300MW循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造淺析

京能集團(tuán)內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責(zé)任公司 李立新 張民松 華 崗

某公司300MW 循環(huán)流化床鍋爐的脫硝方式為S-NCR 尿素溶液脫硝法，NOx 排放濃度在50～150mg/Nm3范圍內(nèi)，滿足2014年舊國標(biāo)對于火力發(fā)電廠鍋爐NOx 污染物排放限值的要求（低于200mg/Nm3）；但根據(jù)我國最新《燃煤電廠超低排放電價(jià)支持政策有關(guān)問題的通知》和《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案的通知》的要求，在基準(zhǔn)含氧量6%條件下NOx 排放濃度不得大于50mg/Nm3，還不能滿足要求。

1 設(shè)備概況

鍋爐概況：某公司鍋爐采用的是東方鍋爐股份有限公司制造的300MW 循環(huán)流化床鍋爐，其類型為亞臨界參數(shù)、中間一次再熱、自然循環(huán)方式、單爐膛Π 型、汽冷蝸殼式旋風(fēng)分離器、滾筒式冷渣器排渣的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐主要參數(shù)：過熱蒸汽流量1089t/h、過熱蒸汽壓力17.4Mpa.g、過熱蒸汽溫度541℃、再熱蒸汽流量891.07t/h、再熱蒸汽進(jìn)/出口 壓 力4.006/3.791Mpa.g、再熱蒸汽進(jìn)/出口溫度336.6/541℃、給水溫度281.2℃；鍋爐主要尺寸（mm）：爐膛寬度28270、爐膛深度9830、鍋筒中心線標(biāo)高56700、尾部豎井前煙道深、4680、尾部豎井后煙道深4680、水冷壁下集箱標(biāo)高4300。

鍋爐主要燃燒參數(shù)：為降低風(fēng)機(jī)電耗、減小廠用電率、提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性，在保證安全基礎(chǔ)上鍋爐運(yùn)行采取了低床壓、低氧量運(yùn)行方式，一般床壓控制在5.5～7.5kPa，尾部煙氣中氧含量一般控制在2.0～3.0%之間。鍋爐主要300MW、165MW 負(fù)荷及總風(fēng)量/km3/h、床溫/℃、床壓/kPa、氧量/%、上下二次風(fēng)門開度/%分別為：770/950/5/2.4/100/100；400/860/6/2.8/20/45。

鍋爐燃料特性：該廠燃煤主要是60%左右比例的煤泥、煤矸石與40%左右的原煤摻配起來，用輸煤皮帶送入原煤筒倉再通過鍋爐給煤機(jī)送入爐膛燃燒，煤的粒徑兩級分化現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其粒徑在1.5mm 及以下細(xì)顆粒占比在50%以上，而粒徑在10mm 及以上占比經(jīng)常大于10%，煤粒度極不均勻。燃料灰熔融性分析結(jié)果：燃料DT（原煤+煤泥）、ST（原煤+煤泥）均大于1500℃。

表1 燃料工業(yè)、元素分析及熱值

表2 燃料灰成分分析

2 循環(huán)流化床鍋爐NOx 生成機(jī)理情況分析

2.1 NOx 的生成機(jī)理

在火電廠煙氣NOx 中，一氧化氮占比為90%以上、二氧化氮占比5～10%。煙氣中氮氧化物的生成分為三種：一是燃料型NOx，是煤中的氮化合物在與空氣劇烈燃燒中生成的。因?yàn)镹 的熱分解溫度要比煤著火燃燒溫度低，所以在爐膛溫度600～800 ℃時(shí)就會生成燃料型NOx，且燃料型NOx 占總NOx 生成量的60～80%[1]；二是熱力型NOx，是送風(fēng)機(jī)進(jìn)入爐膛中的空氣中氮元素在溫度大于1500℃時(shí)氧化產(chǎn)生的；三是快速型NOx，是燃料中的碳?xì)浠衔锇l(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)后會快速生成NOx。因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐爐膛溫度一般都是在1000℃以下，所以熱力型NOx 生成量幾乎可不考慮，主要生成的NOx 就是燃料型NOx[2]。

2.2 常規(guī)低氮燃燒技術(shù)介紹

低氧燃燒技術(shù)。就是運(yùn)用風(fēng)量調(diào)整控制爐膛中氧量含量，尤其是降低一次風(fēng)量和下二次風(fēng)口不正對給煤口，減少燃燒核心區(qū)域的氧量，從而抑制了NOx 的生成。還可增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，將引風(fēng)機(jī)出口煙氣送到一次風(fēng)機(jī)入口，從而降低一次風(fēng)中含氧量。再循環(huán)風(fēng)機(jī)用于調(diào)整再循環(huán)煙氣量的比例，一般在8～20%的單位，最大最好不超過20%，否則增加飛灰和底渣的含碳量，但氧量也不能過低，因?yàn)檠趿咳绻陀谕耆紵枇浚蜁黾訖C(jī)械不完全燃燒熱損失和化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起底渣含碳量和飛灰含碳量的明顯升高，降低鍋爐燃燒效率和安全性，所以氧量的控制必須綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)性來選取最合理的氧量[3]。

分級燃燒技術(shù)。就是分階段把燃料的燃燒過程完成，采用爐膛密相區(qū)減風(fēng)稀相區(qū)加風(fēng)的配風(fēng)方式。第一階段為預(yù)燃階段，減少從一次風(fēng)進(jìn)入爐膛的空氣量，在缺氧的燃燒條件讓燃料先燃燒。此時(shí)密相區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)小于1。通過減少從一次風(fēng)延遲了燃燒過程，使燃燒處于還原性氣氛中降低了NOx 的生成速度和生成量。第二階段為充分燃燒階段，通過布置在密相區(qū)上部的上二次風(fēng)管將風(fēng)量送入爐膛，補(bǔ)充密相區(qū)燃燒后剩余所需要的氧量，與密相區(qū)下部在缺氧條件下所產(chǎn)生的燃料和煙氣混合進(jìn)行完全燃燒。如果密相區(qū)的過量空氣系數(shù)越小對NOx 生成的抑制效果就越好，但過量空氣系數(shù)越小不完全燃燒損失增大，影響燃燒效率、會引起鍋爐結(jié)焦。所以為保證既能減少NOx 生成量又保證燃燒的安全性，須根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整燃燒過程[4]。

3 低氮燃燒改造方案及改造效果分析

3.1 改造方案介紹

首先考慮該鍋爐的下二次風(fēng)口與布風(fēng)板的距離過近，導(dǎo)致給煤機(jī)的給煤進(jìn)入爐膛后與下二次風(fēng)接觸時(shí)間過早，給煤機(jī)給煤口核準(zhǔn)提高，一般距布風(fēng)板高度2～2.3米最佳；此區(qū)域?yàn)檫€原區(qū)燃燒核心區(qū)，此處給煤氧量最低、燃燒時(shí)間最短、生成NOx 最少。通過提高下層二次風(fēng)管的高度來降低密相區(qū)的氧量，擴(kuò)大還原性氣氛區(qū)域來抑制NOx的生成量，通過提高二次風(fēng)標(biāo)高還可起到強(qiáng)化分級燃燒的作用。

更換原有二次風(fēng)口，新風(fēng)口采用鑄件且加厚，減少二次風(fēng)磨損漏風(fēng)和燒紅情況，同時(shí)上二次風(fēng)還加裝了上下擺動機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍更廣。二次風(fēng)的改造分兩項(xiàng)：提高所有下二次風(fēng)管高度；提高部分上二次風(fēng)管高度。原設(shè)計(jì)下二次風(fēng)和開孔高度距離布風(fēng)板的高度較小，因距離布風(fēng)板較近，分級燃燒不明顯且易被密相區(qū)床料磨損?，F(xiàn)將所有下二次風(fēng)開孔提高，原下二次風(fēng)標(biāo)高為11m，現(xiàn)提高到12.5m，提高了1.5米。原上二次風(fēng)口的標(biāo)高為15m，現(xiàn)將前墻8根二次風(fēng)管中的4根和后墻10根中的6根提高到20.6m，提高了5.6米，大大提高了上二次風(fēng)的高度，同時(shí)加大了上、下二次風(fēng)的間距，將原部分上二次風(fēng)口提高到爐膛下部拐點(diǎn)以上，進(jìn)一步拉大還原區(qū)域，同時(shí)利于增強(qiáng)上二次風(fēng)的穿透性和擾動性。

改造后還原區(qū)域高度較出廠時(shí)的爐膛設(shè)計(jì)還原區(qū)域大幅度增大，提高了低氧燃燒的持續(xù)時(shí)間，另外高效二次風(fēng)在爐膛稀相區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動，能對鍋爐噴射區(qū)域及以下區(qū)域內(nèi)的整個(gè)物料流化反應(yīng)場進(jìn)行重新分配，增大了燃燒有效反應(yīng)空間，同時(shí)受二次風(fēng)高速穿透增加了煤顆粒在爐內(nèi)的滯留時(shí)間，改善了爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)條件。再輔以提高分離器入口溫度，低負(fù)荷時(shí)調(diào)整一次風(fēng)、下二次風(fēng)和上二次風(fēng)量的比例，降低循環(huán)灰量，有利于床溫的提高。低負(fù)荷情況下調(diào)整播煤風(fēng)量，在落煤管不堵的情況下盡量減少播煤風(fēng)量，調(diào)整時(shí)注意加強(qiáng)落煤管出口溫度的監(jiān)視。

低負(fù)荷時(shí)調(diào)整上下二次風(fēng)比例，下二次風(fēng)門盡量關(guān)小，上二次風(fēng)門維持氧量不超下限，盡量低風(fēng)量運(yùn)行，一般正常運(yùn)行時(shí)氧量維持在1.6%以上，低負(fù)荷考慮到風(fēng)速較低，防止尾部受熱面積粉嚴(yán)重，可適當(dāng)提高，同時(shí)增加吹灰次數(shù)。因二次風(fēng)各支路風(fēng)量不可能完全相同存在差異，各風(fēng)門開度不能簡單調(diào)整為全部一致，應(yīng)根據(jù)爐內(nèi)氧量分布情況進(jìn)行調(diào)整各小風(fēng)門開度，依據(jù)爐內(nèi)截面各處氧量一致選擇進(jìn)行各風(fēng)門調(diào)整，若無法測出爐內(nèi)各處氧量，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，兩側(cè)氧量大中間氧量小的情況，將二次風(fēng)小風(fēng)門中間開大補(bǔ)氧、兩頭關(guān)小限氧。

分離器返料風(fēng)量和松動風(fēng)量比例調(diào)整，一般正常運(yùn)行在3:1，若低負(fù)荷出現(xiàn)返料不穩(wěn)的現(xiàn)象可適當(dāng)調(diào)整風(fēng)量配比，總的原則是在返料器能正常運(yùn)行的情況下松動風(fēng)量能將循環(huán)物料松動起來即可、返料風(fēng)能夠?qū)⑽锪纤突貭t膛即可，不宜過大。通過輔助上述這些技術(shù)手段，可顯著降低NOx 排放。

3.2 數(shù)學(xué)模型模擬效果

循環(huán)流化床鍋爐在底部密相區(qū)之上存在一個(gè)氣固擾動非常劇烈的飛濺區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)大量顆粒由于密相區(qū)內(nèi)氣泡的破裂等因素被拋起，而這些拋起的顆粒中有很大一部分會以直接回落的方式再次進(jìn)入密相區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)氣固擾動劇烈，顆粒對橫向進(jìn)入的二次風(fēng)的阻礙作用沒有密相區(qū)那么強(qiáng)。此外，鍋爐的二次風(fēng)分級布置，上二次風(fēng)噴口布置在下部爐膛拐點(diǎn)以上，極大提高了二次風(fēng)的穿透能力見。同時(shí)所在位置的邊壁區(qū)厚度比爐膛出口處邊壁區(qū)厚度大，二次風(fēng)噴入爐膛后還會將邊壁區(qū)內(nèi)向下流動的一部分顆粒再次拋回稀相區(qū)，這也起到了加強(qiáng)氣固混合的作用。采用高效二次風(fēng)后二次風(fēng)的穿透能力提高，改善了爐膛中心缺氧問題，避免了局部氧濃度過高，進(jìn)一步降低了NOx 排放濃度。

圖1 高效二次風(fēng)穿透能力數(shù)值模擬結(jié)果

圖2 常規(guī)二次風(fēng)穿透能力數(shù)值模擬結(jié)果

3.3 改造效果分析

本次改造于2018年01月28日全部完成。02月01日機(jī)組啟動后，在不同負(fù)荷下通過燃燒調(diào)整（包括燃燒過量空氣系數(shù)、一二次風(fēng)分配、上下二次風(fēng)分配）實(shí)時(shí)觀察NOx 排放變化，控制NOx 排放值在性能要求范圍內(nèi)，記錄下達(dá)到NOx 排放要求下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與2017年未改造前同等工況進(jìn)行了對比和分析，通過對各工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析可看出，通過本次超低排放改造，采用高效二次風(fēng)提高上二次風(fēng)口以下還原區(qū)域高度，分級燃燒效果得到強(qiáng)化，鍋爐NOx 排放濃度明顯下降，且在不投尿素噴槍的情況下能滿足鍋爐各工況要求，節(jié)約尿素用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著（圖3）。

圖3 改造前后效果對比

通過對機(jī)組升降負(fù)荷連續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，本次超低排放改造后二次風(fēng)壓和爐膛上部差壓隨負(fù)荷升降變化幅度明顯增大，改善了機(jī)組降負(fù)荷時(shí)機(jī)前壓力下降慢、負(fù)荷跟蹤緩慢的特性，有利于機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，快速響應(yīng)負(fù)荷變化，提高AGC 響應(yīng)速率，對機(jī)組參與電網(wǎng)公司兩個(gè)細(xì)則考核獎懲起到了積極作用。

4 結(jié)語

本次針對該循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造，設(shè)計(jì)合理、組織到位、施工規(guī)范，各專業(yè)質(zhì)量把關(guān)嚴(yán)密，改造后通過168小時(shí)連續(xù)試驗(yàn)，NOx 排放完全達(dá)到預(yù)期效果，達(dá)到了技術(shù)改造目的，用實(shí)踐證明本方法適用于循環(huán)流化床鍋爐，產(chǎn)生了良好的企業(yè)效益、環(huán)境效益和社會效益，具有推廣意義。