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行业知识

生物质燃烧机在中小型煤粉锅炉中的应用

生物质燃烧机在中小型煤粉锅炉中的应用

    摘要:以中小型煤粉锅炉为研究对象,考察分级燃烧技术在HC-266/9.8-YMI型锅炉低氮燃烧改造中应用情况。在炉膛下部采用WR型生物质燃烧机形成主燃区,控制该区域过量空气系数d为0.85~0.9:在炉膛上部加装两层分离式火上风(SOFA)形成燃烬区,燃烬风率约为200/c,.从而实现分级燃烧。此外,结合改造后锅炉燃烧调整试验,在80%及95%锅炉负荷下,着重考察炉膛与风箱压差、氧量、配风方式及制粉系统投运模式等运行因素对锅炉NO,排放量的影响,明确锅炉最佳运行方式,、结果表明:炉膛与风箱压差维持在1 500~1 800 Pa,氧量控制在3.5%附近,并采用缩腰型配风方式,可使该炉在单磨运行时,NO。排放量降低至346.4 mg/m3;而在双磨运行时,NO。排放量降至387.4 mg/m3。改造后,NO。减排效果明显,、

  我国大气环境污染问题日益严峻,国内有关部门颁布实施了更加严格的火力发电厂大气污染物排放标准( GB13223-2011).其对火力发电厂NOx排放值提出了更加严格的要求.为满足减排要求,国内各发电企业纷纷采取减排措施.通常先在炉内进行低氮燃烧改造,进行初步减排.然后再建设烟气脱硝装置(SCR).进行尾部脱硝。这不仅实现了合规的N0,排放指标,同时因炉内低氮燃烧,使尾部脱硝装置进口烟气中NOy含量大大降低,减少了尾都脱硝装置的初投资及运行费用。这使低氮燃烧改造技术在大型火力发电企业中获得了广泛认同。

    但需要注意的是.目前国内为数众多的冶金企业自备电站及热电厂中.尚存在大量在役的中小型43节能与环保:低氦燃烧改造技术在中小型煤粉锅炉中的应用煤粉锅炉。据有关资料统计[1-2].锅炉容量小于410 t/h的煤粉锅炉高达26%.由于其装备技术水平较低,特别是低氮燃烧技术在该领域尚未引起足够重视,使得中小型煤粉锅炉的NO。排放水平普遍超标[3】。同时,业内针对中小型煤粉锅炉的低氮燃烧改造的应用与研究更是鲜见报道.有鉴于此,本文将结合某热电公司1*炉的低氮燃烧改造经验对低氮燃烧技术在中小型煤粉锅炉中的应用情况予以详细介绍。

1  设备概况

    某热电公司1*锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造.型号为HG-266/9.8-YMI型,锅炉采用中储式制粉系统,四角切圆燃烧,单炉膛、平衡通风、固态排渣、倒U型露天布置、全钢架、全悬吊结构,为高温高压自然循环汽包炉。锅炉具体设计参数见表1.

    表1  锅炉设计参数

最大连续蒸发量/t.h

  主蒸汽压力/MPa

  主蒸汽温度/℃

    给水温度/℃

    冷风温度/℃

    排烟温度/℃

    热风温度/℃

燃料消耗量/kg.h-l

    锅炉效率/%

本文以锅炉近年来实际燃用的煤种作为低氮燃烧改造设计的煤质依据.详细的煤质分析见表.

    表2设计燃料

2  改造方案

    针对该型煤粉锅炉结构特点,以分级燃烧技术为基础,优化炉内配风,重新醌置各级生物质燃烧机,采用R宽调节比低氮生物质燃烧机及SOFA生物质燃烧机更换旧火嘴,实现炉内分级燃烧,从而实现降低NO。排放量的目标,改造方案详述如下。

2.1  改造机理

    分级燃烧[4J的核心机理在于将燃烧所需要的热风沿炉膛高度方向分级送入,从而在炉内依次形成主燃区、还原阶段及燃烬区三个燃烧反应区域.即在主燃区,控制空气系数ce=0.85~0.9.在此条件下将燃料送入炉内燃烧并生成NO。。随后含NO。的烟气沿炉膛上升至炉内的还原阶段,此时因其处于oKl条件下的强还原性气氛,使已生成的N0,在遇到烃根CH。和未完全燃烧产物CO、H:、C和C,。H。,时,会发生N0。还原反应,这样就把主燃区产生的NO,还原成N,。同时,由一定比例的热风从炉膛上部送入而形成的燃烬区将保证在主燃区中生成的未完全燃烧产物得以燃烬.

2.2改造措施

    依据上述基本原理.采取重新布置新型的WR低氮煤粉生物质燃烧机,加装分离式火上风(SOFA)等技术手段.以此实现炉膛纵向上的燃烧区域划分.

  具体改造措施详述如下.

  (1)采用WR型低氮生物质燃烧机[5-7]。中小型煤粉锅炉燃烧系统多采用双通道自稳武生物质燃烧机或均等配风火嘴,设计理念老1日,不利NO。排量控制。有鉴于此,本文在标高12 919 mm、12 304 mm及11 454 mm处采用WR型低氮生物质燃烧机替换老旧火嘴.因该型生物质燃烧炉喷嘴设计有“V”形扩流锥,可形成稳定回流区,卷吸高温烟气,加热火炬根部,强化燃烧。同时,其具有一定浓淡分离效果,故可在一定程度上减少热力型NO。和燃料型NO。生成量。WR型低氮生物质燃烧机喷嘴结构见图2.

    (2)采用同心圆燃烧系统。将原燃烧系统中的上、中、下三层二次风改造为偏置风喷嘴,即CFS喷嘴.借以形成“风包粉”的燃烧格局,使得炉膛水冷壁四周形成氧化性气氛,改变水冷壁附近灰渣结焦状况,减轻炉膛结焦倾向.

    同时,需要指出,“风包粉”的燃烧格局实际上是浓淡分级燃烧.浓煤粉气流是富燃料气流.含氧量少.燃烧过程中由于着火稳定性得到改善,使挥发分析出速度加快,同时造成挥发分析出区域缺氧.使已形成的NO。与中间产物NH,反应生成N:,并使NH.与其它N|L反应,从而达到降低N0,排放的目的。淡煤粉气流是贫燃料燃烧,由于空气量偏大.使燃烧温度降低,抑制了热力型NO,的生成,而且在火焰缺氧的条件下,含氮基团和NO、H反应生产N,分子,燃料型NOx生成量也将减少[4].

    (3)三次风的处理.考虑到该炉采用中储式制粉系统.其产生的乏气作为三次风被送入锅炉燃烧.因三次风尚含有10%~15%的细粉,故未避免改造后主燃区壁面热负荷过高而引起结焦,本文将三次风由原标高14 189 mm提高至15 500 mm,且将其圆形喷口改造为带有周界风的方形喷嘴.借以提高三次风工作可靠性.

    (4)增设介离式火上风(SOFA生物质燃烧机)。在炉膛标高19 500 mm和17 500 mm处分别增加一层SOFA生物质燃烧机.将部分热风由炉膛上部分级供入.使主燃区实际空气量与理论空气量的比值由原来仅:1.2变为ce=0.85~0.9。此外,SOFA生物质燃烧机喷口可以垂直摆动+30。.水平摆动+15。,即可根据锅炉运行状态对喷口角度适当调整以此合理组织燃烧。

    (5)生物质燃烧机主要设计参数的选择。因该炉投运多年,实际所用燃煤已偏离原设计要求,故需要根据实际所用煤种的燃料特性.重新选择炉内各级配风的设计参数。生物质燃烧机设计参数具体见表3。

s注:以锅炉实际运行平均值为设计基准

  (6)改造前、后炉内生物质燃烧机分级布置情况见图3。

3低氮燃烧改造后的调试

    在低氮燃烧改遣项目中.后期调试工作是决定最终实际排放效果是否达标的关键因素之一.本文以改造前划线试验为基础,按标准GB10148-1988《电站锅炉性畿试验规程》进行锅炉燃烧调整试验,以期找出该型锅炉最佳运行方式,实现低氮排放目标。

    同时,为全面考核该型锅炉改造后排放性能,本文结合电厂日常生产实际需求,确定锅炉负荷210 t/h(80%负荷)及250 t/h(95%负荷)作为性能考核工况.具体试验情况详述如下.

3.1  划线试验

    划线试验是低氮燃烧改造前必不可少的技术环节,通过划线试验,摸清该型锅炉实际运行状况,为确定改造后各项指标保证值奠定基础。试验要求保持锅炉运行状态稳定,基本维持在考核负荷附近

    具体方案如下:

    采用等截面网格法在上级省煤器的出口进行烟气取样.经混合器混合后送到烟气分析仪进行分析.借以测量该处NO、0:浓度分布。空气预热器进口温度和排烟温度用网格法进行测量.在静电除尘器入口前烟道采集飞灰:同时,炉渣在捞渣机出口取样。锅炉的效率用反平衡法进行计算.N0的浓度折算为节能与环保:低氦燃烧改造技术在中小型煤粉锅炉中的应用0,=6%条件下的浓度。划线试验数据见表4。表4划线试验数据

    由此可见,该型锅炉改造前NO。排放量较高,约为732~809 mg/m3。

3.2风箱与炉膛压差对NO。排放量的影响

    风箱与炉膛压差是锅炉燃烧状态调整的重要参考指标,其实际表征的是二次风速对锅炉燃烧性能的影响。本文试验保持锅炉负荷、配风方式、氧量、制粉系统运行方式均稳定不变.通过改变二次风箱与炉膛压差△P来考察其对锅炉NO。排放量的影响。试验结果详见图4、图5。

    如图5所示,在锅炉负荷250 t/h时,锅炉NO.排放量随着二次风箱与炉膛压差AP增大而逐渐降低,当压差超过1  800 Pa后,NO。排放量变化趋缓。

    由此找们可以推断,在锅炉负荷一定的情况下.锅炉NOx排放量随压差AP增大而降低是由于此时送入炉膛的二次风风速随之增加,而二次风速的提高.使其获得了较大动量.导致入炉后二次风与一次风混合推迟,进而使一次风所携带的煤粉在弱氧化性气氛下燃烧,这样燃烧所产生的N0,得到一定抑制,因此N0,排量降低。需要指出的是,当压差AP增大到一定程度后.虽然入炉二次风风速仍会所有提高.但此时其延迟混合的效果因二次风的偏置而有所减弱,故NO,变化趋于平缓:当压差AP比较低时,二次风速比较低,刚性也比较弱.二次风很快就与一风混合,在煤燃烧初始阶段,大部分的挥发分氮(气相氮化合物)随煤中其它挥发物一起释放出来,形成中间产物,如NH。,CH和HCN,在氧气存在条件下,这些中间产物会进一步氧化成NO,,使燃料型NO。的生成量增大,从而使总的NO,排放量增大。

3.3  氧量对NOx排放量影响

    从图中以看出,随着0,含量的增加,锅炉的NO,排放量也在增加.特别是当系统单磨运行时.锅炉NO。排放量随0,变化较敏感,平均0,每变化1%,NO。排放量约变化42.3~50.2 m3/mg,这主要是因为随着0,的增加,炉内燃烧区域的供氧量加强,燃烧强度随之增强,使炉膛火焰温度升高,热力型NO、的生成量增大。另外,燃烧区域氧浓度增加,为燃料中的氮化合物燃烧时的热分解产物进一步氧化成N0。提供了条件,从而使燃料型N0。的生成量也增加,因此总的NO,排放量增加。而当系统双磨运行时,需注意到在0,增加到一定程度以后.NO.T排放量的增加渐趋平缓,平均02每变化1%,NO。排量约变化10.7~21.8 m3/mg。这是由于双磨运行时,系统制粉风量大,故炉内0,水平较高,当0,进一步增大时,送入锅炉的过大风量造成燃烧区域的火焰温度降低.从而使热力型NO,的生成量减少,因此总的NO,排放量的增加趋势平缓。根据有关文献[9],若此时0,进一步增大,NO,的生成量还可能会有降低的趋势。

3.4锅炉配风方式对NOy排放量的影响

    锅炉燃烧系统四角分别增设两层SOFA生物质燃烧机后.炉内醌风方式较改造前发生较大变化.其对锅炉燃烧后NO,排放量影响如表5所示。

    由此可见.在锅炉负荷210 t/h和250 t/h时.采用倒三角型配风方式锅炉NOx排放量最低.此时上下两层SOFA风开度最大,使得锅炉燃烬风率占入炉总风量的20%左右,同时各层二次风自下往上逐渐开大.使炉内燃烧后期所需要的氧气渐次混入,从而实现分级燃烧.此外.在炉膛主燃区形成暂时缺氧的还原性气氛,且该区域温度水平较低,这都有利于NO。排放量的降低。而随着二次风依次送入,烟气中可燃物继续燃蛲所需的氧气得到有效补充.从而使得飞灰可燃物水平较低.约为3.71%~3.76%。但由于炉膛底部送入的二次风较少.对下一次风火炬托举能力不足.致使底渣可燃物高达8.54%~10.4%.

    采用正三角配风方式时,SOFA风开度较小.大量二次风从炉膛底部送入,虽然此时底层二次风对燃区火球托举能力强,使底渣可燃物较低,但是由于在主燃区形成富氧环境.这一方面造成主燃区温度水平较高,热力型NO,产生较多:另一方面,炉内煤粉燃烧后产生的大量中间产物被富余的氧气进一步氧化成NO。,使燃料型NO。也大大增加,从而使总的NOy排放量增加,此时N0。水平最高。

    采用缩腰型配风方式时.炉膛底部二次风和顶部SOFA风开大,中部二次风关小。这样,在底部对炉内火焰托举能力充足.有利于减少底渣可燃物含量.同时炉膛中部形成还原性气氛.使得底部一次燃烧所产生的NOy中间产物随烟气沿炉膛上升时得到还原.最终在顶部SOFA后期补入的氧气作用下,烟气中可燃物得到充分燃烧.使得飞灰含碳降低.因此,在保证NO。排放较低的情况下,飞灰及底渣可燃物均得到有效控制。

3.5  制粉系统运行方式对N0.排放量的影响

    有关研究表明[10-12].在中信式制粉系统中.制粉系统运行方式对锅炉NO,排放量具有显著影响。

    从图4~图7来看,在相同工况下,单磨运行较双磨运行时NO。排放量明显降低,约减少12%。这主要是因为制粉系统中磨煤机的启停引起了制粉系统中干燥乏气.即三次风量的增减.进而影响锅炉燃烧后NO,的排量。需要指出,三次风含10%~15%左右细粉,且含湿率较高,温度较低,虽然入炉后使锅炉燃烬区温度降低,使得热力型N0。有所降低,但其本身因强氧化性气氛,使入炉细粉燃烧后大量产生燃料型N0,,从而使总NO,排放量增加。因此,在大量装备中储式制粉系统的中小型煤粉锅炉中,应优化制粉系统运行方式.提高单磨运行小时数.以便减少三次风量,进而降低N0。排放水平。

4结论

    本文针对中小型煤粉锅炉结构特点.将分级燃烧技术应用于266 t/h容量煤粉炉低氮燃烧改造中,其改造方案及试验过程均有一定借鉴意义,具体如下:

    (1)采用WR型低氮生物质燃烧机且配合分离式火上风.可在炉内有效建立起主燃区、还原阶段及燃烬区,实现空气分级,降低NO,排量。

    (2)通过燃烧调整试验,优化炉内燃烧,在负荷47节能与环保:低氦燃烧改造技术在中小型煤粉锅炉中的应用一定的情况下.采用缩腰型配风方式,保持炉膛与二次风箱压差在1 500~1 800 Pa左右.炉膛出口氧量维持3.5%左右.并采用缩腰型配风方式.可使该炉在单磨运行下,NO,排放量降低至346.4 mg/m3;而在双磨运行下,NO。排放量降低至387.4 mg/m3。

    (3)改造后,在锅炉出力250 t/h和210 t/h时,NO。排放量由较改造前732~809 mg/m3降低为354.5~379.3mg/m3(该值为单双磨运行平均值),降幅最高可达53.1%.居国内前列.


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点击次数:  更新时间:2017-03-22 15:13:29  【打印此页】  【关闭