440t/h循環(huán)流化床鍋爐NOx超低排放研究

李 帥，劉廣武，回禹衡，王 忠

（國家電投集團(tuán)東北公司大連泰山熱電有限公司，遼寧 大連 116023）

氮氧化物（NOx）是工業(yè)燃燒產(chǎn)生的煙氣成分之一，也是導(dǎo)致光化學(xué)煙霧、酸雨和霧霾等環(huán)境問題的主要污染物[1-2]。為了減少NOx的排放，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外探索出許多方法，如三聯(lián)催化、氮氧化物減量和儲存、選擇性催化還原（SCR）等[3-5]。根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）[6]，現(xiàn)有燃煤機(jī)組排放的煙氣中NOx含量要低于200 mg/m3，新建燃煤機(jī)組排放的煙氣中NOx含量要低于100 mg/m3。2014年，國家印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，其中對燃煤機(jī)組排放的污染物提出更嚴(yán)格的超低排放要求，即在基準(zhǔn)含氧量6%的條件下，NOx排放限值是50 mg/m3。2017年9月，遼寧省某熱電廠接到當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)部門下發(fā)的通知，要求限期完成超低排放改造。因而，該熱電廠實施煙氣超低排放改造工程，改造后實現(xiàn)超低排放，從而落實國家環(huán)保政策，更好地保護(hù)環(huán)境。本文以該熱電廠的440 t/h循環(huán)流化床鍋爐為例，開展煙氣（尾氣）再循環(huán)改造、二次風(fēng)深度分級改造、噴射系統(tǒng)改造和鍋爐燃燒調(diào)整，通過多種技術(shù)耦合實現(xiàn)低氮燃燒。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

該熱電廠現(xiàn)有的鍋爐為440 t/h循環(huán)流化床鍋爐，采用超高壓參數(shù)中間再熱循環(huán)流化床技術(shù)。鍋爐總體型式為自然循環(huán)、單鍋筒、一次再熱、高溫絕熱旋風(fēng)分離器、平衡通風(fēng)、回料閥給煤、緊身封閉布置，配國產(chǎn)135 MW 抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐為鋼架雙排柱懸吊結(jié)構(gòu)，以燃煤為燃料，采用固態(tài)排渣。經(jīng)測試，鍋爐NOx的原始排放濃度可達(dá)350 mg/Nm3，改造前，鍋爐采用選擇性非催化還原（SNCR）系統(tǒng)脫硝，能夠滿足NOx排放濃度不大于200 mg/Nm3的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。為降低NOx排放濃度，實現(xiàn)超低排放，2019年，該熱電廠進(jìn)行脫硝提效改造，提效改造工程有3 項主要內(nèi)容，即布風(fēng)裝置改造、SNCR 提效改造和鍋爐燃燒調(diào)整。

1.1 布風(fēng)裝置改造

對風(fēng)帽及布風(fēng)板進(jìn)行改造，同時更換布風(fēng)板上、下方的澆注料，更換風(fēng)帽外罩、全部的芯管，并保證風(fēng)帽有可靠的連接方式。改造后，提高一次風(fēng)的穿透能力，減少流化風(fēng)量，降低床溫，提高床溫均勻性，從而降低NOx原始排放濃度。一次風(fēng)量降低后，通過增加二次風(fēng)來增加補(bǔ)充燃燒需要的氧量。

1.2 SNCR 提效改造

噴射系統(tǒng)是保證脫硝效率的關(guān)鍵。對每個分離器入口原有的5 支噴槍進(jìn)行更換，并且在煙道對側(cè)增設(shè)一排噴槍（3 支）。每臺鍋爐設(shè)置2 個計量分配模塊，每個計量分配模塊可以對10 只噴槍進(jìn)行分配和計量。現(xiàn)有的尿素溶液供應(yīng)系統(tǒng)由母管制改為單元制，增設(shè)1 臺尿素供應(yīng)泵，泵的規(guī)格一致，并增加相應(yīng)的閥門與管路。

2 存在的問題

為了實現(xiàn)超低排放，將鍋爐出口NOx排放濃度穩(wěn)定在50 mg/Nm3以下，首先分析鍋爐現(xiàn)狀運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀況，然后進(jìn)行改造，解決兩個關(guān)鍵問題。一是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時（鍋爐蒸發(fā)量200 t/h 以下），NOx排放濃度偏高；二是保證達(dá)標(biāo)排放時，尿素消耗量偏大，氨氮比達(dá)到5。

3 煙氣脫硝改造方案

多種技術(shù)耦合有助于實現(xiàn)鍋爐低氮燃燒。該熱電廠擬通過煙氣（尾氣）再循環(huán)改造、二次風(fēng)深度分級改造、噴射系統(tǒng)改造和鍋爐燃燒調(diào)整，實現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行條件下NOx超低穩(wěn)定排放、降低SNCR 的還原劑消耗量等技術(shù)目標(biāo)。

3.1 煙氣（尾氣）再循環(huán)改造

為降低鍋爐一次風(fēng)含氧量，改變爐內(nèi)燃燒環(huán)境，降低鍋爐NOx原始生成量，該熱電廠在鍋爐上新增一套煙氣（尾氣）再循環(huán)系統(tǒng)。在引風(fēng)機(jī)出口加裝風(fēng)機(jī)，引一部分煙氣，分兩側(cè)，至現(xiàn)有的一次風(fēng)機(jī)入口，將煙氣接入一次風(fēng)中，與一次風(fēng)一起送入爐膛。在使用設(shè)計煤種時，再循環(huán)煙氣量的設(shè)計值為額定煙氣量的10%，即60 000 Nm3/h。如圖1所示，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)包含流量計、壓力溫度測點、流量調(diào)節(jié)閥門和系統(tǒng)進(jìn)出口關(guān)斷門等。煙氣可以分兩側(cè)調(diào)節(jié)。

圖1 煙氣（尾氣）再循環(huán)改造

本次改造涉及多項具體內(nèi)容?？傮w來說，在引風(fēng)機(jī)的出口煙道開孔，新增1 臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)室內(nèi)布置（新增輕體房），在風(fēng)機(jī)出口安裝溫度、壓力測點和煙氣調(diào)節(jié)擋板；在管道接口處安裝插板門，拆除與恢復(fù)保溫系統(tǒng)；布置管道，新增金屬膨脹節(jié)，新增管道保溫、防腐，布置相關(guān)閥門與測點。

3.2 二次風(fēng)深度分級改造

對二次風(fēng)口布置及二次風(fēng)配比進(jìn)行優(yōu)化。主要目的是延長下部還原區(qū)空間，強(qiáng)化上部氧化氛圍，實現(xiàn)分級燃燒，抑制NOx的生成，同時強(qiáng)化二次風(fēng)穿透與擴(kuò)散，改善爐內(nèi)氧量的均勻性。采用二次風(fēng)深度分級可以實現(xiàn)爐內(nèi)高效抑氮，將上二次風(fēng)口提至稀相區(qū)后，加強(qiáng)爐內(nèi)混合擾動，也使二次風(fēng)具有更好的穿透性。

上二次風(fēng)風(fēng)口上移，可以在密相區(qū)形成較大的貧氧燃燒區(qū)，CO 還原性氣體與部分NOx發(fā)生反應(yīng)重新生成N2。二次風(fēng)區(qū)域物料濃度較稀，有利于二次風(fēng)的穿透擾動，床溫均勻性提高，雖然氧濃度高，但溫度會相應(yīng)降低，又阻止熱力型NOx的生成。該熱電廠利用原有風(fēng)口（改造后，上二次風(fēng)口標(biāo)高至爐膛拐點上方）作為上二次風(fēng)口，減少鍋爐改動量。各風(fēng)口標(biāo)高的相對位置如表1所示。改造二次風(fēng)風(fēng)箱，取消二次風(fēng)箱與原有風(fēng)箱的隔板，即取消原有風(fēng)箱，整個二次風(fēng)箱合一?，F(xiàn)有二次風(fēng)保留。二次風(fēng)系統(tǒng)改造后，二次風(fēng)分為3 層。在各二次風(fēng)支管上加手動調(diào)節(jié)門?？梢酝ㄟ^優(yōu)化調(diào)整試驗，確立二次風(fēng)優(yōu)化運(yùn)行操作卡。

表1 二次風(fēng)口與原有風(fēng)口的位置

3.3 噴射系統(tǒng)改造

如圖2所示，在旋風(fēng)分離器處增設(shè)3 支高效噴槍，每臺爐共有6 支。原噴槍保留，新增分配計量模塊，安裝不銹鋼管道、軟管以及閥管件等。對于增設(shè)噴槍配套的計量分配模塊，根據(jù)現(xiàn)有分配模塊箱內(nèi)部空間，增加就地流量計、手動閥門、壓力表和不銹鋼管道等。

圖2 脫硝噴槍布置

3.4 鍋爐燃燒調(diào)整

煙氣再循環(huán)能提高布風(fēng)均勻性，降低鍋爐一次風(fēng)含氧量，同時改變爐內(nèi)燃燒環(huán)境，降低鍋爐NOx原始生成量。煙氣再循環(huán)對鍋爐燃燒過程N(yùn)Ox原始排放濃度的影響如圖3所示。鍋爐負(fù)荷為200 t/h，煙氣再循環(huán)投入量從30 000 Nm3/h 增加到50 000 Nm3/h 時，NOx原始排放濃度分別降低30%、45%和48%。

圖3 NOx 原始排放濃度減少率隨煙氣再循環(huán)的變化

4 結(jié)論

該熱電廠實施機(jī)組煙氣（尾氣）再循環(huán)改造+二次風(fēng)深度分級改造+噴射系統(tǒng)改造+鍋爐燃燒調(diào)整，改造后達(dá)到預(yù)期效果，NOx排放濃度小于50 mg/Nm3，達(dá)到《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）和遼寧省的超低排放要求。本次改造采用的脫硝系統(tǒng)技術(shù)成熟，性能可靠，現(xiàn)場滿足施工條件。本項目實施方案從技術(shù)上是可行的。本改造項目可以實現(xiàn)節(jié)能減排，符合國家現(xiàn)行的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的環(huán)境效益和社會效益。