孫 屾

(天津泰達(dá)熱電能源管理有限公司 天津 300450)

0 引 言

天津市為切實(shí)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，大幅降低氮氧化物排放量，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，市環(huán)保局明確作出分批實(shí)施全市燃?xì)忮仩t低氮改造計(jì)劃，全面推動(dòng)燃?xì)忮仩t低氮改造工作。2020年3月天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)2020年打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)實(shí)施方案的通知》，要求天津泰達(dá)熱電能源管理有限公司熱源二廠在2020年10月底前完成鍋爐低氮改造，氮氧化物排放限值由原來(lái)的80 mg/Nm3降至30 mg/Nm3以下。本文對(duì)熱源二廠低氮改造的方案選擇、調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決思路進(jìn)行了闡述，總結(jié)了在環(huán)保達(dá)標(biāo)要求下鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

1 熱源二廠低氮改造選型及改造方案

天津泰達(dá)熱電能源管理有限公司熱源二廠現(xiàn)有2臺(tái)35 t/h燃?xì)庹羝仩t、2臺(tái)29 MW燃?xì)鉄崴仩t和2臺(tái)58 MW燃?xì)鉄崴仩t，可向用戶提供1.6 MPa過(guò)熱蒸汽和130℃一次網(wǎng)熱水。在低氮改造前，熱源二廠燃?xì)忮仩t在原燃燒器+FGR模式下氮氧化物排放可以穩(wěn)定達(dá)到80 mg/Nm3以下。為穩(wěn)定達(dá)到30 mg/Nm3以下，目前適用于燃?xì)忮仩t的降氮技術(shù)主要有2種：一種采用低氮燃燒器+煙氣外循環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱FGR；另一種采用直燃型低氮燃燒器的煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱FIR。目前應(yīng)用較為廣泛且技術(shù)較為成熟的是低氮燃燒器+FGR系統(tǒng)，該系統(tǒng)在FGR投用時(shí)可以達(dá)到氮氧化物排放小于30 mg/Nm3并穩(wěn)定運(yùn)行，如果關(guān)閉FGR僅靠低氮燃燒器自身調(diào)節(jié)，氮氧化物排放也可達(dá)到50 mg/Nm3以下。只采用低氮燃燒器的FIR系統(tǒng)，目前在小型模塊爐的應(yīng)用技術(shù)較成熟，對(duì)于大噸位的供熱鍋爐近幾年也有產(chǎn)品出現(xiàn)，其原理為自由射流和分級(jí)燃燒，利用壓縮空氣做配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)煙氣內(nèi)循環(huán)。由于熱源二廠在改造前已有安裝完成的FGR管道，采用FGR煙氣外循環(huán)技術(shù)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)最小，可降低投資成本，故此次改造選擇低氮燃燒器+煙氣外循環(huán)降氮技術(shù)(FGR技術(shù))方案，可確保系統(tǒng)排出NOx的濃度小于30 mg/Nm3。

本次改造方案主要是將現(xiàn)有6臺(tái)鍋爐的燃燒器更換為低氮燃燒器，由于更換低氮燃燒器后需要更大的鼓風(fēng)量，故需更換鼓風(fēng)機(jī)并對(duì)其相關(guān)煙道、閥門進(jìn)行改造，為避免煙氣空氣混合后帶水，新增混煙箱并為熱水鍋爐新增空氣預(yù)熱器以及其他動(dòng)力配電系統(tǒng)、自控系統(tǒng)改造。

蒸汽鍋爐流程為：冷空氣進(jìn)入混煙箱與回流煙氣混合后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓進(jìn)入現(xiàn)有空氣預(yù)熱器加熱后送入低氮燃燒器燃燒，回流煙氣為鍋爐節(jié)能器前高溫?zé)煔?。工藝流程如圖1所示。

圖1 蒸汽鍋爐改造方案工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of steam boiler transformation plan

熱水鍋爐流程為：冷空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入混煙箱，在混煙箱里與回流煙氣混合后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓送入低氮燃燒器燃燒；熱水鍋爐的空氣預(yù)熱器熱源為鍋爐熱網(wǎng)一次供水。工藝流程如圖2所示。

圖2 熱水鍋爐改造方案工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of hot water boiler transformation plan

2 低氮改造后出現(xiàn)的運(yùn)行問(wèn)題及解決思路

熱源二廠由于其自身特殊性，6臺(tái)鍋爐通過(guò)共用煙道與煙囪連接，在多臺(tái)爐共用的情況下，公共煙道氣流擾動(dòng)增加，加之尾部共用煙道過(guò)長(zhǎng)造成煙阻增加，并且每臺(tái)爐煙道擋板門不嚴(yán)，由此引發(fā)了一系列運(yùn)行問(wèn)題。

2.1 鼓風(fēng)壓力低達(dá)不到預(yù)定風(fēng)壓

在改造設(shè)計(jì)方案中，將所有鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓達(dá)到鍋爐在額定負(fù)荷下所需克服各段阻力之和的1.2倍，風(fēng)機(jī)壓頭或煙風(fēng)總阻力(空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)口至空氣預(yù)熱器煙氣出口)蒸汽爐≤11 kPa，29 MW熱水爐≤10 kPa，58 MW熱水爐≤11 kPa，原有鼓風(fēng)機(jī)不能滿足改造要求，故將原35 t/h蒸汽鍋爐和29 MW熱水鍋爐的132 kW風(fēng)機(jī)更換為185 kW，原58 MW熱水鍋爐的280 kW風(fēng)機(jī)更換為350 kW，提高風(fēng)量、風(fēng)壓。當(dāng)6臺(tái)鍋爐全部滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)總煙氣量約30萬(wàn)Nm3/h，按照煙氣溫度70℃計(jì)算，煙道內(nèi)煙氣流速約為10.5 m/s，可以滿足設(shè)計(jì)要求。但二廠匯流煙道過(guò)長(zhǎng)，且鍋爐規(guī)?？缍容^大，因此存在互相擾流的情況，在實(shí)際運(yùn)行中鼓風(fēng)機(jī)壓頭不能完全克服系統(tǒng)阻力，尤其在經(jīng)過(guò)新改造的低氮燃燒器后，壓降原設(shè)計(jì)為2～3 kPa，實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到7 kPa以上，造成了鍋爐不能滿出力運(yùn)行，并且由于更換了較大功率的鼓風(fēng)機(jī)，鍋爐爐膛壓力較改造前同負(fù)荷情況下升高，對(duì)原有附屬部件承壓能力均有一定影響，如排水水封、防爆門等。

解決方案如圖3所示。

圖3 鍋爐解決方案工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of boiler solution

①系統(tǒng)不更改，鼓風(fēng)機(jī)更換。更換壓頭風(fēng)量更大的鼓風(fēng)機(jī)，此方法是最直接、最有效的解決方法，但經(jīng)過(guò)低氮改造后，鍋爐振動(dòng)明顯增大，尤其針對(duì)燃燒器處壓降增大的問(wèn)題，更換更大的鼓風(fēng)機(jī)有進(jìn)一步增加鍋爐振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

②改造成雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。由于鼓風(fēng)機(jī)壓頭和風(fēng)量不能滿足運(yùn)行出力，可以增加1臺(tái)耐高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)，一方面可以增加進(jìn)入燃燒器的壓頭，另一方面可以減少尾部煙道的擾動(dòng)，但受限于風(fēng)機(jī)室面積，選地較為困難。

③在公共系統(tǒng)中增加1臺(tái)共用引風(fēng)機(jī)。由于公共煙道氣流擾動(dòng)的影響，在6臺(tái)爐共同運(yùn)行的情況下，尾部煙阻增加，增加引風(fēng)機(jī)可以有效增加尾部煙道壓頭，減少由于停運(yùn)鍋爐尾部煙道擋板門不嚴(yán)造成的漏風(fēng)現(xiàn)象，此種改造最為可行。

2.2 煙道擋板門不嚴(yán)造成風(fēng)道冷凝水嚴(yán)重

低氮改造過(guò)程中，因回流煙氣中帶有部分水蒸氣，在與空氣混合后溫度低于其露點(diǎn)溫度，會(huì)有大量冷凝水析出腐蝕風(fēng)道、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此在空氣進(jìn)風(fēng)口增加空氣預(yù)熱器與混煙箱，空氣預(yù)熱器熱源采用鍋爐一次網(wǎng)供水，使空氣升溫后使其與煙氣混合后的溫度高于露點(diǎn)溫度，可以避免混合煙氣的冷凝結(jié)露現(xiàn)象。但在實(shí)際運(yùn)行中外界氣溫較低時(shí)，停運(yùn)鍋爐由于煙道擋板門不嚴(yán)、再循環(huán)閥不嚴(yán)造成鼓風(fēng)風(fēng)道內(nèi)有大量冷凝水，風(fēng)機(jī)吹掃后造成鍋爐點(diǎn)火槍有水，鍋爐點(diǎn)火困難。

解決方法：煙道擋板門不嚴(yán)是行業(yè)較為普遍的一個(gè)現(xiàn)象，可以采取在煙氣再循環(huán)閥后加裝手動(dòng)閥的方法，在鍋爐停運(yùn)后手動(dòng)關(guān)閉煙氣再循環(huán)手動(dòng)閥，可以減少鼓風(fēng)風(fēng)道內(nèi)的冷凝水，保證點(diǎn)火成功率。

2.3 回流煙氣對(duì)于經(jīng)濟(jì)性的影響

影響鍋爐效率的主要因素有：排煙溫度熱損失、散熱損失、燃料不完全燃燒等。由于燃燒器改造后散熱損失及鍋爐結(jié)構(gòu)與改造前相比未發(fā)生改變，低氮改造對(duì)鍋爐熱效率產(chǎn)生影響的因素主要有2個(gè)，即排煙溫度熱損失與燃料的不完全燃燒程度。

對(duì)于改造鍋爐，由于爐膛燃燒溫度降低，輻射換熱減少，尾部煙氣流量增加，對(duì)流換熱量增加，鍋爐整體效率存在降低的可能性。一些文獻(xiàn)指出，由于對(duì)流換熱量增加量不足以彌補(bǔ)輻射換熱量減小量，鍋爐總體效率下降，根據(jù)鍋爐爐型和運(yùn)行工況，一般鍋爐效率下降0.5%～4.5%。表1、表2為熱源二廠2號(hào)爐的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 改造前不同工況下運(yùn)行單耗Tab.1 Operating unit consumption under different working conditions before transformation

表2 改造后不同工況下運(yùn)行單耗Tab.2 Operating unit consumption under different working conditions after transformation

表2 配套后的涂膜性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of coating film after matching

據(jù)低氮改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，改造前負(fù)荷在70%～90%之間，氧量控制在5%～6%之間，排煙溫度在60℃以下時(shí)燃?xì)鈫魏妮^好，改造后負(fù)荷在80%～90%之間，氧量控制在6%～7%之間，排煙溫度在70℃以下時(shí)燃?xì)鈫魏妮^好。從數(shù)據(jù)上看，低氮改造后排煙溫度比改造前排煙溫度高10～15℃。排煙溫度升高即燃料在爐膛內(nèi)與對(duì)流管束的傳熱量降低，所以為滿足目前已有熱負(fù)荷，需要增加一定的燃?xì)夤┙o量進(jìn)行燃燒。為了使氮氧化物在全負(fù)荷均能達(dá)到排放限值以下，提升了點(diǎn)火段的燃?xì)饬?，并且為避免事故的發(fā)生，對(duì)FGR投運(yùn)時(shí)間也有一定要求，當(dāng)鍋爐運(yùn)行正常穩(wěn)定后，才能逐步開(kāi)啟煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)比較，改造后燃?xì)鈫魏妮^改造前增加1.48%。并且改造后，因排放指標(biāo)下降，回流煙氣量增加、風(fēng)機(jī)容量加大，耗氣量、耗電量會(huì)隨之增加。

2.4 CO對(duì)于運(yùn)行安全性的影響

考慮回流煙氣中如若存在CO氣體會(huì)對(duì)鍋爐運(yùn)行造成安全隱患，因此在每臺(tái)爐的回流煙道增加了CO監(jiān)測(cè)。根據(jù)改造后情況反饋，2020年整個(gè)供暖季回流煙道CO監(jiān)測(cè)數(shù)值基本為0，該期間也出現(xiàn)過(guò)某個(gè)負(fù)荷段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)CO的情況，同時(shí)煙囪出口氧含量異常降低(降至2%左右)，隨著調(diào)試及運(yùn)行人員的細(xì)化調(diào)整基本解決。只要合理控制風(fēng)氣配比，即可解決鍋爐排煙中含有CO的問(wèn)題。

2.5 煙道漏風(fēng)對(duì)排放數(shù)值的影響

爐膛尾部出口處氮氧化物排放量與煙囪處測(cè)得的氮氧化物排放量應(yīng)該是一致的，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)這兩處測(cè)點(diǎn)排放數(shù)值不同，煙囪處測(cè)得的氧含量偏高，氮氧化物排放量也相應(yīng)偏高，原因?yàn)橥＿\(yùn)鍋爐煙道擋板門不嚴(yán)存在漏風(fēng)現(xiàn)象及煙溫變化造成氮氧化物排放量發(fā)生變化。二廠在處理時(shí)也請(qǐng)了多方檢測(cè)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)多次校核，盡管氮氧化物可以達(dá)標(biāo)，但和爐膛尾部出口處依然存在一定差距。

3 結(jié) 語(yǔ)

本次低氮改造后，氮氧化物排放濃度可以滿足30 mg/Nm3的排放限值要求，社會(huì)效益、環(huán)保效益顯著。對(duì)于低氮燃燒器+煙氣外循環(huán)系統(tǒng)的改造來(lái)說(shuō)，改造實(shí)質(zhì)是通過(guò)降低爐膛溫度，使氮氧化物排放量降低。煙氣再循環(huán)可以減少70%的NOx生成，且隨著再循環(huán)比例的增加，NOx降低幅度也更加明顯，改造是成功的。但本次低氮改造后也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，燃燒狀態(tài)和鍋爐效率也受到一定程度的影響，部分問(wèn)題隨著調(diào)試基本解決，還有一些需要淡季鍋爐全部停運(yùn)后通過(guò)改造解決?！?/p>