煤粉鍋爐燃用晉城無煙煤的適用性及潔凈化改造途徑

潘 攀

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 煤化工事業(yè)部，山西 晉城 048006)

我國無煙煤分布廣泛，燃用無煙煤的發(fā)電機(jī)組普遍采用“W”型火焰爐，其在燃燒穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠性及可用率方面有一定優(yōu)勢。目前我國投運(yùn)和在建的“W”型火焰爐有百余臺(tái)，幾乎涵蓋了世界上所有的技術(shù)流派。然而“W”火焰爐產(chǎn)生的煙氣中NOx含量高；如不解決，必然阻礙其運(yùn)行和發(fā)展[1]。

晉城礦區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤的主要產(chǎn)區(qū)之一。2019年晉城地區(qū)無煙煤產(chǎn)量為1.109億t，約占全國無煙煤產(chǎn)量的1/3，是“W”型火焰爐的主要原料之一。當(dāng)前，各企業(yè)為達(dá)標(biāo)排放廣泛開展了鍋爐低氮燃燒改造工作，卻缺乏針對(duì)晉城無煙煤在煤粉鍋爐上的適用性及降低NOx排放量的理論研究。

1 典型的晉城無煙煤煤質(zhì)特性

晉城無煙煤具有“五高五低”的特點(diǎn)，即發(fā)熱量高、固定碳高、抗碎強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高、灰熔點(diǎn)高；揮發(fā)分低、水分低、硫分低、反應(yīng)活性低、可磨指數(shù)低。典型的晉城無煙煤煤質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 晉城無煙煤煤質(zhì)指標(biāo)

2 晉城無煙煤用于粉煤鍋爐的優(yōu)劣勢分析

煤粉爐按照燃燒方式主要分為“W”型火焰爐、直流四角切圓燃燒爐及前后墻旋流對(duì)沖爐。其中“W”型火焰爐是專為無煙煤開發(fā)的爐型。

晉城無煙煤用于粉煤鍋爐存在一定的劣勢：如無煙煤揮發(fā)分低，不易點(diǎn)火、燃燒性差，使得無煙煤粉煤氣化爐飛灰殘?zhí)枯^高；無煙煤灰分高，造成煤難以燃盡及爐膛堵灰現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)致密，可磨指數(shù)大部分在40左右，磨煤能耗大；燃燒溫度高，反應(yīng)生成NOx高。

盡管如此，無煙煤用于粉煤鍋爐有著以下不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

(1)發(fā)熱量高：無煙煤是最年老的煤，煤化程度深，固定碳含量高，雜質(zhì)少。晉城無煙煤含碳量高達(dá)95%，發(fā)熱量可達(dá)25～32.5 MJ/kg。

(2)灰熔點(diǎn)高，不易結(jié)焦：灰分在熔融狀態(tài)下會(huì)粘結(jié)在鍋爐的受熱面上，造成結(jié)渣，危及鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。灰熔點(diǎn)是表征煤灰熔融溫度的指標(biāo)，晉城地區(qū)所有礦區(qū)無煙煤的灰熔點(diǎn)ST均大于1 350 ℃，F(xiàn)T均大于1 500 ℃，屬難熔性煤，不易結(jié)焦。

(3)揮發(fā)分低，高溫下相對(duì)安全：高揮發(fā)分煤中氧含量較高，揮發(fā)分的析出溫度較低，而且揮發(fā)分釋放量大，因而容易在堆積狀態(tài)下發(fā)生自燃和在制粉系統(tǒng)中干燥和輸送過程中，由于緩慢釋放出揮發(fā)分的迅速著火而發(fā)生爆炸。而晉城無煙煤的揮發(fā)分較低，高溫下相對(duì)安全。

“W”型火焰爐針對(duì)無煙煤特性開發(fā)，采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)分級(jí)燃燒，延長停留時(shí)間，使燃燒更充分。然而，近年來隨著大氣污染物排放問題越來越被重視，國家和地方均出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，限制氮氧化物的排放。無煙煤反應(yīng)溫度高，燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物較其它煤種更多。使用無煙煤的粉煤鍋爐，一般煙氣中NOx含量在1 300 mg/m3左右，一些未改造的老電廠甚至達(dá)到2 000 mg/m3以上。而使用其他煤的電廠，煙氣NOx含量在650 mg/m3左右，因此，其煙氣NOx含量高成為困擾無煙煤粉煤鍋爐發(fā)展的主要原因，必須進(jìn)行低氮燃燒改造才能滿足相關(guān)排放要求，以保障企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。

3 低氮燃燒改造思路

降低氮氧化物生成主要應(yīng)從兩方面著手：一是降低反應(yīng)溫度，減少熱力型NOx的生成；二是減少參與反應(yīng)的氧，控制空氣過量系數(shù)[2]，降低燃料型NOx的生成。一言以概之，低氮燃燒的總體思路就是在一次風(fēng)區(qū)實(shí)現(xiàn)低溫、低氧燃燒。具體來說，可以通過空氣分級(jí)、燃料分級(jí)、煤粉濃縮、煙氣再循環(huán)、調(diào)整F風(fēng)角度等方式實(shí)現(xiàn)[3-4]。

3.1 空氣分級(jí)

空氣分級(jí)為軸向空氣分級(jí)和徑向空氣分級(jí)。軸向空氣分級(jí)是將爐膛劃分為主燃區(qū)和燃盡區(qū)兩部分。在主燃區(qū)通入約80%的理論空氣量，降低該區(qū)域的氧濃度和燃燒溫度，形成還原性氣氛，抑制NOx生成；并有大量CO及N的中間產(chǎn)物生成，將已生成的NOx還原。在燃盡區(qū)投入剩余空氣，將燃料充分燃燒，由于遠(yuǎn)離高溫火焰，不會(huì)產(chǎn)生大量NOx[5-6]。

徑向空氣分級(jí)是將二次風(fēng)射流部分偏向爐墻，使主燃區(qū)空氣量減少，靠近水冷壁處形成氧化性氣氛，降低溫度，減少結(jié)渣和高溫腐蝕。

3.2 燃料分級(jí)

燃燒中生成的NOx在遇到烴類和未完全燃燒物時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)。原理如下：

NO+CH4→N2+CO2+H2O

(1)

NO+CnHm+O2→N2+CO2+H2O

(2)

NO+CO→N2+CO2

(3)

NO+H2→N2+H2O

(4)

此技術(shù)將爐膛分為三級(jí)，主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。80%左右的燃料送入主燃區(qū)，在過量空氣系數(shù)大于1下完全燃燒，剩余的燃料送入再燃區(qū)，形成還原性氣氛，將生成的NOx還原。最后，未完全燃盡的燃料在燃盡區(qū)完全燃燒，提高燃燒效率。試驗(yàn)證明，將15%的燃料作為二次分級(jí)燃料時(shí)，脫硝效果最佳。

3.3 煤粉濃縮

煤粉燃燒，反應(yīng)速度與煤粉顆粒表面積成正比，增加煤粉濃度等于增加單位體積內(nèi)表面積，從而加快化學(xué)反應(yīng)。

濃度提高，使著火溫度降低，時(shí)間縮短。著火點(diǎn)提前，有利于NOx減少。煤粉濃淡分離，通過設(shè)置煤粉分離裝置，將煤粉/氣流分離為濃相和淡相。分離是通過旋風(fēng)分離或慣性分離實(shí)現(xiàn)的[7]。

3.4 煙氣再循環(huán)

將再循環(huán)煙氣(15%～30%)摻入助燃空氣中再次送入爐膛，主要作用是降低火焰溫度，減少熱力型NOx的生成量。同時(shí)，由于煙氣含氧量低，降低了O2濃度，從而降低NOx生成量。爐內(nèi)燃燒溫度越高，煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx降低率的影響越大。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，煤粉爐上15%～20%的煙氣循環(huán)率可以降低25%左右的NOx排放量。循環(huán)率再增加會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性和熱損失，上限一般為20%。該技術(shù)可以與燃料分級(jí)燃燒聯(lián)合使用，用來輸送二次燃料[8]。

3.5 F風(fēng)下傾

改造前的F風(fēng)采用風(fēng)幕結(jié)構(gòu)，二次風(fēng)從前后墻水冷壁間水平進(jìn)入爐膛，易造成下行的一次風(fēng)過早上行，導(dǎo)致煤粉在下爐膛停留時(shí)間不足。改變F層二次風(fēng)角度，變?yōu)橄蛳聝A斜，使火焰中心下移，增加火焰行程[9]。

除此之外，降低氮氧化物的生成還可以調(diào)整衛(wèi)燃帶，避免爐膛溫度過高；富氧燃燒，進(jìn)一步抑制和還原NOx；采用超細(xì)煤粉再燃技術(shù)，縮短燃料在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間[10-11]等。

當(dāng)前，國內(nèi)一半以上的W型火焰爐進(jìn)行了低氮燃燒改造。改造后，SCR入口處NOx質(zhì)量濃度降至800 mg/m3以下，最終能夠滿足超低排放要求。

4 結(jié) 語

(1)晉城無煙煤產(chǎn)量高，具有發(fā)熱量高、固定碳高、抗碎強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高、灰熔點(diǎn)高；揮發(fā)分低、水分低、硫分低、反應(yīng)活性低、可磨指數(shù)低等“五高五低”的特點(diǎn)。

(2)作為粉煤鍋爐用煤，晉城無煙煤具有發(fā)熱量高、不易結(jié)焦、更安全穩(wěn)定的優(yōu)勢。

(3)針對(duì)氮氧化物含量高的問題，可通過一次風(fēng)區(qū)低氧，低溫燃燒實(shí)現(xiàn)，具體可采用空氣分級(jí)、燃料分級(jí)、煤粉濃縮、煙氣再循環(huán)等方法。