超低排放形势下CFB锅炉低氮燃烧和SNCR联合脱硝提效研究

王丰吉， 王 东， 冯前伟

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

超低排放形势下CFB锅炉低氮燃烧和SNCR联合脱硝提效研究

王丰吉， 王 东， 冯前伟

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

对某厂2号CFB锅炉进行超低排放改造前的摸底试验，诊断锅炉原燃烧系统和SNCR脱硝系统存在的问题，并提出优化改造方案。该项目的实践表明：CFB锅炉通过深度优化改造低氮燃烧和SNCR联合脱硝系统后能够满足高、中负荷段NOx超低排放要求，但在低负荷下，特别是实际燃用煤质较差，且严重偏离设计煤质时仍有较大超排风险。

CFB；循环流化床；低氮燃烧；SNCR；超低排放

0 引言

近年来，随着国家环保标准的进一步提高，循环流化床（Circulating Fluidized Bed，简称CFB）锅炉超低排放改造势在必行。就NOx而言，考虑到投资、运维成本、系统复杂性等因素，要实现超低排放的技术路线较为单一，特别是对于燃用高钙煤或需投运炉内干法脱硫的CFB锅炉，受制于选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）脱硝技术中催化剂钙中毒及炉后改造空间限制的影响，基本只能选用炉内低氮燃烧联合选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，简称SNCR）脱硝的技术组合。本文以某厂2号CFB锅炉NOx超低排放改造项目为例，诊断锅炉原燃烧系统和SNCR脱硝系统存在的问题，提出优化改造方案，并对改造效果加以分析。

1 项目概述

某厂2号机组为200MW循环流化床机组，配有东方锅炉股份有限公司设计制造的“П”型布置、超高压、自然循环、一次中间再热、平衡通风、固态排渣的汽包蒸汽锅炉。锅炉设计燃用烟煤，实际燃用高CaO含量的煤泥和煤矸石，采用循环流化床低氮燃烧方式，配有炉内石灰石脱硫、布袋除尘器和以尿素为还原剂的SNCR脱硝等环保设施。

2 超低排放改造前摸底试验及数据分析

2.1 摸底试验

为更好地了解原燃烧系统和SNCR脱硝装置的特性，对2号锅炉进行NOx超低排放改造前的摸底试验，主要数据结果见表1。

表1 某厂2号锅炉超低排放改造前摸底试验数据Tab.1 The test data of NO.2 boiler before the reconstruction of ultra-low emission

2.2 数据分析及存在的问题

（1）各负荷段原始NOx浓度处于同类型锅炉较高水平，其中高、中负荷段接近300mg/m3，低负荷时达到了350mg/m3以上。

（2）高、中负荷段SNCR脱硝率均高于75%，处于较好水平，但氨逃逸相对较大，造成还原剂浪费且对后续设备安全运行构成威胁。

（3）A、B、C三个旋风分离器入口烟气温度偏差很大，最大达到100℃。低负荷时A旋风分离器入口烟气温度最低低至接近700℃，SNCR脱硝率大幅下降。

（4）各负荷段的NOx排放浓度均大于50mg/m3，不能满足NOx超低排放要求。

3 问题诊断

3.1 燃烧系统诊断

CFB锅炉的低氮燃烧主要和燃料特性、配风方式、床温、脱硫剂、循环倍率等因素相关[1]。结合该项目的实际情况，2号锅炉燃烧系统存在以下问题导致原始NOx浓度偏高。

3.1.1 床温不均匀

满负荷下采集DCS床温数据，发现锅炉整个床面上各个床温测点偏差较大，最大偏差可达70℃以上。床温的不均匀，会造成局部温度峰值，局部超高床温是NOx生成急剧增加的元凶。

3.1.2 一次风率过大

停炉检查时发现锅炉风帽磨损较严重，实际运行中为了维持布风板阻力、保持炉内流化和防止结焦，必须加大一次风量，导致一次风率大大提高，锅炉密向区富氧燃烧，提高了NOx生成率。

3.1.3 实际燃用煤质严重偏离设计煤质

锅炉设计燃用烟煤，实际燃用泥煤和煤矸石，燃煤中CaO含量高达18%-20%。过高的CaO含量一方面提高了入炉煤在燃烧过程中的自脱硫能力，另一方面也改变了含氮挥发分的氧化路径，是燃料氮生成氮氧化物的强催化剂[2]。

3.1.4 旋风分离器分离效率较低

锅炉旋风分离器设计入口烟气流速偏小，导致分离效率较低，减小了循环倍率。循环倍率和NOx的生成有密切关系。循环倍率的提高，可以增加锅炉主循环回路中的焦炭浓度，这些焦炭不仅提供燃烧反应进行的表面，而且提供了NO的还原条件，有利于降低氮氧化物的排放浓度[1]。

3.2 SNCR脱硝系统诊断

CFB锅炉的SNCR脱硝率主要和氨氮摩尔比、烟气温度、停留时间、混合均匀度等因素相关[3]。结合该项目实际情况，2号锅炉SNCR脱硝系统存在以下问题导致脱硝率偏低。

3.2.1 低负荷时旋风分离器入口烟温偏低

以尿素作为还原剂的SNCR脱硝系统，其最佳反应温度窗口是850-1150℃[4]。该项目SNCR脱硝系统尿素溶液喷枪设置在旋风分离器入口和上部炉膛，根据摸底试验结果，高、中负荷段该处温度均在最佳反应温度窗口，脱硝率均高于75%；低负荷时该处烟气温度远低于最佳反应温度窗口下限，脱硝率大幅下降。

3.2.2 尿素溶液和烟气的混合均匀性不佳

该项目SNCR脱硝系统共设置28支喷枪，分炉膛和旋风分离器入口两个区域布置：炉膛布置10支，3个旋风分离器入口各布置6支。由于炉膛尺寸远大于喷枪的喷射距离，导致炉膛中央大片区域的烟气无法被尿素溶液覆盖，故布置在炉膛的喷枪脱硝效果相对比较有限；旋风分离器入口采用了大流量、单侧集中布置的喷枪布置方式，虽然减少了喷枪数量，节省了投资，但同时也减弱了尿素溶液和烟气的混合效果，进一步降低了低负荷时SNCR的脱硝率。

4 优化改造方案

通过诊断原低氮燃烧和SNCR联合脱硝系统，并调研国内外类似成功案例，提出以下改造技术路线：深度优化锅炉低氮燃烧系统，保证炉膛出口的原始NOx浓度控制在200mg/m3以内；在此基础上，充分挖掘原SNCR脱硝系统提效空间，保证低负荷时SNCR脱硝率≥75%，高、中负荷段SNCR脱硝率≥80%，最终稳定达到≤50mg/m3的NOx超低排放要求。

4.1 燃烧系统优化措施

4.1.1 旋风分离器优化改造

通过敷设耐磨耐火材料将旋风分离器入口烟道通流面积减小，提高旋风分离器入口烟气速度至30m/s，以提高分离效率。适当增加中心筒厚度，由原设计δ=12mm变为δ=16mm，材料由原先R253MA钢板升级为ZGCr25Ni20MoMnSiNRe，实现结构优化，材质升级，解决旋风分离器因高温变形问题。对中心筒长度和直径进行调整，采用圆台形状，中心管采用上大下小的缩颈结构，以进一步改善旋风分离器分离效率，提高循环倍率，降低NOx的生成。

4.1.2 受热面改造

分离器效率的提高虽有助于飞灰可燃物和NOx生成的降低，但也会导致锅炉循环物料浓度提高，加快水冷壁的磨损，相同条件下炉膛温度也会有所下降。因此，需对水冷壁采取一定的防磨措施。改造方案在炉膛水冷壁上增加多阶防磨装置阻断贴壁流，布置如图1所示，由此减轻贴壁流对炉内受热面的磨损。同时，由于防磨装置的安装减少了1%左右的炉膛受热面，有利于提高低负荷下旋风分离器入口烟气温度，进而改善低负荷下SNCR脱硝效率。

图1 多阶防磨装置布置示意图Fig.1 Diagram of multi-stage wear prevention device

4.1.3 布风装置优化改造

布风装置的核心设备是风帽，该项目中锅炉风帽由于设计和运行的原因，已有部分严重磨损，改造方案将其整体更换为新型风帽，材质为ZG40Cr25Ni20，结构如图2所示。风帽节距保持不变，更换布风板上、下方的浇注料，更换风帽外罩、全部的芯管。布风装置的优化改造拟解决风帽磨损大、布风不均、长期运行布风板阻力降低的问题，同时也有利于改善3个旋风分离器的入口烟温偏差，提高低负荷时旋风分离器最低入口烟温。

图2 新型风帽安装示意图Fig.2 Diagram of a new type of distributor of hot air

4.1.4 深度优化燃烧调整

优化燃烧调整包括加强入炉煤的控制，优化物料流态及配风，改善锅炉燃烧特性，保持床温均匀，具体措施有：控制入炉煤粒径分布尽量均匀，粒径1.8mm以下占50%，最大粒径dmax控制在11mm以内，入炉煤中CaO含量在14%以内；在保证密相区床层物料充分流化的前提下，尽量降低一次风量，控制一次风率在55%以内；合理调整各层二次风门开度，控制炉膛出口氧量2.5%-3.5%，保持炉内低氮、高效燃烧。

4.2 SNCR脱硝系统优化措施

4.2.1 优化喷枪选型布置

综合考虑混合均匀度、温度窗口、停留时间，改造方案拆除旋风分离器入口烟道原有喷枪，采用了小流量、两侧分散布置的喷枪布置方式。每个旋风分离器入口烟道设置10支小流量喷枪，单支最大出力200kg/h，单台炉总计30支，保证尿素溶液在烟道内的全覆盖。保留炉膛原有10支喷枪作备用，以备在恶劣工况下投用，进一步提升SNCR脱硝率。

4.2.2 提升低负荷时旋风分离器入口烟温

保持锅炉原上、下二次风不变，在原上二次风上方约5m处增加一层上上二次风作备用，喷口材质采用Cr25Ni20，设计风速不小于45m/s，具体布置方式如图3所示。当旋风分离器入口烟温满足SNCR最佳温度窗口时，维持原上二次风投运；当低于温度窗口下限时，投运上上层二次风，调整上二次风和上上二次风风门开度，提高炉内火焰中心，以达到提升旋风分离器入口烟温的目的，同时深化炉内垂直空气分级，进一步降低炉内NOx的生成。

图3 二次风系统改造示意图Fig.3 Diagram of the secondary air modification

4.2.3 深度优化SNCR系统运行

在不改变设计氨氮比的前提下，将喷入烟道的尿素溶液浓度由10%进一步稀释至5%，大流量、低浓度的尿素溶液更加有利于和烟气的均匀混合，另一方面也能改善尿素溶液母管上流量调节阀的阀门特性，从而便于精确控制喷入烟道的尿素溶液的量。另外，在投运喷枪前，调整炉前尿素溶液和雾化压缩空气母管压力在3-6bar之间，逐支调整喷枪前尿素溶液支路和雾化压缩空气支路手动阀开度，保证喷枪射出尿素溶液的体积流量、雾化效果和射程符合设计要求后再投入使用，以强化混合效果，防止尿素溶液滴漏腐蚀受热面。

5 优化改造效果

在低氮燃烧和SNCR联合脱硝系统优化改造结束并稳定运行2个月后，为验证改造效果，对2号锅炉进行了性能试验，主要数据见表2。

表2 某厂2号锅炉超低排放改造后性能试验数据Tab.2 The test data of NO.2 boiler after the reconstruction of ultra-low emission

试验结果表明：

（1）优化改造后，各负荷段原始NOx浓度与改造前相比均有不同程度下降，特别是低负荷时由于投用了上上层二次风，使得炉内垂直空气分级进一步加深，NOx的生成率有了较大下降。尽管如此，由于试验期间入炉煤煤质未得到改善，CaO含量超过20%，使得各负荷段原始NOx浓度仍相对较高。

（2）A、B、C旋风分离器入口烟温偏差较改造前大幅减小，且高、中负荷段烟温满足SNCR最佳反应温度窗口，低负荷时投用上上层二次风后烟温有较大改善，但仍低于SNCR最佳反应温度窗口的下限。

（3）优化改造后，高、中负荷段满足NOx超低排放要求，且氨逃逸得到较好控制。低负荷时SNCR脱硝率较改造前有了较大提高，但受旋风分离器入口烟温的影响，仍不满足NOx超低排放要求。

6 结语

低氮燃烧和SNCR联合脱硝系统是大多数CFB锅炉的标配，其充分利用了CFB锅炉的特有结构和燃烧方式，具有安全、经济、高效的显著优点，但要实现NOx超低排放，须对其深度优化改造。该项目的实践表明：CFB锅炉通过深度优化改造低氮燃烧和SNCR联合脱硝系统后能够满足高、中负荷段NOx超低排放要求，但在低负荷下，特别是实际燃用煤质较差，且严重偏离设计煤质时仍有较大超排风险。

[1]岳光溪，吕俊复，徐鹏，等.循环流化床燃耗发展现状及前景分析[J].中国电力，2016，49(1):1-13.Yue Guangxi，Lv Junfu，Xu Peng，et al．Development status and prospect analysis of circulating fluidized bed fuel consumption[J]．Electric Power，2016，49(1)： 1-13．

[2]周建平，姚洪，徐涛，等.炉内喷钙脱硫对SO2和NOx排放的影响[J].热力发电，1998，(3):4-8.Zhou Jianping， Yao Hong， Xu Tao， et al． Effect of calcium injection desulfurization in furnace on SO2 and NOx emissions [J].ThermalPowerGeneration， 1998，(3)：4-8．

[3]董陈，赵树春，徐宏杰，等.燃煤锅炉SNCR脱硝工艺关键技术[J].热力发电，2016,45(12):73-77.Dong Chen， Zhao Shuchun， Xu Hongjie， et al． Key technology of SNCR denitration process for coal fired boiler[J].Thermal Power Generation，2016，45(12)：73-77．

[4]赵鹏勃，孙涛，高洪培，等.CFB锅炉SNCR脱硝技术常见问题及对策[J].洁净煤技术,2016,22(1):86-89.Zhao Pengbo，Sun Tao，Gao Hongpei，et al．Common problems and countermeasures of SNCR denitration technology in CFB boiler[J].Clean Coal Technology， 2016，22(1)：86-89．

Study on Low-nitrogen Combustion and SNCR Combined Denitrification System of CFB Boiler Under Ultra-low Emission Situation

WANG Fengji， WANG Dong， FENG Qianwei
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

Experimentswereperformed toinvestigate the problems of the existing combustion system and the SNCR system of a CFB boiler before the ultra-low pollutants emission reconstruction，and made the plan.The practice of the project has proved that CFB boiler can meet the requirementofNOxultra-low emission underthehigh or middle load after the reconstruction.But under the low load,especiallythe actualcoalquality seriouslydeviated from the designed coal quality when there is still a large risk.

CFB; circulating fluidized bed;low-nitrogen combustion; SNCR; ultra-low emission

TM621.2

B

2095-3429（2017）05-0006-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.002

2017-09-04

王丰吉（1980-），男，浙江临安人，工学学士，工程师，主要从事脱硫、脱硝、除尘等环保工程相关工作。