温过低,偏离 SNCR 最佳反应温度区 间,反应时间短,脱硝效率低;

  (3)目前两层二次风大角度喷入密相区,风温较低,过早 同一次风混合,密相区氧浓度过高,NOx 含量高;

  (4)现有机组锅炉二次风配风方式不合理,密相区供给二 次风比例较高,未能实现最大程度炉内减少 NOx 生成,炉内不 能实现密相区低氧低氮燃烧。

  在炉膛前后墙新增一层二次风喷口, 即布风板上以炉膛 高度方向实现分级燃烧。初步考虑是在前墙和后墙现有二次 风风箱顶部分别引出单根管进入新增母管, 新增母管再分别 引出多支分管接入炉膛,分管沿炉膛宽度方向等间隔布置。但 是,考虑到实际锅炉前后墙布置有原二次风箱吊架,无法布置 新增二次风箱,除非把风箱布置到足够高的位置,避开现有的 支吊架。因此,选择直接从原有二次风风箱位置引出各支管。由于二次风箱上引出了一层二次风喷嘴至风箱上部, 势必会 导致二次风风速下降,为了保持原有二次风风速,炉膛密相区 二次风喷口面积需重新计算。

  原有托举风经环形风管进入炉膛后仅在落煤管上半环形 进口进入,而在下半环形进口的空气气流速度较小,没有实现 对落煤管底部出口煤颗粒进行抛洒的功能, 因此托举风结构 需进行改造。对托举风套管和进口结构进行改造,扩大托举风 风管和倾斜角度,可以适量封堵托举风圆环上半部分面积,以 提高播煤风风速。

  原有 SNCR 系统在使用过程中出现了低负荷下对应尿素 喷量减少,尿素喷枪自身溶液雾化效果变差;低负荷下烟气流 量减少,低烟气流速同雾化液滴间混合变差,继续增大尿素喷 量仍不能满足 NOx 排放要求的问题。针对上述问题, 根据 SNCR 系统的结构原理,提出了以下 3 个改造方案:

  (1)更换/新增分离器进口当前布置的 SNCR 喷枪,增强单 喷枪雾化效果;

  (3)考虑在分离器进口顶部增设喷枪,但需考虑喷枪套管 上铺设浇注料进行防磨。

  锅炉运行参数对于 NOx 的生成有着显著的影响, 其中主 要因素包括床温、总风量(以氧含量表征)、一二次风配比、上 下二次风配比。深度燃烧调整包括优化物料流态及循环状态、 改善锅炉燃烧特性、控制燃烧温度均匀(控制床温均匀)、控制 入炉燃料颗粒度,调整一二次风率的配比、上下二次风、返料 循环、脱硝综合等,进一步有效降低原始生成量。

  循环流化床锅炉脱硝是一种系统性脱硝手段, 根据实际 情况对二次风配风方式进行改造;低负荷时及时调整尿素用 量和喷入状态;根据实际运行状态改善燃烧特性,进行燃烧调 整优化来降低循环流化床锅炉的 NOx 排放浓度。随着国家对 节能减排标准要求的逐步提高, 解决循环流化床锅炉在 50% 负荷以下 NOx 排放达到超低排放要求具有十分重要的意义。

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