480t／h電站循環(huán)流化床鍋爐煙氣超低排放改造及效果

蘭鳳春

（中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司 北京 100120）

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐具有環(huán)保性能好、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是在燃用劣質(zhì)煤、高硫煤、低揮發(fā)分無(wú)煙煤和高水分褐煤優(yōu)勢(shì)明顯，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。2014年國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家環(huán)保部、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合制定了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，其中要求：“重點(diǎn)推進(jìn)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物達(dá)標(biāo)排放環(huán)保改造，燃煤發(fā)電機(jī)組必須安裝高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，未達(dá)標(biāo)排放的要加快實(shí)施環(huán)保設(shè)施改造升級(jí)，確保滿足最低技術(shù)出力以上全負(fù)荷、全時(shí)段穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放要求。”按照國(guó)家煤電節(jié)能減排、煤電去產(chǎn)能有關(guān)政策要求，燃煤機(jī)組煙氣排放的有效治理已成為煤電機(jī)組生存與健康發(fā)展的必備條件。在我國(guó)燃煤電發(fā)電機(jī)組中，循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量在3 000多臺(tái)，其中410～490t／h鍋爐數(shù)量有200多臺(tái)，這些鍋爐大多數(shù)都是2010年前投產(chǎn)運(yùn)行的，鍋爐煙氣達(dá)不到超低排放要求，煙氣治理任務(wù)繁重。本文選取具有一定代表性的某電廠2臺(tái)480t／h循環(huán)流化床電站鍋爐為案例，對(duì)鍋爐實(shí)施煙氣超低排放改造并對(duì)改造后出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理。

1 設(shè)備概況

該電廠于2010年11月竣工，并正式投產(chǎn)運(yùn)行，建設(shè)規(guī)模為2×480t／h超高壓一次中間再熱CFB鍋爐配兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)135MW高溫超高壓直接空冷凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐采用單汽包、自然循環(huán)、高溫超高壓一次中間再熱、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、單爐膛平衡通風(fēng)、前墻給料、固態(tài)冷卻排渣。兩爐配一座180m高的鋼筋混凝土煙囪，上口徑6.3m。電廠煤源穩(wěn)定，根據(jù)入爐煤的分析報(bào)告，收到基硫分最高為0.75%。改造前電廠脫硫采用爐內(nèi)噴鈣干法脫硫，二氧化硫排放指標(biāo)為質(zhì)量濃度小于200mg／m3；脫硝采用SNCR，還原劑采用25%氨水，NOx排放指標(biāo)為質(zhì)量濃度小于100mg／m3；除塵采用布袋除塵器，煙塵排放指標(biāo)為質(zhì)量濃度小于20mg／m3。改造前2臺(tái)鍋爐負(fù)荷、床溫和NOx排放質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)情況見表1。

表1 改造前2臺(tái)鍋爐負(fù)荷、床溫和NOx排放質(zhì)量濃度關(guān)聯(lián)情況

由表1可以看出，在同等負(fù)荷下，1號(hào)爐的床溫比2號(hào)爐低約40℃，2號(hào)爐的NOx排放較多，特別是在低負(fù)荷下2臺(tái)爐排放NOx質(zhì)量濃度都超過(guò)400mg／m3。經(jīng)停爐檢查，1號(hào)爐兩側(cè)分離器進(jìn)口最小截面均為2 700mm，2號(hào)爐兩側(cè)分離器進(jìn)口最小截面分別為2 900mm和2 800mm，2號(hào)爐一側(cè)中心筒變形嚴(yán)重，以上原因是導(dǎo)致2臺(tái)爐床溫偏差的主要原因。

2 鍋爐煙氣超低排放改造

CFB鍋爐煙氣超低排放的工藝如下：流程經(jīng)過(guò)SNCR脫硝完成NOx脫除后，進(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)塔，吸收劑與煙氣中的SO2反應(yīng)，生成亞硫酸鈣、硫酸鈣等，凈化后的含塵煙氣從脫硫吸收塔頂部側(cè)向排出，然后轉(zhuǎn)向進(jìn)入脫硫后除塵器進(jìn)行氣固分離。本次主要對(duì)鍋爐的脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)和除塵器進(jìn)行改造。

脫硫系統(tǒng)在保留和優(yōu)化現(xiàn)有的爐內(nèi)噴鈣干法脫硫的基礎(chǔ)上，每臺(tái)鍋爐增加一套循環(huán)流化床半干法脫硫工藝，一爐一塔布置，脫硫劑采用生石灰，無(wú)脫硫廢水排放。鍋爐經(jīng)爐內(nèi)噴鈣后，單爐排放煙氣SO2質(zhì)量濃度可按400mg／m3設(shè)計(jì)，煙氣再通過(guò)半干法脫硫處理，其排放的SO2質(zhì)量濃度可降為35 mg／m3。

脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒改造+選擇性非催化還原法（SNCR）系統(tǒng)提效改造 +爐后協(xié)同脫硝工藝。治理后爐膛出口煙氣NOx排放質(zhì)量濃度為200 mg／m3，煙囪入口排放質(zhì)量濃度降為50mg／m3。低氮燃燒改造主要通過(guò)分級(jí)燃燒原理，降低爐床溫度，減少燃燒過(guò)程中NOx生成；SNCR系統(tǒng)提效改造核心是通過(guò)搭建鍋爐的數(shù)學(xué)和物理模型，對(duì)鍋爐煙氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真流場(chǎng)模擬，確定SNCR系統(tǒng)噴槍的最佳布置位置、數(shù)量和出力，還原劑采用25%氨水；協(xié)同脫硝工藝是在鍋爐運(yùn)行的極端工況下，為了確保煙氣達(dá)標(biāo)排放的補(bǔ)救措施，其基本原理是以脫硫吸收塔流化床反應(yīng)器內(nèi)激烈湍動(dòng)的、擁有巨大的表面積的吸附劑顆粒作為載體，通過(guò)脫硝劑的氧化和催化作用，將煙氣中難溶于水的NO轉(zhuǎn)化為NO2，再與鈣基吸收劑發(fā)生中和反應(yīng)完成脫除過(guò)程。本次改造擬采用液相協(xié)同脫硝工藝，脫硝劑為25%亞氯酸鈉溶液。

除塵器通過(guò)半干法吸收塔流化床脫硫劑的均勻性和霧化噴水均勻性改進(jìn)，優(yōu)化了吸收塔的顆粒造粒效果，同時(shí)對(duì)脫硫后的專用布袋除塵器進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，包括采用過(guò)濾前的大腔沉降技術(shù)、超細(xì)纖維的超濾技術(shù)，以及增加布袋數(shù)量降低過(guò)濾風(fēng)速等措施確保高效布袋除塵器的除塵效率。煙塵入口質(zhì)量濃度為54g／m3，而排放指標(biāo)為小于10mg／m3。

脫硫、除塵屬于較為成熟的工藝，本文不再贅述。低氮燃燒改造是本次改造的核心，此部分改造實(shí)施應(yīng)在確保NOx排放得到有效控制的同時(shí)，確保鍋爐的燃燒穩(wěn)定，鍋爐效率、鍋爐出力、主蒸汽參數(shù)等要素不對(duì)運(yùn)行造成較大影響。低氮燃燒改造主要措施如下。

a.二次風(fēng)供風(fēng)改造。原鍋爐爐前布置有上、中、下三層二次風(fēng)，爐后布置有上、下兩層二次風(fēng)。鍋爐下二次風(fēng)口距離布風(fēng)板高度為950.54mm，上二次風(fēng)口距離布風(fēng)板高度4 661.78mm，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，不利于燃料的分級(jí)燃燒，易傾向生成NOx。本次改造采用分級(jí)燃燒技術(shù)，降低NOx的生成，保持前后墻上、中二次風(fēng)口標(biāo)高不變，前后墻下二次風(fēng)口上移0.9m，側(cè)墻二次風(fēng)口不變。

b.分離器入口改造。為提高分離器分離效率，保證鍋爐效率，將1號(hào)爐分離器入口煙道寬度逐漸縮減為2 410mm，2號(hào)爐分離器入口煙道寬度逐漸縮減為2 380mm。

c.分離器中心筒改造。為保證中心通膨脹順暢，防止中心筒高溫變形，調(diào)整中心筒壁厚，采用ZGCr25Ni20MoMnSiNRe耐熱不銹鋼鑄造中心筒，厚度調(diào)整為16mm；調(diào)整中心筒直徑，將中心筒上口內(nèi)徑由3 800mm 縮減為3 632mm，下口內(nèi)徑3 300mm縮減至3 250mm。

d.布風(fēng)板風(fēng)帽優(yōu)化。風(fēng)帽的選擇，應(yīng)滿足阻力適中和壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)合適的風(fēng)帽及開孔數(shù)量的選擇，可得到最佳的流速和合適的動(dòng)量，從而獲得均勻的布風(fēng)以及良好的流化質(zhì)量。改造后風(fēng)帽維持在600～700個(gè)，風(fēng)帽開孔率將控制在4.0%左右，對(duì)風(fēng)帽布置重新設(shè)計(jì)，采用菱形交錯(cuò)布置方式，以實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板對(duì)料層流化均勻性的基本目標(biāo)。

3 鍋爐煙氣超低排放改造效果及問(wèn)題處理

2017年該電廠按照上述改造方案對(duì)2臺(tái)CFB鍋爐進(jìn)行了超低排放改造，每臺(tái)鍋爐改造工期歷時(shí)4個(gè)月，改造后的煙氣物排放指標(biāo)基本可以滿足《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》規(guī)定的超低排放要求，但也出現(xiàn)了一些影響鍋爐運(yùn)行的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析采取正確的處理措施，即滿足煙氣超低排放要求同時(shí)也保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 改造后的煙氣排放情況

2018年10月完成2臺(tái)鍋爐的煙氣排放環(huán)保監(jiān)測(cè)，并通過(guò)了當(dāng)?shù)丨h(huán)保局的驗(yàn)收。煙氣排放監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 煙氣排放監(jiān)測(cè)結(jié)果

《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》對(duì)鍋爐煙氣超低排放的要求是SO2質(zhì)量濃度小于35mg／m3、NOx質(zhì)量濃度小于50mg／m3、顆粒物質(zhì)量濃度小于10mg／m3，2臺(tái)鍋爐改造后SO2、NOx及顆粒物均滿足超低排放要求。

3.2 改造后存在的問(wèn)題及處理

3.2.1 主要問(wèn)題

a.鍋爐旋風(fēng)分離器工作異常，出現(xiàn)間斷返料，返料不均勻的現(xiàn)象，返料風(fēng)室晃動(dòng)（振動(dòng)）明顯增加。

b.鍋爐運(yùn)行中塌床現(xiàn)象頻繁，無(wú)法按照中調(diào)要求調(diào)整負(fù)荷，鍋爐運(yùn)行操作調(diào)整難度增加，低負(fù)荷運(yùn)行調(diào)整困難（67～75MW），環(huán)保參數(shù)容易超標(biāo)，控制NOx必須大量使用氨水，氨水用量成倍增加。嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)物料太多壓死的現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)流化狀態(tài)，機(jī)組被迫解列，經(jīng)長(zhǎng)達(dá)5h的排渣后，才能正常啟動(dòng)。

c.循環(huán)灰量增加后，輸渣系統(tǒng)負(fù)荷高，設(shè)備可靠性降低，設(shè)備磨損較大。

d.機(jī)組負(fù)荷100MW以上時(shí)，2臺(tái)高流風(fēng)機(jī)無(wú)法滿足要求，需啟動(dòng)備用流化風(fēng)機(jī)。

e.主蒸汽溫度偏低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷100MW以上時(shí)，主蒸汽溫度無(wú)法維持額定值（減溫水全部關(guān)閉，1號(hào)爐520℃，2號(hào)爐525℃）。

3.2.2 原因分析

a.分離器改造后分離效率提高，外循環(huán)量增加，但是返料系統(tǒng)沒有改造，返料出力不滿足循環(huán)量增加要求，導(dǎo)致返料量量不均勻，大量循環(huán)灰物料瞬時(shí)返回爐膛時(shí)，破壞床層流化，加劇塌床，繼而導(dǎo)致爐床壓死現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)測(cè)算爐內(nèi)共計(jì)物料量約為230t，低氮燃燒改造前停爐后物料約為90t，物料量增加了2.5倍。

b.高溫絕熱旋風(fēng)分離器返料風(fēng)室內(nèi)部分澆筑料脫落，立管鋼板無(wú)澆筑料絕熱部分燒壞，影響正常流化和返料，對(duì)立管和U型閥形成沖擊，造成振動(dòng)。

c.分離器改造后，由于高溫循環(huán)物料增加，導(dǎo)致水冷壁蒸發(fā)受熱面吸熱增強(qiáng)，鍋爐尾部豎井過(guò)熱受熱面減弱，因此引起主蒸汽溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)的540℃的要求。

d.由于SNCR的反應(yīng)溫度區(qū)間在850～1 150℃，分級(jí)燃燒后導(dǎo)致爐膛溫度較改造前有所降低，因此容易引起鍋爐在低負(fù)荷時(shí)還原反應(yīng)效率降低，還原劑氨水消耗量增加。

3.2.3 處理措施

a.增大鍋爐分離器入口煙道寬度，降低分離器分離效率，減少循環(huán)灰量。1號(hào)爐煙道寬度由改造后的2 410mm擴(kuò)大至2 510mm，2號(hào)爐由改造后的2 380mm擴(kuò)大至2 490mm。

b.減小U型回料閥回料阻力，增加回料量能力。在不改變U型回料閥外筒尺寸的前提下，通過(guò)降低回料閥“翻墻”處的保溫澆筑料厚度的方法，降低“翻墻”高度100mm，從而達(dá)到減小阻力，增加返料出力的目的。

c.對(duì)高溫絕熱分離器立管脫落的澆注料進(jìn)行修補(bǔ)，燒損的鋼板全部更換，返料器內(nèi)損壞的風(fēng)帽進(jìn)行更換。

d.維持爐膛負(fù)壓在50～150Pa范圍內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)床壓波動(dòng)時(shí)，負(fù)壓向負(fù)方向增大，應(yīng)快速的調(diào)整風(fēng)機(jī)出力，減少爐膛上部稀相區(qū)的細(xì)灰份額，盡量不要負(fù)壓運(yùn)行，便于細(xì)灰量能及時(shí)從冷渣器排出；維持床壓在10～12kPa范圍，流化風(fēng)量維持在19～21 m3／h，若出現(xiàn)床壓波動(dòng)升高，應(yīng)及時(shí)調(diào)整冷渣器出力至最大，同時(shí)若是床壓持續(xù)升高，要及時(shí)調(diào)整一次風(fēng)機(jī)出力，維持流化，避免床層被壓死。

3.2.4 處理效果

通過(guò)采取上述措施，鍋爐塌灰情況明顯減輕，床壓波動(dòng)在2kPa左右，1號(hào)鍋爐36天運(yùn)行未發(fā)生嚴(yán)重塌灰的情況。鍋爐分離器分離效率降低后，使得飛灰進(jìn)入到尾部煙道的份額增加，增加了過(guò)熱系統(tǒng)換熱量，主汽溫度恢復(fù)正常，正常運(yùn)行時(shí)達(dá)到額定值。鍋爐投入運(yùn)行后，返料立管振動(dòng)減小，大幅劇烈晃動(dòng)現(xiàn)象消失。

4 結(jié)束語(yǔ)

CFB鍋爐煙氣超低排放改造中，在燃料來(lái)源比較穩(wěn)定，收到基硫分不超過(guò)0.75%的情況下，脫硫采用爐內(nèi)噴鈣干法脫硫與爐外半干法脫硫組合方式，配套的除塵系統(tǒng)采用高效布袋除塵器，NOx排放控制采用低氮燃燒改造+SNCR系統(tǒng)提效改造+爐外協(xié)同脫硝工藝技術(shù)，低氮燃燒改造是本次改造的核心。該電廠2CFB臺(tái)鍋爐通過(guò)上述改造后，煙氣排放均達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》對(duì)鍋爐煙氣超低排放的要求。低氮燃燒改造必須要有系統(tǒng)全面的考慮，即要考慮燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定與效率，也要考慮汽水換熱系統(tǒng)的配套，同時(shí)還應(yīng)在配風(fēng)、除渣等配套輔助系統(tǒng)方面給予高度重視。