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循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究

时间:2019-01-21 13:31

来源:洁净煤技术

作者:李楠 张世鑫等

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号炉为济南锅炉厂与中国科学院工程热物理研究所联合开发的YG-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

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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。

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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。

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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。

3.3二次风口改造

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。

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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。

编辑:王媛媛

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