小型CFB鍋爐煙氣脫硝改造兩步法應用及探討

丁中奎, 武云龍, 董　冬

(合肥熱電集團有限公司， 安徽　合肥　230022)

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小型CFB鍋爐煙氣脫硝改造兩步法應用及探討

丁中奎, 武云龍, 董冬

(合肥熱電集團有限公司， 安徽合肥230022)

由于循環(huán)流化床(CFB)鍋爐特有的結構和燃燒方式，其氮氧化物排放低于其它爐型，有清潔爐型之稱，但隨著煙氣污染物排放標準的進一步提高，其氮氧化物的排放已不能滿足新的排放需要。選擇性非催化還原法(SNCR)工藝+低氮燃燒(LNB)脫硝技術具有投資費用少、運行成本低、鍋爐改造范圍小等優(yōu)勢，而CFB鍋爐具有煙氣在爐內停留時間長、便于還原劑在爐內混合等特點，該脫硝改造兩步法在小型循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造中被廣泛應用。本文以75t/h循環(huán)流化床鍋爐為模型，并采用環(huán)保性較高的尿素作為脫硝還原劑，通過低氮燃燒(LNB)+SNCR工藝兩步法脫硝技術改造方式，進一步提高脫硝效率，并對鍋爐進行針對性的改進以提高其出力，最終使煙氣中NOx排放達到新的國家標準要求。主要從實施背景、技術路線、疑難問題解決及改造后的效果分析、存在問題等進行分析探討。

循環(huán)流化床鍋爐；選擇性非催化還原法+低氮燃燒；脫硝改造

1　項目實施背景及鍋爐設備現(xiàn)狀

1.1實施改造背景

2011年7月份，國家環(huán)保部聯(lián)合國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合下發(fā)《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，該標準要求現(xiàn)有火力發(fā)電CFB鍋爐及2003年12月31日建成投產(chǎn)或通過建設項目環(huán)境影響報告書審批的火力發(fā)電CFB鍋爐執(zhí)行NOx的排放限值為200mg/Nm3，并于2015年7月1日前完成達標排放改造任務。為全面落實該標準要求，江蘇、山東、浙江等地區(qū)率先開始并且制定了更加嚴格的地方排放標準以及整改行動計劃，全國逐漸掀起脫硫、脫硝、除塵提標改造風暴。

1.2眾誠熱電鍋爐設備現(xiàn)狀

眾誠熱電隸屬于合肥熱電集團旗下子公司，現(xiàn)有五臺循環(huán)流化床鍋爐，均為75t/h，裝機容量 33MW，承擔合肥市中部及西南政務片區(qū)集中供暖、熱水及發(fā)電任務。一期鍋爐(1#、2#爐)為濟南鍋爐廠生產(chǎn)并于2005年建成投產(chǎn)，二期鍋爐(3#，4#，5#爐)為無錫華光鍋爐，2009年建成投產(chǎn)。一期鍋爐配套除塵器為四電場靜電除塵器，后于2008年進行電袋復合改造，除塵效率>99.3%；二期鍋爐配套除塵器為袋式除塵器，除塵效率高達99.97%，一、二期鍋爐粉塵排放數(shù)值均小于30mg/Nm3。燃燒煤質為低硫分優(yōu)質煤(一般硫分在0.4%以下)，脫硫采用石灰石爐內噴鈣脫硫技術，硫氧化物排放值(折算后)低于100mg/Nm3，滿足環(huán)保排放標準。而目前主要面臨的問題是一期鍋爐運行近10年，設備不斷老化，帶負荷能力逐漸下降，1#，2#最高負荷約60～62t/h，且在冬供大負荷生產(chǎn)期間氮氧化物不可控制，一般排放數(shù)值達300～450mg/Nm3,而面對新版《火電廠大氣污染物排放標準》中對NOx≤200mg/Nm3的要求，將無法實現(xiàn)達標排放，因此實施脫硝及鍋爐性能指標提升改造任務迫在眉睫。

2　改造技術路線與主要內容

2.1技術線路

通過對不同的脫硝方式進行分析和比較后，眾誠熱電5臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐全部采取了低氮燃燒改造+SNCR兩步法工藝進行脫硝改造。該工藝主要是先通過對鍋爐進行低氮燃燒改造降低原始排放濃度(可降至200mg/Nm3左右)，然后在無催化劑存在條件下，向爐內煙氣溫度在850～1100℃的區(qū)域噴入濃度為10～20%尿素溶液，在高溫條件下與NOx還原反應生成N2和H2O。該兩步法脫硝效率可達75%以上。另外，結合脫硝兩步法改造，還進一步提升鍋爐帶負荷能力以及對鍋爐存在的問題進行消除，最終實現(xiàn)降低氮氧化物并提升鍋爐性能的目標。此種做法反應式為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

當溫度過高時，會發(fā)生如下的副反應，又會生成NO：

4NH3+5O2→3NO+6H2O

圖1　SNCR反應原理示意圖

優(yōu)勢：

該兩步法脫硝工藝具有不需要催化劑、投資成本低、系統(tǒng)結構簡單、施工工期短、占地面積小、自動化程度高、NOx脫除效率高及對鍋爐安全、經(jīng)濟性能影響小等優(yōu)點，可有效降低鍋爐氮氧化物的生成與排放，滿足環(huán)保排放要求。

2.2鍋爐脫硝及節(jié)能改造方式

2.2.1鍋爐低氮燃燒改造

(1)低氮燃燒改造原則，在保持鍋爐基礎、鋼架等不變的情況下，通過對送風系統(tǒng)改造實現(xiàn)空氣分段送入、燃料分級燃燒、降低爐膛溫度，并采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)及對分離器改造等方式達到降低NOx初始排放濃度的目的。內容包括二次風系統(tǒng)重新優(yōu)化布置、爐膛布風板改進及風帽重新選型等。

(2)煙氣再循環(huán)技術，即從引風機出口利用管道連接至一次風機入口，利用前后壓力差對鍋爐煙氣進行循環(huán)利用，并輔以煙氣再循環(huán)風機對循環(huán)風量進行調節(jié)，有效降低爐膛底部過?？諝庀禂?shù)，降低氧化氣氛，減少氮氧化物的生成環(huán)境，達到抑制氮氧化物生成與排放的目的。系統(tǒng)包括風機、管道、風門及支吊架、外保溫等。

2.2.2SNCR工藝技術

該項目采用先進成熟的選擇性非催化還原法(SNCR)工藝技術，還原劑采用環(huán)保性能較高的尿素，經(jīng)熱解后配置濃度為10～20%的溶液，然后經(jīng)輸送分配系統(tǒng)送至每臺鍋爐，并于鍋爐爐膛至旋風分離器進口煙道及分離器出口轉向煙道位置經(jīng)機械霧化后噴射與煙氣混合，每臺鍋爐布置噴槍8只。

SNCR系統(tǒng)包括土建基礎及公用系統(tǒng)建設、鍋爐分系統(tǒng)管線設備安裝、煙氣連續(xù)在線監(jiān)測設備安裝等。系統(tǒng)分為尿素溶液制備及轉存系統(tǒng)、溶液儲存及輸送系統(tǒng)、計量和分配系統(tǒng)及爐前噴射系統(tǒng)等部分。本系統(tǒng)還創(chuàng)新嘗試采取“一拖二、一拖三”的方式對氨逃逸進行檢測，減少投資費用。該系統(tǒng)全部采用智能控制，從尿素溶液制備、轉存、計量、輸送、噴射等全過程自動化控制，并能根據(jù)煙氣在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)氮氧化物排放數(shù)值變化自動投運、調節(jié)及停運。

2.3鍋爐性能提升改造及檢修

2.3.1燃燒系統(tǒng)改造

眾誠熱電鍋爐運行年限較長，設備老化，鍋爐帶負荷能力下降，結合本次脫硝改造對鍋爐中心筒、分離器、返料器等進行了相應的改造。即縮小中心筒直徑、偏心布置及改變分離器進口煙道寬度，以提高分離效率，并對返料器進行改造，提高返料能力，同時亦可起到降低爐膛溫度的目的，更有利于脫硝效果。經(jīng)改造后，爐膛差壓大幅上升，鍋爐帶負荷能力提升明顯。

2.3.2水冷系統(tǒng)改造

為進一步提升水冷壁換熱效果，本次改造采取在爐膛中上部位置縱向分別增加2組水冷屏，新增水冷屏面積約為40m2，增加蒸發(fā)換熱能力約10～15%。為防止煙氣、物料對其沖刷磨損，水冷壁底部采用耐火材料敷設等防磨措施。

2.3.3鍋爐檢修及節(jié)能改造

鍋爐漏風不僅影響經(jīng)濟運行，還有利于NOx的生成與排放。為改善鍋爐性能，提升節(jié)能效果，結合本次脫硝改造重點對鍋爐漏風進行消除，即通過正壓、負壓等不同的漏風試驗方式查找漏風點，更換腐蝕嚴重的空預器管子、對損壞漏風(灰)部位的耐火材料重新砌筑、尾部煙道及除塵器箱體漏風查找并密封處理等。同時，更換原節(jié)能效率較低的引風機液力耦合器為高壓變頻調速裝置，并對性能下降的一、二次風機進行檢修。通過上述檢修及改造，煙氣含氧量及風機電流大幅降低。

3　項目實施效果分析

3.1 項目實施概況

本項目采用EPC總承包模式，于2015年5月份開始施工，10月底施工結束，12月份通過竣工環(huán)保驗收。在工程施工過程中嚴格按照施工規(guī)范，加強隱蔽工程及重要節(jié)點等監(jiān)督控制，嚴把入廠材料驗收關、隱蔽工程報驗關、焊接質量控制關及重要節(jié)點控制關等，同時強化施工人員安全教育，加強施工安全監(jiān)督管理，最終順利完成全部改造工作，并經(jīng)調試試運正常。2015-2016年冬供大負荷運行期間，各項數(shù)據(jù)指標全部達標排放。

3.2改造效果及節(jié)能效果分析

本次鍋爐煙氣脫硝節(jié)能環(huán)保改造工程分為節(jié)能、環(huán)保及提升鍋爐性能等三個部分。通過本次脫硝及節(jié)能環(huán)保改造，氮氧化物排放低于新的環(huán)保排放標準，鍋爐帶負荷能力得到一定的加強，全部達到設計要求，同時引風機、一次風機電流大幅下降，節(jié)能效果顯著。

3.2.1環(huán)保方面

鍋爐低氮燃燒改造后，料層溫度下降50～100℃，爐膛出口溫度上升30～70℃，煙氣含氧量下降4～6%。爐膛溫度場分布相對改造前較均勻，上下溫度差縮小，有利于抑制氮氧化物的生成，亦能改善鍋爐運行條件。通過鍋爐低氮燃燒改造及SNCR工藝技術的實施，鍋爐在允許負荷范圍內基本無需投運SNCR系統(tǒng)，煙氣污染物可達標排放，投運SNCR系統(tǒng)NOx可低于100mg/Nm3。低NOx燃燒技術脫硝率>40%，SNCR脫硝率>40%，氨逃逸率≤7mg/Nm3，兩步法綜合脫硝效率>75%。

表1　數(shù)據(jù)分析對比表(以1#、3#鍋爐為例)

3.2.2鍋爐性能提升方面

通過更換部分老舊設備、增加一定的受熱面，并對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行改進，同時對鍋爐漏風進行全面查找和消除，并對鍋爐燃燒方式進行優(yōu)化調整。改造后的鍋爐帶負荷能力大幅提升，在最低、最高負荷區(qū)間各項參數(shù)符合設計要求，安全、經(jīng)濟性能不受影響。

表2　數(shù)據(jù)分析對比表(以1#、3#鍋爐為例)

3.2.3節(jié)能方面

由于更換了原節(jié)能效果相對較差的液力偶合器并消除鍋爐漏風現(xiàn)象，鍋爐的嚴密性有了一定程度上的提高。加之鍋爐采用低氮燃燒技術，并采取低料層、小風量等先進運行調整方式，鍋爐引風機、一次風機電流大幅下降，1#鍋爐引風機電流下降31.6%，3#鍋爐下降近10%；一次風機電流1#鍋爐下降24%，3#鍋爐下降15.6%,節(jié)能效率較為明顯。

表3　改造前、后運行數(shù)據(jù)對比表(以1#、3#鍋爐為例)

4　存在問題及對策

4.1鍋爐省煤器后煙氣壓力表計不能滿足改造后鍋爐測量需要

因鍋爐低氮燃燒改造及性能提高需要，中心筒及水平煙道阻力較改造前有所加大，加之鍋爐引風機更換導致尾部煙道省煤器后左右兩側壓力表在高負荷時滿量程，不能滿足改造后的鍋爐監(jiān)測需要。該問題需對鍋爐尾部煙道壓力測點變送器重新進行計算和選型，并進行更換，方能滿足使用需要。

4.2鍋爐主蒸汽溫度偏低

由于改造增加了爐膛換熱面積，并一定程度上降低了料層溫度，導致二期鍋爐過熱蒸汽溫度較改造前略有下降，加之該鍋爐原設計存在缺陷(過熱受熱面不足等)導致鍋爐主蒸汽溫度略低于設計值。而主蒸汽溫度改造需結合鍋爐最低及最高負荷綜合考慮設計方案，兩者要兼顧，且過熱器受熱面的改動要求較高，難度相對較大。計劃下一步對高溫過熱器換熱面積重新進行計算并進行針對性的改造，以提高主蒸汽溫度。

4.3改造后灰、渣含碳量相對升高

低氮燃燒改造原理即實現(xiàn)鍋爐低氧量燃料分級燃燒，抑制氮氧化物的生成，該種方式將對燃料燃燒產(chǎn)生影響，導致灰、渣含碳量較改造前略有上升,其中灰含碳量升高2～4%，渣含碳量升高約1.5%，影響鍋爐效率下降約0.5%。為降低對鍋爐經(jīng)濟性的影響，公司于脫硝改造調試中進行了不同運行工況及單純低氮燃燒與投運SNCR系統(tǒng)等進行分析比較，以及不同方式對鍋爐熱效率的影響，尋找鍋爐最佳運行方式，提高經(jīng)濟性能。通過分析比較，采用低氮燃燒+SNCR工藝兩步法脫硝方式，雖然因鍋爐煙氣含氧量相對較低影響燃燒效率從而導致灰、渣含碳量略有上升，但輔機耗電率將有所下降，且因經(jīng)低氮燃燒后氮氧化物初始排放濃度較低，無需消耗大量尿素原料，節(jié)省生產(chǎn)成本。

表4　灰、渣含碳量數(shù)據(jù)分析對比表(以1#、3#鍋爐為例)

表5　低氮燃燒與投運SNCR系統(tǒng)對灰渣含碳量的影響對比

5　結束語

低氮燃燒改造+SNCR兩步法脫硝工藝一次性投資費用低，眾誠熱電5臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐全部采用此種工藝改造，全部費用約2992萬元(含5臺引風機改造及鍋爐檢修)，相對SCR脫硝方式費用大幅降低，且無需安裝催化劑，避免了失效催化劑更換及對環(huán)境產(chǎn)生的影響。因經(jīng)低氮燃燒后氮氧化物初始排放濃度較低，無需消耗大量尿素原料，生產(chǎn)成本較低。隨著本次改造結束，在2015-2016年冬供期間運行狀況來看，鍋爐帶負荷能力提高并且運行穩(wěn)定，環(huán)保排放數(shù)據(jù)優(yōu)于排放標準,氨逃逸低于7mg/Nm3，兩步法實施后的脫硝效率大于75%，脫硝效果較為顯著，可廣泛應用小型循環(huán)流化床鍋爐。

[1] 姚立英，張東國，王偉，等.燃煤工業(yè)鍋爐氮氧化物污染防治技術路線[J].北方環(huán)境，2012,(4):79- 82.

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[責任編輯:程蓓]

Small CFB Boiler Flue Gas Denitration Modified Two-Step Application and Discussion

DINGZhong-kui,WUYun-long,DONGDong

(HefeiThermoelectricGroupCo.,Ltd.,Hefei230022,China)

Because of the circulating fluidized bed(CFB)boiler′s own specific structure and combustion way, the nitrogen oxide emission is lower than other type furnace, which is regarded as clean furnace type. However, with the increase of flue gas pollutants emission standards, the nitrogen oxide emissions cannot meet the needs of the new emissions. Since selective non-catalytic reduction(SNCR)+low nitrogen combustion (LNB) denitration technology has the advantages of low investment and operation cost, small boiler retrofit, and the CFB boiler is easy for flue gas to stay in furnace for a long time and easy for reducing agent to be mixed in the oven etc, the denitration modified two-step in small circulating fluidized bed boiler denitration transformation is widely used. Taking 75t/h circulating fluidized bed boiler as a model, this paper describes using the environmental protection high urea as the denitration reducing agent by the low nitrogen combustion(LNB)+SNCR process two-step denitration technology, and improving the denitration efficiency and the boiler′s output by targeted improvements, which eventually make the NOxin flue gas emissions to meet the new national standard requirements. This paper is mainly from the implementation background, technical route, difficult problem solving, and the effect after transforming analysis, and existing problems to analyze and discuss.

circulating fluidized bed boiler; selective non-catalytic reduction method+low nitrogen combustion; denitration modification

2016- 05-10

丁中奎(1975-)，男，安徽無為人，合肥熱電集團生產(chǎn)技術(環(huán)保)部部長。

武云龍(1980-)，男，安徽利辛人，合肥眾誠熱電有限公司生產(chǎn)安全部經(jīng)理。

TK223.27

A

1672-9706(2016)03- 0056- 06

董冬(1986-)，男，安徽碭山人，合肥熱電集團生產(chǎn)技術(環(huán)保)部工程師。