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燃氣鍋爐低氮燃燒器加煙氣再循環工藝的改造升級

時間:2020-11-13 來源:蘭州交通大學 本文字數:7259字
作者:焦永杰. 單位:蘭州交通大學

  摘  要

  
  當前我國大氣環境形勢十分嚴峻,環境保護關系人民福祉,關乎民族未來,F行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)要求,單臺出力65t/h以上燃氣鍋爐,重點地區氮氧化物排放限值為100mg/m3。對存在超標排放風險的燃氣鍋爐采取降氮措施進行改造顯得尤為必要。



燃氣鍋爐低氮燃燒器加煙氣再循環工藝的改造升級
 

  
  本文針對某廠UG-75/3.82-Q4型及UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐在運行中煙氣排放方面主要存在的問題,對氮氧化物的生成機理、控制措施進行了研究。對幾種降低氮氧化物的工藝技術從脫氮氧化物的效率、技術水平、改造治理工作量、施工難度、運行維護等幾個方面進行了對比。根據燃料組分,對造成兩臺鍋爐煙氣氮氧化物超標排放的原因進行了分析,確定了熱力型氮氧化物是造成氮氧化物排放量高的根本原因。在遵循技術先進可靠、投資合理、降低成本和減少能耗的原則下,對UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐進行低氮燃燒器局部改進+煙氣再循環的工藝路線進行改造,改造內容主要涉及燃燒器配風盤及噴嘴朝向的優化,新增煙氣循環風機及相應進出口煙氣管線,改造后組織通過了環保設施竣工驗收。對UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐進行低氮燃燒器+煙氣再循環的工藝路線進行改造,改造內容主要涉及原燃燒器及爐前燃氣系統拆除,更換六臺進口低氮燃燒器,配套儀表、爐前燃氣控制系統改造,新增煙氣循環風機及配套煙氣管線及控制系統,改造后組織進行了標定。改造后對監控的運行排放數據進行分析,對減少的氮氧化物排放量及相應的排污費進行了測算。
  
  結果表明,改造實施后,在燃氣沒有改變的情況下,鍋爐熱效率沒有發生較大變化,UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐氮氧化物從改造前的均值131.16mg/m3下降到了改造后的均值79.47mg/m3,當年減少NOx排放量為191t,節約排污費用22.9萬元;UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐氮氧化物從改造前的均值284.22mg/m3下降到了改造后的78.63mg/m3,當年減少NOx排放量為354t,節約排污費用42.48萬元。同時,針對氮氧化物異常排放、環保設施故障處理等生產運行中的問題,對改造后鍋爐從生產運行過程控制、管理制度等方面進行完善,以實現鍋爐長期運行煙氣達標穩定排放的目標。
  
  文末通過對實際運行過程中存在的問題進行分析,并提出相關建議為同行業此類問題的解決提供參考,有助于氮氧化物減排方面措施經驗的推廣。
  
  關鍵詞:    燃氣鍋爐;煙氣;氮氧化物;達標治理。
  

  Abstract

  
  The  air  environment  in  China  is  now  very  serious  and  challenging.  Environmental protection is thus very important to people’s wellbeing and China’s future. According to the current  Emission  standard  of  air  pollutants  for  thermal  power  plants  (GB13223-2011),  the emission  limit  of  NOx  in  some  key  areas  of  China  is  100  mg/m3  for  over  65t/h  natural  gas boilers.  Therefore,  it  is  essential  to  make  some  modifications  on  those  natural  gas  boilers which fail to meet the emission requirement.
  
  This  paper  focused  on  some  major  gas  emission  problems  of  two  types  natural  gas boilers,  UG-75/3.82-Q4  and  UG-130/3.82-Q.  It  also  studied in  this  paper  about  mechanisms of  NOx  production  and  controls  on  this  pollutant.  Comparison  has  also  been  made  between several different NOx reduction process technologies from some perspectives, including NOx removal  efficiency,  technology  level,  the  work  amount  spending  on  transformations, construction  difficulty,  operating  maintenance,  and  so  on.  We  analyzed  some  factors contributing  to  the  unqualified  NOx  emission  from  these  boilers  and  found  that  the  thermal NOx  was  the  major  contribution.  All  of  transformations  of  these  two  boilers  were  under guidelines of technologies advancement and  reliability, investments  rationality, low cost  andenergy consumption. For UG-130/3.82-Q4 typed boiler, some parts of its low-nitrogen burner and  its  flue  gas  recirculation  process  were  modified.  Specifically,  we  optimized  the  burner nozzle upwards, and added a new flue gas recirculation fan and corresponding inlet and outlet lines.  These  modifications  have  passed  corresponding  environmental  inspections.  Similar transformations were also made to the UG-75/3.82-Q4 boiler. Its original burner system were replaced by six low-nitrogen burners which were  made abroad, corresponding meters, a new flue  gas  recirculation  fan  and  corresponding  gas  pipelines,  and  a  control  system.  We  finally analyzed  the  NOx  emission  data  acquired  in  the  course  of  this  boiler  operation  after transformation.  We  also  calculated  how  much  amount  of  NOx  emission  could  be approximately reduced as well as the corresponding cost to treat it.
  
  After these modifications, it was found that, under similar conditions including same gas source and boilers’ heat efficiencies, an average concentration of NOx dropped from131.16 to  79.47  mg/m3  for  the  UG-130/3.82-Q  boiler,  and  from  284.22  to  78.63  mg/m3  for  the UG-75/3.82-Q4  boiler.  This  would  also  reduce  NOx  emission  for  the  year  by  191  ton  and save  the  pollution  discharge  cost  about  229000  yuan  for  the  UG-130/3.82-Q  boiler,  and  by 354  ton  as  well  as  424800  yuan  for  the  UG-75/3.82-Q4  boiler.  Meanwhile,  we  optimized some control methods in the course of operation of these two boilers and management system to reach the goal of the safe emission of NOx produced by natural gas boilers.
  
  Finally,  some  existing  problems  during  these  two  boilers  operation  have  been thoroughly analyzed in this paper and corresponding resolutions to them were also proposedas references for peer industries. This will help popularize these experiences on NOx emission reduction.
  
  Key word: 
   natural gas boiler;fuel gas;NOx;require-standard management。
  

  1、 緒 論

  
  受全球化影響,世界各地的環境更加緊密的聯系在一起。而中國城市化和工業化的進程加快,能源消耗快速、產業結構單一、污染治理滯后等原因導致了一系列城市環境空氣質量問題[1]。生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計,黨的十九大將堅持人與自然和諧共生作為新時代堅持和發展中國特色社會主義基本方略的重要內容,將污染防治作為決勝全面建成小康社會的三大攻堅戰之一,將建設美麗中國作為全面建設社會主義現代化強國的重大目標。國家、地方政府和中國石油圍繞生態文明建設和生態環境保護提出一系列新理念、新要求、新目標和新部署。面對工業污染、燃煤污染、揚塵污染、機動車尾氣污染、面源污染等大氣污染問題,需要堅持源頭防治、標本兼治,大力推進“技防”及配套管控措施,從源頭扭轉環境惡化趨勢,持續改善空氣質量,努力建設美麗中國。
  
  近些年來,我國在鍋爐煙氣治理方面對二氧化硫及煙塵的排放治理起步較早,排放總量已呈現不斷下降的趨勢,但對氮氧化物排放的控制,相對較為遲緩,氮氧化物的排放及污染不容樂觀[2]。作為重點地區,2005~2014年10年間,蘭州市二氧化氮年均值變化呈“倒U型”,2010~2013年二氧化氮年均值逐年下降,2013年為近10年均值最低點,2014年再次升高加劇,超過國家年二級標準限值0.20倍[3]。為了扭轉這一局面,使燃氣鍋爐氮氧化物得到規范治理,我國對火電廠污染物排放制定了更為嚴格的指標標準。根DB62/1992-2010《蘭州市鍋爐大氣污染物排放標準》規定,燃氣鍋爐二氧化硫排放標準≤100mg/m3,燃氣鍋爐氮氧化物排放標準≤250mg/m3,燃氣鍋爐煙塵排放標準≤50mg/m3。而現行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)要求,單臺設計負荷65t/h以上燃氣發電鍋爐,重點地區氮氧化物排放限值為100mg/m3。
  
  燃氣鍋爐作為提供動力能源的設備,其消耗的燃料主要是天然氣及瓦斯干氣,在提供動力能源的過程同時排放污染物氮氧化物。氮氧化物以NO、NO2、N2O等多種形態存在,是造成大氣污染的主要污染源之一,因此被列為國家重點污染源防治控制項目,及早采取先進工藝技術對燃氣鍋爐煙氣排放中污染物氮氧化物進行大規模有效治理,為企業、員工和社會群眾創造更加優良生產生活環境,是所有排污企業必須面對的共同課題。
  
  1.1、 研究背景及意義 。
  
  1.1.1、 研究背景 。

  
 。1)行業背景燃氣鍋爐作為提供動力能源的設備,其消耗的燃料主要是天然氣及瓦斯干氣。數據顯示:從2006年到2015年,全球煤炭和石油消費比重下降約2.3%,而天然氣比重提高約1%。2015年我國的天然氣消費量高達1931億立方米,“十二五”期間年均增長約12.4%,累計消費天然氣約8300億立方米,是“十一五”消費量的2倍[4]。2015年天然氣在一次能源消費中的比重從2010年的4.4%提高到5.9%,提高了1.5個百分點。“十三五”規劃明確將天然氣在我國一次能源消費中的比重提高到10%,也就是2020年天然氣的消費比重較2015年接近翻一倍,逐步將天然氣發展成為我國的主體能源之一[5]。隨之而來產生的污染物排放也使越來越多的企業有了污染情況加劇的危機意識,大部分企業以達標排放為目標采取了相應的管控防治措施,但相關行業快速發展引起的污染排放沖擊弱化了這些管控防治措施的作用。
  
 。2)氮氧化物污染現狀①氮氧化物的污染現狀全球排放的氮氧化物早己超過了5000萬噸/年。在2000年,我國的氮氧化物年排放量甚至超過了1000萬噸,統計顯示,2011年蘭州地區氮氧化物排放總量10.18萬噸,較上年減少0.07萬噸,其中,工業排放量為7.97萬噸,生活及其它排放量為2.21萬噸。同期,本課題涉及的石化生產單位氮氧化物年排放總量為6351.9793t,占比明顯,因此及早采取先進工藝技術對燃氣鍋爐煙氣排放中污染物氮氧化物進行大規模有效治理,為企業、員工和社會群眾創造更加優良生產生活環境,是所有排污企業必須面對的共同課題,也是大勢所趨,勢在必行。②氮氧化物的危害氮氧化物以NO、NO2、N2O等多種形態存在,是形成酸雨的主要物質,也是形成大氣中光化學煙霧的重要物質,直接導致陰霾天、臭氧破壞、空氣污染等后果,是造成大氣污染的主要污染源之一,因此被列為國家重點污染源防治控制項目。氮氧化物可刺激肺部,使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病,呼吸系統有問題的人士如哮喘病患者,會較易受二氧化氮影響。對兒童來說,氮氧化物可能會造成肺部發育受損。研究指出長期吸入氮氧化物可能會導致肺部構造改變。人只要在含量為1?10-4~1.5?10-4的NO2環境中停留30min~60min,就會因肺水腫而死亡[6]。
  
  1.1.2、 研究問題 。
  
  按照現行火電廠大氣污染物排放標準(GB13223-2011)要求,單臺出力65t/h以上燃氣發電鍋爐,重點地區氮氧化物排放限值為100mg/m3。本課題結合某廠燃氣鍋爐長期 運 行 實 際 及 煙 氣 排 放 指 標 監 測 結 果 , 研 究 發 現 動 力 廠UG-130/3.82-Q型 及UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐經煙囪排放的煙氣中氮氧化物濃度無法達到以上標準要求。
  
  為了解決鍋爐裝置連續平穩運行和環保合法排放的較大風險,減少氮氧化物的排放,本課題對某廠燃氣鍋爐氮氧化物超標原因進行了調查分析,在遵循技術先進可靠、投資合理、降低成本和減少能耗等原則下,提出了治理措施及方案,即對UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐(即A鍋爐)進行低氮燃燒器局部改進+煙氣再循環的工藝路線進行改造;對UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐(即B鍋爐)進行低氮燃燒器+煙氣再循環的工藝路線進行改造,并予以實施、調試、驗證。本課題實施后,將氮氧化物濃度降低至100mg/m3以下,為企業每年節約排污費用,減少污染物排放,保護生態環境。
  
  總體來講,本課題所涉及的鍋爐裝置管理機構完善,建立了一整套健全、合理、行之有效的管理、操作、質量、安全、行政制度和標準。由于本課題所涉及的相關裝置建設較早,建設之時環保排放缺乏前瞻性,存在相關問題也是企業長期發展的客觀存在。
  
  為擺脫煙氣氮氧化物對大氣污染的現狀,本課題從全局出發,按照“問題思維、缺陷管理、持續改進”的管理理念進行了全面綜合達標治理。
  
  1.1.3、 研究意義 。
  
  本課題以某廠兩臺燃氣鍋爐煙氣達標排放為研究對象,通過對現場生產過程進行跟蹤,評價鍋爐運行現狀,分析燃氣鍋爐爐內氮氧化物產生過程,對裝置日常運行數據進行收集,分析兩臺燃氣鍋爐煙囪排放氮氧化物超標原因,提出治理措施,解決了燃氣鍋爐裝置生產運行的環保風險,實現了達標排放,取得了環境質量持續改善的業績。本課題主要意義如下:
  
 。1)掌握兩臺燃氣鍋爐運行的實際情況,認識分析實際存在的因煙氣排放導致的環境污染風險,對裝置煙氣排放工藝進行科學合理的治理,并經數據分析、運行調試、經驗總結,規章制度完善,為操作規程的制定及后續正常運行提供參考。
  
 。2)本課題所涉及生產單位是集煉油、化工、工程建設、檢維修等業務為一體的大型煉油化工企業,是中國西北地區重要的煉油化工生產基地,能源戰略地位異常重要。作為工業廢氣排放大戶,進行氮氧化物達標治理,能確保達到大氣污染物排放標準,同時,降低氮氧化物的排放將落實企業社會責任,改善所在地區環境質量,提高居民的生存生活條件。
  
 。3)本課題的實施對HSE體系運行具有積極重要的意義;對于履行“奉獻能源,創造和諧”的宗旨和可持續發展同樣具有重要意義。
  
 。4)本課題的實施為環保管理和治理提供比較充分可靠的科學依據,為同行業煙氣排放達標治理提供參考。
  

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  1.2、氮氧化物控制技術的研究現狀和發展趨勢
  1.2.1、燃料和助燃空氣的預處理
  1.2.2、燃燒裝置的優化
  1.2.3、對煙氣的處理
  1.2.4、理論研究及應用進展
  1.3、研究內容和方法
  1.3.1、研究內容
  1.3.2、研究方法
  
  2、氮氧化物生成及控制技術分析
  
  2.1、氮氧化物的生成機理及途徑
  2.1.1、氮氧化物的生成機理
  2.1.2、氮氧化物生成途徑.
  2.2、氮氧化物控制技術
  2.2.1、燃燒前控制氮氧化物排放
  2.2.2、燃燒中控制氮氧化物排放
  2.2.3、燃燒后控制氮氧化物排放
  2.2.4、氮氧化物控制工藝技術.
  2.2.5、燃燒后氮氧化物脫除工藝技術比較.
  2.2.6、煙氣再循環燃燒
  2.2.7、低氨技術的對比分析
  2.3、本課題研究內容
  
  3、燃氣鍋爐運行現狀分析.
  
  3.1、燃氣鍋爐概況
  3.1.1、裝置簡介
  3.1.2、技術特點
  3.1.3、工藝流程說明
  3.2、燃氣鍋爐煙氣排放現狀分析
  3.2.1、燃氣鍋爐生產運行情.況.
  3.2.2、煙氣排放指標要求.
  3.2.3、鍋爐煙氣排放現狀
  3.2.4、煙氣排放存在問題分析.
  3.2.5、治理前的煙氣排放運行控制
  
  4、鍋爐煙氣氮氧化物控制技術應用研.
  
  4.1、對本研究選取降氮措施的分析
  4.2、A鍋爐氮氧化物排放達標治理
  4.2.1、A鍋爐運行現狀.
  4.2.2、治理方案的制定
  4.2.3、治理方案的實施
  4.2.4、改造效果分析
  4.2.5、經濟與社會效益及推廣.
  4.3、B鍋爐氮氧化物排放達標治理
  4.3.1、B鍋爐運行現狀
  4.3.2、治理方案的論證
  4.3.3、治理方案的實施
  4.3.4、效果驗證
  4.3.5、經濟與社會效益及推廣
  4.4、對兩臺鍋爐達標治理的比較
  4.5、采取改造措施合理性分析
  4.6、運行中煙氣氮氧化物排放影響因素分析
  
  5、降低氮氧化物的運行控制及制度完善.
  
  5.1、運行調節及故障處理
  5.1.1、煙氣再循環調節的注意事項
  5.1.2、運行中控制氮氧化物調節方法的.選擇.
  5.1.3、異常情況的判斷及處理方法
  5.2、氮氧化物異常排放管理
  5.2.1、鍋爐煙氣外排氮氧化物濃度超標事件的管理.
  5.2.2、開停爐期間氮氧化物的管理.
  5.2.3、污染源在線監測數據超標判定和豁免規則
  5.3、環保設施的日常檢查維護
  5.4、管理制度完善.
  5.4.1、環保點源源長制.
  5.4.2、環保排放指標的升級管理.

  6 、 結 論

  本課題以某廠UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐為研究對象,概述了污染物排放現狀并進行了原因分析,制定了治理方案,并對方案進行了實施。主要結果和結論如下:

  經過對原有燃燒器進行結構優化,新增煙氣外循環,本文研究的UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐煙氣中氮氧化物排放日均值從2017年治理前的131.16mg/m3下降到治理后2018年11月12月正常運行期間監測的79.47mg/m3,達到了改造目標和GB13223-2011的要求,滿足地方排放要求。

  經過更換低氮燃燒器、新增煙氣外循環,本文研究的UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐煙氣中氮氧化物排放日均值從2017年治理前的284.22mg/m3下降到治理后2018年11月12月正常運行期間監測的78.63mg/m3,達到了改造目標和GB13223-2011的要求,滿足地方排放要求。

  改造后,氮氧化物排放得到了極大降低。根據本課題監控數據,對改造前后年排放量進行對比測算,UG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐改造后年排放量減少了191t,相應減少排污費22.9萬元;UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐改造后年排放量減少了354t,相應減少排污費42.48萬元。本課題的改造取得了一定的經濟效益。

  本文研究及實踐表明,UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐在原有主要框架不變、受熱面結構不變、燃燒器雙層布置方式不變、原設計負荷不變、運行期間主要工藝參數不變、不涉及特種設備重大變更的基礎上,可以實現煙氣達標治理。對于已建成鍋爐,單一的某一種低氮技術改造已經無法滿足當前嚴格的排放標準,根據運行狀況科學地選擇多種低氮技術的疊加應用,能取得較好的降氮效果,使得排放指標具有一定前瞻性,在已建成鍋爐煙氣達標排放治理改造中具有重要實際意義。在UG-130/3.82-Q型及UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐完成環保排放達標治理的同時,本次改造也取得了較好的社會效益,具有實際應用價值和推廣意義。

  本文同時對改造后的運行過程中煙氣再循環調節的注意事項、運行中控制氮氧化物調節方法、異常情況的判斷及故障處理進行了經驗總結。對開停爐期間氮氧化物排放的管理、氮氧化物濃度超標后的應急程序進行了完善,并在環保指標的升級管理上對“環保點源源長制”、“環保工藝卡片指標升級”等方式進行了實踐。改造后的調試和生產運行經驗的總結,以及制訂完善的應急程序及環保管理制度,為兩臺鍋爐今后“安穩長滿優”運行打好了基礎。

  參考文獻

  原文出處:焦永杰. 某廠燃氣鍋爐煙氣氮氧化物排放治理研究[D].蘭州交通大學,2020.
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