关键词褐煤;煤粉炉、Aspenplus软件;模拟流程;操作条件;氮氧化物控制。
1、引言
煤粉炉具有燃烧迅速、完全、容量大、效率高、适应煤种广、便于控制调节等优点,在我国火力发电厂有较广泛的应用。大唐克旗煤制天然气公司动力中心470T/H蒸发量的锅炉,是哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的高压、单锅筒、自然循环、无中间再热、四角切向燃烧方式、单炉膛平衡通风、固态排渣,紧身封闭、全钢构架的∏型煤粉炉。该锅炉于2011年建成投运,为满足国家环保要求,降低NOx排放量,2014年通过技术改造,在省煤器出口增设SCR脱硝反应装置,设置三层催化剂,同时为降低脱硝入口烟气温度,省煤器增加了换热面积,改变了部分设计运行参数。
为了进一步研究该锅炉的工艺特性,对设计数据进行核算,本文利用Aspenplus软件对锅炉系统进行工艺建模,并结合设计数据和实际运行数据对锅炉不同工况进行模拟计算,通过模拟计算数据和灵敏度分析,找出锅炉系统工艺操作条件对工艺指标的影响因素,为优化运行及技术改造提供理论依据,以期达到锅炉最优的操作工况。
2、模拟计算条件、模拟流程建立及检验
2.1燃料煤煤质情况
锅炉主燃料煤为锡林浩特地区煤矿的褐煤,设计及实际煤质数据见表1。
从煤质数据表来看,实际煤质的热值比设计值高,可以减少煤的消耗量;灰熔点比设计值低,使锅炉更容易结渣,从而影响锅炉负荷的提升;水分比设计值高,增加了煤的消耗,使磨煤机出口温度降低;灰分比设计值低,减少了灰渣残碳含量,提高了煤的利用效率,改善了煤的燃烧效果。总体上分析,实际煤质要优于设计煤质。
2.2模拟计算条件
锅炉系统主要由汽水系统、燃烧系统和SCR烟气脱硝系统三部分组成。其中锅炉汽水系统由省煤器、汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器、再热器等组成,其主要任务是有效吸收燃料放出的热量,使锅水蒸发并形成具有一定温度和压力的过热蒸汽;锅炉燃烧系统由炉膛、烟道、燃烧器、空气预热器等组成,其主要作用是使燃料在炉内良好燃烧,放出热量;SCR烟气脱硝系统由喷氨混合器、稀释风机,脱硝反应器、声波吹灰器等组成,其主要任务是脱除烟气中的氮氧化物,满足环保排放指标。
为了更切合实际的用Aspenplus软件对470T/H锅炉进行模拟核算,锅炉汽水系统和燃烧系统两大部分中的主要设备,在建立的模拟流程中各模块的数据基本按照设计数据进行输入;脱硝系统数据按设计控制指标进行输入;燃料煤、锅炉给水、空气等外部物料数据按实际运行数据或设计数据进行输入。
模拟过程中设定:锅炉燃烧过程处于稳定运行状态,所有参数不随时间发生变化;燃料煤燃烧时,先热解释放出挥发份后产生焦炭再分级燃烧;燃烧过程中燃料和氧分布均匀;煤的热解产物燃烧反应完全;整个模拟过程中没有压力损失;燃烧速度很快,只受化学反应速度控制,能够达到理想的化学平衡;燃料煤中的灰分为惰性物质,在燃烧中不参与反应;散热损失按0.35%考虑,漏风率仅考虑干式排渣冷却风量影响,灰渣及飞灰残碳以实际分析数据为准。
2.3模拟流程的建立
AspenPlus流程模拟软件,已在煤化工及石油化工领域得到了较为广泛的应用,而将其用于模拟燃煤锅炉的报道尚不多见。本文采用AspenPlus模拟软件,建立了由煤粉锅炉燃烧系统模块、给煤系统模块、换热系统模块、供风系统模块、除灰渣系统模块、给水系统模块、脱硝系统模块组成的模拟流程,如图1所示。通过流程的模拟计算可以得出锅炉系统的物料平衡、能量平衡、反应平衡及物料性质参数等结果。
2.4模拟流程的检验
为了验证模拟计算结果与设计数据及实际运行数据的拟合度,选取锅炉系统主要运行参数与模拟数据进行比较分析。这里将模拟流程输入数据按以下几种工况进行设置,第一种是完全按照锅炉原始设计煤种及工况进行设置,并对设计数据进行核算对比;第二种是按照锅炉系统改造之前实际稳定运行最大负荷使用煤质及工况进行设置,并对实际运行数据核算对比,第三种是按照锅炉系统改造后,结合实际预测满负荷工况进行设置。计算数据对比见表2,以此推断模拟流程的可行性。
从以上模拟数据对比表可以看出,第一种工况模拟计算数据与设计数据基本一致;第二种工况模拟计算数据与实际数据有一定偏差,误差较大的有锅炉主蒸汽流量与锅炉炉膛氧量。分析导致误差较大的原因,一是输入燃料煤煤质数据与实际数据不可避免的有一些偏差,二是总风量计量仪表可能存在较大误差,输入的总风量偏大,如果按照锅炉炉膛氧量反推总风量,计算出的结果与实际运行数据拟合度较好。第三种工况,虽然锅炉实际运行并没有达到满负荷,但模拟计算结果与实际负荷运行数据变化趋势相同,而且在按实际负荷输入数据后,得到的计算结果与实际运行数据基本一致。由此可见,建立的模拟流程可以用于470T/H煤粉炉的工艺模拟核算及操作条件优化分析。
3、锅炉操作条件对工艺指标的影响与优化分析
根据已经建立的锅炉模拟流程及SCR脱硝系统改造参数,结合实际运行情况,在设定部分已知参数的条件下对锅炉系统满负荷运行工况进行模拟计算。然后再通过模拟软件灵敏度分析及优化功能,对系统的工艺操作条件进行分析。
3.1锅炉总风量对工艺指标的影响及优化
入炉总风量的大小与锅炉热效率的高低密切相关,总风量过大会使排烟热损失增加;总风量过小,则会使煤粉燃烧不充分,烟气中CO含量、飞灰可燃物含量和炉渣可燃物含量增加,致使化学和机械未完全燃烧损失增加;总风量的大小也对主汽温和再热汽温产生影响,因此选取合理的入炉总风量,可使总的热损失最小,锅炉热效率达到最高,同时在低负荷时又能保持较高的汽温。调整风量即可寻求到最佳风煤比和此时相应的最佳含氧量的数值[1]。锅炉总风量变化对锅炉蒸发量、炉膛出口温度、烟气量、炉膛出口氧含量及氮氧化物含量的影响见图2
从模拟计算结果分析,总风量增加锅炉蒸发量降低,炉膛出口温度先上升后降低,氮氧化物含量先上升后降低,一次风温降低。由此可知,锅炉在满足燃料煤完全燃烧的前提下,风量控制的越低越经济。
3.2锅炉一、二次风配比对工艺指标的影响及优化
一次风就是燃料风,由一次风机送出然后携带煤粉,进入锅炉燃烧;二次风就是助燃风,由送风机送出主要作用是供给锅炉足够的氧量以及燃烧所需的切圆动力。为了使煤粉易于点燃,保证良好的燃烧,一次风量不宜过多。二次风的温度较高,有利于煤粉点燃,并起到搅拌作用,有利于煤粉和空气的充分混合,对减少过量空气系数,保证煤粉完全燃烧是有利的。因此,要实现燃烧的优化控制,必须有合适的控制手段对锅炉的给粉、送引风、一、二次风配比进行合理控制[2]。总风量不变,改变一次风的比例,对锅炉蒸发量、炉膛出口温度、烟气量、炉膛出口氧含量、磨煤机风粉混合温度及氮氧化物含量的影响见图3。
从模拟计算结果分析,随着一次风比例增大,氮氧化物含量先增加后降低,炉膛出口温度降低,锅炉蒸发量降低,一次风温度先升高后降低。由此可知,一次风比例在满足输送煤粉的前提下控制较低有利于生产运行。
3.4氮氧化物的脱除与控制
氮氧化物是造成大气污染的主要污染物之一,如何降低燃烧过程中NOx的排放量一直是燃煤锅炉研究的重点。大容量锅炉的配风方式对锅炉燃烧的稳定性、燃烧效率及NOX的排放等特性影响很大,锅炉内流场的分布对煤粉与氧化剂的混合有重要影响,煤粉与氧化剂的混合时机对局部区域的反应气氛和反应温度均会产生影响,进而影响NOx的产生[3]。
SCR脱硝工艺是利用NH3对NOx的还原功能,在一定条件下将NOx还原为对大气没有污染的氮气和水。一般情况下在NH3与NOx摩尔比约等于0.9时,效率可达到80-90%[4]。根据前面的模拟计算结果可知,在煤质确定的情况下影响NOx含量主要因素是入炉总风量及炉膛温度,入炉风量变化烟气不同浓度NOx脱除NH3用量模拟计算结果如表3。
4、结论
AspenPlus可以较好的模拟煤粉炉的燃烧过程,建立的燃烧模型及热解模型、换热模型、脱硝反应模型能够对锅炉的物料平衡、热量平衡及烟气组分进行比较准确的预测,并对设计数据进行核算。经过核算,锅炉设计能够满足蒸发量470T/H满负荷生产运行;利用AspenPlus软件的灵敏度分析功能,能够把总风量及一、二次风配比的变化对部分工艺指标的影响程度进行可靠的判断和分析;根据烟气中氮氧化物浓度和烟气量的不同,能够较准确的计算出所需要的氨气用量,可为煤粉炉的优化运行及环保达标提供有益参考。
参考文献:
[1]吕泽华,徐春晖.中小型煤粉炉的运行优化[J].热能动力工程,2002,17(97):90-91.
[2]王鑫鑫,徐向东.中型煤粉炉运行优化主导因素法的应用[J].清华大学学报(自然科学版),2000,40(11):51-52.
[3]肖琨、陈飞等。配风方式对锅炉氮氧化物排放影响的研究[J].动力工程学报,2010,30(6):405-406.
[4]郝艳红、黄成群等.火电厂环境保护[M].北京:中国电力出版社.2008:57-58.