CFB锅炉作为20世纪70年代发展起来的一种高效的洁净煤燃烧技术,以其低温流化燃烧､物料循环反复､二次风分段送风的特点,具有优越的调峰经济性､良好的煤种适应性､高效的劣质燃料燃烧效率､优良的环保性能(氮氧化物排放低､低成本石灰石炉内脱硫)和较高的灰渣综合利用价值,近年来在国内外得到迅速的发展,成为中小型热电厂和燃烧劣质燃料电厂的首选炉型｡
在CFB锅炉运行中,基本上都是在保证床料良好流化的基础上,通过调整二次风量来调节风煤配比､一二次风配比和上下二次风配比,有效地控制炉内燃烧份额和物料混合,改善传热强度和穿透能力,优化炉膛内温度和物料分布,从而达到调整锅炉负荷､提高效率的目的,还可有效降低NOx､SO2､CO等污染物的排放质量浓度｡
为此,从NOx生成机理和优化锅炉结构等方面,对燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉增设一层二次风､形成上中下三层二次风的低氮燃烧改造,以降低NOx原始排放质量浓度｡笔者介绍了2台燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉低氮燃烧改造内容及其效果,为其他锅炉改造提供工业应用的借鉴｡
1、改造前设备状况及分析
1.1中温旋风分离CFB锅炉现状
拟改造的2台中温旋风分离CFB锅炉是某锅炉制造厂为燃用福建无烟煤而设计的中温中压参数､DG75/3.82-11型CFB锅炉,采用“高炉膛､低烟速､高炉膛燃烧温度､中温旋风绝热分离､中物料循环倍率”设计方案,分别于2000年4月和2001年9月投运｡截止到2014年底,2台锅炉累计运行时间分别为107942h和98063h｡
图1为CFB锅炉简图｡
为增强二次风的穿透性和扰动性,该CFB锅炉前后墙的水冷壁以标高11.787m处为拐点(见图1),以上是竖直布置,以下呈倒锥形布置,炉膛横截面(以水冷壁管中心计算)由4.645m×5.905m缩小到布风板(标高4.70m)截面2.470m×5.905m｡额定工况下,布风板处设计烟速为3.8m/s,实际运行烟速为3.5~4.0m/s;上二次风口以上的炉膛设计烟速为4.0m/s,实际运行速度为3.5~4.5m/s;设计物料循环倍率为18.22,实际物料循环倍率为15~20｡
该锅炉采用分级燃烧技术,燃烧空气包括一次风､二次风和播煤风,其中约占总风量55%的热一次风分成左､右两股,从炉底等压水冷风室经过风帽进入燃烧室密相区,约占总风量37%的二次风分为下层(喷嘴中心标高7.14m)､上层(喷嘴中心标高10.80m),通过布置在前后墙上的32个喷嘴(每层16个,前后墙各8个,对称布置,喷嘴截面为110mm×60mm)从高速射入炉膛;约占总风量8%的播煤风(来自热一次风,经过增压风机加压)从落煤管(单侧前墙给煤方式,2个给煤口,中心标高6.53m)进入炉膛｡锅炉主要设计参数见表1,主要运行参数见表2｡
1.2影响NOx排放质量浓度的因素分析
1.2.1生成机理的影响
(1)燃煤中含有N,燃烧过程中燃料N､空气N与氧气在合适环境下生成NO,且氧化性气氛越强,NO生成量越多｡所以仅可在燃烧过程控制NOx生成量,但无法避免NOx生成｡
(2)由于该锅炉采用炉前集中给煤,尽管给入的福建无烟煤仅占床料总量的5%左右,并在流化状态下立即与炽热的床料进行混合,但因空气与给煤分配的比例不均和底部燃烧还不够强烈,燃烧室底部具有较高的氧浓度,局部氧化性气氛下致使NO大量生成｡CFB锅炉中燃料型NOx是其生成NOx的主要组成部分,其含量超过95%｡
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1.2.2锅炉结构的影响
(1)2台CFB锅炉下二次风喷嘴中心(标高7.14m)距离布风板(标高4.70m)为2.44m,距离回料口(标高5.56m)只有1.58m｡该区域属于燃烧室密相区,物料浓度较大,下二次风的扰动､混合作用有限｡
(2)落煤管中心(标高6.53m)与下二次风喷嘴中心(标高7.14m)的距离只有0.61m,约占总风量8%的播煤风从落煤管进入炉膛,补充部分氧量,消弱了还原气氛,不利于NO分解｡
1.2.3运行参数的影响
工业热态试验证明:NOx排放质量浓度随空气过量系数λ增加而明显增加,且增加速率逐渐减小;NOx排放质量浓度随二次风率β的增加而明显下降,且降低速率逐渐减小;NOx排放质量浓度随着上二次风率k增加而呈现先明显下降,再逐渐减小至平缓,最后略微上升的趋势,表现为开口向上的抛物线;通过优化运行参数和调整一二次风配比､上下二次风配比,可从源头上降低NOx生成量和排放量,控制原始NOx排放质量浓度在180mg/m3(干基,6%O2)左右｡
2、低氮燃烧改造方案分析
为从源头上降低NOx生成量,在优化运行燃烧和调整二次风比的基础上,以多次工业试验数据为依据,从NOx生成机理和优化锅炉结构方面着手,采用提高下二次风喷口高度和增设一层二次风对中温分离CFB锅炉进行低氮燃烧改造｡
改造思路:为延长具有较强还原性气氛的富燃料区(密相区)反应区间,抬高下二次风喷嘴装置高度0.5m,并提高二次风风速,以增强下二次风的穿透性和扰动性,提高中心区域的传热强度和燃烧均匀性,减少NOx生成量;同时,将一､二次风量的比例由60∶40调整为50∶50,以强化密相区的还原气氛;新增一层上二次风喷口,形成上､中､下三层二次风,补充氧气并控制炉内燃烧､NOx生成与分解,实现NOx排放质量浓度从180mg/m3左右降低到150mg/m3以下;并且锅炉具有高的热效率,机械不完全燃烧损失q4得到良好的控制｡
改造方案:(1)提高下二次风喷口在水冷壁上的高度0.5m,由原标高7.14m提到7.64m;维持锅炉四周标高9.6m处的风箱及主管道d=600mm､δ=5mm不变;喷口设计空气速度由48m/s提高到54m/s;(2)原上二次风更名为中二次风,喷口标高维持不变,风箱及主管道d=600mm､δ=5mm由原标高12.54m下降至12.04m;中二次风喷口设计空气速度由48m/s提高到54m/s;(3)新增一层上二次风16个风嘴,喷口入口设在水冷壁前､后墙标高12.65m处,左右对称布置,水平安装角度为30°;上二次风箱及主管道d=600mm､δ=5mm设在标高15.3m处,直接水平连接烟道;上二次风风源取自一次风热风母管道(主要考虑现有二次风机不能满足送风要求),上二次风喷口空气设计速度为64m/s,并设置风门挡板､风量流量计等｡
3、低氮燃烧改造效果
2015年2—3月,先后完成了2台中温旋风分离CFB锅炉低氮燃烧改造｡为验证低氮燃烧改造效果,按照DL/T260—2012《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》进行了工业热态试验｡
燃用设计煤种相近的福建无烟煤,其化验分析结果见表3,其粒径分布见表4｡
试验内容､方法､步骤和计算方法见文献｡烟气成分采用布置在除尘器出口烟气分析仪进行测量,并用邻近位置的烟气排放连续自动监测装置进行比对,每5min存储记录一组数据｡
3.1二次风率β对NOx排放质量浓度的影响
图2描述了保持一次风量和上二次风量基本不变的情况下,二次风率β对NOx排放质量浓度的影响｡
由图2可见:随着二次风率β的增加,NOx排放质量浓度快速下降,但降低速率逐渐减小;但二次风率β超过60%后,NOx排放质量浓度则呈现增加趋势,表现为开口向上的抛物线,拟合公式为式(2),重合度为0.9972｡这表明存在最佳的二次风率β使NOx排放质量浓度最低,这与改造前试验得到的规律是基本一致的｡
与改造前相比,在二次风率β相同的情况下,NOx排放质量浓度降低30~40mg/m3;最佳的二次风率β由40%~50%后移至45%~60%｡
主要原因有:(1)下二次风喷嘴中心上移0.5m,下二次风口下部的处于较强还原气氛下的富燃料区间(密相区)增加,物料在强还原气氛下停留时间延长,有利于抑制NO生成,且提高了NO还原速率,降低了NOx排放质量浓度;(2)下二次风喷嘴中心上移0.5m,距离布风板的高度由2.44m增至2.94m,距离回料口的高度由1.59m增至2.09m｡
该区域物料质量浓度有所降低,同时下二次风喷口设计空气速度由48m/s提高到54m/s,下二次风的穿透射程增大,扰动､混合作用增加,提高了炉膛中心区域的传热强度和氧气浓度,两级燃烧作用明显;(3)本试验是在维持一次风量和上二次风量基本不变､通过增加二次风机变频器开度来增加二次风量调整二次风率β的,而研究证明增加二次风率有抑制燃料氮的转化､减少NOx生成的作用,从而降低NOx排放质量浓度｡
3.2中二次风率km对NOx排放质量浓度的影响
保持一次风量和上二次风量基本不变､二次风机变频器开度基本不变､二次风率β≈50%的情况下,通过调节下二次风和中二次风挡板开度来改变中二次风率km｡图3描述了中二次风率km对NOx排放质量浓度的影响｡
由图3可见:随着中二次风率km的增加,NOx排放质量浓度呈现先明显下降(km≤30%),再下降速率逐渐减小(30%<km≤45%)至平缓(45%60%),表现为开口向上的抛物线,拟合公式为式(4),重合度为0.9787｡由此可推断,燃烧福建无烟煤的中温分离CFB锅炉存在有一个最佳的中二次风率km,使NOx排放质量浓度最小,这与改造前试验得到的规律是基本一致的｡根据本试验结果,在过量空气系数λ≈1.2､二次风率β≈50%的情况下,最佳的中二次风率km在45%~60%｡
与改造前相比,在中二次风率km(原上二次风率k)基本相同的情况下,NOx排放质量浓度降低35~45mg/m3;最佳的中二次风率km由55%~65%前移至45%~60%｡
主要原因有:
(1)将一､二次风量的比例由60∶40调整为50∶50,在额定工况下布风板设计烟速由3.83m/s降低为3.65m/s,加上下二次风喷嘴中心上移0.5m,物料在强还原气氛下的富燃料区间(密相区)停留时间延长约0.17s,有利于抑制NO生成;
(2)中二次风喷口设计空气速度由48m/s提高到54m/s,增强了中二次风的穿透性和扰动性,提高了炉膛中心区域的传热强度和燃烧均匀性,减少了NOx生成量和排放量;
(3)保持一次风量和上二次风量基本不变､二次风机变频器开度基本不变､二次风率β≈50%的情况下,通过调节下二次风和中二次风挡板开度来改变中二次风率km,随着中二次风率km增加,下二次风随之减少,意味着中二次风喷嘴以下的流化速度变小,物料停留时间增加,密相区和过渡区的还原性气氛增强,NOx的生成量和排放量减少;
(4)随着中二次风率km增加,炉膛内空气含氧量随之增加,强化了福建无烟煤的后燃性,提高了炉膛出口烟温,增加了焦炭燃烧和挥发分N燃烧过程NO生成量,对NOx排放质量浓度起到双重作用;
(5)当中二次风率km在45%~60%,虽然中二次风喷嘴以下的煤炭处于还原性气氛中不完全燃烧,但密相区内严重缺氧环境也延迟了颗粒的着火和燃烧,NO的生成量和排放量达到最低值;
(6)当中二次风率km超过60%时,密相区内严重缺氧影响了NH3与NO的还原反应,导致NOx排放质量浓度增加｡
3.3上二次风率kup对NOx排放质量浓度的影响
保持一次风量基本不变､二次风机变频器开度不变､下二次风和中二次风挡板开度不变,通过调节上二次风挡板开度(配合微调一次风机出口挡板开度)来改变上二次风率kup｡图4描述了上二次风率kup对NOx排放质量浓度的影响｡
由图4可见:随着上二次风率kup的增加,NOx排放质量浓度呈现先平缓下降(kup≤15%)再逐渐上升的趋势,拟合公式为式(5),重合度为0.9749｡
主要原因有:
(1)在水冷壁前后墙标高12.65m处新增一层上二次风16个风嘴,上二次风喷口空气设计速度为64m/s,而该区域物料质量浓度较低,上二次风具有较强的穿透性和扰动性,可有效降低NOx生成量;
(2)随着上二次风率kup的增加,虽然上二次风的穿透射程随之增加､混合和搅拌能力随之加强,也提高了中心区域的传热强度和氧气浓度,分级燃烧作用明显,可有效抑制NOx生成量;
(3)当上二次风率kup超过15%后,上二次风喷嘴以下的煤炭处于还原性气氛中不完全燃烧,大量低温(约180℃)的上二次风的射入虽然提供了充裕的氧气,但降低了炉膛内的温度,延迟了颗粒的着火和燃烧;
(4)本试验是保持一次风量和下､中二次风量基本不变,通过调节上二次风挡板开度(配合微调一次风机出口挡板开度)来改变上二次风率kup｡上二次风率kup增加,意味着空气过量系数λ增加,而试验证明NO排放质量浓度随空气过量系数λ增加而增加｡
3.4对机械不完全燃烧损失q4的影响
图5､图6､图7分别描述了二次风率β､中二次风率km､上二次风率kup对机械不完全燃烧损失q4的影响｡
由图5､图6､图7可见:二次风率β､中二次风率km､上二次风率kup对机械不完全燃烧损失q4的影响曲线均表现为开口向上的抛物线,拟合公式分别为式(7)､式(8)､式(9),重合度分别为0.9961､0.9878､0.9974｡这表明对于燃烧福建无烟煤的中温旋风分离CFB锅炉,存在最佳的二次风率β､中二次风率km､上二次风率kup使q4最小｡本次热态试验表明,在过量空气系数λ≈1.2的情况下,最佳的二次风率β为45%~55%,最佳的中二次风率km为45%~55%,最佳的上二次风率kup为5%~15%｡
同时,与改造前的工业试验相比较可知,相近工况下机械不完全燃烧损失q4降低了1.0%~1.5%｡这说明本次低氮燃烧改造对提高空气和燃料在炉内的扰动､混合有着明显的增强作用,从而降低了锅炉机械不完全燃烧损失q4,提高了CFB锅炉的运行经济性｡
4、结语
75t/hCFB锅炉增加三层二次风的低氮燃烧改造,经工业热态试验和运行实践证明:该低氮燃烧改造使NOx排放质量浓度从约180mg/m3降低到140mg/m3左右,可减少NO排放3.43kg/h,按照锅炉平均年运行6500h计算,2台75t/hCFB锅炉每年可以减排NOx44.62t,少缴纳NOx排污费56362元｡
文献信息
吴剑恒,俞金树,何宏舟,庄松田.75t/h中温分离CFB锅炉增加三层二次风的低氮燃烧改造[J].发电设备,2016,03:177-182.