火電廠循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造淺析

王娜，鄭曉東

（青島金海熱電有限公司，山東 青島 266000）

我國的發(fā)電行業(yè)以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電的燃料主要是煤炭，煤炭燃燒會產(chǎn)生大量的污染物，其中，氮氧化物（NOx）是燃煤電廠排放的主要污染物之一。據(jù)統(tǒng)計，燃煤電廠NOx排放量占到全國排放總量的35%以上，是我國NOx排放的最大來源[1]。

隨著國家對環(huán)保要求的迅速提高，各項環(huán)保法律法規(guī)相繼頒布實施，燃煤鍋爐NOx的排放控制越來越嚴格，因此高效低成本的NOx控制技術(shù)對滿足排放要求具有十分重要的意義。

燃煤鍋爐NOx控制技術(shù)分為燃燒調(diào)整和煙氣脫硝兩大類。其中燃燒調(diào)整通常稱為低氮燃燒技術(shù)，低氮燃燒技術(shù)是一種簡單、高效、低成本的初級脫硝方法，可以從源頭控制NOx的生成，以減少后續(xù)NOx的排放。循環(huán)流化床鍋爐常用的低氮燃燒技術(shù)主要包括：低氧燃燒（低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)）、低氮燃燒器和適合低氮燃燒的爐膛設(shè)計等[2]。

1 NOx生成機理與循環(huán)流化床鍋爐運行分析

1.1 NOx生成機理

燃燒過程中形成的NOx主要是NO和NO2，主要有以下三種生成途徑：1）熱力型NOx，空氣中的N2在高溫下氧化生成；2）燃料型NOx，燃料中的固定氮在燃燒過程中熱分解后又接著氧化生成；3）瞬時型NOx，由空氣中的N2和燃料中的碳氫離子團反應生成[3]。其中，燃料型NOx的產(chǎn)生量最多，約占總生成量的60%以上；熱力型NOx的生成和燃燒溫度有很大的關(guān)系，在溫度足夠高時，其生成量可占總生成量的30 %；瞬時型NOx生成量很小。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐運行分析

循環(huán)流化床鍋爐NOx排放主要受煤質(zhì)條件、燃燒方式、運行方式、一二次風配比等多種因素影響。循環(huán)流化床低氮燃燒的關(guān)鍵在于燃燒過程中最佳燃燒溫度、一二次風配比和二次風分級布置等方面的協(xié)調(diào)。循環(huán)流化床鍋爐由于高濃度固體顆粒的阻擋作用，使流動煙氣中的氧含量很難穿越到爐膛中央，形成了爐膛中央氧量缺乏、兩側(cè)爐墻附近氧量豐富的凹拋物線分布曲線。低氮爐內(nèi)的動力場，要求爐內(nèi)的氧量分布盡可能均勻一致，以達到分級燃燒過程。因此，在合理的低氧條件下，如何實現(xiàn)爐內(nèi)布風合理以及二次風的均勻穿透，是實現(xiàn)良好低氮燃燒的關(guān)鍵。

2 技術(shù)改造措施

該次改造的鍋爐是2005年由太原鍋爐廠制造，2011年安裝的循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐型號為TG-75/5.29-M15，鍋爐設(shè)計效率86.6 %，燃燒溫度 850℃～900℃。由于該鍋爐為早期設(shè)計的流化床產(chǎn)品，設(shè)計時沒有考慮低氮燃燒，而目前燃用的煤種偏離設(shè)計煤種，含灰量偏低，揮發(fā)分偏高，分離器效率差，循環(huán)灰量嚴重不足，致使NOx排放濃度過高。主要原因為：1）爐膛溫度過高；2）燃燒密相區(qū)氧含量過大；3）一二次配比不合理。針對以上問題，該熱電公司于2014年和2016年兩次對鍋爐進行了低氮燃燒系統(tǒng)改造。

2.1 低氮燃燒初次改造

基于NOx的生成機理以及循環(huán)流化床鍋爐NOx排放濃度高的原因，該次改造針對爐膛燃燒密相區(qū)溫度高、氧含量大的缺點，采取以下措施降低燃燒密相區(qū)床溫和氧含量，從而降低NOx的生成。

2.1.1 增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

為了有效減小一次風氧含量，又能夠滿足鍋爐一次風流化風量的需求，在引風機的出口位置設(shè)置煙氣再循環(huán)風機，將鍋爐尾部10%～30%的低溫煙氣回抽并混入助燃空氣中，與一次風、二次風混合后送入爐膛。這可有效降低一次風的含氧量和爐膛溫度，在鍋爐密相區(qū)形成低氧燃燒的環(huán)境，降低了鍋爐密相區(qū)的燃燒份額，進而降低熱力型NOx的生成。

2.1.2 二次風系統(tǒng)改造

利用空氣的分級燃燒原理，對鍋爐二次風系統(tǒng)進行重新布局，重新布置二次風口位置和二次風口數(shù)量。布風系統(tǒng)由原來的三面布置二次風（左右兩側(cè)墻布風加后墻布風）改為四面布風，水平方向進行分級；由原來的兩側(cè)墻各兩路、后墻三路布風，改為兩側(cè)墻和前墻兩路、后墻三路布風；將每路二次風分為上、下二次風，使二次風的布局更均衡。改造后燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，降低了鍋爐密相區(qū)的燃燒速度和溫度，因而抑制了熱力型NOx的生成。在二級燃燒區(qū)內(nèi)，通過改造加強二次風對燃燒的擾動，提高了鍋爐中、上部的燃燒份額，形成富氧燃燒區(qū)，彌補了密相區(qū)燃燒份額的降低。

通過增加煙氣再循環(huán)風機和對二次風系統(tǒng)改造兩項措施，降低了鍋爐密相區(qū)的燃燒溫度和氧含量，從而抑制NOx的生成，達到了良好效果。

2.2 低氮燃燒系統(tǒng)升級改造

2016年，該熱電廠對低氮燃燒系統(tǒng)進行了優(yōu)化升級改造。

2.2.1 控制燃煤顆粒度

原輸煤系統(tǒng)篩煤機存在使用時間較長、設(shè)備老化，易造成鍋爐入爐煤粒徑偏大，不能滿足低氮燃燒的要求。通過檢修碎煤機，更換效率更高的篩煤機，調(diào)整碎煤機襯板間隙，保證鍋爐入口燃煤粒徑控制在8mm以下（至少在10mm以下），從燃煤環(huán)節(jié)控制入爐煤粒徑，以保證鍋爐在較低的一次風率狀態(tài)下運行。

2.2.2 改善一二次風分配比

在控制燃煤顆粒徑的條件下，為有效減小鍋爐一次風的含氧量，又滿足鍋爐一次風的流化風量需求，從引風機出口擋板門后增設(shè)一臺離心風機，將引風機出口經(jīng)除塵的潔凈煙氣通過加壓后，送入鍋爐一次風機入口，充當鍋爐一次風。既有效降低了一次風的含氧量，又滿足了鍋爐一次風的流化風量需求。

一次風量降低后，鍋爐燃燒需要更大的二次風量，而鍋爐滿負荷情況下二次風無余量，該次改造中對二次風機進行更換，擴大原有二次風道，增加了二次風量，提高二次風的穿透力度，進一步滿足了鍋爐空氣分級燃燒的需要。

2.2.3 改善風帽氣流分布

鍋爐原設(shè)計的風帽小、角度不合理，導致鍋爐內(nèi)部流化不充分，造成一次風量大，過量空氣系數(shù)偏高。該次改造重新設(shè)計了風帽的開孔率，調(diào)整了安裝角度，并將原鍋爐的小鐘罩風帽更換為大鐘罩風帽，從而降低一次風量，提高爐膛流化，降低了鍋爐密相區(qū)的燃燒份額，減少了NOx的生成。

2.2.4 其他改造措施

對分離器的中心筒進行了縮頸、偏置、加長，提高了煙氣流速和分離器效率，提高了循環(huán)物料量，在改善了鍋爐帶負荷能力的前提下有效降低了床溫。

隨著返料的增加，對返料器進行了改造，將原返料風分為返料風和松動風，單獨進行控制，同時加大返料風機的型號，以滿足更大的返料量。

通過爐膛內(nèi)增加水冷屏和設(shè)置飛灰再循環(huán)系統(tǒng)的方式，提高了爐膛內(nèi)的吸熱量，降低了爐膛密相區(qū)及循環(huán)物料的溫度，將床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，以達到低溫燃燒的目的。

3 低氮燃燒改造效果

3.1 鍋爐運行精細化調(diào)整

為達到最佳低氮燃燒效果并保證鍋爐出力和運行的各項參數(shù)達到鍋爐設(shè)計要求，因此鍋爐的精細化調(diào)整十分重要。根據(jù)鍋爐運行參數(shù)調(diào)整二次風上下層、左右側(cè)風量和煙氣再循環(huán)風量，確保鍋爐燃燒正常；控制床溫和鍋爐含氧量，使床溫和整個爐內(nèi)的物料溫度處于890℃～920℃的最佳溫度內(nèi)，達到降低NOx生成的目的。

煤種是循環(huán)流化床鍋爐運行方式調(diào)整的關(guān)鍵，必須控制煤的顆粒度、揮發(fā)分、含氮量等各項參數(shù)，根據(jù)煤種變化，對煙氣再循環(huán)二次風上下層、二次風左右側(cè)的風量進行及時調(diào)整。

3.2 改造后鍋爐的運行效果

該公司在2014年完成初次低氮燃燒改造，并于當年的供熱季即投入低氮燃燒系統(tǒng)，鍋爐原始NOx由400～450mg/Nm3降至＜200mg/Nm3，實現(xiàn)氨水零消耗情況下的NOx達標排放。為保留適當?shù)呐欧庞嗔?，在投入低氮燃燒系統(tǒng)+SNCR脫硝系統(tǒng)的情況下，控制NOx排放濃度在150～180mg/m3，噸標煤氨水消耗量約9.21kg。從表1可以看出，經(jīng)過一個供熱季的調(diào)整，在2015～2016年的供熱季，氨水耗量較上年度的供熱季明顯降低，噸標煤氨水耗量由原9.21kg/t下降至7.79kg/t。

表1 低氮燃燒改造后氨水消耗量比較

該廠完成低氮燃燒升級改造后，在2016～2017年供熱季投運。氨水消耗量較上個供熱季明顯下降，與2015～2016年供熱季相比，噸標煤氨水耗量同比降低43.9%。2017～2018年供熱季，在NOx排放標準降低的情況下，氨水消耗量降至3.30kg/t，與2014年剛完成低氮燃燒改造時降低了64%。

2016年，該廠完成低氮燃燒改造后，降低了鍋爐出口NOx的排放濃度，且鍋爐出力、排煙溫度等指標均優(yōu)于改造前的水平。如表2所示，改造前，鍋爐NOx的排放濃度為400～450mg/Nm3，改造后鍋爐出口排放濃度為120～130mg/Nm3，NOx排放濃度約降低了70%，從燃燒環(huán)節(jié)降低了NOx的生成，實現(xiàn)了NOx的前端控制、源頭控制，有效降低了后續(xù)脫硝設(shè)備的脫硝壓力和運行費用。通過低氮燃燒改造，使床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，同時改造也間接提高了鍋爐帶負荷能力，改造前由于床溫高、蒸汽溫度高、二次風不足等原因，鍋爐負荷最高只能到71～73t/h，通過增加水冷屏、改造分離器等措施，鍋爐負荷可穩(wěn)定達到75t/h。

表2 改造前后鍋爐運行狀況對比

4 結(jié)語

（1）青島某公司2臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐兩次改造，通過增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)、一二次風系統(tǒng)改造、分離器的中心筒改造等措施，使鍋爐各項性能指標均達到了預期要求，實現(xiàn)了低氮燃燒改造的目的。

（2）改造間接提高了鍋爐帶負荷能力，改造前由于床溫高、蒸汽溫度高、二次風不足等原因，鍋爐負荷最高只能到71～73t/h，通過增加水冷屏、改造分離器等措施，使床溫由950℃～980℃降低至900℃～930℃，同時鍋爐負荷可以穩(wěn)定達到75t/h。

（3）鍋爐的日常檢修維護和司爐的操作在脫硝運行中非常重要，通過每年的預熱器、煙道、除塵器、脫硫塔查漏及各部位人孔門的密封，有效降低了漏風系數(shù)。同時，司爐運行人員在日常操作中對鍋爐氧量的控制也起到了至關(guān)重要的作用。在供熱季，該廠的煙囪處的氧量一直控制在7%～8%，也有效降低了NOx的排放濃度。