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阳光科技 西安热工院
北京化工大学 中国科技大学
 
图片名称:
循环流化床锅炉降低NOx排放浓度试验与优化改造研究
加入日期:
2017/5/16
图片介绍:
 
循环流化床锅炉降低NO排放浓度试验与优化改造研究
 
 
梁建红 ,黄 中。
 
(1.神华集团有限责任公司,北京 100011 2.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京 100098)
 
 
NOx排放浓度低是循环流化床锅炉的主要优点之一,但国内一些循环流化床锅炉的NOx排放浓度不能满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)的要求,给电厂的环保、经济运行带来了不利影响。
 
  在研究分析了各种影响循环流化床锅炉NOx排放浓度的运行控制因素后,对循环流化床锅炉进行了降低NOx排放浓度的燃烧优化调整试验。结果显示:NOx排放浓度会随氧量、一次风率、床湿的增加而增加,同时其还与上、下二次风比例、SO2排放浓度有关联。对于NOx排放浓度较高的循环流化床锅炉,可以采取二次风系统改造、增加烟气再循环措施,必要时增加 SNCR脱硝系统
 
关键词循环流化床锅炉;烟气;NOx浓度;试验;优化;改造
 
前言
 
  为加强环境保护、实现节能减排目标,国家环保部《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对锅炉大气污染物 SO2、NOx和粉尘排放限值大幅度收窄,大量新规前投产的火电机组必须改造升级,其中脱硝改造是环保改造的重点之一。
 
  循环流化床(以下简称“CFB”)锅炉是一种清洁煤燃烧技术,煤种适应性广,采用低温、分级燃烧技术,NOx排放浓度同比煤粉锅炉大幅降低,通过优化燃烧调整后和设备优化改造后,在不需要脱硝改造下很大一部分CFB锅炉可以直接满足环保排放要求。但也有部分 CFB锅炉NOx排放浓度超标,如何经济高效的降低其NOx排放浓度,需要在技术、经济方面做全面的比较。
 
  本文针对某台 150MwCFB锅炉开展了降低NO排放浓度的试验研究,分析了氧量、一、二次风率、上、下二次风比例、床温等运行控制参数对锅炉NOx排放浓度的影响。介绍国内同类CFB锅炉NO排放浓度和改造情况,可为CFB锅炉降低NOx排放浓度提供参考。
 
1.锅炉参数及试验工况设计
 
 开展试验研究的某台150MW等级CFB锅炉、采用超高压一次中间再热、单气包自然循环、平衡通风、岛式布置,该锅炉由锅筒、悬吊式全膜膜式水冷壁炉膛、绝热式旋风分离器、U型返料回路以及后烟井对流受热面组成。锅炉炉前共设6台给煤机和4个石灰石输送点均匀布置。锅炉日常满负荷时的NOx排放浓度约为300mg/m3,超出国家标准要求,75%负荷时NOx排放浓度可以控制在200mg/m3以下。锅炉主要设计参数如表1。
 
 
  在分析了影响CFB锅炉NOx排放浓度的各种运行因素,并按照有影响的运行控制参数编排了32组工况,见表2。
 
 
试验期间维持汽包水位、床压基本没变,烟气参数的测量采用Testo350增强型烟气分析仪,其他数据采用DCS显示值。试验数据每10min记录一次,对原始记录检查后作计算算术均值。
 
2 试验结果分析
 
2.1氧量对NOx排放浓度的影响
 
  CFB锅炉的NOx排放浓度与杨氧量的关系如图一所示,NOx排放浓度随空气预热器入口氧量的增加而增加,一次风量的增加也会引起NOx排放浓度的增加,单各种试验工况条件下的NOx排放浓度均超过200mg/Nm3,高于国家标准限定值。
 
  试验期间还完成了氧量降低至2%的对比试验,在此工况下NOx排放浓度下降至198mg/Nm3,但受氧量下降影响该工况对应的SO2排放浓度已升至700mg/Nm3以下,显然通过降低空预热器入口氧量来降低NOx排放浓度,需要综合考虑对石灰石炉内脱硫以及锅炉安全运行的影响。
 
 
2.2 一次风率对 NO 排放浓度的影响
 
  图2给出了No排放浓度与一次风率(一次风率是指一次流化风量占总风量的比例 )变化的关系曲线,从图2中可以看出,随着一次风率的增加,NOx排放浓度有升高的趋势。增加一次风率相当于削减了 CFB锅炉分级燃烧的效果,因此运行期间不宜采用过高的一次风率。
 
 
2.3上下二次风比例对NOx排放浓度的影响
 
  从图3可以看出,在低一次流化风量的条件下,随着下二次风门挡板开度的增加,NOx排放浓度始终呈增加趋势。在中、高一次流化风量条件下,NOx排放浓度与空气预热器入口氧量、下二次风门挡板开度均有一定关系。低空气预热器入口氧量时,NOx排放浓度随下二次风挡板开度的增加而降低,中空气预热器入口氧量时,NOx排放浓度与下二次风门挡板开度的增加关系不大,高空气预热器入口氧量时,NOx排放浓度随下二次风门挡板开度的增加而增加。
 

 
  由于该CFB锅炉的下二次风口中心线距离布风板约1m,因此低一次风量时增加下二次风门挡板开度在一定程度上起到了与增加一次风率类似的效果。这种操作方式实际上削弱了分级燃烧的效果,因此低一次风量时NOx排放浓度有一定的上升。
 
2.4 床温对NOx排放浓度的影响
 
  从图4中可以看出,NOx排放浓度随下部床温的升高而增加。增加床温对于SO2和NOx排放浓度均有负面影响,因此出于降低NOx排放浓度的目的,不宜采用过高的床温。
 
 

2.5 SO2排放浓度对NOx排放浓度的影响

  试验方案还编排了若干运行控制参数相似、SO2排放浓度略高的对比试验工况。从这些工况的试验结果可以看出,NOx排放浓度与SO2的排放浓度表现出了一定的关联性,当SO2排放浓度增加时,NOx排放浓度略有降低。

 

3 国内部分CFB锅炉NOx排放情况及主要影响因素

  图6列出了国内部分CFB锅炉实测的NOx排放浓度情况,显然由于循环流化床锅炉自身的燃烧组织特点,大部分CFB锅炉的NOx排放浓度低于200mg/m3,可以满足新环保标准的要求,但也有部分CFB锅炉的NOx排放浓度较高,需要采用必要的改造措施。列如,江苏徐州矿业综合利用发电有限公司,神华新疆米东热电厂,秦皇岛热发电有限责任公司等机组必须实施改造才可以实现NOx排放浓度低于200mg/m3。

  研究表明,CFB锅炉生成的NOx主要来自燃料型NOx(占95%以上),大多数挥发分及发热量高的煤种在CFB锅炉燃烧时生成的NOx浓度也较高,如果锅炉燃用煤质较差,则其NOx浓度一般降低。除了煤质参数外,运行控制参数也是影响NOx排放浓度的因素,过量空气系数和燃烧温度高的CFB锅炉相应的NOx排放浓度也高。为控制密相区床温提高脱硫效果,很多电厂在实际运行中倾向于增大一次流化风量,采用这种控制方式将无法确保有效的分级燃烧,有些电厂运行氧量略高,而运行氧量又是影响NOx排放的显著因素,最终导致NOx排放浓度增加。

4 降低CFB锅炉NOx排放改造可行性分析

   燃用高挥发分煤种的CFB锅炉,由于首分离器效率、给煤口布置、一次流化风布风均匀性等因素影响,即便锅炉平均床温控制在890℃左右以内,由于床温均匀性较差,NOx排放扔不能满足环保标准要求,必须对锅炉进行必要的改造。目前改造方案主要有改造二次风系统、增加烟气再循环、增加SNCR脱硝系统等3种方案。

4.1 改造二次风系统降低NOx排放浓度的可行性

  由此文的研究结果可以发现,一次风率及上下二次风比例会对NOx排放浓度产生一定的影响,对于那些NOx排放浓度产生一定的影响,对于那些NOx排放浓度略高于200mg/m3的现役CFB锅炉而言,可考虑通过改造二次风量和床温均会引起NOx排放浓度的增加,如果以降低NOx排放浓度为目的进行二次风系统调整,需要结合燃用煤质状况、锅炉污染物排放状况、日常运行参数等进行全面的分析优化。

  二次风系统的改造主要是调整下二次风口高度,下二次风口到炉膛出口的距离越大,对飞灰燃尽越有利,但风口位置过高,会使炉膛内氧化区域的燃烧行程缩短,是飞灰含碳量增加。某锅炉厂生产的CFB锅炉下二次风口中心线距离布风板的距离一般为1m左右,可以考虑适当抬升,具体抬升高度可以通过数值模拟优化设计。

  二次风均匀性也是值得考虑的一个问题,炉内氧量场分布越均匀,煤的燃尽度和石灰石的利用率也越高,对应的NOx和SO2排放浓度也越低。事实上每个二次风口都有其最佳的二次风速,但出于降低成本考虑,目前大多数CFB锅炉都不能对每一根二次风管的风量进行独立调节,特别对于前墙给煤的CFB锅炉,前墙煤粒浓度较高,如果不能进行调节氧浓度,就会造成人次风均匀性无法控制。因此,应将各路二次风的可调节性纳入二次风系统改造的范畴。

4.2 增加烟气再循环系统降低NOx排放浓度的可行性

  通过试验证明,稀相区氧量对于石灰石脱除效率有重要影响,只要锅炉整体运行氧量保持合理水平,SO2就能达到满意的脱除效果。而低氮燃烧时通过降低密相区还原性气氛,又能保证良好的低氮燃烧效果。因此。二者之间并不存在必然的矛盾。

  烟气再循环的主要作用是利用锅炉烟气含氧量较低的特点,利用再循环增压风机将烟气通过再循环管道引入一次风室,从而在保证流化的基础上,降低一次风及密相区氧量,在密相区形成低氧环境,从而有利于低氮燃烧。代替的一次风氧量由二次风补入,增加二次风率,更好的实现低氮燃烧所需的空气分级,并在维持锅炉整体运行氧量不是太低的水平上降低NOx排放。

  实施烟气再循环后可以稳定的将NOx排放浓度控制在200mg/Nm3以内,并且受锅炉氧量影响很小,可以有效的降低钙流化比,降低石灰石的消耗。

4.3 SNCR脱硝改造降低N0x排放浓度的可行性
 
  对于新建CFB锅炉,Nox排放要求控制在100mg/Nm3以内脱硝,部分地区要求NOx排放达到燃气排放标准。SNCR工艺是CFB锅炉深度脱硝比较适宜的选择。
 
(1)CFB锅 炉在不同负荷下的炉膛出口温度至分离器出口温度稳定为850℃~900℃ ,在SNCR工艺高效“温度窗 ”内 。
 
(2)CFB锅炉烟气从炉膛出口到分离器出口混合均匀停留时间长,为 SNCR工艺提供了优良反应器。
 
(3)由于CFB燃烧技术本身就是一种低氮燃烧技术,CFB锅炉出口NOx浓度较低,燃烧优化后能进一步降 Nox排放浓度,再通过SNCR工艺综合脱硝效率可以进一步提高。
 
(4)SNCR脱硝改造的投资和运行费用远低于SCR。 NOx排放浓度可以稳定控制在100mg/m3以下,适当提高氨氮比,NOx排放浓度也可以控制在50mg/m3以下。
 
5 结 语
 
CFB锅炉的NO排放浓度受到多种因素影响,通过运行优化调整可以降低锅炉的NOx排放浓度,其中N0排放浓度会随氧量、一次风率、床温的增加而增加,同时其还与上、下二次风比例、sO2排放浓度有关联。受到煤质和运行控制参数不当的影响,国内部分CFB锅炉的NOx排放浓度不能满足国家标准,可以考虑通过改造二次风系统、增加烟气再循环、新建SNCR脱硝装置等3种方式来降低其NOx排放浓度。这些技术措施可以继续发挥CFB锅炉的环保特性,为其 CFB锅炉技术更好
更快的发展贡献力量。
 
 
参考文献
 
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