多元耦合低氮燃燒技術在蒸汽鍋爐中的應用

賈艷萍 , 高文平 , 劉 偉 , 張建虎

(陜西延長石油(集團)有限責任公司 榆林煉油廠 , 陜西 榆林 718500)

目前,低氮燃燒技術呈現出多元耦合的趨勢和特征,是理論和應用研究熱點,在工業中有廣泛的應用。多元耦合低氮燃燒技術包括：低氮燃燒器、煙氣再循環、分級分區燃燒、無焰燃燒、預混燃燒、催化燃燒、微波輔助氣體燒成技術和高溫空氣燃燒等技術[1]。分級分區燃燒采用中心燃燒和外圍多槍嘴燃燒技術,形成多區域燃燒,擴大了燃燒區域,控制了燃燒火焰中心區域空氣量及燃燒溫度,降低局部高溫,降低NOx的生成。煙氣再循環技術通過熱煙氣的再循環不僅可以持續加熱火焰根部穩定燃燒,可降低爐內燃燒的峰值溫度,且煙氣的混入降低了爐內燃燒過程中氧濃度,降低了燃料的能量密度,從而抑制NOx的生成和節約燃料[2]。

2018年12月陜西省發布了《鍋爐大氣污染物排放標準》(DB61/1226—2018),煙氣排放濃度限值執行：顆粒物≤10 mg/m3,SO2≤20 mg/m3,NOx≤80 mg/m3。某煉油廠2臺中溫中壓75 t/h蒸汽鍋爐燃料為油氣混燒,煙氣排放原設計執行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)中以油、氣為燃料的排放限值,NOx≤200 mg/m3,SO2≤200 mg/m3,顆粒物≤30 mg/m3。為滿足DB61/1226—2018鍋爐煙氣排放濃度限值要求,2020年9—10月,對2臺75 t/h鍋爐采用低氮燃燒器、煙氣外循環、分級分區燃燒等多元耦合燃燒技術,設置低氮燃燒器系統,進行煙風系統、燃料氣管路及增設高精度燃料氣過濾器等技術改造。

1 鍋爐本體型式及參數

2臺鍋爐均為單鍋筒自然循環水管鍋爐,采用π型布置,爐膛部分、水平煙道采用懸吊結構吊于頂板梁上,尾部省煤器和空預器采用鋼架支承結構,鍋爐配套有4臺油氣混燒燃燒器,分上下兩層布置于前墻。鍋爐為負壓運行,鍋爐水質符合中壓鍋爐水質標準。2×75 t/h鍋爐原設計參數：燃料為煉廠干氣、輕柴油;額定蒸汽壓力3.82 MPa;額定蒸汽溫度450 ℃;給水溫度104 ℃;額定工況設計效率≥92%;運行負荷范圍30%～110%;排煙溫度150～180 ℃。

2 改造措施

2.1 燃油燃氣鍋爐改造為燃氣鍋爐

拆除原燃油系統(包括燃油燃燒器、燃油管路等),改造后采用的燃料氣為煉廠混合氣,天然氣為應急補充氣。設置1根DN250 mm管道將天然氣接入鍋爐單元界區,燃料氣母管上設置流量計,與原鍋爐燃料氣管線在燃料氣分液罐出口管線混合。改造后引入天然氣設計流量為13 500 Nm3/h,供氣管道壓力0.45 MPa。

2.2 氮氧化物達標排放改造

采用低氮燃燒器+煙氣外循環、分級分區燃燒技術,將原2×75 t/h鍋爐共8臺油氣混燒燃燒器全部更換為低氮燃氣燃燒器,同時增加煙氣再循環系統,每臺鍋爐新增煙氣再循環風機各1臺,供4臺燃燒器使用,原鼓風機、引風機利舊。再循環煙氣從鍋爐引風機入口煙道抽取,經過再循環煙氣風機加壓,與空預器出口的熱空氣混合后送到4臺燃燒器進入爐膛參與燃燒。每臺燃燒器設置獨立煙氣流量調節閥,精確控制到每個燃燒器的煙氣量,煙氣再循環量設計為總煙氣量的15%。

2.3 二氧化硫達標排放措施

二氧化硫排放濃度主要由燃料氣中硫化物含量決定,根據鍋爐實際排放濃度參數,二氧化硫排放濃度平均值及最大值滿足環保要求。本次針對煙氣二氧化硫濃度排放未進行改造。降低煙氣二氧化硫濃度的措施為優化干氣脫硫裝置操作或將燃料改為天然氣,降低燃料中硫含量。

2.4 煙塵達標排放改造

根據鍋爐燃料氣組分及煙氣排放濃度參數,煙塵濃度高的主要原因為燃料氣組分含有重烴以及蒸汽負荷波動引起的不完全燃燒生成積碳,同時,多數情況下該鍋爐運行時過?？諝庀禂灯?導致煙塵排放折算濃度過高。優化改造鍋爐燃料氣組分,混燒煉廠氣;在燃料氣分液罐出口管路增設2臺高精度過濾器(一用一備),過濾精度0.1 μm,并聯運行,降低由燃料帶入鍋爐爐膛的顆粒物;將粉塵儀改為抽取式粉塵儀提高固體顆粒物檢測精度,減少檢測誤差。

2.5 鍋爐本體及煙風系統改造

根據燃燒器外形圖對原有鍋爐本體的燃燒器開孔和銜接法蘭進行改造。由于增加了再循環煙氣系統,故在原引風機入口煙道增設一個煙氣循環口,增加煙氣再循環管路,接至每臺燃燒器近前風管道。

3 燃燒系統及輔助設備選型

單臺鍋爐燃燒器主要技術參數見表1,主要設備及附件匯總表見表2。

表1 單臺鍋爐燃燒器主要技術參數

表2 主要設備及附件匯總表

燃燒器采用意大利歐寶(EBICO S.R.L)生產的EC9GR型低氮燃燒器,由燃燒器本體、供風系統、燃料供給系統、點火裝置、安全保護系統和負荷調節系統組成;燃燒器本體由燃燒頭和殼體等部件組成;燃料供給系統由主切斷閥、過濾器、燃氣壓力調節閥、燃料流量調節裝置和自動安全雙切斷閥;安全保護系統包括自動控制器、閥門檢漏裝置、火焰檢測裝置、燃氣高低壓保護裝置和燃料/再循環煙氣流量調節裝置的驅動元件等組成。燃燒器控制方式為全自動電子比例調節分體式燃氣燃燒器,燃燒器的控制受控于鍋爐的總控制,能根據鍋爐負荷調整燃燒器負荷大小,并具有10%～20%超負荷能力。

4 改造后鍋爐減排效果

改造前后動力站鍋爐產汽量不發生變化,年均鍋爐蒸發量為100 t/h,操作時間按照8 000 h設計。改造后煙氣經爐膛及尾部受熱面換熱后通過原高度100 m的煙囪排放,煙囪上配備煙氣連續排放檢測系統,改造前后煙氣中主要污染物含量在線檢測折算值見表3。

表3 改造前后煙氣中主要污染物含量 mg/m3

由表3可知,主要污染物SO2、NOx及顆粒物含量均達到現行標準要求,改造前后SO2濃度主要受燃料氣影響,與本次改造無關。鍋爐改造前后污染物年均排放量對比見表4。

表4 污染物年均排放量對比表

由表4可知,改造后鍋爐煙氣污染物總量明顯下降,NOx年均排放減少50.9 t/a,煙塵年均排放減少0.7 t/a。

5 結論

兩臺75 t/h鍋爐蒸汽鍋爐采用低氮燃燒器、煙氣外循環、分級分區燃燒等多元耦合低氮燃燒技術,同時進行了煙風系統、燃料氣管路系統改造和增設高精度燃料氣過濾器除塵等改造措施。改造后,主要污染物SO2、NOx及顆粒物含量均達到現行標準要求,煙氣中NOx濃度由改造前的104.2 mg/m3降至40.6 mg/m3,煙氣中煙塵濃度由改造前的5.6mg/m3降至4.1 mg/m3,NOx年均排放減少50.9t/a,煙塵年均排放減少0.7 t/a,使煙氣中NOx含量降低約61%,使煙氣中煙塵排放量降低約27%,實現了達標排放。說明EC9GR型低氮燃燒器、煙氣外循環、分級分區燃燒等技術相結合可有效抑制NOx的生成,增設高精度燃料氣過濾器對降低煙塵濃度有一定的效果,證明了改造措施的有效性。