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W型火焰锅炉氮氧化物超低排放技术应用研究

编辑:   发布时间:2018-09-12

一、项目背景及创新性

     阳城电厂安装有八台W型火焰锅炉,W型火焰锅炉主要为解决低挥发份无烟煤的难着火、难燃烬问题,该型锅炉在设计上采取了煤粉浓缩、分级送风燃烧、敷设大面积卫燃带等技术措施,用以提高炉内燃烧温度。多年来运行参数表明,W火焰锅炉火焰中心温度通常在1600℃以上,比四角切圆炉型炉温高约200-300℃,氮氧化物生成浓度高达1500mg/Nm3以上,增加了实现超低排放的技术难度。

     为了实现氮氧化物的超低排放,目前国内常采用的技术有低氮燃烧技术、SNCR炉内脱硝技术、SCR烟气脱硝技术等几方面,但上述技术在实现W型火焰锅炉的氮氧化物超低排放仍有一定的局限性:

1.W型火焰锅炉低氮燃烧技术尚不成熟

     W型火焰锅炉实施低氮燃烧改造,目前普遍采用降低主燃烧区域风量的技术手段,必然会造成燃烧缺氧、炉温降低的状况,破坏了无烟煤充分燃烧的必要条件,导致飞灰含碳量大幅上升和炉效降低,同时导致飞灰无法进行综合利用。2014年至2015年大家对贵州、湖南和山西的W火焰锅炉低氮燃烧改造进行了调研,目前的主流技术主要采用分离式煤粉浓缩器、直流式中心风煤粉燃烧器、乏气喷口移位等技术,改造后的氮氧化物一般降低20%左右,但均出现了减温水量增加、炉内结焦加剧、受热面超温、飞灰含碳量上升等问题,有的机组飞灰含碳量由原来的4~5%上升至14~15%,飞灰无法进入建材市场,给灰场库容造成很大的压力。

2.单靠SCR脱硝无法达到超低排放要求

     SCR技术使用催化剂,而且对反应温度场的要求较低,其脱硝能力较强,最大脱硝效率可达90%。但对于W型火焰锅炉由于氮氧化物本身排放浓度就较高,单靠SCR脱硝技术即使优化后效率达到90%也满足不了超低排放要求。

3.国内现有的SNCR脱硝技术脱硝效率在40%以下,且无W型火焰锅炉业绩

     目前国内火力发电厂SNCR脱硝技术首先用于循环流化床锅炉,其脱硝效率可达到70%以上,该技术在国内煤粉锅炉的使用起步时间较晚,且主要用在四角切圆和对冲式锅炉上,其NOX的排放浓度一般在300~400mg/Nm3左右。现阶段SNCR脱硝技术在W型火焰高NOX排放的锅炉上尚无使用业绩。主要原因为W型火焰锅炉由于本身炉内温度场较高,难以找到适于反应的温度区域,容易造成氨逃逸率上升或尿素的直接燃烧。另外目前运行煤粉炉SNCR的最高脱硝效率在40%以下,逃逸率在10ppm以上,存在着提高脱硝效率与逃逸率相应升高的矛盾。

     综上所述,W火焰锅炉低氮燃烧技术仍不太成熟,采用常规技术仍无法实现超低排放。为此,阳城电厂创新性的采用了掺配烟煤、高效的SNCR(效率50%以上),结合常规的SCR技术,成功地解决了上述问题,实现了W型火焰锅炉氮氧化物的超低排放。其中掺配烟煤、增加炉膛吸热量手段(去除部分受热面耙钉)降低了热力型氮氧化物为国内首创,高效的SNCR技术达到了国内同行业的先进水平。

二、成果的先进性

1.降低热力型氮氧化物技术先进性

(1)不同煤种燃烧特性热重分析

     对晋东南山西高平无烟煤、山西晋中吕梁烟煤、山西晋东南长治贫煤,以及各种不同煤质混合样品进行了不同煤种的热重分析,通过试验曲线对比发现,烟煤较无烟煤先进入燃烧失重区域,也早达到燃烧失重结束温度,随着烟煤掺配比例的提高,整个曲线向左侧移动,证明燃烧情况发生变化,由较难燃烧逐渐向较易燃烧过度。

     在无烟煤中掺配烟煤,随着烟煤比例的增加,燃烧失重开始温度和结束温度明显下降,说明高挥发分的烟煤对无烟煤的着火有一定的影响。当无烟煤比例大于50%时,烟煤对混合煤样的着火影响变小,证明如果采用烟煤和无烟煤掺配的分级燃烧方式,应该保证烟煤比例高于50%,才能保证分级燃烧的作用。

     通过热重分析试验,考虑烟煤、无烟煤按照>1:1,甚至3:1的比例掺配,能够改变入炉煤质的燃烧特性,形成炉内分级燃烧方式,可以降低煤粉着火温度,降低炉膛温度,从而降低热力型氮氧化物生成量。

(2)多煤种分级燃烧试验比对

     为了解决阳城电厂NOx排放偏高等运行难题,根据无烟煤、贫煤、烟煤不同着火温度的特性,开展了多煤种分级燃烧试验研究,以找到最优的配比方案。

     通过对十一种配煤策略的试验对比分析,大家发现了以下规律:

1)随着烟煤掺配比例的增加,锅炉的飞灰含碳量随之降低,机械不完全燃烧损失降低炉效上升,说明随着烟煤比例的提高,炉内烟煤和无烟煤的着火更加稳定,燃尽率更高。烟煤作为第一级燃料燃烧,为无烟煤的第二级燃烧创造了有利环境,提高了无烟煤的燃尽率;而且随着无烟煤的燃烧,也促进了炉内烟煤的燃尽。

2)当烟煤比例超过50%时,最明显的变化在于NOx排放下降明显,说明随着炉内烟煤比例的提高,炉内火焰的强度减弱,中心火焰温度下降,有利于减轻热力型NOx生成。

(3)卫燃带改造技术研究

     W型火焰锅炉由于卫燃带的存在,会加剧炉内的的结焦程度,进一步增加炉内温度,但炉内温度升高的同时会导致热力型氮氧化物排放过高等负面问题。为了有效的增加受热面吸热量,降低炉膛温度从而降低炉内热力型氮氧化物的生成,阳城电厂对炉内进行了两方面技改:(1)增加翼墙防焦风(2)减少卫燃带敷设面积。

     采用掺配烟煤策略和受热面卫燃带面积优化后,经测量炉膛温度比原来纯烧无烟煤降低了约200℃,热力型NOx生成量也相应下降。数据统计表明自2010年10月以来,随着分级燃烧技术的成熟,NOx排放逐年下降,由最初的1500 mg/Nm3排放值降至2015年的679mg/Nm3,效果显著。

2.高效SNCR关键技术

(1)先进的炉膛测温技术

     阳城电厂高效SNCR项目在线测温系统共布置12个测点,其中10个测点布置在28m高度,2个测点布置在36.2m高度,所测得炉膛温度等信号被送至SNCR控制系统,经过Rossler算法计算后用来显示,控制各层喷枪的投退和尿素溶液的用流量。其中36.2m平台2个测点主要起到校对作用,28m安装的10个测点测量该截面的温度及吸取系数的分布,将截面分为18个区域,计算出每个区域的平均温度,判断其他位置喷枪区域温度,送至SNCR喷枪的控制系统,并形成分布2D画面显示。

(2)合适的喷枪开孔位置

     通常情况下,炉膛温度测量在锅炉现有的沿炉宽分布的看火孔处测量,尽量选用热电偶测量装置,长度要求不小于3米,并选取不少于3个深度位置进行测量。测量时选取高、中、低三个负荷区段进行测量。

     阳城电厂SNCR项目中,利用32m、38m两个高度平台已有的观火孔,采用热电偶测量了200MW、280MW、335MW三个负荷下的炉膛温度场。测量时,10个观火孔处同时测量,热电偶伸入炉膛的深度分别为1m、2m、3m。由于锅炉负荷和燃用煤种的变化,炉内温度场变化情况较大,这一点在阳城电厂锅炉上表现尤为突出。在本项目的研究过程中,利用专业商务AppFLUENT对锅炉在不同负荷下的炉膛温度场进行了专题研究,初步验证了喷枪的开口位置。要确定炉膛SNCR系统喷枪开孔位置,大致要经过以下几方面细致的工作:

1)各工况下炉膛温度的测量;2)炉膛温度分析及温降分析;3)开孔位置的确定,覆盖炉内最高、最低负荷工况下的850~1100℃区域。

     通过数据分析,靠近水冷壁处区域测量温度比炉膛中心温度要低的多,当热电偶插入3米深度,所测温度已基本接近同高度区域的中心处烟温。低负荷工况下32米处烟温最高在1050℃左右(深度为3米处),38米处烟温最高在970℃左右,均满足反应温度场要求。中负荷工况下32米处烟温最高在1230℃左右,38米处烟温最高在1060℃左右,很明显32米处不适合反应温度场要求。高负荷工况下32米处烟温最高在1250℃左右,38米处烟温最高在1100℃左右,很明显32米处不适合反应温度场。

     在此高度一般认为炉内换热均匀,计算出在该区段内,在深度为1米区域,炉膛每升高1米,炉内烟温下降约为36℃/m;在深度为2米区域,炉膛每升高1米,炉内烟温下降32℃/m;在深度为3米区域,炉膛每升高1米,炉内烟温下降30℃/m,符合炉内换热规律。

     根据数值测试结果,阳城电厂4号炉选取了在炉前墙高度为33.9m、35.5m、38.5m、40m位置布置四层喷枪,根据温降分析,大家对各开孔位置温度进行了模拟测算。在200MW负荷时,38.5米以上炉膛温度普遍低于850℃,尤其是靠近炉墙处,在此区域喷入尿素溶液已造成逃逸率过大。而38.5米以下的33.9米、35.5米处普遍在850~1100℃之间,正好适于反应,所以在33.9米、35.5米选开孔位置主要用以覆盖低负荷下的合适反应温度的区域,33.9米处温度已接近与1100℃,若再向下部取开孔位置,极易容易超过反应适宜温度区上线。在335MW负荷时,35.5米以下炉膛温度普遍高于1100℃,尤其是3米深度测点,在此区域喷入尿素溶液已造成尿素燃烧氧化。而35.5米以上的38.5米、40米处普遍在850~1100℃之间,正好适于反应,所以在38.5米、40米选开孔位置主要用以覆盖高负荷下的合适反应温度的区域,40米处温度已接近于850℃,若再向上部取开孔位置,极易容易超过反应适宜温度区下线。

     另外,在后墙标高31.2m、32.4m处布置了两层喷枪,该位置已基本接近折焰角底部,主要为提高恶劣工况下脱硝效率而设。

(3)喷枪及喷嘴设计技术分析

     在SNCR系统中喷嘴设计尤为重要,要求既有较好的穿透深度,又有较好的雾化覆盖面积,并且当工况发生变化时,喷嘴的喷射距离、雾化角、雾化粒度等有一个稳定变化的过程,方便现场进行调节控制。喷嘴的尺寸及形状决定了炉内尿素液滴的射程、液滴的大小等关键因素,影响到炉内尿素溶液的蒸发时间、反应时间、混合均匀性,是获得高效脱硝效率的关键。阳城电厂SNCR在设计时为了确定合适的液滴尺寸、射程,供货方曾进行了不同种类的枪头喷射模拟试验和优化工作,最终确定出适合阳城电厂锅炉的的喷嘴形式。

(4)合适的喷枪数量设置

     喷枪的数量和布置方式所解决的问题是:通过喷枪射流与烟气的充分混合和射流的良好穿透力,保证整个炉膛截面还原剂的均匀分布。在炉膛截面上温度场的分布基本状况为内部温度较高,尤其是W型火焰锅炉整体炉膛温度较高,适于反应的温度场相当窄,仅限于靠近水冷壁附近区域,不能一味的追求还原剂喷射到炉膛内部,否则会造成还原剂的直接氧化燃烧,通过大量的试验与模拟,在充分考虑到喷射混合区域的前提下最终确定阳城电厂采用6层x 9支的喷枪设置模式。

(5)运行调控关键技术分析

1)系统设计考虑全面,在满足各层喷枪灵活切换的前提下,同时兼顾各层喷枪对浓度的不同要求。

2)自动调控喷枪前基本稳定的溶液压力是运行中保证雾化效果的关键。

     喷枪的雾化效果受枪前溶液压力的影响较大,喷枪的最佳雾化状况针对某台锅炉来说应该是个不变的。在常规的控制思路中,当负荷变动时尿素溶液随着增加,稀释水量随着增加(维持入炉尿素浓度10%左右),此时喷枪前压力随之上升,炉内尿素溶液的雾化状况、射程随之改变,这样在高负荷时会导致部分溶液喷入炉内高温区域(不适宜反应区域),低负荷时由于枪前压力降低雾化效果又会欠佳。所以基本稳定的尿素溶液的压力是保证尿素喷枪雾化效果的关键参数,也是技术的关键点。这一思路是通过调控稀释水和溶液的流量来实现的,也就是说通过自动回路调整流量保持枪前的流量在允许范围内波动,从而保证枪前压力在允许范围内波动。大家对机组负荷变化过程中负荷与入炉总溶液量之间的关系进行了分析,发现溶液量基本在12500Kg/h到14000Kg/h之间波动,另外溶液的稀释浓度并不是一固定值,当负荷的降低随之降低,其主要思路就是为了提高低负荷工况下尿素喷枪枪前压力,保证喷枪的雾化效果。当在高负荷阶段时,溶液浓度接近到50%左右,主要是防止高负荷工况下由于枪前压力过高引起的溶液穿透能力过强,喷入炉内过高温度区域

3)温度控制切换

     锅炉本体28m处四周安装的10个测点测量该截面的温度及吸取系数的分布,将截面分为18个区域,计算出每个区域的平均温度,每个区域的平均温度用以控制相应部位的各层喷枪的投退。

     通常情况下,当炉膛前墙相应区域温度大于850℃时,投运前墙第一层喷枪;温度大于1100℃时,投运前墙第二层喷枪;温度大于1200℃时,投运前墙第三层喷枪,同时退出第一层喷枪;温度大于1300℃时,投运前墙第四层喷枪投运,同时退出低二层喷枪。当炉膛后墙相应区域温度大于1100℃时,投运后墙第一层喷枪投运;温度大于1300℃时,投运后墙第二层喷枪。

三、成果的可推广性

阳城电厂SNCR脱硝效率可达到50%以上,结合配煤掺烧、SCR系统优化提效手段可望解决W型火焰锅炉氮氧化物超低排放问题,该技术路线值得在在国内其他项目上推广。

1. W型火焰锅炉通过改变煤质特性来控制炉内氮氧化物的生成量技术可在氮氧化物高排放浓度锅炉上推广。

2. 目前煤粉炉SNCR技术脱硝效率均在40%以下,且无W型火焰锅炉业绩,本项目高效SNCR技术可在行业内推广。

四、经济、社会效益

1.经济效益

(1)阳城电厂采用掺配烟煤降低氮氧化物的同时,锅炉飞灰含碳量由原来的10%降至5%左右,锅炉燃烧经济性得到提高;飞灰的综合利用率达到了80%以上,缓解了灰坝库容压力;锅炉稳燃行明显提高,稳燃用油基本为零。

     掺配烟煤降低了锅炉氮氧化物生成量,每年可节约液氨用量1.13万吨,锅炉效率由原来的87.17%提高至92.12%,提高了4.95%,单位发电油耗由64.73t/亿kW.h降低至5.34t/亿kW.h。飞灰含碳量下降,解决了粉煤灰外售问题,取得了约1亿元/年的经济效益。

2. 社会效益与间接经济效益

(1)实现了W型火焰锅炉氮氧化物的超低排放,解决了同类型机组的生存问题,维护了职工队伍的和社会的稳定。

(2)为祖国的碧水蓝天环保事业做出了应尽的责任。

五、推动行业进步

1.目前煤粉炉的SNCR脱硝效率一般在40%以下,阳城电厂高效SNCR技术脱硝效率在50%以上,处于行业先进水平,系统运行稳定,自投运以来,行业内多个厂家对该系统进行了调研学习,值得进一步推广。

2. 为高氮氧化物排放锅炉摸索出了实现超低排放新的技术路线。

3. 有效的规避了W型火焰锅炉进行低氮燃烧器改造后带来的飞灰含碳量升高、减温水量大、受热面超温等一系列负面问题。

六、实施应用情况

     采用掺配烟煤、高效SNCR技术、SCR脱硝技术相结合的手段,阳城电厂W型火焰锅炉实现了氮氧化物超低排放,解决了同类型机组的生存问题,避免了同类型机组采用低氮燃烧技术带来的飞灰含碳量上升、减温水量大、受热面超温问题。使用该技术阳城电厂已有4台350MW机组,2台600MW机组实现了氮氧化物超低排放,目前运行稳定,剩余的2台机组超低排放仍按照该技术路线进行改造。

     阳城电厂高效SNCR脱硝系统性能测试表明,各工况下脱硝效率均能达到50%以上,该项技术目前在国内属于先进水平。结合掺配烟煤、降低热力型氮氧化物等手段,阳城电厂首次实现了W型火焰锅炉氮氧化物的超低排放,为同类型锅炉摸索出新的解决问题途径,也为高效SNCR技术在国内的推广提供了工程上的依据。

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