CN110566943B - CFB锅炉在深度调峰下低NOx 的高温烟气再循环系统 - Google Patents

CFB锅炉在深度调峰下低NOx 的高温烟气再循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于燃煤电厂超低排放技术领域的一种CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统。该系统是针对深度调峰下的脱硝控制，以及现有CFB(循环流化床)机组的脱硝系统结构，通过控制循环烟气量来实现整体的控制，该系统由原煤斗，石灰石给料，CFB炉膛，分离器，分离器回料管，下渣三通调节阀，一次风室，尾部烟道，除尘器，脱硫塔，烟气增热脱白风机，烟囱，可调节烟气回流风机，气固换热器，冷渣器，气固换热口流化风调节阀、排气阀，松动电磁阀和引风机组成。本发明通过分析过量空气系数，以及烟气成分来进行规划，满足深度调峰下的低负荷运行、具有更高灵活性，实现了大范围深度调峰工况过程的超低排放，达到控制氮氧化物产生的目的。

Description

CFB锅炉在深度调峰下低NOx的高温烟气再循环系统
技术领域
本发明涉及燃煤电厂超低排放技术领域，特别涉及一种CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统。
背景技术
循环流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)锅炉具有高效清洁低污染的特点。它具有燃料适应性广，燃烧效率高，炉内高效脱硫，NOX原始生成低，可以进行负荷深度调节等优点。近年来，随着我国能源结构调整，国家对风电、太阳能光伏发电等绿色能源的重视程度的不断提升，新能源接入的增加，为了电网的稳定运行，需要火电厂进行深度调峰。为此，我国燃煤电厂包括CFB燃煤发电机组大多数都会进行深度变负荷运行。本发明着重讨论并解决CFB低热值煤发电机组在低负荷的情况下容易产生以下几个问题：
(1)床温不稳定：在变负荷的情况下，床温无法进行迅速的改变，可控性较差，易导致局部氧含量过高，热力型NOX生成量大；(2)由于床层有最低流化流量的要求，低负荷时燃烧需氧量与进入锅炉一次风的流化风量不匹配：锅炉低负荷运行过程中需氧量减小，相应的流化风量也会降低，但会导致炉内流化状态不佳，流化风量不均匀造成锅炉停运事故；(3)NOX脱除难：现有CFB锅炉一般只安装有选择性非催化还原系统(selective non-catalytic reduction，SNCR)，只有一少部分安装有SNCR与SCR(Selective CatalyticReduction，SCR)脱硝催化剂，不管是SNCR，还是SCR，催化剂及脱硝反应，都有一个反应问题，如果偏离反应条件，就会使反应效率大大下降。在低负荷下，烟气温度降低，很难达到现有脱硝装置的最佳反应温区，效率会大大降低。针对上述问题，发明专利 CN 103697466 A公布了一种带烟气再循环旁路的循环流化床锅炉，通过低温烟气再循环来降低炉内氮氧化物生成；发明专利CN 104456545 A公布了带有烟气再循环的特殊循环流化床锅炉，通过引风机出口烟气与预热空气混合后进入炉内燃烧技术，可以实现整体炉温平衡。以上都是针对于稳定工况，本发明的特点是既提出解决烟气加热增温的方法并通过直接方法循环利用烟气，降低炉内氧含量，从而抑制炉内NOX生成。但是针对当前国家排放标准的进一步要求规范以及电厂当前面临的调峰政策，工况大幅变化下，简单的回用烟气难以满足超低排放要求。因此需要进一步进行研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统；其特征在于，针对深度调峰下的脱硝控制，以及现有CFB机组的脱硝系统结构，通过控制循环烟气量来实现整体的控制，而设计了一种适应于电厂深度调峰与低NOX排放的CFB锅炉加热增温烟气再循环系统：
所述CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统由原煤斗1，石灰石给料2，CFB炉膛3，分离器4，分离器回料管5，下渣三通调节阀6，一次风室7，尾部烟道8，除尘器9，脱硫塔10，烟气增热脱白风机11，烟囱12，可调节烟气回流风机13，气固换热器14，冷渣器15，气固换热口流化风调节阀 16、排气阀17，松动电磁阀18和引风机19组成；其中原煤斗1和石灰石给料2 分别与CFB炉膛3的中下部连接；分离器4上部分别连接CFB炉膛3上部和尾部烟道8上部，分离器4下部与回料管5上端连接，回料管5下端斜着连接CFB 炉膛3的下部；三通调节阀6通过连通管分别与CFB炉膛3的下部、烟气增温的气固换热器14和冷渣器15连通；CFB炉膛3的底部分别和一次风室7连接，以及通过一个调节阀与气固换热器14的左端连接；下渣三通调节阀6通过连通管与冷渣器15连接；气固换热器14底部连接一排松动电磁阀18；气固换热器 14上部通过排气阀17连接在尾部烟道8与除尘器9的连接管中部；松动电磁阀 18的连通总管与气固换热口流化风调节阀16分别连接气固换热器14和可调节烟气回流风机13；可调节烟气回流风机13与引风机19连接；引风机19分别连接除尘器9与脱硫塔10下部；脱硫塔10上部连接烟气增热脱白风机11，烟气增热脱白风机11与烟囱12底部连接。
在CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统中的核心设备是烟气增温的气固加热器14，将回流烟气吸热管布置在气固换热器14的中央池中；在使用时，借助于可调节烟气回流风机13的推动，烟气流过气固换热器14时被加热；锅炉热灰渣进入池内，在松动电磁阀18与气固换热口流化风调节阀16(移动松动风)的作用下，移动松动换热，被加热后的灰渣一并排入冷渣器15，以有利于冷渣器15的运行；在机组运行于深度低负荷时，启动可调节烟气回流风机 13，调节是下渣三通调节阀6，气固换热器14进行加热，被加热的烟气一并送入一次风进行补充。此方法使循环流化床机组参与调峰的能力能够满足电网峰谷差的变化。
循环流化床锅炉一次风作用是将燃烧床料流化，并且提供密相区燃烧所需要的氧气，一次风量的大小取决于流化风速、烟空气温度、炉床压力及燃料特性等。一般的循环流化床锅炉低负荷运行时，加入的一次风量较多，导致尾部烟气含氧量增加，通过研究设计系统以后，通过烟气再循环利用循环高温烟气对一次风进行混合加热，使得一次风的体积流量增大，同时，将烟气与一次风混合加入炉膛，能够降低炉膛内氧气的含量，从而减少炉膛内NOX的生成；但是再循环的烟气不能过多，如果再循环烟气量过高，则导致氧含量过少，燃料不能充分燃烧；因此需要对循环量进行精确控制；在循环过程中，要保证锅炉床料不结焦，就必须使流化风速大于临界流化速度；考虑到运行的安全性，因此需要注意临界流化速度的大小；临界流化速度又称为临界流态化速度。
所述临界流化速度是在初始状态下炉内的床料颗粒受力包括向上的浮力，阻力以及向下的重力；根据前人试验总结的规律，在固定床阶段，流化风速增加，床层压降呈现线性正比增加，当床层压降不发生大变化时，此时的流化速度就是临界流化速度；此时浮力+阻力＝重力；由此可知，床层压降稳定是循环流化床正常运行的重要标志，为了使得流化充分，需要使得流化风速为临界流化风速的2-3 倍；当温度升高时，流化更加剧烈；因此通过循环回流烟气来减少流化风量就很重要。
所述在流态化状态下的流体速度，结合国内外流化床研究试验得出临界流化速度为：
Figure BDA0002210761270000041
其中dp为床料颗粒的平均直径，mm；vg为气体运动粘度，m2/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；ρg为烟气密度，kg/m3。通过公式可知，温度升高时，气体密度下降，粘度升高，临界流化速度可能会发生变化。
通过成分公式，分析得到采用烟气再循环系统后，混合后O2含量公式如下：
Figure BDA0002210761270000051
m1为再循环烟气量，kg/h；m2为与其混合风量，kg/h；a为烟气中的氧含量，％； b为空气中的氧含量，％。O表示通过混合氧气含量，混合后降低了炉膛内氧气的含量。
根据耗量平衡公式有：
αV1F＝Vsx+Vsq
V1为理论燃烧所需气体量，Nm3/kg；F为折合标煤给煤量，kg/h；α是采用烟气再循环的过量空气系数；Vsx是烟气再循环的体积流量，Nm3/h；Vsq是一次风的体积流量Nm3/h。
根据质量流量和体积流量的转换公式：
m1＝ρy*Vsx
其中，ρy表示烟气密度，kg/Nm3；同理可以得到如下：
m2＝ρq*Vsq
其中，ρq表示空气密度，kg/Nm3
根据实际运行情况有：
Vs＝VL+(α-1)V1
其中，Vs表示完全燃烧的理论烟气量，Nm3/h；VL表示燃烧的实际烟气量， Nm3/h。
综合上述公式，可以得到
Figure BDA0002210761270000061
其中烟气密度可以通过分析烟气成分，利用公式：
Figure BDA0002210761270000062
C表示烟气分子量，g/mol，可以通过分析烟气成分来获得各组分的摩尔数进而算出烟气分子量。
本发明的有益效果是通过分析过量空气系数，以及烟气成分来进行规划，为实际运行提供技术支持。通过设计一种气固再循环系统能够满足深度调峰下的低负荷运行，它具有其他系统所不具有的功能，包括：具有更高的灵活性，通过循环烟气，由于回流烟气是高氧浓度的气体，所以与空气混合后在密相区形成了低氧氛围，从而降低一次风以及密相区的氧气含量；进行了一次风氧含量的定量分析控制，实现了大范围深度调峰工况过程的超低排放，从而达到控制氮氧化物产生的目的。
附图说明
图1为循环流化床锅炉控制系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统；本发明针对深度调峰下的脱硝控制，以及现有CFB机组的脱硝系统结构，通过控制循环烟气量来实现整体的控制，而设计了一种适应于电厂深度调峰与低NOX排放的CFB锅炉加热增温烟气再循环系统：下面结合附图予以说明。
图1所示为循环流化床锅炉控制系统结构示意图。图中，所述循环流化床发电机组的NOX低排放高温烟气再循环系统由原煤斗1，石灰石给料2，CFB 炉膛3，分离器4，分离器回料管5，下渣三通调节阀6，一次风室7，尾部烟道 8，除尘器9，脱硫塔10，烟气增热脱白风机11，烟囱12，可调节烟气回流风机 13，气固换热器14，冷渣器15，气固换热口流化风调节阀16、排气阀17，松动电磁阀18和引风机19组成；其中原煤斗1和石灰石给料2分别与CFB炉膛3的中下部连接；分离器4上部分别连接CFB炉膛3上部和尾部烟道8上部，分离器4下部与回料管5上端连接，回料管5下端斜着连接CFB炉膛3的下部；三通调节阀6通过连通管分别与CFB炉膛3的下部、气固换热器14和冷渣器15 连通；CFB炉膛3的底部分别和一次风室7连接，以及通过一个调节阀与气固换热器14的左端连接；下渣三通调节阀6通过连通管与冷渣器15连接；气固换热器14底部连接一排松动电磁阀18；气固换热器14上部通过排气阀17连接在尾部烟道8与除尘器9的连接管中部；松动电磁阀18的连通总管与气固换热口流化风调节阀16分别连接气固换热器14和可调节烟气回流风机13；可调节烟气回流风机13与引风机19连接；引风机19分别连接除尘器9与脱硫塔10下部；脱硫塔10上部连接烟气增热脱白风机11，烟气增热脱白风机11与烟囱12底部连接。
所述CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统的工作原理，在整个系统中核心设备是烟气增温的气固加热器14，将回流烟气吸热管布置在气固换热器14的中央池中；在使用时，借助于可调节烟气回流风机13的推动，烟气流过气固换热器14时被加热；锅炉热灰渣进入池内，在松动电磁阀18与气固换热口流化风调节阀16产生的移动松动风的作用下，移动松动换热，被加热后的灰渣一并排入冷渣器15，以有利于冷渣器15的运行；在机组运行于深度低负荷时，启动可调节烟气回流风机13，调节下渣三通调节阀6，气固换热器14进行加热烟气；被加热的烟气一并送入一次风。
循环流化床锅炉一次风作用是将燃烧床料流化，并且提供密相区燃烧所需要的氧气，一次风量的大小取决于流化风速、烟空气温度、炉床压力及燃料特性等。一般的循环流化床锅炉低负荷运行时，加入的一次风量较多，导致尾部烟气含氧量增加，通过研究设计系统以后，通过烟气再循环利用循环高温烟气对一次风进行混合加热，使得一次风的体积流量增大，同时，将烟气与一次风混合加入炉膛，能够降低炉膛内氧气的含量，从而减少炉膛内NOX的生成；但是再循环的烟气不能过多，如果再循环烟气量过高，则导致氧含量过少，燃料不能充分燃烧；因此需要对循环量进行精确控制；在循环过程中，要保证锅炉床料不结焦，就必须使流化风速大于临界流化速度；考虑到运行的安全性，因此需要注意临界流化速度的大小；临界流化速度又称为临界流态化速度。
所述临界流化速度是在初始状态下炉内的床料颗粒受力包括向上的浮力，阻力以及向下的重力；根据前人试验总结的规律，在固定床阶段，流化风速增加，床层压降呈现线性正比增加，当床层压降不发生大变化时，此时的流化速度就是临界流化速度；此时浮力+阻力＝重力；由此可知，床层压降稳定是循环流化床正常运行的重要标志，为了使得流化充分，需要使得流化风速为临界流化风速的2-3 倍；当温度升高时，流化更加剧烈；因此通过循环回流烟气来减少流化风量就很重要。
所述在流态化状态下的流体速度，结合国内外流化床研究试验得出临界流化速度为：
Figure BDA0002210761270000091
其中dp为床料颗粒的平均直径，mm；vg为气体运动粘度，m2/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；ρg为烟气密度，kg/m3。通过公式可知，温度升高时，气体密度下降，粘度升高，临界流化速度可能会发生变化。
通过成分公式，分析得到采用烟气再循环系统后，混合后O2含量公式如下：
Figure BDA0002210761270000092
m1为再循环烟气量，kg/h；m2为与其混合风量，kg/h；a为烟气中的氧含量，％； b为空气中的氧含量，％。O表示通过混合氧气含量，混合后降低了炉膛内氧气的含量。
根据耗量平衡公式有：
αV1F＝Vsx+Vsq
V1为理论燃烧所需气体量，Nm3/kg；F为折合标煤给煤量，kg/h；α是采用烟气再循环的过量空气系数；Vsx是烟气再循环的体积流量，Nm3/h；Vsq是一次风的体积流量Nm3/h。
根据质量流量和体积流量的转换公式：
m1＝ρy*Vsx
其中，ρy表示烟气密度，kg/Nm3；同理可以得到如下：
m2＝ρq*Vsq
其中，ρq表示空气密度，kg/Nm3
根据实际运行情况有：
Vs＝VL+(α-1)V1
其中，Vs表示完全燃烧的理论烟气量，Nm3/h；VL表示燃烧的实际烟气量， Nm3/h。
综合上述公式，可以得到
Figure BDA0002210761270000101
其中烟气密度可以通过分析烟气成分，利用公式：
Figure BDA0002210761270000102
C表示烟气分子量，g/mol，可以通过分析烟气成分来获得各组分的摩尔数进而算出烟气分子量。
实施例
将机组容量300MW的CFB发电机组进行烟气再循环系统的改造，图一CFB 发电机组采用高温烟气再循环系统的控制结构示意图。以20％额定负荷工况为参照对比系统，在燃煤发电功率基本保持不变的情况下，与未采用这种高温烟气再循环的系统相比，仍能实现超低排放，生成的氮氧化物量能降120mg/Nm3，再通过脱硝系统实现超低排放。

Claims (1)

1.一种CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统；所述CFB锅炉在深度调峰下低NOX的高温烟气再循环系统由原煤斗(1)、石灰石给料斗(2)、CFB炉膛(3)、分离器(4)、分离器回料管(5)、下渣三通调节阀(6)、一次风室(7)、尾部烟道(8)、除尘器(9)、脱硫塔(10)、烟气增热脱白风机(11)、烟囱(12)、可调节烟气回流风机(13)、烟气增温的气固换热器(14)、冷渣器(15)、气固换热口流化风调节阀(16)、排气阀(17)、松动电磁阀(18)、引风机(19)和排渣阀(20)组成；其特征在于，原煤斗(1)和石灰石给料斗(2)分别与CFB炉膛(3)的中下部连接；分离器(4)上部分别连接CFB炉膛(3)上部和尾部烟道(8)上部，分离器(4)下部与回料管(5)上端连接，回料管(5)下端斜着连接CFB炉膛(3)的下部；三通调节阀(6)通过连通管分别与CFB炉膛(3)的下部、烟气增温的气固换热器(14)和冷渣器(15)连通；CFB炉膛(3)的底部分别和一次风室(7)连接，以及通过一个调节阀与气固换热器(14)的左端连接；下渣三通调节阀(6)通过连通管与冷渣器(15)连接；气固换热器(14)底部连接一排松动电磁阀(18)；气固换热器(14)上部通过排气阀(17)连接在尾部烟道(8)与除尘器(9)的连接管中部；松动电磁阀(18)的连通总管与气固换热口流化风调节阀(16)分别连接气固换热器(14)和可调节烟气回流风机(13)；可调节烟气回流风机(13)与引风机(19)连接；引风机(19)分别连接除尘器(9)与脱硫塔(10)下部；脱硫塔(10)上部连接烟气增热脱白风机(11)，烟气增热脱白风机(11)与烟囱(12)底部连接；回流烟气吸热管布置在气固换热器(14)的中央池中；
在使用时，借助于可调节烟气回流风机(13)的推动，烟气流过气固换热器(14)时被加热增温；锅炉热灰渣进入池内，在松动电磁阀(18)与气固换热口流化风调节阀(16)产生的移动松动风作用下，移动松动换热，被加热后的灰渣一并排入冷渣器(15)，以有利于冷渣器(15)的运行；在机组运行于深度低负荷时，启动可调节烟气回流风机(13)，调节下渣三通调节阀(6)，气固换热器(14)进行烟气增温，被加热的烟气一并送入一次风进行补充；使得一次风的体积流量增大，并且提供密相区燃烧所需要的氧气，同时，将烟气与一次风混合加入炉膛，能够降低炉膛内氧气的含量，从而减少炉膛内NOX的生成；在循环过程中，使流化风速大于临界流化速度。
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