大型化工裝置配套循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒改造研究

朱煥青+葉宏海+何麟

摘 要：隨著超低排放的推行，如何確保鍋爐達(dá)標(biāo)排放，并能保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行成為電廠、化工廠等關(guān)注的焦點(diǎn)，文章結(jié)合龍宇煤化工2#鍋爐低氮燃燒改造的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分析了降低鍋爐氮氧化物排放的主要手段。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；低氮燃燒；超低排放

中圖分類號(hào)：TK229.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0065-02

前言

隨著國家對(duì)環(huán)保工作的重視和人民對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，鍋爐超低排放改造越來越引起社會(huì)的關(guān)注，低氮燃燒改造技術(shù)是一種發(fā)展成熟運(yùn)行成本低廉的脫硝技術(shù)，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性已成為發(fā)電廠、化工廠等關(guān)注的焦點(diǎn)。

低氮燃燒改造通過調(diào)整鍋爐布風(fēng)，調(diào)整床溫及氧氣在爐膛內(nèi)的分布從根源上降低氮氧化物的生成。低氮燃燒改造相比于目前的主流脫硝技術(shù)：SCR（選擇性催化還原）具有一次性投資費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、不產(chǎn)生廢催化劑二次污染等優(yōu)勢。

1 裝置概況

河南龍宇煤化工年產(chǎn)50萬噸甲醇和20萬噸二甲醚裝置，是河南豫東地區(qū)最大的煤化工基地，年煤炭消耗量為110多萬噸，是把煤轉(zhuǎn)化為甲醇和二甲醚清潔能源的大型化工裝置。龍宇煤化工配套的動(dòng)力裝置為3臺(tái)由四川鍋爐廠生產(chǎn)的130t/h 高溫、高壓循環(huán)流化床鍋爐，本次改造的就是其中的2#鍋爐。

2 改造內(nèi)容

本次改造主要實(shí)施了以下內(nèi)容：二次風(fēng)系統(tǒng)改造、煙氣再循環(huán)改造、分離器改造。

2.1 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

鍋爐原設(shè)計(jì)一次風(fēng)占總量的60%，二次風(fēng)占40%。原有二次風(fēng)噴口數(shù)量16個(gè)，噴口原設(shè)計(jì)參數(shù)為：（1）前墻二次風(fēng)口分2層布置，共8個(gè)噴口，上4下4，均按照15°噴入爐膛；（2）后墻二次風(fēng)口分2層布置，共8個(gè)噴口，上4下4，均按照15°噴入爐膛，噴口尺寸190×125，風(fēng)管尺寸200×135，風(fēng)箱尺寸500×500，單層單側(cè)截面流速為13.91m/s。

鍋爐原設(shè)計(jì)的二次風(fēng)流量為57795m3/h，二次風(fēng)機(jī)選型流量為88000m3/h。由于管徑選取、風(fēng)口位置選取等原因，實(shí)際運(yùn)行二次風(fēng)口風(fēng)速約73m/s，二次風(fēng)口大小一致、采用均等配風(fēng)不利于二次風(fēng)的穿透，且同層二次風(fēng)口中間布置較少，會(huì)造成中心側(cè)的二次風(fēng)補(bǔ)風(fēng)更差?，F(xiàn)有二次風(fēng)噴口距離布風(fēng)板高度分別2.22m、4.22m，原設(shè)計(jì)澆注料層拐點(diǎn)距離布風(fēng)板約5.84m，二次風(fēng)口距離布風(fēng)板適中，但上下二次風(fēng)之間空氣分級(jí)明顯不足，不利于低氮燃燒。

針對(duì)此種情況，本次改造根據(jù)現(xiàn)有煤質(zhì)核算實(shí)際二次風(fēng)量、二次風(fēng)速，重新布置二次風(fēng)噴口位置、確定二次風(fēng)風(fēng)箱尺寸、調(diào)整二次風(fēng)的入射角度等，在合理配風(fēng)、分級(jí)燃燒基礎(chǔ)上，大幅提高二次風(fēng)穿透性，解決爐膛中心區(qū)嚴(yán)重缺氧問題，提高燃料燃盡效果和脫硫反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)均溫燃燒下的高效低氮。

（1）改造后的二次風(fēng)噴口分為兩層布置，噴口數(shù)量調(diào)整仍為16個(gè)，上層二次風(fēng)采用前4后4布置，下層二次風(fēng)采用前4后4布置。

（2）改造后二次風(fēng)率適當(dāng)調(diào)整至50～55%，實(shí)際供給風(fēng)量增加至67925～74718Nm3/h。

（3）改造后二次風(fēng)噴口面積由0.38m2調(diào)整至0.527m2，新增噴口尺寸：上層8個(gè)選用Φ260×10，下層8個(gè)選用Φ190×10。上下二次風(fēng)比例約為2：1，其中下二次風(fēng)安裝8只吹掃管，選用Φ51×5鋼管嵌套其內(nèi)。鑄造噴口，并鑄造相應(yīng)大小頭變徑至Φ273，選擇類310s的耐溫抗變形材質(zhì)。

（4）上層二次風(fēng)標(biāo)高定為9.8m，下層二次風(fēng)標(biāo)高定為7.8m。布風(fēng)板面積為17.4m2，對(duì)應(yīng)料層高度為0.44～0.54m，8倍料層膨脹高度為3.53～4.34m。

（5）前、后墻的二次風(fēng)噴口長度約400mm，噴口采用耐熱不銹鋼，新增16個(gè)噴口所對(duì)應(yīng)支管均采用Φ273×5碳鋼管，并配DN250蝶閥。上層噴口對(duì)應(yīng)支管無需安裝膨脹節(jié)，下層噴口對(duì)應(yīng)支管需安裝相應(yīng)膨脹節(jié)。

（6）上層二次風(fēng)噴口下傾角度適定為10°、下層二次風(fēng)噴口定為20°（其中前后墻下層的兩邊4個(gè)噴口，需水平向內(nèi)傾斜15°）。

（7）上下二次風(fēng)箱之間，在前后墻的兩頭各安裝1只Φ273×5的碳鋼連接管，共4只。

（8）下層二次風(fēng)口內(nèi)嵌套Φ51×5鋼管，風(fēng)源取自熱一次風(fēng)即可，母管選擇兩只Φ159×5管，并配備DN150蝶閥。

2.2 煙氣再循環(huán)改造

在鍋爐一次風(fēng)機(jī)入口處增設(shè)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。主要作用是利用鍋爐煙氣含氧量較低的特點(diǎn)，通過煙氣引入一次風(fēng)機(jī)，后進(jìn)入一次風(fēng)室，在保證流化效率的前提下，降低一次風(fēng)及密相區(qū)氧量抑制床溫；同時(shí)適當(dāng)提高二次風(fēng)率，來補(bǔ)充被代替的一次風(fēng)氧量，為二次風(fēng)合理的空氣分級(jí)創(chuàng)造條件。即在維持鍋爐整體運(yùn)行氧量不是太低的水平上大幅降低NOx排放。在循環(huán)流化床燃燒條件下，溫度每降低10℃，NOx的排放量減少20mg/m3，通過分級(jí)燃燒和煙氣再循環(huán)，爐床的整體溫度水平將有所降低，從而使床溫控制在最佳低氮脫硝溫度。

2.3 分離器改造

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒、傳熱都離不開大量循環(huán)灰的參與，鍋爐普遍存在的燃燒效率低、爐膛帶負(fù)荷能力差、爐膛出口溫度較低等問題，很大程度上是由于循環(huán)分離返料系統(tǒng)引起。根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)，分離器入口流速偏低，分離效果較低，加之鍋爐實(shí)際運(yùn)行爐膛出口溫度低，入口流速更加降低（較設(shè)計(jì)值低約20%），另外分離器中心筒設(shè)計(jì)也不合理，通過適當(dāng)增大入口流速及入口形狀，可有效提高分離效率，增加循環(huán)灰量，有利于降低床溫、提高爐膛出口溫度。

旋風(fēng)分離器切向進(jìn)口截面為0.94×3.39m2，分離器內(nèi)徑為Φ4000mm，分離器入口截面積為6.37m2。原設(shè)計(jì)額定負(fù)荷下的總煙氣量為222670m3/h（α=1.26，氧含量為4.5%，排煙溫度140℃），即147188Nm3/h；原設(shè)計(jì)爐膛出口溫度為900℃、α=1.22，折算煙氣量為586777m3/h，按此核算出原設(shè)計(jì)分離器進(jìn)口喉口風(fēng)速為25.3m/s，而鍋爐實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷低于額定負(fù)荷，且爐膛出口煙溫不到900℃，爐膛出口實(shí)際煙氣量更小，分離器入口流速略低于設(shè)計(jì)值。

分離器中心筒插深及筒徑設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)造成分離效率下降，循環(huán)灰量少。該設(shè)計(jì)分離器內(nèi)徑為Φ4200，中心筒的筒徑設(shè)計(jì)為變徑形式，從Φ2000過渡到Φ1850，總體分離效果差。原筒內(nèi)流速最大約為30m/s，中心筒縮口處可繼續(xù)調(diào)整至Φ1650，中心筒插深可不變。

最終改造方案為：保持分離器入口截面寬度不變、截面高度從3.39m縮減到最小3.15m，即入口底部澆注料高度方向加厚240mm（采用耐磨耐高溫可塑料），整形段需在分離器入口煙道膨脹縫后進(jìn)行。中心筒縮口處可繼續(xù)調(diào)整至Φ1650。中心筒材質(zhì)選擇Cr25Ni20（310s），并選相應(yīng)材質(zhì)的支撐加固肋板等。

3 改造效果

改造后的運(yùn)行效果見表1。

4 結(jié)束語

龍宇煤化工2#鍋爐實(shí)施低氮燃燒改造后，已實(shí)現(xiàn)鍋爐在低氮燃燒工況下連續(xù)運(yùn)行60天以上，目前鍋爐煙氣排放指標(biāo)均控制在50mg/m3以下，滿足超低排放的控制要求，改善了當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境，對(duì)同類型鍋爐實(shí)施低氮燃燒改造具有一定的參考價(jià)值。

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