440 t/h循环流化床锅炉脱硝优化提效改造研究

王 忠

(国家电投集团大连泰山热电有限公司，大连 116021)

0 引 言

工业燃烧产生的烟气主要成分之一——氮氧化物NOx，是导致光化学烟雾、酸雨和雾霾等一系列环境问题的主要空气污染源的一种。为了满足日益严格的排放标准，国内外众多学者、企业和研究机构集中探索了许多方法如三联催化、氮氧化物减量和储存、选择性催化还原烟气脱硝(SCR)等以减少氮氧化物的排放。

2014年9月12日，国家发展改革委、环境保护部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，要求新建和现役燃煤发电机组大气污染物排放浓度应基本达到或接近燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50 mg/Nm3)。2017年9月，辽宁某热电厂接到大连市环保局下发的《关于限期实施超低排放改造的通知》，要求限期完成超低排放改造。因而，辽宁某热电厂进行了烟气超低排放改造工程，改造后实现了超低排放，从而更好地保护环境。落实了国家环保政策的要求。

文中介绍了辽宁某热电厂440 t/h CFB锅炉脱硝优化提效改造的情况及改造后的具体效果，该低氮燃烧技术方案并在其余3台锅炉上得到了很好的应用。

1 设备现状

辽宁某热电厂现有2台哈锅制造的440 t/h 循环流化床锅炉，采用了Alstom公司的超高压参数中间再热循环流化床技术。锅炉总体型式为自然循环、单锅筒、一次再热、高温绝热旋风分离器、平衡通风、回料阀给煤、紧身封闭布置，配国产135 MW抽凝式汽轮发电机组。钢架双排柱悬吊结构、燃煤、固态排渣。

经测试，锅炉NOx的原始排放可达到350 mg/Nm3，改造前锅炉的脱硝技术采用SNCR脱硝系统，能够满足NOx<200 mg/Nm3的污染物排放标准。SNCR脱硝技术是将NH3、尿素等还原剂喷入炉内与NOx进行选择性反应，无需催化剂辅助催化，但必须在合适的温度区间加入还原剂。还原剂喷入炉膛的最佳工作温度区域为850～1 150 ℃，此时还原剂(如尿素)能迅速将烟气中的NOx还原反应生成N2和H2O。

NH3或尿素还原：NOx的主要反应分别如下为[1]-[3]：

NH3为还原剂的反应：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素为还原剂的反应：NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O

当温度高于1 150 ℃时，NH3则会被氧化为NO：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

还原剂的反应高效温度范围称为温度窗。最佳温度区一般为850～1 100 ℃。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低。

原脱硝系统的尿素溶液制备系统设置1台尿素溶解罐，1台尿素稀释用除盐水箱，设置2台尿素溶液供应泵(1运1备)，向两台锅炉的脱硝供应尿素溶液。

2 存在问题

要达到超低排放要求，需将NOx的排放量从原来的200 mg/m3减小到NOx50 mg/m3。经过对锅炉现有的运行参数、运行状况进行分析，需针对以下问题进行具体的改造工作：

(1)风帽结构设计及长期运行磨损等原因导致运行一次风量偏高，不利于分级燃烧控制，同时布风均匀性不佳易导致锅炉床温不均。

(2)锅炉给煤方式为后墙给煤，目前存在不同给煤线之间容易发生给煤不均的现象；

(3)脱硝系统的公用部分设计不够合理；公用系统现为母管制，运行过程中发现存在两台锅炉的尿素溶液流量互相干扰的问题；

(4)现有的SNCR喷枪型式较为老旧，喷射混合效率不高而导致还原效率低下，同时喷枪安装方式和数量不够合理。

3 烟气脱硝改造方案

脱硝优化提效改造工程拟通过SNCR系统升级改造、锅炉改造并配合燃烧优化调整试验，从而实现氮氧化物超低排放、降低炉膛温度、减轻磨损、提高锅炉效率、降低风机电耗、延长锅炉运行周期等技术目标。主要工作内容具体如下：

(1)一次风布风装置改造；

(2)SNCR脱硝系统升级改造。

3.1 锅炉一次风布风装置改造

锅炉设计的布风板一次风为总风量的50%，设计布风板阻力为5 kPa。目前燃用褐煤，根据褐煤高挥发分特点，布风板一次风率可以降低至40%。但降低布风板一次风率时布风板风帽阻力随之降低，将会加剧风帽磨损后已存的布风不均匀性从而引起床温偏差扩大。床温偏差过大意味着炉内受热面传热偏差大。因此，为了实现良好的布风效果，提高一次风的穿透能力，达到减少流化风量、降低床温、提高床温均匀性，从而实现降低氮氧化物原始排放的目的，需要对一次风布风板风帽进行改造。

辽宁某热电厂440 t/h CFB锅炉的原风帽为大钟罩风帽，风帽横向间距270 mm，纵向间距270 mm，风帽外缘ø 159 mm，风帽净间距为111 mm。风帽高度145 mm，风帽出风孔为8孔ø22，风帽内腔直径ø103，风帽底孔为M72×3螺纹，帽孔处风帽壁厚为28 mm。原风帽接管分为两段：下段ø76×8内径ø60，上端带M72×3外螺纹与风帽底孔配合；上段为ø68×5管内径58 mm，并在上端开有两排孔，每排8个孔均为ø15通风直径。安装时将两段接管插在一起，通过螺纹旋在风帽底孔部，旋转至上段管顶在帽体内腔的顶部为止。原有的这种风帽更换困难、头部易烧损、帽孔处易磨损、帽体间易发生对吹磨损。从运行参数看，目前布风板阻力偏低，一次风经过风帽后穿透能力偏差，对物料扰动不够，换热换值不能达到正常运行需要，这也是导致床温不均匀的问题之一。

针对辽宁某热电厂440 t/h循环流化床锅炉风帽布风不均匀的问题，对风帽进行了改造，将外罩小孔区域进行了加厚，以提高其耐磨性和使用寿命。将风帽外罩风孔向下倾斜15°，减少相邻风帽风孔的扰动，减少床料反窜；风帽芯管上端部利用端板焊死，防止风帽脱落从芯管漏渣，便于安装施工。风帽出风孔为10孔，开孔为长条形，由2个直径14 mm的半圆和和一个边长15 mm长方形组成，芯管在上端开有两排孔，每排8个孔均为Φ13.7 mm通风直径。

改造后，在10万风量下，布风板热态阻力(200 ℃)约为2 kPa，150 000 Nm3/h风量下布风板热态阻力(200 ℃)约为4.2 kPa。同时，改造后一次风布风板的临界流化风量降低至约70 000 Nm3/h。

因此，改造后锅炉布风均匀性提升，临界流化风量减小，可以实现运行中一次风量可进一步下降，为锅炉低氮燃烧奠定了基础。

3.2 SNCR脱硝系统升级改造

针对脱硝公用系统设计不合理、喷枪安装方式和数量不够合理对现有的SNCR脱硝系统进行脱硝升级改造，其中主要内容为改造喷射系统、尿素供应系统和氨逃逸表。

通过SNCR系统升级改造，计划将NOx的排放量由200 mg/Nm3降至约40 mg/Nm3，从而实现氮氧化物超低排放。

3.2.1 喷射系统

喷射系统，是保证脱硝效率的关键。喷入的尿素必须与烟气中的NO充分混合才可以发挥较好的选择性还原NO的效果，但如果混合时间太短，或者混合不充分，就会降低反应的选择性，从而降低脱硝效率。为达到设计脱硝效率，必须使用高效脱硝喷枪喷枪，并在合理设计脱硝喷枪位置的基础上增加喷枪数量。具体方案为：

拆除原有喷枪，在每个分离器设置8支高效喷枪：

具体布置方式为分离器入口内测3支喷枪、外侧5支喷枪。

单只喷枪最大出力为120 L/h。每台锅炉共计16支，两台锅炉共计32支高效喷枪。

3.2.2 尿素供应系统

两台炉的尿素溶液供应系统采用母管制形式，实际运行中存在两台锅炉互相干扰的问题。因此，本次改造计划改为单元制供应尿素溶液。

改造方案为：增加尿素泵和稀释水泵各2台，并对相应管道进行调整，从母管制运行变为单元制运行。

3.3 锅炉燃烧优化调整

由于锅炉布风均匀性提升，一次风量可进一步下降，为锅炉低氮燃烧奠定了基础。在高负荷时对锅炉进行了燃烧调整，分别对锅炉氧量、上下二次风开度、炉内石灰石喷入量等参数进行了优化。试验结果说明，当370 t/h负荷工况下，当炉内氧量控制在2%左右，一次风量110 000 Nm3/h，下二次风开度50%，上二次风开度100%，尿素溶液(浓度40%)耗量约500 kg/h时，NOx最终排放可控制50 mg/Nm3(6% O2标态折算后)以下。

4 结束语

锅炉局部床温偏高是发生NOx急剧增加现象的根本原因。因此，通过改造锅炉布风装置改变床温不均匀的现象，然后结合通过对SNCR系统进行升级改造和燃烧优化调整，使得喷入的尿素与烟气中的NO可以充分混合，提高了脱硝效率，从而使辽宁某电厂440 t/h CFB锅炉的NOx的排放值由200 mg/Nm3降至约40 mg/Nm3，从而实现氮氧化物的超低排放，达到了国家最新的排放要求，完成电厂预期的环保改造目标。