低速循環(huán)流化床鍋爐超凈排放改造工藝應(yīng)用研究

李瑞華，王 帥，李 慶

（中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

低速循環(huán)流化床鍋爐分離器及返料道與鍋爐爐膛成一體，與常規(guī)循環(huán)流化床外置式旋風(fēng)分離器有明顯區(qū)別，又稱為內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐[1]。低速循環(huán)流化床鍋爐國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始研究，最早是為了解決低熱值劣質(zhì)煤和化肥廠造氣爐渣的燃燒問(wèn)題，也是循環(huán)流化床鍋爐的主要流派之一[2-3]，具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)整范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊和低投資的優(yōu)勢(shì)。該爐型分離器是由膜式水冷壁和澆注料組成，因爐膛尺寸結(jié)構(gòu)限制和運(yùn)行膨脹等問(wèn)題，限制了其向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，應(yīng)用集中在中小型工業(yè)鍋爐領(lǐng)域，包括供熱、化工、石化等行業(yè)[4-5]。

低速循環(huán)流化床鍋爐爐膛截面積相對(duì)較大，設(shè)計(jì)煙氣流速低（小于3 m/s），受熱面磨損小。分離器采用臥式水冷分離器，布置于鍋爐爐膛上部空間，“S”型膜式水冷壁將鍋爐爐膛左右分割為燃燒室和分離返料系統(tǒng)。攜帶循環(huán)灰的高溫?zé)煔膺M(jìn)入爐膛頂部變截面區(qū)域后流速增大，進(jìn)入分離器筒體內(nèi)。在離心力的作用下大部分顆粒通過(guò)貼壁的回料道再次返回爐膛密相區(qū)，煙氣進(jìn)入尾部受熱面放熱。受容量小和應(yīng)用領(lǐng)域等多種因素，目前對(duì)于該爐型的研究報(bào)道較少。由于煙氣停留時(shí)間較短，超低排放改造路線對(duì)小型循環(huán)流化床鍋爐的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究[6-8]。在部分環(huán)保約束條件較嚴(yán)格區(qū)域，污染物排放濃度已要求適度優(yōu)于超低排放限值。基于低速循環(huán)流化床鍋爐實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，開(kāi)展超凈排放改造工藝應(yīng)用研究，對(duì)于該型鍋爐設(shè)計(jì)和大量在役鍋爐的后續(xù)改造具有指導(dǎo)意義。

1 研究對(duì)象

1.1 項(xiàng)目概況

某城市集中供熱公司現(xiàn)有4臺(tái)低速循環(huán)流化床燃煤熱水鍋爐（如圖1所示），單爐膛、雙鍋筒橫置、復(fù)合循環(huán)、全鋼架π型布置，分別于2014年和2015年投入運(yùn)行。設(shè)計(jì)額定熱功率36 MW，出水壓力1.6 MPa，回水溫度70℃，出水溫度130℃，鍋爐設(shè)計(jì)效率為86.1%，排煙溫度145℃，鍋爐燃用煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。旋風(fēng)分離器采用臥式水冷分離器，由三片膜式水冷壁組成，煙氣中循環(huán)灰經(jīng)返料道由松動(dòng)風(fēng)送入爐膛密相區(qū)。分離后的煙氣從旋風(fēng)分離器出口自上至下通過(guò)U形煙道轉(zhuǎn)彎后，沖刷對(duì)流管束，進(jìn)入光管省煤器，省煤器分兩級(jí)布置，煙氣沖刷省煤器后進(jìn)入管式空氣預(yù)熱器，最后經(jīng)布袋除塵器由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng)至煙囪。

表1 煤質(zhì)分析

圖1 低速循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)示意圖

改造前鍋爐采用SNCR脫硝工藝，尿素溶液作為還原劑。除塵器采用長(zhǎng)袋低壓脈沖布袋式除塵器，除塵器與脫硫塔之間布置有引風(fēng)機(jī)，每臺(tái)鍋爐設(shè)置一臺(tái)，共4臺(tái)。單臺(tái)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量為147 000 m3/h，風(fēng)壓為6 900 Pa。脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫工藝，石灰作為還原劑，兩臺(tái)鍋爐共用一臺(tái)脫硫塔，經(jīng)處理后的煙氣由煙囪排放到大氣中。改造前污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為顆粒物≤30 mg/m3、SO2≤200 mg/m3、NOx≤200 mg/m3（基準(zhǔn)氧9%）。按當(dāng)?shù)刈钚乱?，顆粒物≤5 mg/m3、SO2≤25 mg/m3、NOx≤30 mg/m3（基準(zhǔn)氧6%）。與原排放濃度要求相比，新要求低于現(xiàn)行國(guó)家超低排放要求，且排放指標(biāo)由原基準(zhǔn)氧含量9%提升至6%，對(duì)于小型燃煤鍋爐而言要求更加嚴(yán)格[8-10]。

1.2 改造前運(yùn)行情況

（1）爐膛上下溫差大

從鍋爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）來(lái)看，鍋爐爐膛上下溫差大，床溫偏高，床溫與分離器處煙溫相差近100℃，與鍋爐設(shè)計(jì)值917℃相比偏高約40℃。省煤器進(jìn)口煙溫運(yùn)行過(guò)程多低于330℃（設(shè)計(jì)值為330℃），偏低20℃。鍋爐排煙溫度設(shè)計(jì)值為145℃，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中某些時(shí)刻高達(dá)177℃，煙溫過(guò)高會(huì)對(duì)布袋除塵器的安全運(yùn)行造成威脅。受熱面溫度偏離設(shè)計(jì)值，引起鍋爐熱效率下降，供熱煤耗增加，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 鍋爐運(yùn)行過(guò)程受熱面溫度

（2）出力不足，受熱面積灰嚴(yán)重

經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，鍋爐后期出現(xiàn)出力不足的問(wèn)題，最大出力為33 MW，鍋爐最大供熱能力受限。如圖2所示，改造前鍋爐尾部省煤器和煙道積灰問(wèn)題較為嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季運(yùn)行，部分區(qū)域積灰厚度超過(guò)10 cm，管式空預(yù)器存在堵灰和腐蝕情況。

圖2 鍋爐改造前受熱面積灰實(shí)拍圖

（3）脫硫脫硝及除塵系統(tǒng)

從運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，系統(tǒng)污染物濃度均控制在排放濃度要求內(nèi)，NOx排放濃度基本控制在170 mg/m3以下，但運(yùn)行過(guò)程中存在SNCR尿素溶液過(guò)量的問(wèn)題，造成尾部空預(yù)器堵灰比較嚴(yán)重。除塵器管架磨損嚴(yán)重，箱體內(nèi)積灰問(wèn)題嚴(yán)重，除塵效果不佳，主要依靠脫硫塔來(lái)實(shí)現(xiàn)降塵，這也造成石膏品質(zhì)差和石膏脫水系統(tǒng)經(jīng)常故障。

1.3 原因分析

循環(huán)流化床鍋爐最主要的特征就是灰循環(huán)，循環(huán)物料將爐膛底部的熱量帶至爐膛上部，維持爐膛整體溫度平衡，兩者相差越小證明循環(huán)灰系統(tǒng)運(yùn)行越好[11-12]。本項(xiàng)目中鍋爐床溫偏高，與分離器處溫度相差近100℃，反應(yīng)出爐內(nèi)物料循環(huán)不暢，物料循環(huán)量低于設(shè)計(jì)值。存在的原因可能有：

①旋風(fēng)分離器分離效果下降，可能存在澆注料脫落等問(wèn)題。

②鍋爐設(shè)計(jì)存在不足，旋風(fēng)分離器的分離效果不理想。

③運(yùn)行中鍋爐負(fù)荷偏低，煙氣量低于設(shè)計(jì)值，煙氣流速偏小，慣性分離效果不佳。

④返料道和松動(dòng)風(fēng)出現(xiàn)問(wèn)題，可能存在返料道堵塞不暢，松動(dòng)風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行存在不足。

分離效果不佳造成大量灰顆粒進(jìn)入尾部煙道，同時(shí)因未加裝吹灰器造成尾部受熱面積灰嚴(yán)重。受漏風(fēng)嚴(yán)重、受熱面積灰和除塵器堵塞等多方面因素，整個(gè)煙氣流程系統(tǒng)阻力大幅增加，造成引風(fēng)機(jī)出力不足，運(yùn)行過(guò)程中引風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板全開(kāi)，仍不能維持爐膛負(fù)壓，只能通過(guò)降負(fù)荷減小煙氣流量來(lái)維持鍋爐的正常運(yùn)行。

2 改造工藝及應(yīng)用研究

2.1 工藝方案

（1）鍋爐部分

鍋爐本體改造圍繞恢復(fù)最大出力和保證SCR脫硝反應(yīng)溫度兩方面進(jìn)行，優(yōu)化風(fēng)帽布風(fēng)、增加二次風(fēng)口和爐膛埋管數(shù)量、增加爐膛上部前后水冷壁受熱面，進(jìn)而降低床溫和下部溫度，使?fàn)t膛溫度大體均勻且溫度適中，爐膛氧量均勻且高效利用，SNCR脫硝效果得到進(jìn)一步提升。為確保對(duì)流管束出口SCR脫硝溫度在320℃以上和留出空間布置催化劑，將原有光管兩級(jí)省煤器更換為一級(jí)螺旋翅片管省煤器。SCR反應(yīng)器處四周爐墻拆除，擴(kuò)大截面積、降低煙氣流速，反應(yīng)器與爐墻接口處加裝補(bǔ)償器?？疹A(yù)器采用大管徑管式空預(yù)器，管徑由Φ50 mm×3 mm增大到Φ60 mm×2 mm，材質(zhì)由20號(hào)鋼更換為耐腐蝕更好的考登鋼。為保證循環(huán)灰分離效果，旋風(fēng)分離器處澆注料進(jìn)行恢復(fù)調(diào)整并適當(dāng)減小縮口，確保煙氣流速在合適的范圍內(nèi)。在脫硝催化劑和省煤器前增加聲波吹灰器（每層3套），改善尾部受熱面積灰情況。

（2）脫硝部分

NOx由200 mg/m3（基準(zhǔn)氧9%）降低至30 mg/m3（基準(zhǔn)氧6%），僅靠爐內(nèi)SNCR尿素溶液脫硝難以實(shí)現(xiàn)，因此選擇采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝。外置式SCR脫硝（2+1層）雖能保證脫硝效果，但需增加從鍋爐引出和送回?zé)煹?，新增SCR反應(yīng)器支架和設(shè)備基礎(chǔ)，而廠區(qū)位于市中心，布局緊湊，現(xiàn)有場(chǎng)地難以布置。為此，經(jīng)綜合比較，決定將SCR反應(yīng)器布置在爐內(nèi)尾部受熱面，兩級(jí)省煤器壓縮為一級(jí)高效省煤器，為催化劑布置留出空間。因鍋爐尾部空間狹小，即使更換高效省煤器后也難以為SCR反應(yīng)器預(yù)留充足空間。因此SCR脫硝工藝不設(shè)噴氨格柵和尿素制氨系統(tǒng)，利用爐內(nèi)SNCR尿素溶液分解后過(guò)量的氨來(lái)做為SCR反應(yīng)的還原劑。同時(shí)考慮到鍋爐每年僅運(yùn)行一個(gè)供暖季，與燃煤發(fā)電鍋爐年運(yùn)行小時(shí)數(shù)有所不同，催化劑采用兩層，不設(shè)備用層，熱力公司可根據(jù)催化劑使用情況利用非采暖季進(jìn)行更換。采用該方案后，與外置式SCR脫硝反應(yīng)器相比，系統(tǒng)布置整體簡(jiǎn)單緊湊，煙氣阻力小，單臺(tái)鍋爐節(jié)省投資約400萬(wàn)。

（3）除塵部分

采用高效布袋除塵器+管束式除霧器+濕式電除塵聯(lián)合工藝。當(dāng)?shù)爻瑑襞欧判乱笙骂w粒物排放濃度要控制在5 mg/m3以內(nèi)，且廠區(qū)兩臺(tái)鍋爐共用一座脫硫塔，因供熱鍋爐啟停數(shù)量是根據(jù)熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，所以對(duì)于脫硫塔而言煙氣量在某些時(shí)段存在減半的情況，這會(huì)使得脫硫塔除霧器的效果大打折扣，為此在脫硫塔出口豎直煙道上加裝濕電除塵器。原有除塵器堵塞、破損嚴(yán)重，除支架基礎(chǔ)外全部更換，增加氣布比、更換為PPS+PTFE乳液浸漬濾袋的布袋除塵器，確保布袋除塵器出口顆粒物在10 mg/m3以下，整體顆粒物脫出效果在5 mg/m3以下。

（4）脫硫部分

脫硫系統(tǒng)對(duì)原有石灰—濕法脫硫工藝進(jìn)行改造，按新的超凈排放指標(biāo)進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)塔本體和基礎(chǔ)根據(jù)強(qiáng)度核算情況進(jìn)行加固。提高液氣比，增加漿液池容量，抬高原煙道入口高度。單座塔內(nèi)布置5層噴淋層，一層托盤(pán)，一級(jí)板式+管束式除霧器，更換了石膏脫水系統(tǒng)。

2.2 技術(shù)參數(shù)

（1）系統(tǒng)阻力

改造后增加了脫硝催化劑和濕電除塵器，省煤器和脫硫塔也進(jìn)行了改造，系統(tǒng)阻力變化見(jiàn)表3。省煤器由兩級(jí)光管省煤器改為一級(jí)螺旋翅片管省煤器，阻力增加38 Pa。脫硝和濕電除塵器分別增加600 Pa和350 Pa，考慮20%風(fēng)壓裕量后系統(tǒng)阻力約為8 000 Pa。原有引風(fēng)機(jī)阻力為6 900 Pa，已不能滿足改造后運(yùn)行要求，進(jìn)行更換。

表3 改造前后系統(tǒng)阻力

（2）主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮當(dāng)?shù)刂匚廴咎鞖鈼l件下排放濃度要進(jìn)一步降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)提高裕量（見(jiàn)表4）。脫硝SNCR+SCR聯(lián)合脫硝設(shè)計(jì)效率93.4%，除塵效率99.99%，脫硫效率98.22%。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 改造后運(yùn)行分析

經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季的運(yùn)行，改造效果良好，鍋爐出力恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，受熱面溫度分布達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖3所示，鍋爐投運(yùn)后床溫有所降低，基本在880～930℃之間，床溫與分離器處溫差在60℃左右，床溫與分離器處溫度隨負(fù)荷的變化基本一致。雖在尾部受熱面和催化劑前增加了吹灰器，但積灰問(wèn)題并無(wú)明顯改善，運(yùn)行前期積灰不明顯，后期停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)仍然存在一定厚度的積灰。污染物排放運(yùn)行值優(yōu)于設(shè)計(jì)，顆粒物排放濃度基本在3 mg/m3附近，SO2濃度在10 mg/m3以內(nèi)，NOx濃度在15 mg/m3以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）低速循環(huán)流化床鍋爐因其特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致臥式水冷分離器分離效果不佳，運(yùn)行一定時(shí)間后，出現(xiàn)返料不暢和受熱面積灰嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整分離器收縮口和增設(shè)吹灰器能有所緩解，但效果不明顯。

（2）低速循環(huán)流化床鍋爐通過(guò)擴(kuò)大截面和調(diào)整尾部受熱面，采用SNCR+SCR尿素溶液聯(lián)合脫硝工藝能夠?qū)Ox控制在20 mg/m3以內(nèi)。

（3）超凈排放要求比超低排放更加苛刻，“布袋除塵器+管束式除霧器+濕電除塵器”工藝能夠保證機(jī)組在全負(fù)荷工況內(nèi)顆粒物小于5 mg/m3。脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫工藝，通過(guò)調(diào)整液氣比來(lái)控制最終的排放濃度。