循環(huán)流化床鍋爐低NOx燃燒環(huán)保改造

      自2014年7月1日起，循環(huán)流化床（circulating fluidized bed）鍋爐氮氧化物排放執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）規(guī)定的循環(huán)流化床排放限值，即 NO?<200 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下 273.15 K，101.325 kPa 的質(zhì)量濃度）。國內(nèi)蒸發(fā)量 420 t/h以上的大型 CFB鍋爐 NO? 平均排放濃度為 230 mg/m3左右；而蒸發(fā)量 240 t/h的中小型鍋爐 NO? 煙氣排放濃度更高一些，平均為 300 mg/m3。總體上來講，CFB鍋爐 NO? 煙氣排放濃度平均為 270~290 mg/m3。一般來說，CFB鍋爐的 NO? 排放值確實(shí)要顯著低于那些未采取有效爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的普通煤粉鍋爐，但仍未達(dá)到國家現(xiàn)階段 NO?排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，目前有極少部分 CFB鍋爐 NO? 排放濃度已經(jīng)達(dá)到 90~150 mg/m3，但這部分達(dá)標(biāo)機(jī)組比例不超過 10%，大部分循環(huán)流化床鍋爐仍需進(jìn)行改造。

   目前，對循環(huán)流化床運(yùn)行優(yōu)化和改造已有一些研究，多數(shù)為燃燒配風(fēng)的控制，雖然有一定的效果，但對現(xiàn)場的運(yùn)行人員操作要求較高，無法保證長期穩(wěn)定的達(dá)標(biāo)排放。本研究針對某循環(huán)流化床鍋爐改造實(shí)例進(jìn)行探討并提出有效降低 NO? 的思路，即 CFB鍋爐爐內(nèi)低 NO? 燃燒技術(shù)一體化改造方案，通過對二次風(fēng)、水冷屏、過熱器、返料系統(tǒng)、布風(fēng)板、風(fēng)帽、給煤口的優(yōu)化，以及采用煙氣再循環(huán)、SNCR 等煙氣脫硝技術(shù)大幅度地降低 NO? 的排放濃度。采用該方案后，爐膛出口 NO? 排放濃度應(yīng)不高于 50 mg/m3。而考慮到暫無 NO? 的超低排放需求，對于 NO? 濃度無超低排放改造要求的鍋爐，可不考慮增加 SNCR 脫硝裝置。只需進(jìn)行爐內(nèi)燃燒改造，NO? 排放濃度低于 150 mg/m3即可。

   1實(shí)施方案

   1.1工程概況

   某廠鍋爐型號為 YG-75/3.82-M1，蒸發(fā)量為 75 t/h，由濟(jì)南鍋爐廠制造；該廠采用自然循環(huán)、中溫中壓雙旋風(fēng)分離的循環(huán)流化床鍋爐。3 臺鍋爐均為室內(nèi)布置，鋼結(jié)構(gòu)形式，采用由旋風(fēng)分離器組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過熱器分高、低二級過熱，中間設(shè)噴水減溫器，尾部設(shè)三級省煤器和一、二次風(fēng)預(yù)熱器。入爐煤磨煤機(jī)主要包括 HSZ-50 型環(huán)錘式破碎機(jī)與 KBC 型細(xì)粒破碎機(jī)，入廠煤經(jīng)環(huán)錘式破碎機(jī)破碎后送入細(xì)粒破碎機(jī)磨制，合格煤粉送入鍋爐爐膛。對該鍋爐污染物排放情況進(jìn)行測試，在蒸發(fā)量分別為 64 t/h和 34 t/h工況下，鍋爐 NO? 排放濃度為 596 mg/m3和 516 mg/m3。鍋爐 NO? 排放情況濃度偏高，存在的主要問題如下。

   1）鍋爐爐膛出口 NO? 原始排放濃度偏高，可達(dá) 500~600 mg/m3。

   2）輸煤皮帶只設(shè)計了碎煤系統(tǒng)而沒有設(shè)計合格的篩分系統(tǒng)，使得入爐煤顆粒偏粗，達(dá)不到“三篩兩碎”的基本要求。

   3）鍋爐達(dá)不到額定設(shè)計出力，在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐最大出力僅為 60~62 t/h。

   4）鍋爐運(yùn)行中都出現(xiàn)高床溫現(xiàn)象，僅在 60~62 t/h出力下已高達(dá) 950 ℃，造成 NO? 和 SO2超標(biāo)。

   1.2工藝流程

   本次 CFB 鍋爐爐內(nèi)低 NO? 燃燒改造的總體技術(shù)方案為：二次風(fēng)系統(tǒng)改造、增設(shè)水冷屏、過熱器優(yōu)化、返料系統(tǒng)局部優(yōu)化、布風(fēng)板和風(fēng)帽的整體完善、給煤口結(jié)構(gòu)優(yōu)化、煙氣再循環(huán)改造以及 SNCR煙氣脫硝改造，可大幅度地降低 NO? 的排放濃度。

   1.3設(shè)計參數(shù)及改進(jìn)方案

   1.3.1低氮燃燒技術(shù)改造方案

   1）二次風(fēng)噴口改造方案。CFB 燃燒所產(chǎn)生的 NO? 成分，基本上來源于燃料氮的生成，一般稱為燃料型 NO?。但氧量不均勻所帶來的局部富氧燃燒會導(dǎo)致熱力型 NO? 劇增，高床溫運(yùn)行也會大幅促進(jìn) NO? 的生成。對二次風(fēng)改造后，實(shí)現(xiàn)空氣沿爐膛的空間分級燃燒，控制爐內(nèi)溫度場相對均勻，消除高溫峰值，減弱富氧區(qū)，以減少爐內(nèi)熱力型 NO? 。由于分級燃燒獨(dú)特的流場結(jié)構(gòu)，可解決爐膛中心缺氧問題。在爐膛容積內(nèi)，制造適合于還原反應(yīng)發(fā)生的最佳溫度區(qū)域和適當(dāng)氧量分布，并在下爐膛內(nèi)部的強(qiáng)還原區(qū)域，讓含硫物質(zhì)在碳?xì)浯呋饔孟路纸獬?H2S，與煙氣中的 CaO 發(fā)生反應(yīng)，生成 CaS，CaS 可較穩(wěn)定地存在于爐渣中，提高了爐內(nèi)脫硫效率。

   鍋爐原有二次風(fēng)噴口數(shù)量 21 個，前墻分 3 層布置，上、中、下層各 2 個二次風(fēng)噴口，共 6 個二次風(fēng)噴口；后墻分 3 層布置，上、中、下層各 1 個二次風(fēng)噴口，共 3 個二次風(fēng)噴口；左、右側(cè)墻二次風(fēng)噴口同樣分 3 層布置、上、中、下各 2 個二次風(fēng)噴口，共 12 個二次風(fēng)噴口，布局極不合理。

  二次風(fēng)口原設(shè)計風(fēng)速約為 80 m/s，二次風(fēng)速顯著偏高，二次風(fēng)速高必然會產(chǎn)生二次風(fēng)噴口靜壓的下降，不利于二次風(fēng)穿透。鍋爐原前墻上、中、下層二次風(fēng)噴口距離布風(fēng)板高度分別為 2.567、1.767、1.067 m；左、右側(cè)墻上、中、下二次風(fēng)噴口距離布風(fēng)板高度分別為 2.567、1.767、1.067 m；前、后墻上層二次風(fēng)噴口距離原設(shè)計澆注料層拐點(diǎn)為 1.683 m，二次風(fēng)噴口布置不合理，必須進(jìn)行重新布置。

   根據(jù)鍋爐的實(shí)際情況，本次改造按現(xiàn)有煤質(zhì)核算實(shí)際二次風(fēng)布置方案，重新布置二次風(fēng)口位置、調(diào)整入射角度和高度，在合理配風(fēng)、分級燃燒的基礎(chǔ)上，大幅提高二次風(fēng)穿透性，解決爐膛中心區(qū)嚴(yán)重缺氧問題，提高燃料燃盡效果和脫硫反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)均溫燃燒下的高效低氮。將二次風(fēng)噴口分2 層布置，數(shù)量由 8 個增加至 12~15 個，上、下層二次風(fēng)噴口采用對稱布置或者交叉平行布置的方式。

   為保證二次風(fēng)有足夠的穿透動量，噴口前段設(shè)有 5 倍以上管道直徑的直管段；對原有二次風(fēng)系統(tǒng)管道進(jìn)行重新優(yōu)化布置，改造后二次風(fēng)噴口相對位置示意圖如圖 1 所示。通過二次風(fēng)噴口的立體分級和水平優(yōu)化組合，由模擬理論計算可知，溫度場分布的不均勻度由 21.35% 降到了 5.41%，床溫偏差由 140 ℃ 降低到 70 ℃，氧濃度不均勻度由 67.48% 降低到 14.31%，從根本上解決了爐內(nèi)溫度場和氧分布不均勻性問題。

   2）增設(shè)煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)技術(shù)的核心，就是利用煙氣具有低O2的特點(diǎn)，將煙氣噴入爐膛合適的位置，等效于一次風(fēng)率的降低，促進(jìn)密相區(qū)物料的還原性初始燃燒，可有效減低床溫。與二次風(fēng)分級相結(jié)合的煙氣再循環(huán)，可有效實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)物料的流態(tài)化合理構(gòu)建，達(dá)到深度還原降氮的目的。

   該鍋爐一次風(fēng)量占總風(fēng)量的 60%，二次風(fēng)占總風(fēng)量的 40%，一次風(fēng)量較大。本次改造在爐膛出口氧量一定的情況下，擬在不降低一次風(fēng)量、保證床料正常流化的基礎(chǔ)上，降低一次風(fēng)中的氧量份額、增加二次風(fēng)總量，由于底部一次風(fēng)中的含氧量減少，抑制密相區(qū)的燃燒強(qiáng)度，同時二次風(fēng)噴口分層布置，增大密相區(qū)還原氣氛，抑制 NO? 的生成。