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循环流化床锅炉脱硝改造异常的原因分析与解决方法

2019年01月05日 热度:92 ℃

锅炉中过热器、再热器、蒸发器、省煤器是锅炉中重要的受压元件,也是对超温较为敏感的部件,有效地监测这些重要部件的温度分布,是保证锅炉安全稳定运行的关键所在。另外,温度分布测量对于大型锅炉的在线监测、优化燃烧、合理布置炉内SCNR及SCR脱硝、降低NOX排放等方面亦有重要意义。但是,据电厂运行人员反馈,锅炉受热面现场温度分布测量数据与锅炉性能设计的温度分布经常存在偏差。因此,本文分析了导致温度测量偏差的原因,提出一些建议,为后续锅炉的温度分布测量提供一定的借鉴作用。

1

锅炉机组概述

浙江某厂2010年采购了3台220t/h循环流化床锅炉。锅炉为自然循环、单压、燃煤、半露天布置的循环流化床锅炉,主要参数为:额定蒸发量为220t/h,最大连续蒸发量为240t/h,额定蒸汽温度为540℃,额定蒸汽压力为9.8MPa.g。锅炉由一个膜式水冷壁炉膛,两个蜗壳式汽冷旋风分离器和一个尾部竖井烟道组成。其中,尾部竖井烟道上部有包墙过热器包覆,下部由护板烟道组成。在炉膛的中上部,沿炉膛的宽度方向在炉膛前墙布置2片水冷屏及4片屏式过热器,在尾部竖井里布置有高、低温过热器以及省煤器。

随着国家环保政策对NOX排放日益严厉,为了降低锅炉NOX排放指标,2016年该厂首先对3#循环流化床锅炉进行尾部SCR脱硝改造。原循环流化床锅炉尾部竖井烟道的省煤器布置如图1所示,省煤器管组原设计为三组。现场在240t/h最大连续蒸发量的负荷运行情况下,第一组与第二组之间的实际测定烟气温度为370℃-380℃,此温度刚好为SCR最佳脱硝温度区间。

由于实际测得最大负荷情况下,第一组省煤器出口烟气温度刚好为最佳脱硝温度区间,故改造方案是原有第一组省煤器管组保持不变,第二组省煤器移除作为SCR的布置区域,第三组光管省煤器更换为H型鳍片省煤器。通过调整第三组省煤器布置结构,保证改造完锅炉性能不发生改变。改造后循环流化床锅炉尾部竖井烟道的省煤器布置如上述图2所示。

本次改造方案于2016年11月完成。改造完成,锅炉现场运行发现:满负荷运行时SCR区域烟气达到430℃,即使在80%负荷运行时SCR区域烟气亦达到410℃,均高于催化剂的使用温度300℃-420℃。

2

原因分析及误差评估

通过采集现场数据及分析,发现改造后温度偏高的原因为:省煤器改造前现场烟气温度测试失真,误导尾部SCR的脱硝改造。改造前现场测量数据与实际烟气温度存在较大偏差的原因为:对高温烟气进行测量时,测点周围存在温度较低的受热面,受冷辐射背景影响,造成测量温度比实际气体温度低。下面将从理论上对该测量误差进行评估。

当采用测温元件对烟气进行测温时,测温元件从烟气获得热量,并通过背景辐射对环境散失热量。当环境的温度与烟气的温度接近时,温度测量元件与背景之间的辐射换热可以忽略,此时,测温元件所测温度与烟气实际温度相等,测量误差很小,测量准确度高。

但是,当测温元件周围存在温度较低的受热面时,测温元件不仅接收烟气的对流传热,同时与较低温度的受热面有一定的辐射散热。当这种情况下,测温元件平衡温度将低于烟气实际温度。测温元件的能量平衡关系如下:

式中:a为烟气与测温元件之间的对流换热系数,W/(m

2

.K);ε为测温元件与背景之间的有效发射率;X

S

为测温元件与冷背景之间的角系数;C

0

为辐射常数5.67×10

-8

;T

f

为烟气温度,K;T为测量温度,K;T

S

为背景受热面温度,K。若烟气与测温元件的换热系数为100W/(m

2

.K),测温元件与背景之间的有效发射率为0.2。

当测温元件全部被温度较低的受热面所包围,则角系数为1.0;冷背景受热面的温度为423℃(696K)。若测出的温度为823℃(1096K),代人式(1),则实际的烟气温度为960℃。二者之间的误差为137℃,相对误差约15%。

当测温元件部分被温度较低的受热面所包围,空间张角为90度,则角系数为0.25;冷背景受热面的温度仍为423℃(696K)。若测出的温度为823℃(1096K),同样代入式(1),则实际的烟气温度为857.3℃。二者之间的误差为34.3℃,相对误差约4%。

从上述分析可以看出:当采用测温元件测量高温烟气时,若周围存在冷背景受热面会使测量数据产生较高的误差。在这种情况下,若采用带遮热罩的抽气式热电偶,在遮热罩与测温元件之间,由于抽气作用保证了二者之间的有效换热,遮热罩给测温元件提供了一个温度较高的测温环境,从而大大降低测温误差。

3

现场验证

基于上述原因分析,现场重新采集数据并按照式(1)进行修正2017年3月重新对3#循环流化床锅炉进行尾部SCR脱硝改造,增加上级省煤器的受热面,降低SCR区域烟气温度,满足SCR区域脱硝温度的要求。第二次改造后循环流化床锅炉尾部竖井烟道的省煤器布置如图3所示。

第二次改造后,锅炉初期运行受热面未积灰情况下,锅炉满负荷运行时,SCR区域完全可满足催化剂使用温度要求,在运行一段时间,由于受热面受到积灰,SCR区域的温度略有升高,但从没有出现超过催化剂使用温度范围,改造后一直运行至今,脱硝效率高,锅炉NOX排放指标达标。

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建议

通过理论分析和现场验证,在采用测温元件对烟气进行测温时,当测温元件环境温度与烟气温度接近时,测温元件与背景之间的辐射换热基本可忽略,测量误差很小,测量准确度高。当测温元件周围存在温度较低的受热面时,测温元件所测数据与实际烟气温度存在较大误差。在这种情况下,建议采用带遮热罩的抽气式热电偶,在遮热罩与测温元件之间,由于抽气作用保证了二者之间的有效换热,遮热罩给测温元件提供了一个温度较高的测温环境,从而大大降低测温误差。

5

结语

有效监测锅炉各受热面的温度分布,是保证锅炉安全稳定运行的关键所在,准确获得锅炉重要受热面的温度分布对于锅炉优化燃烧、合理布置炉内SCNR及SCR脱硝、降低NOX排放等方面有重要意义。本文通过理论分析导致测温元件测量偏差的原因,并通过现场验证,为今后锅炉的温度分布测量提供一定的借鉴作用。

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