煤粉炉低氮燃烧及烟气脱硝改造设计典型示范

范剑明，武新岗

(1.鄂尔多斯职业学院，鄂尔多斯市 康巴什 017010；2.内蒙古中科联合工程技术有限责任公司，鄂尔多斯市 康巴什 017010)



煤粉炉低氮燃烧及烟气脱硝改造设计典型示范

范剑明1，武新岗2

(1.鄂尔多斯职业学院，鄂尔多斯市 康巴什 017010；2.内蒙古中科联合工程技术有限责任公司，鄂尔多斯市 康巴什 017010)

针对某电厂两台240 t/h煤粉锅炉NOX超标问题，在充分了解锅炉特点及原始运行情况的基础上，提出了低氮燃烧和烟气脱硝综合改造技术路线，并对改造工程主要内容进行了设计。经实际运行完全可达到预期目标，运行成本较低。

煤粉炉；低氮燃烧；烟气脱硝；改造设计

燃煤发电虽已是我国煤资源利用高效清洁方式，但因其基数大，仍是我国大气污染的主要排放源之一。当前我国面临越来越严峻的环境压力，为此国家陆续出台政策，进一步提高了燃煤电厂大气污染物的排放限值[1]。

作者在工作过程中参与了某发电厂脱硝工程技术改造方案设计，该发电厂1、2号机组配套两台240 t/h煤粉锅炉，改造前锅炉烟气NOX排放浓度约900 mg/Nm3，按照新的《GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准》，出口烟气NOX浓度需满足<100 mg/Nm3的要求。因此需对现有两台锅炉进行技术改造。

1 锅炉现状

两台锅炉型号为NG—240/9.8—M1型锅炉，单汽包自然循环“π”型布置，固态排渣煤粉炉。锅炉设计煤种为烟煤，同时可掺烧部分煤矸石，经改造后可掺烧部分焦炉煤气。

锅炉采用直流式煤粉燃烧器，正四角切向布置，在炉膛中心形成一个直径为Φ600的假想切圆；炉膛四角布满了Φ60×5的节距为80 mm的光管加扁钢制成的膜式水冷壁，形成一个完全封闭的炉膛；炉膛出口处布置屏式过热器，水平烟道布置高温段、低温段过热器，顶棚、水平烟道两侧墙、转向室四周均布置了过热器包覆管；竖井烟道中交错布置了二级省煤器和二级空气预热器。

2 技术路线确定

2.1 选择过程

(1)选择性非催化还原法(SNCR)。该工艺一次投资少、后期运行费用也低，但脱硝效率较其他方法明显偏低，一般仅为40%左右。为此，本工程不考虑单独采用SNCR法。

(2)混合型烟气脱硝(SNCR/SCR)。作为近年发展起来的新技术，该技术主要应用于中小型锅炉，炉后场地空间不足，且初始NOX较低的情况。本工程初始NOX浓度较高，不考虑采用SNCR/SCR法。

(3)选择性催化还原法(SCR)。该工艺脱硝效率高、技术成熟、运行稳定、应用业绩量大。但其初期投资和运行费用较高，运行成本压力较大。为此，本工程也不考虑单独采用SCR法。

(4)综合评估现有技术，结合锅炉NOX排放浓度较高的实际，首先考虑对锅炉进行低氮燃烧技术改造，通过控制燃烧区域的空气量和温度，进而达到阻止NOX生成及降低其排放的目的，从而降低后续脱销设施压力。

2.2 选择结论

鉴于以上技术分析和锅炉实际情况，本工程选择采用低氮燃烧技术和选择性催化还原技术(SCR)综合改造技术路线。首先采用低氮燃烧改造技术将NOX降到550 mg/Nm3以下，脱硝率为40%，然后采用SCR脱硝技术，将NOX降到100mg/Nm3以下，脱硝率为82%，两种技术综合脱硝效率为89%，完全能满足最新NOX浓度排放标准的要求，且可以分步实施。

3 工程设计方案[2-4]

3.1 低氮燃烧改造部分

(1)采用二次风垂直分级高位燃尽风系统

将有组织燃烧风量沿炉膛垂直方向分级供入。在主燃烧器上方一定标高处(下层燃尽风距燃烧器三次风喷口中心线约3.5 m，可根据现场管道、钢架安装位置进行适当调整)布置燃尽风喷口(二层8只)，且每个燃尽风喷口均采用摆动式结构，目的在于锅炉运行工况发生变化时进行燃尽喷口摆动角度调整，减少炉膛出口烟温偏差，并保证过热器管壁壁温正常。各燃尽风喷口供风均由单独燃尽风道提供，引出自二次风主风道。

燃尽风喷口需满足水平和垂直两个方向摆动，水平方向摆动幅度按±15°考虑，垂直上下摆动幅度按±15°考虑。垂直摆动装置采用电动执行器，水平摆动手动执行。

(2)主燃烧器区二次风喷口

由于增加了高位燃尽风，维持总风量不变，需根据主燃烧器区有组织二次风减少情况进行相应缩小主燃烧器区二次风喷口面积。但最下层要保证较大二次风喷口面积，可强化二次风托粉作用，减少炉膛底部的掉渣量和大渣的含碳量。

同时适当增加一、二次风喷口之间的间距，降低NOX生成浓度，还可有效防止燃用高硫煤时容易发生的高温腐蚀。

(3)主燃烧器区三次风喷口

三次风喷口进行重新设计，喷口风速适当降低，并加装水平WR钝体和稳燃齿，提高三次风出口气流着火稳定性。

(4)周界风喷口

采用延迟混合型一、二次风布置以及侧二次风的周界风喷口设计。

二次风喷口采用收缩型结构，推迟一二次风的混合。一次风浓淡喷口之间采用垂直V型隔板，推迟浓淡一次风的混合速度。采用这样的措施，可以有效地推迟浓淡煤粉气流的混合，减少燃烧过程中含N基团与O2反应机会，有效降低NOX生成量。高浓度的浓一次风煤粉气流，强化一次风的着火和稳燃性能，利用早期快速析出挥发分有效降低NOX生成量，可保持高的煤粉颗粒的燃尽度。

一次风喷口出口四周设计有偏置型周界风喷口，对运行或停运的一次风喷口起到冷却保护作用，一次风在向火侧和上下两侧设有小扳边，推迟周界风与一次风的混合，在一次风喷口背火侧设计较大出口动量的侧二次风，对炉膛水冷壁面起到防止结渣、防止高温腐蚀的保护作用。

采用新型低氮燃烧技术预期能把本项目2台锅炉的NOX排放量从现有的900 mg/Nm3降到550 mg/Nm3以下，并能同时保证锅炉效率和其它性能。

3.2 新建SCR区部分[5-6]

本阶段确定采用选择性催化还原(SCR)工艺。SCR烟气脱硝系统采用高灰段布置方式，脱硝装置处理100%烟气量。根据烟气温度、烟气成分、烟气压降、烟气氮氧化物浓度、氮氧化物脱除率、氨的逸出量、催化剂寿命、SO2/SO3转换率、烟气含尘量和反应器的布置空间等，合理选择催化剂，优化设计反应器及烟道系统的流场，合理设计氨/烟气混合系统。在设计煤种及校核煤种、锅炉最大连续出力工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下，初装两层催化剂时烟气脱硝效率分别不低于84%，反应器出口NOX浓度不高于100 mg/Nm3(6%氧含量，干烟气)。催化剂层数按2+1设置。

(1)SCR区

SCR系统是指从锅炉上级省煤器出口，经SCR反应器至上级空预器入口之间的部分。主要由烟道、SCR反应器、催化剂、氨/空气混合器及喷氨格栅、吹灰系统等组成。

(2)SCR反应器

每台锅炉各设置一台SCR反应器，SCR反应器采取紧身封闭结构。反应器内烟气流向为竖直向下，在入口处设置气流均布装置，出入口段均设导流板，各类支架、加强板均采用不易积灰的结构型式，同时考虑热膨胀的补偿措施。

SCR反应器设置足够大小和数量的人孔门，并设有催化剂取样口；SCR反应器内的设计流速一般在4～6 m/s选择；SCR反应器设计需考虑堵塞、磨损等情况，能适应锅炉各种工况以及负荷变化和启停的要求；SCR反应器需设计必要的起吊装置和平台，用于催化剂模块安装、维护及更换；SCR反应器的设计压力应当与配套锅炉一致，瞬时不变形承载能力按照炉膛抗爆压力考虑。

(3)催化剂

当前SCR脱硝工艺普遍采用氧化钛基催化剂，市场上主要有蜂窝式、板式与波纹式三种。特别是最近几年，蜂窝式催化剂以其高的比表面积、低体积、可再生而被越来越多地应用于烟气脱硝项目中。本项目推荐采用蜂窝式催化剂。

(4)氨喷射系统

尿素热解后生成氨空气混合气。为了保证喷入烟道内的氨与烟气均匀分配和混合，氨气注入采用格栅式，在喷射格栅的入口每一区域分配管道上设有手动流量调节阀，方便在调试初期调节各个区域氨气的分配。

(5)吹灰系统

根据灰的特性，SCR反应器设置声波吹灰器和蒸汽吹灰器，为初装催化剂安装吹灰器，为备用层预留接口。

4 结论

根据给定2台240 t/h煤粉锅炉特点及原始运行情况，首先对当前燃煤锅炉脱硝技术进行了详细分析和比选，在此基础上确定了项目改造技术路线，并对改造工程主要内容进行了设计，经实际运行完全可达到预期目标；工程投资核算后，本改造工程单位造价约300元/kW，运行成本较低，可为同类型机组烟气脱硝改造运行提供借鉴。

[1]俪建国.燃煤电厂烟气“超低排放”技术路线[C].超临界机组技术交流2014年会.

[2]陈浩.锅炉低氮燃烧技术的应用与浅析[J]. 科技专论，2012(19):318

[3]火力发电厂烟气脱硝设计技术规程：DL/T 5480-2013 [S].

[4]燃煤烟气脱硝技术装备：GB/T 21509-2008 [S].

[5]冯立波,罗钟高,葛春亮.火电厂SCR烟气脱硝工艺系统设计[J].能源与环境,2009(1):48-52

[6]火电厂烟气脱硝工程技术规范 选择性催化还原法：HJ562-2010 [S].

The Typical Reconstruction Design of Coal-Fired Boiler adopted Low NOXCombustion and Flue Gas Denitrification Technology

FAN Jian-ming1, WU Xin-gang2

(1. Ordos Vocational College, Ordos Inner Mongolia 017010,China )

In view of the problems of NOx exceeding standard of two 240t/h coal-fired boilers in a power plant,a comprehensive technical route of low NOx combustion and flue gas denitrification was put forwardon the basis of fully understanding the characteristics of the boilers and the operation of the boilers. The main contents and renovation project were designed. The actual operation could achieve the expected objectives. Therefore, it could provide references for the same type unit flue gas denitrification operation.

coal-fired boiler; low NOXcombustion; flue gas denitrification; reconstruction design

2017-03-15

范剑明(1987-)，男，硕士，讲师，主要从事安全、环境领域教学、科研和工程技术设计工作。

X701

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1673-9655(2017)05-0059-03