基于低氮燃燒技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐改造

李百鵬 何 昱 王胡鈞 原永泰 馬 杰

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司)

內(nèi)蒙古某煤化工項目建設(shè)規(guī)模為聚乙烯30萬t/a、聚丙烯30萬t/a、其他產(chǎn)品7.33萬t/a，其配套建設(shè)熱電站規(guī)模為2×25 MW汽輪發(fā)電機組+3×300 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，主要為生產(chǎn)工藝提供蒸汽，以熱定電。

循環(huán)流化床鍋爐顆粒物、SO2、NOx排放量大，環(huán)保設(shè)施已無法滿足環(huán)保要求[1-3]，因此需要進行改造，提高燃燒效率，并達到超低排放標準，即煙塵≤10 mg/m3、SO2≤35 mg/m3、NOx≤50 mg/m3。

1 NOx生成機理

燃燒器排放的NOx中90%以上是NO，因此，研究NOx的生成機理及抑制方法主要是針對NO的。NOx生成的途徑有三種：熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx[4-6]。

燃料型NOx是燃料中氮化合物在燃燒過程中分解氧化而成的，與火焰附近氧濃度密切相關(guān)，占總生成量的80%以上。燃料型NOx在燃燒過程中是很難減少的，只能通過燃料脫氮才能有效減排?？焖傩蚇Ox是空氣中的氮燃燒時生成的，在正常爐溫下，生成量微不足道。

熱力型NOx是由空氣中的N2和O2在高溫下通過反應(yīng)(1)和(2)生成的，生成量主要取決于溫度、停留時間及過剩氧量。

N2+ O2=2NO

(1)

2NO +O2=2NO2

(2)

在燃燒過程中，熱力型NOx可以通過控制燃燒過程來減少。主要通過降低爐膛溫度、減少供氧量、形成局部欠氧、縮短停留時間等措施，達到減少NOx生成量的目的。這也是各種低NOx燃燒器設(shè)計的基本理念。

2 改造方案

循環(huán)流化床鍋爐因其具有煤種適應(yīng)性廣、燃燒效率高、爐內(nèi)脫硫脫氮等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用；但由于煤質(zhì)變化波動較大、尿素用量大、爐膛溫度場的均勻性及可控性差等原因，導致其燃燒效率降低，經(jīng)濟性不高，煙氣排放不達標等。

目前該鍋爐運行床溫較低，僅為840～870 ℃，故低氮技術(shù)改造不考慮降低床溫，僅從分級燃燒、均勻燃燒等方面進行低氮改造。

(1)改造二次風系統(tǒng)

由于密相區(qū)下部物料的強阻擋效應(yīng)以及爐內(nèi)貼壁灰流影響，原有二次風無法穿透物料；二次風射流引入角度不合理，造成二次風噴口形狀不規(guī)整，產(chǎn)生噴口局部渦流，進一步降低二次風射流剛性，縮小爐內(nèi)欠氧燃燒區(qū)域和還原性氣氛區(qū)域，且風口局部富氧燃燒，增加了NOx生成量。因此新增鍋爐頂部二次風，改造原二次風角度，并增加二次風導流平臺，形成新的二次風分級多級燃燒系統(tǒng)。

新增二次風位于鍋爐爐膛中部，在原二次風上部，與原二次風在高度方向拉開一定距離，形成爐膛內(nèi)高梯度分層供風分層燃燒，促進O2均勻分布，增大爐內(nèi)欠氧燃燒區(qū)域和還原性氣氛區(qū)域，減小風口局部富氧燃燒，從根本上降低爐內(nèi)NOx生成量。

調(diào)整原二次風口及廢堿液噴槍噴口的角度，以增加原二次風的穿透性，增大原二次風系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裕度，與新增二次風形成新的二次風分級多級燃燒系統(tǒng)，改變爐內(nèi)燃燒的中心位置，保證補充稀相區(qū)燃盡風的需要，使新二次風系統(tǒng)可根據(jù)床料、溫度更加合理地加以運行優(yōu)化調(diào)整。

對原二次風口和新增二次風口進行導流臺改造，其開合角度應(yīng)能完全覆蓋二次風風口，盡可能減小對貼壁灰流向下的流動性影響。

(2)調(diào)整爐內(nèi)溫差

在高負荷條件下，鍋爐整體床溫偏高，爐內(nèi)前后墻溫差超過50 ℃，且床體中部有部分區(qū)域溫度超過1 200 ℃，局部高溫導致NOx生成量快速增加。

通過新增水冷壁管鰭片焊接，前后墻水冷壁管各焊接約150道鰭片，調(diào)整溫度不均現(xiàn)狀，同時鰭片還可減輕前后墻水冷壁管的沖刷磨損，有效改善受熱面橫向沖刷磨損，降低NOx生成量。

此外，將布風板風帽改造為新型鐘罩式，新增前墻送風管道，進一步改善一次風送風均勻性，優(yōu)化床溫均勻性，同時避免原風帽中部漏渣、飛灰含碳量高等問題。

(3)新增煙氣再循環(huán)

爐內(nèi)料層氧量偏離對NOx生成產(chǎn)生負面影響。為防止結(jié)焦采取較大的一次風率和二次風大角度向下傾斜也會導致NOx生成量增加。

通過新增煙氣循環(huán)管道，將含氧量5%的煙氣引至一次風風機入口，使料層欠氧燃燒，形成還原性氣氛，在保證風量不變的同時降低一次風含氧量，可大幅度降低NOx生成量。

(4)改造返料著床

目前鍋爐返料口傾角為35°，使得返料偏后墻，形成床料局部堆積和局部低溫，不利于返料和煤均勻混合，床料燃燒不均勻，更不利于脫硝。

將返料口傾角調(diào)整為30°，使返料更加趨向于床料中心位置，避免返料堆積，實現(xiàn)返料和燃料充分混合接觸，提高床溫的均勻性，可減少爐內(nèi)NOx的初始產(chǎn)生量。

(5)改造分離器

旋風分離器的分離效率會影響傳熱效率、床溫均勻性、燃燒效率和脫硫效率，而分離器的入口速度對分離器效率起決定性影響。適當提高入口速度，使進入分離器固體顆粒的離心力增大，更容易將顆粒與煙氣剝離，提高分離器效率。低負荷運行時，較高的入口煙速能增加主循環(huán)回路物料量，增強主循環(huán)回路換熱，降低下部床溫(床溫平均可降低10 ℃)，使爐膛煙溫更均勻。

通過增大入口煙道壁面耐磨耐火材料厚度的方式，縮小入口煙道流通截面，提高旋風分離器入口煙氣速度。分離器靶區(qū)耐火材料更換為更耐磨的SiC材料，可提高分離器可靠性。

3 改造前后脫硝測試結(jié)果及分析

在三個負荷段對污染物排放進行測試，主要測試該化工廠1號鍋爐在低氮改造前后的煙氣NOx原始排放。三段的負荷分別為162、210和280 t/h。NOx原始排放測點在半干法脫硫塔出口煙道處。測試結(jié)果見表1。

表1 三個負荷段NOx原始排放測試結(jié)果

通過NOx原始排放測量結(jié)果可知：負荷162 t/h情況下，低氮改造后鍋爐煙氣NOx原始排放濃度最高為92.1 mg/m3(含氧量6%)，相比于低氮改造前NOx原始排放濃度最高值149 mg/m3下降了約38.2%；負荷210 t/h情況下，低氮改造后鍋爐煙氣NOx原始排放濃度最高為122.2 mg/m3(含氧量6%)，相比于低氮改造前NOx原始排放濃度最高值204.2 mg/m3下降了約40.2%；負荷280 t/h情況下，低氮改造后鍋爐煙氣NOx原始排放濃度最高為146.3 mg/m3(含氧量6%)，相比于低氮改造前NOx原始排放濃度最高值220.4 mg/m3下降了約33.6%。

三種負荷狀況下，循環(huán)流化床鍋爐改造前后NOx原始排放濃度下降了33.6%～40.2%，表明低氮燃燒技術(shù)改造取得了較好的效果。

4 結(jié)論

文章基于低氮燃燒技術(shù)對循環(huán)流化床鍋爐進行改造，并測試鍋爐在低氮改造前后的煙氣NOx原始排放濃度，得到了以下結(jié)論：

(1)鍋爐改造前后在162、210、280 t/h三個負荷段的煙氣NOx原始排放濃度分別下降了38.2%、40.2%、33.6%；

(2)通過改造二次風系統(tǒng)、調(diào)整爐內(nèi)溫差、新增煙氣再循環(huán)以及改造返料著床等對鍋爐進行技術(shù)升級，使其NOx原始排放達標，取得了較好的減排效果，并且降低了投資。