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锅炉低氮燃烧器改造后存在问题与对策探讨

作者: 兴罡石化设备| 时间:2016-04-14 09:04:05 | 点击次数:

1.前言

 
当前,我国雾霾防治形势逼人,尽管雾霾产生的成因尚未完全研究清晰,但在社会舆论的压力和国家日益严格的节能减排政策面前,电力行业节能减排的压力不断增大,而燃煤发电机组在相当长的一段时期内仍然是我国发电行业中的主力,对于环保部最新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011),即从2014年7月1日起,现有火力发电锅炉要达到标准规定的排放限值,燃煤发电企业纷纷进行环保设施的改造,如锅炉低氮燃烧器的改造,改造后降低NOx的排放取得较好效果,但也给锅炉安全、稳定和经济运行带来了一定的影响。
 
2.NOx治理现状
 
国内外已对NOx的危害、燃煤发电燃烧过程中NOx的生成机理和降低NOx技术进行了较为充分的研究,可分为三种[1]:热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx;其中,燃料型NOx约占80-90%,是各种低NOx技术控制的主要对象;其次是热力型,主要是由于炉内局部高温造成,快速型NOx生成量很少。NOx的控制方法可分为燃烧前处理、燃烧中处理和燃烧后处理。燃烧前脱氮主要是在燃烧前将燃料转化为低氮燃料,技术复杂,难度大,成本高,目前仅限于研究阶段;燃烧中脱氮主要有:一是抑制燃烧中NOx的形成,二是还原已形成的NOx;燃烧后脱氮主要是指烟气脱硝:包括选择性催化还原法、选择性非催化还原法等。
 
目前被大家公认,并已在各燃煤机组锅炉上广为应用的降NOx方法,主要是燃烧中脱氮的低氮燃烧技术加燃烧后脱氮的烟气脱硝技术;燃烧中脱氮是根据NOx的生成机理采取的低氮燃烧技术主要是:低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环等,该技术的主要机理就是将燃烧器通过纵向布置形成氧化还原、主还原、燃尽三区,对于四角切圆燃烧锅炉还可通过横向双区布置形成近壁区和中心区两个区域,从而实现燃料与配风在炉膛内分区、分级、低温、低氧燃烧,降低煤粉燃烧过程中NOx生成量。从2011年至今,该低氮燃烧技术在全国的燃煤锅炉上大范围应用,通过改造和运行优化,NOx减排量可达30%—70%,对于四角切圆燃烧锅炉NOx的排放浓度可由原来的400-600mg/m3降为200mg/m3以内,对冲燃烧锅炉NOx的排放浓度可由原来的500-700mg/m3降为370mg/m3以内,“W”火焰燃烧锅炉NOx的排放浓度[3]可由原来的1100-1300mg/m3降为800mg/m3以内。目前,局限于低氮燃烧技术研究和发展,且该技术很短时期内在在运锅炉上快速、集中、大量的应用后,其技术尚未来得及进行消化吸收、优化改进等,笔者针对产生的问题和应对措施进行探讨。
 
3.低氮燃烧技术应用改造后存在问题及原因分析
 
从低氮燃烧技术在大量电站燃煤锅炉应用实践证明,降NOx有效且明显,但锅炉由于燃用煤种不同,其炉型也不同,NOx的排放水平也不同,低氮燃烧技术在不同炉型上应用后减排效果和产生的问题也不同;其中,四角切圆燃烧锅炉其本身的NOx的排放水平最低,改造后NOx减排效果最好,产生的其它影响也最小,对冲燃烧锅炉次之,“W”火焰燃烧锅炉最差。具体产生的问题和原因分析如下:
 
3.1灰、炉渣可燃物增加,炉效下降
 
低氮燃烧器改造后,虽然NOx降幅很大,但即使在燃用同一煤种时,飞灰可燃物升幅也较大。主要是低氮燃烧技术采用低温、低氧燃烧,主燃区的温度下降较多,控制和推迟煤粉的着火,并降低着火区的氧量,使煤粉燃烬能力下降,燃烧过程延长,飞灰和炉渣可燃物增大。有的改造时,改变了燃烧器一、二次风喷口和燃尽风喷口的面积,造成二次风与一次风的混合延迟,不利于煤粉气流的着火和燃烧。根据已改造锅炉试验数据表明,对于四角切圆燃烧锅炉飞灰可燃物升幅为0.5—1个百分点,对冲燃烧锅炉飞灰可燃物升幅为1—1.5个百分点,“W”火焰燃烧锅炉飞灰可燃物升幅为2—4个百分点,影响锅炉效率下降0.4—1.6个百分点。
 
3.2蒸汽参数偏离设计值,过、再热减温水量增加,屏过或再热器超温
 
锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造后,一方面,燃烧延迟,火焰中心上移,炉膛出口烟温上升,锅炉的过热汽温、再热汽温上升,对于原来存在过热汽温、再热汽温超设计值的问题则加剧,过、再热减温水量增加。而另一方面,主燃区温度降低,炉内温度分布更加均匀,对于原来炉膛水冷壁的沾污结渣情况严重的则会改善,水冷壁吸热增加,炉膛出口烟温降低,过热器温升、再热器温升下降,对于原来存在过热汽温、再热汽温低的问题则更达不到超设计值。
 
低氮燃烧技术改造后,产生锅炉过热器减温水量增大的问题较多,因为煤粉燃烧过程延长,加之采用的燃尽风,炉膛出口烟气温度升高;同时炉膛温度下降,炉膛水冷壁辐射吸热量减少,对流受热面的吸热份额增加,导致过热器减温水量增加。
 
3.3炉内燃烧工况变差,配煤、配风、稳燃性能下降
 
因采用低温、低氧燃烧,炉膛温度下降,煤粉在低温缺氧情况下着火推迟,同时燃烬能力下降,炉内燃烧工况较改造前变差,改造前原采用的配煤、配风方式很大程度上不适用,对锅炉的蒸汽参数、飞灰炉渣、排烟温度、热工品质等指标产生新的影响,同时锅炉低负荷稳燃能力下降。
 
3.4热工自动控制性能下降,蒸汽参数波动大,机组AGC响应速率慢
 
低氮燃烧器改造后,在同一煤种下同负荷下,由于燃料在炉内燃烧反应减缓,各级受热面的烟温分布和吸热量发生变化,具体表现有,热工自动控制迟缓和过调现象明显增加,导致蒸汽参数波动大;对于一些区域,对机组AGC响应速率要求较高,往往出现AGC响应速率迟缓,不能满足电网的要求。主要原因是热工的控制系统定值、控制曲线没有进行相应的优化调整,如:原静态、动态负荷—煤量控制曲线,制粉系统冷、热风门解耦控制系统,减温水自动控制系统;一次调频锅炉主控前馈系统。
 
3.5燃烧器上部水冷壁区域高温腐蚀加剧,过热器产生结焦
 
锅炉水冷壁高温腐蚀现象在对冲燃烧和“W”火焰燃烧锅炉上较为突出,主要是燃烧器区水冷壁存在着较强的还原性气氛如CO、H2S等,燃烧区域氧含量在2%以下会产生大量CO,由于低氮燃烧其中采用了低氧燃烧,势必会使增加CO的产生,加剧水冷壁区域高温腐蚀。
 
因增加了高位燃尽风,在总风量不变的情况下,二次风量减小,导致煤粉缺氧燃烧,一次风与二次风掺混时间都发生推迟,使得炉内煤粉燃烧过程拉长,炉膛火焰中心上移,相应炉膛出口烟温升高,未能燃烬的成分随气流上升到上部区域与燃尽风等强烈混合,在此区域开始剧烈燃烧,造成此区域温度高,容易引起过热器超温、结焦和积灰。
 
3.6锅炉煤种适应性变差
 
低氮燃烧器改造后,经过燃烧优化调整,在一定程度上能使NOx的排放水平和锅炉经济性取得较好匹配,但锅炉燃用煤种发生变化后,原先锅炉经济指标和环保指标的平衡关系旋即被打破,如:高热值、高挥发分煤种时,NOx的排放浓度虽略有增加但较易调整控制,也伴随着出现燃烧器喷口易结焦、过热器易超温、过热减温水量增加等现象;当燃用劣质煤或水分偏大的煤种时,NOx的排放浓度虽略有降低但调整控制较困难,特别是上层燃烧器煤质较差时,再热器超温情况明显增加等。
 
4.对策
 
目前,燃煤电厂锅炉低氮燃烧技术尚未全部完成改造,同时该技术的应用中出现的问题正逐渐暴露,根据已发现问题,研究对策如下:
 
4.1改造前的充分评估
 
锅炉的排放指标尤其是NOx的排放浓度与煤种、锅炉选型、燃烧器型式密切相关,对于在运锅炉,炉型已确定,但由于近年来,燃煤电厂为了增加营利能力和应对多变电煤的市场,锅炉燃用的煤质大多进行掺混且劣于原设计煤种,因此低氮燃烧技术改造前,首先应充分评估锅炉现有主要燃用煤种和常用煤种,在改造可行性论证中由于煤种选定不当造成改造后NOx减排效果不明显并产生新的问题的不乏其数,其次是对在运锅炉进行摸底试验,充分评估锅炉运行中存在的燃烧性能、蒸汽参数、受热面壁温、结焦结渣、运行调整、热工自动等方面的问题,提出科学合理改造预期目标,权衡锅炉经济指标和环保指标,并通过改造有效改善现有存在的问题。
 
4.2科学的燃烧运行优化调整
 
锅炉低氮燃烧技术改造后,燃烧器的型式已确定,但对于不同的煤种,燃烧条件的不同、锅炉负荷的不同、燃烧温度的变化、所需的空气量不同,NOx的生成量将会变化,所以锅炉运行方式将起主导作用,因此降低NOx排放量的主要措施是燃烧优化调整,并且在满足环保排放要求的前提下要最大程度兼顾运行经济性。具体措施如下:
 
4.2.1炉内分层配煤混烧
 
结合锅炉的配煤掺烧,在兼顾排放浓度、稳燃等方面条件下最大程度消化经济煤种,建议烟煤宜在配置下层燃烧器保锅炉稳燃;褐煤挥发分高宜配置在中间层燃烧器低氧燃烧可控制NOx的产生;贫煤宜配置在上层燃烧器有利于着火和二次分级燃烧。同时各磨煤机应根据不同煤种确定其合理的经济煤粉细度。
 
4.2.2根据煤种、负荷配风
 
额定负荷工况下,烟煤挥发分高在下层燃烧器主要用于稳燃,宜配中等风,如配以大风量则不利于控制NOx的产生和整个炉内的低氧燃烧;褐煤若配以大风量则NOx的生成量较大,宜少配风;贫煤、无烟煤挥发分低,为确保燃烬宜多配风。考虑稳燃、低氧、分级,配风方式宜采用缩腰倒宝塔型,即:下层风门开度30-50%,中间风门开度不宜小于10%,上层风门开度50-70%,不建议SOFA风门开度长期在100%。当负荷降低时,在保证稳燃的基础上经济煤种掺配比例可增大,对控制NOx的产生有利。
 
4.2.3优化控制锅炉运行氧量
 
燃料在锅炉燃烧中氧量的大小的控制,不仅影响锅炉运行的经济性,更为重要的是对NOx产生的控制起着决定性作用;锅炉低氮燃烧技术改造后,更应对低氧燃烧有明确
 
的认识,额定负荷工况下,燃用贫煤、无烟煤炉膛氧量宜控制在3.5-4%,燃用烟煤炉膛氧量宜控制在2.5-3%,燃用褐煤炉膛氧量宜控制在2%,低负荷运行时炉膛氧量宜在基础上增加1%。
 
4.2.4优化热工自动控制
 
锅炉低氮燃烧技术改造后,燃料在炉内燃烧过程相对延缓和延长,热工的控制系统定值、控制曲线应做相应的优化调整。在改造后锅炉实际运行情况中发现,在机组增加负荷时,风量调节明显滞后于煤量的变化,汽温快速升高;减负荷时,煤量调节明显滞后于风量的变化,汽温快速下降;存在主汽压力和主再热汽温大幅波动的现象,氧量自动的投入明显不协调。因此,应优化原静态、动态负荷—煤量控制曲线,优化制粉系统冷、热风门解耦控制,优化减温水自动控制系统,增加一次调频锅炉主控前馈,优化负荷响应能力。
 
4.2.5水冷壁喷涂防结焦、腐蚀材料
 
锅炉低氮燃烧技术改造后,原先结焦严重的锅炉,因主燃区的温度下降较多,炉内温度分布更加均匀,水冷壁的沾污结渣情况会有很大改善;另外通过配煤掺烧、优化磨煤机组合方式也可有效改善水冷壁的沾污结渣情况;在炉底喷洒防结焦剂在一些锅炉上应用也较好。
 
对于对冲燃烧和“W”火焰燃烧锅炉的高温腐蚀,可将侧墙部分水冷壁鳍片去掉,通入一定量的二次风,降低侧墙水冷壁附近的氧化性气氛,高温腐蚀得到缓解。目前,在水冷壁上喷涂防腐蚀材料也可起到有效防腐作用。
 
4.2.6持续燃烧优化调整
 
锅炉低氮燃烧技术改造后,除与燃用煤种有关外,主要与锅炉的运行方式有关,锅炉运行氧量、配风方式、磨煤机运行组合方式等在煤种变化和负荷变化后都要进行摸索优化,根据锅炉燃烧优化调整试验,当煤质有较大变化后,一般需近两个月的调整,才能摸索出环保排放指标和运行经济指标均兼顾的规律,因此持续燃烧优化调整是必不可少。
 
5结论
 
由于锅炉低氮燃烧器改造投运时间不长,问题暴露的还不完全,同时我们对问题的认识还不充分,对处理问题的经验还不足,为缓解燃煤发电厂的环保压力,降NOx的减排技术沿需进一步研究和发展,环保设施的水平需进一步提升,更为重要的是在新的减排技术和环保设施应用后产生的问题处理能力要进一步提升,为燃煤发电厂的可持续发展争取更大的环保效益。

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