(中石油克拉玛依石化分公司,新疆 克拉玛依 834003)
130t/h中压煤粉炉低氮燃烧器改造
赵永黎 任恒昌 朱焱松
(中石油克拉玛依石化分公司,新疆 克拉玛依 834003)
为降低烟气中NOx排放值,对两台130t/h中压煤粉锅炉低氮燃烧器设计、安装、调试过程进行技术总结,评价改造效果,积累经验。
低氮燃烧;安装;调试;设计
克拉玛依石化公司热电厂两台CG-130/3.82-M16型煤粉锅炉的烟气NOx平均排放值为700~800mg/m3,环保不达标,为此进行了低氮燃烧器和增设SCR反应器改造。
1.低氮燃烧原理
(1)燃烧器出口燃料分级。在煤粉管道上安装煤粉分离设备,使一次风在水平方向上分为浓淡两股气流,其中一股为高煤粉浓度气流,含大部分煤粉;另一股为低浓度煤粉。浓煤粉气流在向火侧,有利于着火和稳燃;低煤粉在背火侧喷入炉内,在水冷壁附近形成氧化性气氛,有利于防止结渣。两股一次风煤粉气流各自偏离化学当量比,可以降低NOx的生成。
(2)炉内空气分级燃烧。
①轴向空气分级燃烧(SOFA)。将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛:一部分为主二次风,约占总二次风量的80%左右,从燃烧器区域送入炉膛;另一部分为燃尽风(SOFA),约占总二次风量的20%左右,从燃烧器上部送入炉膛。因此,炉膛内的燃烧分成3个区域,即热解区、贫氧区和富氧区。燃烧器区域在贫氧区,可以抑制NOx的生成,炉膛上部燃尽风送入炉膛时,已经避开了高温火焰区,对未燃尽产物起到完全燃烧的作用。燃尽风喷口与主燃烧器间轴线距离H对NOx的降低有很大的作用,H的推荐值为:H=1.5(Vdaf/10)0.5。
②径向空气分级燃烧。径向空气分级燃烧是部分二次风在水平方向上进行分级,一次风煤粉气流被偏转的二次风气流裹在炉膛中央,形成富燃料区,而在燃烧区域及上部四周水冷壁附近形成富空气区。采用一二次风大小切圆布置,在炉膛内形成“风包粉”的燃烧环境,避免燃烧火焰冲刷水冷壁导致的结焦、结渣等情况,同时“风包粉”在炉膛水平截面上形成局部(富燃料区)缺氧,在开始燃烧阶段推迟了空气和煤粉的混合,使NOx生成量减少。
2.设计原则
(1)低氮燃烧建模。低氮燃烧建模技术是先进的燃料流测试技术,LNB/OFA的诀窍在如何把合理的风量送到最佳的燃烧位置。采用建模技术可以模拟整个燃烧状况,从而计算出各种设计所需的数据。
(2)根据煤种合理选择设计的初始浓度。从统计数据分析,煤种的含氮量越高,烟气的NOx排放浓度越高。当氮含量在1%~1.5%时,烟气的NOx排放浓度在500~1 000mg/m3;当氮含量在1.5%~2.5%时,烟气的NOx排放浓度在1 000~1 500mg/m3。本次设计依据的煤质参数如表1所示。
表1 设计煤种成分及热值
(3)选择合适的过剩空气量可以控制飞灰含量和NOx排放浓度。
过剩空气量越大,NOx转化率提高,当过剩空气量达到1.4时,NOx转化率可以达到60%。因此,从减少NOx排放角度分析,过剩空气量越小越好。但过剩空气量<1.1时,飞灰含碳量达到5%,造成锅炉热效率下降。所以,过剩空气量在1.1~1.3之间比较合理。
(4)选择合适的一次风率。一次风主要有两个作用:输送煤粉和满足煤粉挥发分的燃烧。一次风率越高,挥发分燃烧迅速,NOx排放浓度越高。当一次风率达到34%时,NOx排放浓度达到420uL/L。挥发分燃烧越迅速,挥发分停留时间越短,NOx排放浓度越高,不利于抑制NOx排放。因此,在保证安全输送煤粉的情况下,控制一次风量,可以降低NOx排放浓。同时,由于一次风量少,煤中的挥发分燃烧后延,有利于控制NOx排放浓度。对于固定煤种,当挥发分越高,NOx转化率越高,NOx排放浓度也越高。
3.喷口设计布置
本次改造维持原燃烧切圆不变,一、二次风、燃气标高不变;考虑到施工吊装空间限制,主燃烧器改造设计中,将主燃烧器分两段出厂。主燃烧器上部增加一组燃尽风装置,包括两层喷口。改造后主燃烧区喷口布置形式从下至上为:
(1)燃气喷口1。
(2)下二次风。
(3)下层煤喷口。
(4)中下二次风。
(5)燃气喷口2。
(6)中上二次风(带偏置)。
(7)上层煤喷口。
(8)上二次风。
一次风采用百叶窗水平浓淡分离燃烧,带有齿型钝体,起稳燃作用。主燃烧器区二次风喷口面积根据低氮燃烧需求配风,各层喷口相应缩小,保证出口的二次风风速,维持炉内动力场。上一次风下部二次风采用部分偏置喷口,将一部分风量从主流方向分离出来偏向水冷壁,用于改善水冷壁附近气氛,防止燃烧器区域水冷壁结渣,保护水冷壁。
在主燃烧器上部布置了两层燃尽风,燃尽风布置在15.7m和16m标高。两层燃尽风共8只喷口,燃尽风喷口在锅炉四角水冷壁让管。每层均等配风,燃尽风量占总空气量约为24%,燃尽风喷口风速约47m/s。喷口装配有摆动机构,可以实现上下20o的摆动。上下摆动为现场手动调节,通过燃尽风的补充,增强炉内气流扰动,促进未燃尽碳的燃烧。上、下燃尽风喷口按相反切圆布置,调整炉内气流旋转方向,调节炉膛出口烟温偏差。
1.燃烧切圆的找正
在炉内找正切圆的方法较多,有文献也介绍过在炉外利用自制量角度仪器对燃烧器喷口角度定位,进而确定炉内切圆的方法。燃烧器安装的基本步骤包括:四角密封罩壳安装,燃烧器与罩壳初定位、切圆找正、燃烧器与罩壳固定焊接。本项目采取对炉膛尺寸原始标定、经对原始切圆复核并确定误差很小后保留原密封罩壳,割去原燃烧器。新燃烧器上下两片组装验收端面、中心误差合格,用水平管四角燃烧器中心线标高找正。炉膛中心搭切圆平台,以下二次风喷口为基准,喷口入口段中心、喷口中心、切圆切点三点一线,利用拉杆来调整喷口左右位移,调整完毕,对罩壳与燃烧器之间进行顺序对称断焊固定,然后小电流满焊,尽量减少热变形带来的尺寸偏差(图1、2)。
图1 切圆找正示意图
图2 切圆平台及切点确定
冷态试验前对燃烧器安装角度进行了测量,误差很小,说明方法可行。
表2 不同负荷效能参数
2.SOFA风的安装
SOFA风的安装包括四角水冷壁割除起始点的标定,燃尽风门中心点的水平找正,水冷壁管的割除和让管管箱的安装,风门的安装及调试等。安装的质量关键控制点在于水冷壁的割除和焊接质量的掌握。
燃烧器调试包括安装检查、冷态动力场试验两大部分。首先是相关测风装置标定,冷态一次风调平、小风门挡板特性试验。配风在计算配风下进行,采用均等配风方式。为了观察燃烬风大小、开关对炉内气流的影响,采用在机组额定负荷时的风机电流、风门控制参数,模拟实际运行条件时的炉内空气动力状况。然后在炉内断面上拉“十”字线,在十”字线上按250mm长度分点。采用叶轮式风速仪逐点测量速度值,作速度场图。
最后利用飘带法观测炉内气流轨迹、切圆大小,判断有无气流贴壁和对冲现象。用长飘带法观察射流有否飞边和冲墙现象。
热态调试包括热态一次风门调平、带负荷调试包括煤粉细度取样分析、运行氧量及排烟温度标定,通过锅炉配风方式的调整,寻找运行氧量、风门开度组合以及不同的运行方式对锅炉效率和NOx排放浓度的变化规律。
1.降氮效果
降氮效果见表2。
2.运行情况
各工况下均无减温水投用,蒸汽温度偏低,目前燃尽风摆角是向上摆动最大值20°,温度恢复正常。投用燃尽风后未出现受热面壁温超温、炉内结焦、结渣的现象。低负荷时炉膛出口的烟气温度偏差超过50℃,高负荷时炉膛出口现两侧烟气偏差小于50℃。
1.设计安装
(1)燃尽风与吹灰器同一标高会有气流干扰,应当在满足条件下错开布置或改变吹灰器的位置。
(2)燃气喷口管箱设计尺寸偏小,未考虑原火检安装位置,布置困难;二次风小风门内部无挡块,转轴也无开度方向,造成开关方向混乱。
(3)四角让管水冷壁切割水平差,割伤周围管壁,达7处,事后采取补焊不规范。
2.运行调试
(1)一次风风管内的下粉量不均匀,究其原因:一是煤粉仓下粉有堵粉的现象;二是风粉混合器有返粉的可能,因给粉不均匀,造成氧量变化较大。当氧量变化时,NOx也随之变化,高低差达100mg/m3左右,SCR反应器投用后,较难控制反应器出口的NOx稳定性,且会增加氨的逃逸,造成低温空预器堵灰和腐蚀。粉仓内加装不锈钢或高分子材料的内衬,检查各下粉管处压力,凡出现微正压粉管的均应更换为全负压式风粉混合器。
(2)部分用于检查监测的表计数值误差较大,重要表计需定期进行校验,如氧量表、NOx表等,确保数据的准确性。
(3)在燃气投用时,应投同层4个角的气火嘴,以避免投用2个气火嘴时单只气火嘴过热损坏及热负荷过高产生结焦。
通过低氮燃烧器的改造,锅炉氮氧化物排放由平均700~800mg/m3,下降到400mg/m3以下,实现了减排目标。灰、渣含碳量达到设计要求,锅炉热效率没有降低,燃烧状况良好,达到了预期效果。
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