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循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究
作者:管理员    发布于:2019-01-21 13:05:45    文字:【】【】【

循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究    作者 李楠,张世鑫,赵鹏勃,任伟峰,高洪培,孙献斌.

 

1引言 CFB锅炉普遍采用SNCR方式脱除烟气中的NOx,反应温度窗口为850~1050℃。近年来,电力需求增速变缓,越来越多的机组需要调峰运行,大量CFB锅炉在低负荷情况下,由于循环灰量少,分离器入口温度低于850℃,导致SNCR反应无法进行,采用单一的SNCR脱硝技术无法满足NOx超低排放要求,采用低氮燃烧技术降低原始排放结合SNCR脱硝系统是实现CFB锅炉NOx超低排放的有效途径。吴剑恒等通过延长还原性气氛的富燃料区反应区间,增强二次风穿透性,提高炉膛中心区域传热强度的方法,使某75t/hCFB锅炉NOx原始排放从180mg/Nm3降至140mg/Nm3,机械不完全燃烧损失降低1%~1.5%。陈建军等在优化二次风喷口布置的基础上增加FGR系统,使某130t/hCFB锅炉NOx排放降至50mg/Nm3以下。清华大学提出的基于流态重构低床压降节能型CFB锅炉技术路线,通过增加有效床料浓度,NOx原始排放浓度从192mg/Nm3降至113mg/Nm3。Artur在蒸发量为1296t/h的CFB锅炉上试验发现,FGR可均衡CFB锅炉炉膛纵向温度分布,加快炉膛下部热通量恢复。本文通过对某130t/hCFB锅炉进行低氮燃烧改造,分析改造后炉膛参数变化,为同类型机组的改造提供参考。
2
研究对象
某电厂1号炉为 130/9.8型高温高压循环流化床锅炉,单炉膛,自然循环,全悬吊结构,全钢架π型布置。炉膛采用膜式水冷壁、汽冷式旋风分离器,尾部竖井烟道布置两级3组对流过热器,过热器下方布置3组省煤器及一、二次风各3组空气预热器。锅炉采用SNCR脱硝方式,改造前锅炉NOx原始排放浓度约300mg/Nm3,最高排放浓度约350mg/Nm3。锅炉常用燃料为烟煤,同时掺入5%干污泥,燃料性质分析见表1

3技术方案
 
3.1 分离器提效改造
Mazyan等以直径190mm的分离器为模型,经数值模拟发现,在分离器上部增加切向进气室,分离器效率最高可增加50%,压降增加不超过8%;王勇以某410t/hCFB锅炉为研究对象,经优化中心筒插入深度,延长中心筒长度至入口烟气高度的1/2,提高了分离器效率;李楠采用带偏置的渐缩型中心筒,增加锅炉循环灰量,降低床温30℃,脱硝还原剂20%氨水的消耗量由20t/d降低为4t/d。
分离器内部的烟气为混合有宽筛分颗粒的气固两相流,在离心力与重力作用下,颗粒经离心分离和沉降分离后被分离器捕捉。基于此原理,Muschelknautz等提出了计算分离器效率数学模型,采用式(1)计算分离器切割粒

径dv。

其中,μg为气体黏度;Ve为分离器下部锥体体积;ρs为颗粒密度;ρg为气体密度;Hc为中心筒底部至分离器锥体底部距离;μθcs为气体切向速度。切割粒径越小,分离器效率越高,由式(1)可知,切割粒径与气体切向速度成反比,通过提高气体切向速度,可减小切割粒径,提高分离效率。国内工程经验表明,分离入口烟气速度在30m/s左右可得到较好的分离效果(表2)。本文研究对象改造前分离器入口烟速为18.17m/s,有较大改造空间,通过重新制作分离器入口烟道浇注料,缩小烟道宽度,烟气速度由18.17m/s提高至26m/s。

 
3.2 FGR改造
增设FGR系统,根据锅炉烟气O2体积分数较低的特点,在保证总流化风量的情况下,降低一次风量及密相区氧含量,强化密相区还原性氛围,抑制床温。1号炉额定负荷下,一、二次风量各为62000Nm3/h,一、二次风率均为50%,烟气量155000Nm3/h,增加FGR系统后,将10%烟气通过FGR管道引入一次风机,一次风流量不变,一次风O2体积分数降至17.75%,折算为21%的空气流量为50190Nm3/h,二次风流量从62000Nm3/h增加至73810Nm3/h,一次风率降低至40%,二次风率提高至60%,可强化空气分级燃烧效果,降低NOx生成量。
2.3二次风口改造
锅炉原有上、中、下3层二次风,前墙4列,后墙2列,左右侧墙各布置2列。3层二次风口距离布风板高度分别为2626、1626和833mm。本次改造将前墙和后墙原下二次风口整体上移,具体为将原下层二次风口封堵,在距布风板3600mm开孔作为改造后上二次风,锅炉左右侧墙原下二次风口封堵,其余不作改动,如图1所示。改造后的下二次风口距布风板1626mm,扩大了密相区还原性范围。

4改造效果与分析
 
4.1氧含量对反应器出口NOx排放的影响
实验与工程实践表明,NOx的排放随锅炉氧含量的增加而增加。从SNCR反应机理上分析,O2既可促使NH3还原NO,也可将NH3氧化成NO,但随着O2提及分数的增加,对NH3的氧化反应更加有利,促使NOx排放增加。1号炉改造后,在130t/h负荷下,NOx原始排放浓度由改造前的300~350mg/Nm3降低至245mg/Nm3。不同负荷下还原剂耗量与氧含量的关系如图2所示,氧含量在3.3%~3.8%时,1号炉20%氨水消耗量为260kg/h,可以实现NOx排放<50mg/Nm3,对应氨氮摩尔比NSR=2.9。随着氧含量继续提高,3个负荷试验工况均表现为还原剂用量增加;当氧含量<3.3%且继续降低时,3个试验工况仍表现为还原剂用量增加。低氧含量下还原剂用量与NOx排放如图3所示。130t/h负荷下,当氧含量低至2.2%后,氨水消耗量增加至400kg/h(NSR=4.4),NOx排放量增加至110mg/Nm3,且此时随着氨水消耗量继续增加,NOx排放无变化。


Fumihiko等、李明磊分别通过搭设试验台与数值模拟方法,发现随着氧含量的增加,脱硝效率逐渐降低,SNCR反应在缺氧环境下几乎不会进行,但未对SNCR反应需氧量进行定量分析。1号炉的3个试验工况表明,随着氧含量的变化,SNCR反应可以分为4个区间:①0~2.2%为无效区,由于环境缺氧,SNCR反应链不会进行,反应器出口NOx排放取决于锅炉低氮改造后的原始排放;②2.2%~3.3%为反应低效区,该区间虽然原始排放较低,但由于脱硝效率也较低,致使反应器出口NOx排放依然较高;③3.3%~3.8%为高效区,该区间脱硝效率较高,反应器出口NOx排放较低;④>3.8%为反应低效区,该区间锅炉原始排放增加,脱硝效率降低,反应器出口NOx排放升高。
 
4.2 FGR对NOx排放的影响
SNCR系统停运的情况下,在不同负荷下对1号炉进行FGR调整试验,如图4所示,各工况下,NOx原始排放浓度均随FGR开度的增加而减小。70t/h负荷下,NOx原始排放浓度由155mg/Nm3降为90mg/Nm3;90t/h负荷下,由190mg/Nm3降为125mg/Nm3;130t/h负荷下,由245mg/Nm3降低为140mg/Nm3。一般认为,FGR降低NOx排放主要有2方面因素:①FGR可降低床层温度,均衡炉内水平与纵向温度分布;②FGR可降低炉内氧含量。图5为不同负荷下,床层温度与炉膛出口温度随FGR开度的变化情况,可见,随着FGR开度的增加,床层温度逐渐降低,且和炉膛出口温差逐渐减小。70t/h负荷下,床层温度降低49℃,与炉膛出口温差由75℃减小至45℃(图5(a));90t/h负荷下,床层温度降低39℃,与炉膛出口温差由85℃减小至69℃(图5(b));130t/h负荷下,床层温度降低63℃,与炉膛出口温差由38℃减小至15℃(图5(c))。


维持反应器出口NOx排放浓度在50mg/Nm3,逐渐开大FGR,中心筒出口烟温逐渐升高,氨水消耗量先降低后升高,如图6所示。70t/h负荷时,由于炉膛温度降低较多,虽然氨水消耗量增大,但SNCR反应几乎不会进行,反应器出口NOx排放浓度持续超过50mg/Nm3(后文简称“超标”),且无法降低;随着FGR开大至60%以上,NOx原始排放浓度降至50mg/Nm3以下,氨水消耗量降低至0,如图6(a)所示。NOx原始排放量随着FGR开大单调降低,而反应器出口NOx先降低后上升,表明中心筒出口烟温对于反应器脱硝效率存在一个最优值。SNCR反应的最佳温度窗口为850~1050℃,当中心筒出口烟温>800℃且继续升高时,炉内SNCR反应有效区间逐渐延长,脱硝效率增加,反应器出口NOx排放量降低;烟气在流经高温过热器后,温度降至700℃以下,SNCR反应停止,故中心筒出口烟温的升高而使燃料的后燃性增强时,后燃释放出的NOx量大于因脱硝效率提高而额外脱除的NOx时,反应器出口NOx即表现为开始升高。当燃料的后燃现象增加至一定程度,NOx释放的同时经过高温过热器降温,此时SNCR没有反应区间,表现为反应器出口NOx排放快速上升,且喷入
还原剂无效。

 
4.3 二次风入射高度对NOx排放的影响
提高二次风入射高度,可增加密相区还原气氛范围,抑制NOx生成并还原已生成的NOx,Murat等通过试验研究发现,当二次风量恒定时,二次风入射位置由布风板上方142cm提高至415cm后,NOx排放降低20%。但二次风入射位置过高,会导致燃烧延迟,炉内热负荷分布偏离设计工况,锅炉效率降低,如前所述,后燃现象严重会导致SNCR系统喷入NH3无效,NOx排放超标。对于空气分级燃烧技术,二次风入射位置存在一个最佳高度值。在锅炉运行中,维持二次风总量一定,逐渐关闭下层二次风门,可提高二次风核心区域高度,强化空气分级燃烧效果;逐渐关闭上层二次风门,可以降低二次风核心区域高度。
二次风门开度对锅炉的影响如图7所示。

由图7(a)可知,维持锅炉负荷、氧含量、氨水消耗量不变,随下层二次风门逐渐关闭,中心筒出口温度逐渐升高,燃料后燃现象增强,NOx排放量升高。改造后下层二次风位置距布风板1626mm,处于较高位置,当下二次风门逐渐至全关时,二次风入射高度提高至2626mm以上,燃料燃烧大幅推迟,SNCR反应区间减小,脱硝效率下降;由图7(b)可知,随上层二次风门关闭,二次风核心高度逐渐降低,中心筒出口温度降低,SNCR反应区间增大,NOx排放降低,上层二次风门关至25%,NOx排放量最低达27mg/Nm3,但随上层二次风门继续关闭,空气分级燃烧优势减弱,NOx排放量开始升高。
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结论
1)随着O2含量降低,CFB锅炉NOx原始排放量逐渐降低,但同时O2影响SNCR的反应进程,在CFB锅炉采用低氮燃烧技术后,O2含量过低会导致脱硝反应效率降低,甚至失效,引起反应器后NOx排放超标。
2)FGR系统可降低床温,缩小炉膛上下温差。同时FGR系统可调整中心筒出口烟温,进而影响SNCR高效反应区间大小,调整中心筒出口至合适的温度,可得到较大的SNCR脱硝效率。
3)调整上层、下层二次风门开度,可获得二次风入射最佳高度。通过调整二次风入射位置,可提前或推迟燃料燃烧,进而影响反应器出口NOx排放。

 

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