330 MW循环流化床锅炉低氮燃烧改造及分析

2020-10-30温卿云

能源与环境 2020年5期

温卿云

（厦门龙净环保技术有限公司福建厦门 361009）

循环流化床锅炉（CFB）具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放浓度低等优点，适用于燃烧劣质燃料和低热值的煤种，因此我国一直推进循环流化床锅炉用于燃烧以煤矸石为主的低热值煤［1］。但由于劣质燃料灰分大、热值低、硫分高等特点，因此要同时满足CFB锅炉稳定安全的运行和污染物超低排放的标准，存在着一定的难度［2］。CFB锅炉要达到氮氧化物的超低排放，通常采用脱硝技术有低氮燃烧（LNB）技术、选择性非循化还原（SNCR）技术和选择性催化还原（SCR）技术这三种技术的组合［3］。

本文针对某330 MW循环流化床锅炉燃烧以煤矸石为主的燃料，初始氮氧化物浓度高达420 mg/Nm3（初始排放浓度，O2=6%）的情况，分别从二次风配风、烟气再循环、炉膛风帽等方面进行低氮燃烧改造，并加以SNCR技术的改造，最终实现氮氧化物超低排放。

1 锅炉概况

锅炉型号为DG-1177/17.4-II2，亚临界、一次中间再热、单汽包炉。锅炉采用汽冷式旋风分离器进行气—固分离、高温回灰、全钢架支吊结构。采用床下、床上点火器点火。锅炉主要由1个膜式水冷壁炉膛、3台汽冷式高温旋风分离器和1个由汽冷包墙包覆的尾部竖井（HRA）烟道三部分组成。炉膛内前墙布置有12片屏式过热器管屏、6片屏式再热器管屏，后墙布置2片水冷蒸发屏。锅炉共布置有10个给煤口，全部布置于炉前，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室，水冷风室两侧布置有一次热风道，进风型式为平行于布风板从风室两侧进风，由于空预器一、二次风出口均在两侧，一次热风道布置较为简单。一次热风道内布置有4台点火燃烧器，密相区水冷壁前后墙上分别布置2只床上点火油枪。6个排渣口布置在炉膛后墙水冷壁下部，分别对应6台滚筒式冷渣器。

该锅炉曾经进行了二次风口提升高度改造。但由于技术不成熟，缺少实质性的深入研究，改造后无明显降氮效果，改后二次风压降低使年厂用电率降低0.5%。

2 存在的问题及原因分析

锅炉存在着炉膛中心区缺氧的问题，这种中心区缺氧会降低燃料燃尽效果和脱硫剂化学反应的效率，直接导致炉内低NOx的优化过程受到限制，不能有效实现低温燃烧时的高效低氮，初始NOx排放较高。锅炉NOx排放值约420 mg/Nm3（初始排放浓度，O2=6%），分析锅炉设计与运行现状如下：

2.1 二次风配风方式不当

二次风是锅炉内燃烧过程的主旋律，设法降低一次风率、提高二次风率，既可以强化氧化区燃尽和还原区低氧分段低NOx燃烧效果，也抑制温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧的过程统一［4］。本文中的锅炉设计一、二次风风量比例为4∶6，二次风口分布位置不合理，数量上也未考虑与煤质和炉型的关系，单只喷口风量分配性不好，二次风设计并没有实现充分协调，没有正确处理好射流穿透、配风均匀性、风煤比局部均衡和合理制造还原氧化区分布这几方面的协调关系。

2.2 炉内温差大而床温偏高

由于流态化过程的复杂性、新鲜燃料和回料灰的分布相对集中、料层颗粒的不均匀性、物料流化程度的偏差和一、二次风分配的不均匀性，直接导致了CFB锅炉床温偏高和炉内温度偏差大。床温偏差大不但影响物料的燃尽和脱硫效率，还将影响炉膛整个低NOx的进程；同时，床温的不均匀也会造成局部温度峰值，而局部超高床温是NOx急剧增加的最重要原因之一［5］。理论上，850～915℃的床温是CFB最佳低氮脱硝温度。

锅炉实际运行床温偏高，在满负荷时局部床温可达970℃，过高的床温已影响了锅炉带负荷能力。锅炉还存在明显的炉膛布风板布风不均现象，使得密相区温度场分布极不均匀，炉内上下温差偏大，炉膛出口温度随负荷变化的波动范围为740～950℃。运行床温已严重偏离了低氮燃烧所需的最佳床温。

2.3 锅炉灰循环差而分离器效率低

锅炉分离器设计效率较低，灰颗粒外循环倍率不足，炉内热负荷分配极不平衡，负荷的变化往往会影响到燃烧份额变化，造成类似于煤粉炉炉内火焰中心上移效果。由于存在颗粒粗大时床温偏高而物料细微时床温偏低的规律，炉内的燃烧份额随颗粒级配和粒径而迥然不同。此外，布风板、风帽和均压风室的设计瑕疵，也会造成布风不均匀，增加床温控制的难度。

3 改造方案

3.1 二次风系统改造

本次改造根据现有煤质核算实际二次风量、二次风速，重新布置二次风喷口位置、调整二次风的入射角度等，在合理配风、分级燃烧基础上，大幅提高二次风穿透性，解决炉膛中心区严重缺氧问题，提高燃料燃尽率，实现均温燃烧下的高效低氮。具体改造内容如下：

（1）改造后的二次风喷口仍为两层布置，保持上下二次风配风方式，喷口数量适当调整，取消侧墙二次风，喷口改造涉及的水冷壁及密封盒重新设计优化。

（2）为强化低氮燃烧效果，在保证锅炉运行安全的前提下，上下层风口标高均上移，强化空气分级程度，并沿宽度方向重新布置，形成“两头小中间大”“上大下小”的差异化配风结构，重新调整上下层二次风的风量关系，喷口布在密相区上部低灰浓度区域，使二次风在一个宽松的低背压环境下入炉，提高其有效穿透能力。

（3）改造后二次风管加装灵活手动调节装置，以便精确调节各组二次风风量和配风关系；并根据二次风口尺寸相应调整风管路直径，并按保证喷口之后设置必要的直管段引入距离，为各个二次风口形成有效穿透动量；并对二次风喷口下倾角度适当调整，下层角度适当小，上层二次风角度适大，减小对密相区和稀相区转化的干扰。

（4）二次风喷口做专门设计和加工，选择耐热耐磨材质保证喷口使用寿命，喷口插入深度进行优化设计，大幅减少贴壁下降灰流的干扰，有效加强二次风的穿透性。

（5）二次风系统改造设计，需对密相区锅炉刚性梁进行适当调整，以保证二次风标高及角度设置需求。

通过改造实现空气深度分级，调整炉内温度场使之没有明显的高温峰值，提高火焰充满度，减少炉内高温区产生的NOx。在相同炉膛容积内，扩大适于还原反应发生的最佳温度区域。由于分级燃烧独特的流场结构使炉膛中心缺氧问题得以解决，床温控制在最佳低氮脱硝温度并形成高效燃烧氛围。

3.2 烟气再循环系统改造

烟气再循环的作用：除了间接提高二次风率、产生一次风厌氧环节的分级燃烧效果之外，还构成了CFB锅炉变负荷时所需床温调定功能，使得随负荷变化过程中，床温变化不再那么陡然变动，对床温的稳定协调有非常好的作用。图1为烟气再循环系统示意图。

根据锅炉原设计的主要参数、实际运行状况和煤质等，确定烟气再循环改造方案。原设计锅炉出口烟气量为1 135 000 Nm3/h（α=1.2，O2=3.5%），排烟温度为 145 ℃。综合考虑后，烟气再循环系统设计为：再循环风机采用挡板调节，设计风量选择250 000 m3/h左右，根据负荷变化适量调整再循环烟气投用量。系统包括烟气再循环管道、风量电动调节门、关断插板门、再循环增压风机等，同时增加DCS控制画面达到远程操作。锅炉现有一次风机2台，从现有引风机出口烟道引回锅炉侧，母烟道一分二分别进入现有2个一次风机入口，本次烟气再循环系统分支管路设计有烟气风量测量装置及分配电动调节风门，保证烟气再循环管路系统的风量分配适用性，提高炉底一次风氧量分配的均匀性，实现床温控制的均衡性。

3.3 给煤口及播煤风改造

原设计给煤口中心线距离布风板高度仅为1 m，该高度十分不利于初始着火阶段烟气的快速扩散和燃尽，往往大渣可燃物含量偏高一些且形成床温大偏差。此外，由于太低的落煤高度，面对的炉内床压很高，极易由落煤口倒烟反串至给煤机，即粉尘污染环境，也严重地破坏了播煤风对燃煤的播撒效果。给煤方式对流态化的破坏趋势和燃料扩散弱化、直接制约着分级燃烧和炉温分布的均匀性、新鲜燃料着火很容易集中在密相区形成高床温、对低氮低硫原始排放不利、增加床温与炉膛出口烟温偏差以及降低灰循环倍率。

本次改造将给煤口适当抬高；在给煤口下部增强播煤风，便于燃煤播撒，防止爬渣；在播煤风系统增加调节阀门，便于对每个喷口对应的多路播煤风量进行调节分配，见图2。

3.4 返料立管及返料吹扫风改造

返料系统是循环流化床锅炉的关键部件，其主要作用是将烟气中携带的大量没有燃尽的高温颗粒分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的快速流化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧，这样有利于达到理想燃烧和脱硫效率。物料循环质量直接影响床温、床压的变化，因此，循环流化床锅炉回料装置的性能将直接影响锅炉的安全和经济运行。

本次改造将在3个返料口增设吹扫风，取自一次风，设置必要的吹扫风箱母管及风量调节装置，保证回料的播撒，一定程度上避免压床及减小床温偏差，避免局部高温导致的超量氮氧化物的生成，见图3。

3.5 炉膛风帽改造

锅炉原设计炉膛风帽约为2 903个，为小口径钟罩式，数量太多且存在风帽结构设计不合理问题，将影响锅炉的流化及对炉内水冷壁产生额外的磨损。经核算，原设计风帽芯管开孔率过小、帽头开孔率过大，使得风帽小孔速度太低、出口处静压太低，且单一风帽结构，极易存在局部流化偏弱等问题。改造后重新布置风帽，采用多规格不均匀布置，对风帽小孔孔径做适当处理，以实现布风板对料层流化均匀性的基本目标。

4 改造效果及分析

采用上述各改造方案后，该330 MW流化床锅炉降氮效果明显：改造前，锅炉出口氮氧化物初始排放浓度高达420 mg/Nm3（初始排放浓度，O2=6%），而且存在床温不稳定、温度波动范围大的问题；本次改造后，锅炉出口氮氧化物初始排放浓度可控制在160 mg/Nm3以下，降氮幅度达到260 mg/Nm3，仅低氮燃烧改造达到的脱硝效率高达61.90%，再加上后端SNCR脱硝系统的左右，最终控制NOx浓度低于50 mg/Nm3，仅靠低氮燃烧+SNCR脱硝就达到了超低排放的标准。