循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒一體化的改造技術(shù)

楊勇軍 逯建軍 王博(新疆藍(lán)山屯河能源有限公司，新疆 奇臺 831800)

0 引言

能源與環(huán)境是當(dāng)今社會存在的兩大問題，近幾年國家對環(huán)保的重視程度逐年提升，對火力發(fā)電企業(yè)大氣污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)和要求愈發(fā)嚴(yán)格。根據(jù)國家下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》，要求NOx、SO2及煙塵分別達(dá)到50、35、10mg/Nm3排放要求。

雖然流化床鍋爐具有高效、清潔、低污染的燃燒技術(shù)，但在如此嚴(yán)峻的環(huán)保壓力下，即使安裝配套的SCR+SNCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，煙氣氮氧化物排放指標(biāo)也難以穩(wěn)定控制。國內(nèi)現(xiàn)有的循環(huán)流化床機(jī)組，由于存在煤種變化大、分離器效率差、一二次風(fēng)配比不合理、運(yùn)行床溫高、運(yùn)行氧量高等因素，導(dǎo)致很多電廠的流化床鍋爐NOx排放濃度超過300mg/Nm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能使煙氣達(dá)標(biāo)排放。一般來說，流化床鍋爐污染物排放中，SO2及煙塵的治理相對較為簡單，而NOx的治理相對困難。在這樣的背景下，本文提出一種比較實(shí)用的適合已建循環(huán)流化床低氮燃燒改造的技術(shù)，即循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造技術(shù)。

1 流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造技術(shù)

為使得流化床鍋爐煙氣排放滿足國家指標(biāo)要求，我公司決定采用低氮燃燒一體化改造技術(shù)對原有的四臺流化床鍋爐進(jìn)行升級、改造，達(dá)到降低鍋爐尾部NOx排放濃度、提高鍋爐燃燒效率的目的。低氮燃燒一體化改造技術(shù)主要由二次風(fēng)系統(tǒng)改造、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化、旋風(fēng)分離器改造、返料系統(tǒng)改造、爐膛風(fēng)帽改造、SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化、爐膛風(fēng)帽改造共七大系統(tǒng)組成。當(dāng)煤進(jìn)入爐膛，在相應(yīng)的運(yùn)行系統(tǒng)操作下與優(yōu)化的二次風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合，在爐膛內(nèi)分級燃燒，生成的灰通過物料分離系統(tǒng)高效分離后，循環(huán)灰通過穩(wěn)定的返料系統(tǒng)送至爐膛，其余的飛灰通過尾部煙道進(jìn)入除塵裝置，在爐膛與分離器之間布置有便捷的爐內(nèi)噴氨脫硝系統(tǒng)，達(dá)到低氮燃燒的目的。

(1)二次風(fēng)系統(tǒng)改造

對流化床鍋爐來說，二次風(fēng)是爐內(nèi)燃燒的主旋律，提高二次風(fēng)率降低一次風(fēng)率，是比較好的分級送風(fēng)的好方法。本次改造通過適當(dāng)降低一次風(fēng)的含氧量，間接減少一次風(fēng)率、增加二次風(fēng)率。使得底部一次風(fēng)所供給氧量的減少，密相區(qū)還原性氣氛加強(qiáng)。通過增加二次風(fēng)的風(fēng)率，增加二次風(fēng)的壓頭，使得稀相區(qū)物料懸浮濃度的增加及燃燒份額的上移，局部未燃盡一氧化碳和其他還原性氣體濃度增加，對NOx的還原效果明顯，且對后續(xù)焦炭粒子燃盡有利。本次改造主要針對二次風(fēng)量、風(fēng)速、角度等進(jìn)行更改。對一二次風(fēng)的比例進(jìn)行合理分配，使得一次風(fēng)壓頭下降，二次風(fēng)壓頭提升，大幅提高二次風(fēng)的穿透力，達(dá)到分級燃燒的目的，使得燃料能夠燃盡。

(2)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

改造前為降低成本，原有流化床四臺鍋爐燃煤主要為灰分低、堿金屬含量高的準(zhǔn)東煤，并且原設(shè)計分離器效率低，而燃煤本身含灰量較低，即使燃煤摻燒電石渣，灰分也無法有效提升。分離器效率低、灰分差導(dǎo)致灰循環(huán)倍率明顯不足，爐內(nèi)熱負(fù)荷分配不均，造成鍋爐8個床溫測點(diǎn)溫度偏差大，有時候偏差可以達(dá)到60℃，造成燃燒極為不穩(wěn)定。本次煙再系統(tǒng)的優(yōu)化就是把鍋爐產(chǎn)生的含氧量低的一部分煙氣在煙囪前引出一支，通過新增加的煙再風(fēng)機(jī)送到一次風(fēng)的入口再次利用。通過煙氣的再次利用，使得原有一次風(fēng)量有所降低，同時密相區(qū)的低氧可以抑制床溫，通過二次風(fēng)量的適當(dāng)增加，補(bǔ)充被替代的一次風(fēng)量。通過煙再的低氧煙氣再次利用，在降低床溫的同時，可以有效控制鍋爐空預(yù)器進(jìn)出口的氧含量，大幅降低NOx排放。

由于煙氣中存在一定的粉塵顆粒，可能對一次風(fēng)機(jī)葉輪產(chǎn)生磨損。針對此項(xiàng)問題，對磨損的原理展開分析，具體如式(1)：

式中：W為磨損量；Vd為粉塵速度；Dd為粉塵顆粒度；ρd為粉塵濃度；f為粉塵與金屬表面沖擊角度。

由公式(1)看出，氣流速度的2.5次方、粉塵粒徑的3次方與磨損成正比，是影響磨損的關(guān)鍵因素。當(dāng)采用煙氣再循環(huán)后，一次風(fēng)總量并不產(chǎn)生明顯的變化，僅在一次風(fēng)中增加一部分煙氣量，由于鍋爐目前除塵效率很高，除塵器后粉塵濃度極低，粉塵粒徑小，且煙氣量僅為一次風(fēng)量的20%～35%左右(設(shè)計值留有較大裕量，實(shí)際運(yùn)行值更低)，混合后的氣體含塵量進(jìn)一步降低，磨損能力很弱，可以忽略不計。按照設(shè)計值，除塵后煙氣中的煙氣中含塵量≤10mg/m3，再和空氣混合后其濃度不大于5mg/m3，而在常規(guī)工業(yè)中的通風(fēng)通道來說，一般將100mg/m3以下含塵量的氣體劃歸為潔凈氣體。因此，增加煙氣再循環(huán)不會對一次風(fēng)機(jī)葉片壽命和運(yùn)行安全性帶來不利影響。

(3)旋風(fēng)分離器改造

循環(huán)流化床鍋爐的燃燒、傳熱都伴隨著大量的循環(huán)灰。若循環(huán)灰量不足，會造成鍋爐床溫偏高，風(fēng)室壓力無法維持且鍋爐帶負(fù)荷能力差等一系列問題，可以說循環(huán)灰量的大小與循環(huán)灰的穩(wěn)定性對流化床鍋爐燃燒起著決定性作用。

原有鍋爐在設(shè)計初期對分離器入口流速設(shè)計值在24m/s，而一般比較理想的速率至少因該在27m/s以上。在加爐膛出口溫度低，進(jìn)一步降低了分離器入口流速。此次改造分離器入口煙道形狀進(jìn)行處理，增加入口流速來增加循環(huán)灰量。

(4)返料系統(tǒng)改造

返料系統(tǒng)主要是將煙氣中攜帶的大量沒有燃盡的高溫顆粒收集，通過返料風(fēng)機(jī)重新送回爐膛再次循環(huán)燃燒。返料系統(tǒng)的可靠性對鍋爐安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行舉足輕重。改造前原有返料風(fēng)機(jī)選型過大，才用的是大風(fēng)量、低壓頭的風(fēng)機(jī)，在啟停爐過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)返料不穩(wěn)定現(xiàn)象，有時候需要啟動兩臺返料風(fēng)機(jī)才能保證返料風(fēng)壓，頻繁啟動備用返料風(fēng)機(jī)，會對返料量產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致風(fēng)室壓力及床溫大幅波動，造成燃燒極為不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦?；亓祥y實(shí)際上是一個小鼓泡床，起到立腿灰封和向爐內(nèi)輸灰的作用，回料風(fēng)由下部小風(fēng)室通過流化風(fēng)帽進(jìn)入閥體內(nèi)，它的流量根據(jù)立管內(nèi)物料高度自動調(diào)節(jié)，閥體本身調(diào)節(jié)流量的功能較弱。原設(shè)計回料閥床上風(fēng)帽開孔率不合理，需保證改造后使松動風(fēng)側(cè)的小孔總面積顯著小于流化風(fēng)側(cè)的小孔總面積，控制回料風(fēng)量不宜過大，否則會使進(jìn)入立管的空氣量將增多，阻礙立管中物料向下流動，嚴(yán)重時將吹穿料腿進(jìn)入分離器內(nèi)，破壞分離器的分離效率，導(dǎo)致回料量減少，間接導(dǎo)致飛灰含碳量的增加。調(diào)整返料器松動側(cè)和流化側(cè)的風(fēng)帽開孔率，使流化側(cè)遠(yuǎn)大于松動側(cè)，故重新更換調(diào)整風(fēng)帽數(shù)量，并對小孔孔徑重新核算。原設(shè)計返料風(fēng)機(jī)出力較大，單臺返料風(fēng)機(jī)能夠使返料風(fēng)壓滿足需要和保持穩(wěn)定，本次改造擬對風(fēng)帽結(jié)構(gòu)、返料立管做一定的優(yōu)化，更換新型返料風(fēng)帽，將立管內(nèi)腔縮徑，提高立管內(nèi)物料存儲高度。

(5)爐膛風(fēng)帽改造

返原設(shè)計爐膛風(fēng)帽約為1401個，為小口徑鐘罩式，數(shù)量太多且存在風(fēng)帽結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理問題，將影響鍋爐的流化及對爐內(nèi)水冷壁產(chǎn)生額外的磨損。風(fēng)帽不是數(shù)量越多流化效果越好，而應(yīng)計算出合適的風(fēng)帽數(shù)量、并選用幾種不同規(guī)格的風(fēng)帽、按進(jìn)風(fēng)方式的不同布置不同規(guī)格孔徑的風(fēng)帽，只有這樣才能最大限度的消除因進(jìn)風(fēng)方式帶來的不利影響。經(jīng)核算原設(shè)計風(fēng)帽芯管開孔率過小、帽頭開孔率過大，使得風(fēng)帽小孔速度太低、出口處靜壓太低，且單一風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，極易存在局部流化偏弱等問題。改造后需重新布置風(fēng)帽，采用多規(guī)格不均勻布置，對風(fēng)帽小孔孔徑做適當(dāng)處理，以實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板對料層流化均勻性的基本目標(biāo)。

(6) SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化

我公司鍋爐安裝有SNCR脫硝系統(tǒng)，但脫硝系統(tǒng)存在噴槍數(shù)量和布置方式不滿足分離器入口實(shí)際流場和NOx分布特點(diǎn)，單只噴槍霧化效果和降氮效能并未達(dá)到優(yōu)良，沿?zé)煹澜孛娌荒芘c煙氣有效均勻混合。為保證最終NOx排放能達(dá)到50mg/Nm3以下的超低排放，需對現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級。每臺鍋爐在每個旋風(fēng)分離器入口設(shè)置8只噴槍，通過數(shù)學(xué)模型計算(CFD)的數(shù)模方式和專家系統(tǒng)解讀，來了解爐膛NOx濃度分布、爐膛溫度分布、爐膛氣流分布以及煙氣組分分布情況，確定噴槍的布置方式、數(shù)量和安裝位置。對現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，對系統(tǒng)存在設(shè)備老化、設(shè)計不合理等缺陷進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超低排放指標(biāo)。

(7)爐膛風(fēng)帽改造

改造前，爐膛風(fēng)帽約為1400個，都采用小口徑鐘罩式，按統(tǒng)一的間距布置。通過近幾年的運(yùn)行，基本每半年將會有一半的風(fēng)帽出現(xiàn)磨損嚴(yán)重，芯管燒斷的問題，每次停爐風(fēng)室積灰嚴(yán)重，造成運(yùn)行周期短等問題。

本次改造，打破單一風(fēng)帽結(jié)構(gòu)布置，按照進(jìn)風(fēng)方式的不同，選擇不同規(guī)格孔徑的風(fēng)帽分區(qū)布置，這樣就能最大限度的消除因進(jìn)風(fēng)方式不同帶來的不利影響。原有風(fēng)帽存在芯管開孔率小，帽頭開孔率過大，導(dǎo)致出口處靜壓低，局部存在流化不良的問題，本次改造針對此問題進(jìn)行優(yōu)化處理，減少風(fēng)帽整體數(shù)量，采用多規(guī)格不均勻布置，以實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板均勻性目標(biāo)。

2 改造效果

2018年我公司采用流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造技術(shù)對2臺160t/h，2臺320t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行升級改造及應(yīng)用。

通過近一年的運(yùn)行調(diào)整，目前我公司煙氣NOx、SO2及煙塵可控制在50、35、10mg/Nm3以下，氨逃逸<8ppm。與改造前同等鍋爐負(fù)荷相比，氨水用量減少近一半，且鍋爐原始NOx排放濃度由400mg/Nm3降至185mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)鍋爐全負(fù)荷下穩(wěn)定超低排放。

2020年6月，我公司委托西安熱工院對我公司四臺流化床鍋爐進(jìn)行性能驗(yàn)收，并出具了相關(guān)的能效測試報告，NOx排放濃度可控制在50mg/Nm3以下，鍋爐熱效率在93%左右，床溫穩(wěn)定在880～920℃，鍋爐爐膛出口溫度提高30℃且左右偏差<15℃，鍋爐燃燒穩(wěn)更穩(wěn)定，低氮燃燒效果明顯，熱工院對我公司流化床鍋爐低氮燃燒一體化改造非常認(rèn)可。

3 結(jié)語

通過本次流化床鍋爐的升級、改造，我公司的流化床鍋爐煙氣排放指標(biāo)能夠達(dá)到國家煙氣超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

本次流化床鍋爐低氮一體化改造與前期相比，具有以下特點(diǎn)：

(1)改造后，鍋爐在額定負(fù)荷內(nèi)使得鍋爐初始NOx排放濃度從原有的400mg/Nm3降低至185mg/Nm3。

(2)改造后，結(jié)合SNCR脫硝系統(tǒng)，鍋爐在額定負(fù)荷內(nèi)的NOx最終排放值穩(wěn)定在50mg/Nm3(O2)以下，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷下的NOx超低排放。

(3)改造后，鍋爐熱效率提高0.8個百分點(diǎn)，輔機(jī)電耗及產(chǎn)汽煤耗降低1.5kg/t。

(4) 改造后，鍋爐運(yùn)行周期得到提升，爐內(nèi)受熱面磨損速率大幅下降。