540 t/h燃煤鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)過程中NOx濃度控制技術(shù)探究

杜榮

(中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司揚(yáng)子石化分公司熱電廠,南京 210048)

按照國(guó)家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部及國(guó)家能源局于2014年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃》的要求,東部地區(qū)(含江蘇)燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)。近年來,由于環(huán)保要求越來越嚴(yán),要求的燃煤鍋爐NOx排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),而且要求實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷煙氣達(dá)標(biāo)排放,即燃煤鍋爐在啟動(dòng)過程中,NOx排放濃度也不能超標(biāo)。

燃煤鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)初期,選擇性催化還原(SCR)脫硝反應(yīng)器入口煙溫低,無法達(dá)到SCR脫硝反應(yīng)溫度,SCR脫硝系統(tǒng)無法投入,鍋爐出口NOx濃度超出環(huán)保排放要求,造成鍋爐啟動(dòng)期間的NOx濃度排放超標(biāo)[1]。實(shí)際啟動(dòng)過程中多采用提前投用脫硝系統(tǒng)或鄰爐降低反應(yīng)器出口NOx排放值以保證煙囪處NOx排放達(dá)標(biāo)[2]。有時(shí)由于NOx排放濃度超標(biāo)無法控制,只能停止鍋爐啟動(dòng)以滿足環(huán)保要求,這給鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)帶來極大困難。

1 設(shè)備概述

某電廠共有三臺(tái)由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的型號(hào)為HG-540/13.4-YM20的超高壓燃煤鍋爐,鍋爐為負(fù)壓爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)(BMCR)工況額定蒸發(fā)量為540 t/h,總風(fēng)量為570 t/h。三臺(tái)鍋爐燃燒后的煙氣經(jīng)脫硝、脫硫、除塵后匯入一個(gè)煙囪排向大氣。

鍋爐采用中速磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐配4臺(tái)磨煤機(jī),每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)一層煤粉燃燒器噴嘴。正常運(yùn)行時(shí)3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行,1臺(tái)磨煤機(jī)備用,設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90=18%。

鍋爐采用四角切圓、水平濃淡燃燒方式。每角燃燒器布置4只煤粉燃燒器和13個(gè)風(fēng)室及噴嘴,其中SOFA風(fēng)3個(gè)、二次風(fēng)6個(gè)、周界風(fēng)4個(gè)。AB層及CD層二次風(fēng)噴嘴內(nèi)設(shè)有OA、OB兩層油點(diǎn)火燃燒器,用于鍋爐啟動(dòng)時(shí)暖爐、煤粉噴嘴點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)燃。油槍采用簡(jiǎn)單機(jī)械霧化噴嘴,油槍入口油壓力2.94 MPa,單只油槍設(shè)計(jì)額定出力為1 050 kg/h。油點(diǎn)火裝置為高能電弧點(diǎn)火器直接點(diǎn)燃燃料油。

下層煤粉燃燒器采用微油點(diǎn)火裝置,主要用于鍋爐的啟爐、停爐及低負(fù)荷穩(wěn)燃。油燃燒器與煤粉燃燒器相交安裝,單只油燃燒器總出力100 kg/h,煤粉燃燒器出力8 t/h。煤粉燃燒器布置示意圖見圖1。

圖1 煤粉燃燒器布置示意圖

鍋爐脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒+選擇性催化還原組合脫硝技術(shù)方案[3-5]。每臺(tái)鍋爐設(shè)置兩臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)器,每臺(tái)反應(yīng)器催化劑采用3+1布置方式,3層填裝催化劑,1層備用。低氮燃燒器出口NOx濃度為280 mg/m3,SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度為30 mg/m3。

2 NOx排放濃度超標(biāo)問題及原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

該電廠鍋爐在試運(yùn)行期間冷啟動(dòng)過程采用微油點(diǎn)火啟動(dòng)和大油槍點(diǎn)火啟動(dòng)兩種方式。微油點(diǎn)火是先投用暖風(fēng)器將甲磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度加熱到130 ℃(能夠滿足制粉條件),然后投入四只微油槍,再啟動(dòng)甲磨制粉,用位于A層煤粉燃燒器的微油槍直接點(diǎn)燃煤粉,達(dá)到以煤代油的目的。此種點(diǎn)火模式雖然可以節(jié)約燃料油,但由于投入煤粉燃燒后所生成的燃料型NOx濃度過大,而此時(shí)SCR脫硝反應(yīng)器入口溫度過低,無法投入SCR脫硝系統(tǒng),從而造成鍋爐出口甚至煙囪排口的NOx排放濃度超標(biāo)。

為了在鍋爐啟動(dòng)過程中達(dá)到環(huán)保排放的要求,避免燃料型NOx的生成,鍋爐啟動(dòng)直接使用大油槍點(diǎn)火系統(tǒng),并進(jìn)行鍋爐升溫升壓,當(dāng)SCR脫硝反應(yīng)器入口溫度達(dá)到投用溫度后,再啟動(dòng)制粉系統(tǒng)繼續(xù)升溫升壓,并可同步投入SCR脫硝反應(yīng)器,保證鍋爐啟動(dòng)過程中的NOx達(dá)標(biāo)排放。

但實(shí)際操作中,鍋爐在冷態(tài)條件下啟動(dòng),投入大油槍時(shí)同樣會(huì)發(fā)生鍋爐出口NOx超標(biāo)的問題。運(yùn)行趨勢(shì)圖如圖2。

圖2 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖

第1點(diǎn)為鍋爐點(diǎn)火前NOx數(shù)值,第2點(diǎn)為NOx最大值(表計(jì)量程,200 mg/m3),第3點(diǎn)時(shí)NOx開始下降,第4點(diǎn)時(shí)投入SCR脫硝系統(tǒng)。

從圖2的NOx濃度變化趨勢(shì)可以看出,鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),大油槍投入后NOx變化趨勢(shì)是先上升至最大值,穩(wěn)定一段時(shí)間后開始下降,但是超標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)。大油槍點(diǎn)爐期間各點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1 大油槍點(diǎn)爐期間各點(diǎn)參數(shù)

2.2 原因分析

針對(duì)使用大油槍點(diǎn)爐期間NOx濃度仍然超標(biāo)的問題,對(duì)鍋爐啟動(dòng)過程中的各參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比,并結(jié)合NOx生成機(jī)理對(duì)點(diǎn)爐期間NOx生成原因進(jìn)行分析。

1)鍋爐點(diǎn)爐過程中,未使用微油點(diǎn)火,煤粉未進(jìn)入爐膛燃燒,可以排除燃料型NOx的生成對(duì)鍋爐出口NOx產(chǎn)生的影響。

2)鍋爐點(diǎn)火初期,爐膛溫度過低,可以排除熱力型NOx的生成對(duì)鍋爐出口NOx產(chǎn)生的影響。

3)從快速型NOx的生成機(jī)理可知,燃料在著火初期產(chǎn)生的CH原子團(tuán)與氮?dú)夥肿幼矒舴磻?yīng)會(huì)生成HCN類化合物,而HCN類化合物是生成NOx的前驅(qū)物,在富氧氛圍下會(huì)氧化成NOx,在缺氧條件下會(huì)還原為N2,而且NOx的生成量與溫度基本無關(guān)。

鍋爐使用大油槍點(diǎn)火時(shí),一只油槍的流量為1 050 kg/h,而且采用機(jī)械霧化,霧化效果直接影響油槍的著火和燃燒。點(diǎn)火初期,由于爐膛溫度過低,油槍著火和燃燒效果差,不可避免地造成燃料油的不完全燃燒,再加上油槍霧化不好、燃燒配風(fēng)不當(dāng)?shù)纫蛩?就會(huì)加劇燃料油的不完全燃燒。燃料油的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的碳?xì)浠衔?CH原子團(tuán)又與N2反應(yīng)生成大量HCN類化合物。由于鍋爐整個(gè)啟動(dòng)過程都處于富氧氛圍,這勢(shì)必會(huì)造成HCN類化合物被氧化成NOx,從而導(dǎo)致鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過程中的NOx排放濃度超標(biāo)。

綜上所述,鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過程中使用大油槍造成NOx濃度超標(biāo)的主要原因?yàn)榭焖傩蚇Ox的生成量過大。

3 解決方案及效果

3.1 解決方案

控制快速型NOx的生成量就要控制燃料油在燃燒中CH原子團(tuán)的生成量,要控制燃料油在燃燒中CH原子團(tuán)的生成量,就必須保證大油槍投入后能夠良好地著火燃燒,從而減少因燃料油不完全燃燒產(chǎn)生CH原子團(tuán)的生成量[8]。

為了保證鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)初期大油槍能夠良好著火并完全燃燒,通過不斷地摸索、總結(jié),鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)應(yīng)做好以下工作:

1)點(diǎn)爐前準(zhǔn)備工作

停爐期間對(duì)點(diǎn)火油槍進(jìn)行全面檢查清理,及時(shí)更換有缺陷的槍頭,保證油槍點(diǎn)火后有著良好的霧化和燃燒效果,同時(shí)對(duì)油槍的點(diǎn)火系統(tǒng)全面檢查、檢修,保證油槍能夠一次點(diǎn)火成功,避免多次點(diǎn)火造成NOx排放濃度過高。

鍋爐點(diǎn)火前盡早投用底部加熱系統(tǒng),在鍋爐點(diǎn)火前盡量提高汽包壁溫及爐膛溫度,保證汽包壁溫大于110 ℃,爐膛出口溫度大于120 ℃,SCR脫硝反應(yīng)器入口溫度大于80 ℃。爐膛溫度的提高,有利于油槍投運(yùn)著火后穩(wěn)定燃燒、充分燃燒。同時(shí)由于汽包壁溫及爐膛溫度的升高,可以縮短鍋爐點(diǎn)火后的升溫升壓時(shí)間,盡快達(dá)到SCR脫硝反應(yīng)溫度。

2)點(diǎn)爐期間操作

點(diǎn)爐優(yōu)先投用OB層油槍和D層煤粉燃燒器,以保證鍋爐點(diǎn)火后煙道的升溫速度,保證SCR脫硝反應(yīng)器入口溫度能夠穩(wěn)定上升。

控制好點(diǎn)火期間的總風(fēng)量、熱風(fēng)壓力及風(fēng)門開度。鍋爐點(diǎn)火前,調(diào)整送風(fēng)機(jī)液耦開度及各二次風(fēng)門開度,控制鍋爐總風(fēng)量在180 t/h～190 t/h,熱風(fēng)壓力600 Pa～800 Pa。油槍點(diǎn)火成功后,將大油槍層二次風(fēng)門開度調(diào)整至60%,并根據(jù)火檢狀況及工業(yè)電視油槍著火燃燒情況,調(diào)整二次風(fēng)壓力及風(fēng)門開度,以油槍火檢不發(fā)生閃爍為原則盡量開大二次風(fēng)門,保證油槍投運(yùn)后的完全燃燒。

控制好升溫升壓速度。根據(jù)升壓速度和NOx排放濃度投入后續(xù)油槍,當(dāng)油槍成功投運(yùn)后,檢查燃料油壓力,當(dāng)壓力下降0.1 MPa左右時(shí),油槍霧化良好、著火正常。如燃料油壓力下降過多,立即停用油槍并聯(lián)系檢修檢查處理。投油期間重點(diǎn)關(guān)注鍋爐出口NOx濃度上升情況,當(dāng)爐膛溫度上升,鍋爐出口NOx濃度穩(wěn)定在30 mg/m3后,方可根據(jù)升溫升壓要求投入第二只、第三只、第四只油槍。

3)脫硝系統(tǒng)配合控制

各爐做好配合調(diào)整,控制煙囪排口NOx排放濃度。如果有其他鍋爐在運(yùn),當(dāng)煙囪排口NOx濃度上升時(shí),可降低在運(yùn)鍋爐出口NOx濃度,保證煙囪排口NOx濃度達(dá)標(biāo)排放。

鍋爐在升溫升壓過程中,提前對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行檢查,保證脫硝系統(tǒng)在溫度滿足的情況下,隨時(shí)可以投運(yùn)。SCR脫硝反應(yīng)器入口溫度達(dá)到反應(yīng)溫度后,及時(shí)投入脫硝系統(tǒng),重點(diǎn)檢查氨氣系統(tǒng)投入后流量變化,保證氨氣系統(tǒng)運(yùn)行正常。

啟動(dòng)制粉系統(tǒng),繼續(xù)升溫升壓直到鍋爐并爐,根據(jù)鍋爐出口及煙囪排口NOx濃度調(diào)整脫硝系統(tǒng),控制鍋爐出口煙氣NOx濃度達(dá)標(biāo)排放。

3.2 方案實(shí)施后的效果

該電廠鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)按照上述方案執(zhí)行后,每次點(diǎn)爐過程均能較好地控制鍋爐出口NOx濃度,解決了點(diǎn)爐初期爐膛溫度較低情況下的NOx濃度控制困難的問題,取得了良好的效果。

圖3為方案實(shí)施后的鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖。

圖3 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖

從圖3可以看出,在執(zhí)行了冷態(tài)啟動(dòng)方案后,整個(gè)啟動(dòng)過程中各參數(shù)平穩(wěn),NOx濃度始終在正常范圍內(nèi),未出現(xiàn)超標(biāo)排放的問題。

4 結(jié)語

該電廠鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過程中,從底部加熱投用、油槍配置檢查、油槍霧化效果檢查、鍋爐總風(fēng)量控制、燃燒配風(fēng)調(diào)整、升壓速度控制、脫硝系統(tǒng)投用等方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,徹底解決了鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)過程中的NOx濃度排放超標(biāo)的問題,真正實(shí)現(xiàn)了鍋爐全負(fù)荷的NOx濃度環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。