循环流化床锅炉低氮燃烧一体化的改造技术

杨勇军 逯建军 王博(新疆蓝山屯河能源有限公司，新疆 奇台 831800)

0 引言

能源与环境是当今社会存在的两大问题，近几年国家对环保的重视程度逐年提升，对火力发电企业大气污染物排放的标准和要求愈发严格。根据国家下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》，要求NOx、SO2及烟尘分别达到50、35、10mg/Nm3排放要求。

虽然流化床锅炉具有高效、清洁、低污染的燃烧技术，但在如此严峻的环保压力下，即使安装配套的SCR+SNCR联合脱硝技术，烟气氮氧化物排放指标也难以稳定控制。国内现有的循环流化床机组，由于存在煤种变化大、分离器效率差、一二次风配比不合理、运行床温高、运行氧量高等因素，导致很多电厂的流化床锅炉NOx排放浓度超过300mg/Nm3，远远不能使烟气达标排放。一般来说，流化床锅炉污染物排放中，SO2及烟尘的治理相对较为简单，而NOx的治理相对困难。在这样的背景下，本文提出一种比较实用的适合已建循环流化床低氮燃烧改造的技术，即循环流化床锅炉低氮燃烧一体化改造技术。

1 流化床锅炉低氮燃烧一体化改造技术

为使得流化床锅炉烟气排放满足国家指标要求，我公司决定采用低氮燃烧一体化改造技术对原有的四台流化床锅炉进行升级、改造，达到降低锅炉尾部NOx排放浓度、提高锅炉燃烧效率的目的。低氮燃烧一体化改造技术主要由二次风系统改造、烟气再循环系统优化、旋风分离器改造、返料系统改造、炉膛风帽改造、SNCR脱硝系统优化、炉膛风帽改造共七大系统组成。当煤进入炉膛，在相应的运行系统操作下与优化的二次风系统结合，在炉膛内分级燃烧，生成的灰通过物料分离系统高效分离后，循环灰通过稳定的返料系统送至炉膛，其余的飞灰通过尾部烟道进入除尘装置，在炉膛与分离器之间布置有便捷的炉内喷氨脱硝系统，达到低氮燃烧的目的。

(1)二次风系统改造

对流化床锅炉来说，二次风是炉内燃烧的主旋律，提高二次风率降低一次风率，是比较好的分级送风的好方法。本次改造通过适当降低一次风的含氧量，间接减少一次风率、增加二次风率。使得底部一次风所供给氧量的减少，密相区还原性气氛加强。通过增加二次风的风率，增加二次风的压头，使得稀相区物料悬浮浓度的增加及燃烧份额的上移，局部未燃尽一氧化碳和其他还原性气体浓度增加，对NOx的还原效果明显，且对后续焦炭粒子燃尽有利。本次改造主要针对二次风量、风速、角度等进行更改。对一二次风的比例进行合理分配，使得一次风压头下降，二次风压头提升，大幅提高二次风的穿透力，达到分级燃烧的目的，使得燃料能够燃尽。

(2)烟气再循环系统优化

改造前为降低成本，原有流化床四台锅炉燃煤主要为灰分低、碱金属含量高的准东煤，并且原设计分离器效率低，而燃煤本身含灰量较低，即使燃煤掺烧电石渣，灰分也无法有效提升。分离器效率低、灰分差导致灰循环倍率明显不足，炉内热负荷分配不均，造成锅炉8个床温测点温度偏差大，有时候偏差可以达到60℃，造成燃烧极为不稳定。本次烟再系统的优化就是把锅炉产生的含氧量低的一部分烟气在烟囱前引出一支，通过新增加的烟再风机送到一次风的入口再次利用。通过烟气的再次利用，使得原有一次风量有所降低，同时密相区的低氧可以抑制床温，通过二次风量的适当增加，补充被替代的一次风量。通过烟再的低氧烟气再次利用，在降低床温的同时，可以有效控制锅炉空预器进出口的氧含量，大幅降低NOx排放。

由于烟气中存在一定的粉尘颗粒，可能对一次风机叶轮产生磨损。针对此项问题，对磨损的原理展开分析，具体如式(1)：

式中：W为磨损量；Vd为粉尘速度；Dd为粉尘颗粒度；ρd为粉尘浓度；f为粉尘与金属表面冲击角度。

由公式(1)看出，气流速度的2.5次方、粉尘粒径的3次方与磨损成正比，是影响磨损的关键因素。当采用烟气再循环后，一次风总量并不产生明显的变化，仅在一次风中增加一部分烟气量，由于锅炉目前除尘效率很高，除尘器后粉尘浓度极低，粉尘粒径小，且烟气量仅为一次风量的20%～35%左右(设计值留有较大裕量，实际运行值更低)，混合后的气体含尘量进一步降低，磨损能力很弱，可以忽略不计。按照设计值，除尘后烟气中的烟气中含尘量≤10mg/m3，再和空气混合后其浓度不大于5mg/m3，而在常规工业中的通风通道来说，一般将100mg/m3以下含尘量的气体划归为洁净气体。因此，增加烟气再循环不会对一次风机叶片寿命和运行安全性带来不利影响。

(3)旋风分离器改造

循环流化床锅炉的燃烧、传热都伴随着大量的循环灰。若循环灰量不足，会造成锅炉床温偏高，风室压力无法维持且锅炉带负荷能力差等一系列问题，可以说循环灰量的大小与循环灰的稳定性对流化床锅炉燃烧起着决定性作用。

原有锅炉在设计初期对分离器入口流速设计值在24m/s，而一般比较理想的速率至少因该在27m/s以上。在加炉膛出口温度低，进一步降低了分离器入口流速。此次改造分离器入口烟道形状进行处理，增加入口流速来增加循环灰量。

(4)返料系统改造

返料系统主要是将烟气中携带的大量没有燃尽的高温颗粒收集，通过返料风机重新送回炉膛再次循环燃烧。返料系统的可靠性对锅炉安全及经济运行举足轻重。改造前原有返料风机选型过大，才用的是大风量、低压头的风机，在启停炉过程中，经常会出现返料不稳定现象，有时候需要启动两台返料风机才能保证返料风压，频繁启动备用返料风机，会对返料量产生较大影响，导致风室压力及床温大幅波动，造成燃烧极为不稳定，严重时会导致锅炉结焦。回料阀实际上是一个小鼓泡床，起到立腿灰封和向炉内输灰的作用，回料风由下部小风室通过流化风帽进入阀体内，它的流量根据立管内物料高度自动调节，阀体本身调节流量的功能较弱。原设计回料阀床上风帽开孔率不合理，需保证改造后使松动风侧的小孔总面积显著小于流化风侧的小孔总面积，控制回料风量不宜过大，否则会使进入立管的空气量将增多，阻碍立管中物料向下流动，严重时将吹穿料腿进入分离器内，破坏分离器的分离效率，导致回料量减少，间接导致飞灰含碳量的增加。调整返料器松动侧和流化侧的风帽开孔率，使流化侧远大于松动侧，故重新更换调整风帽数量，并对小孔孔径重新核算。原设计返料风机出力较大，单台返料风机能够使返料风压满足需要和保持稳定，本次改造拟对风帽结构、返料立管做一定的优化，更换新型返料风帽，将立管内腔缩径，提高立管内物料存储高度。

(5)炉膛风帽改造

返原设计炉膛风帽约为1401个，为小口径钟罩式，数量太多且存在风帽结构设计不合理问题，将影响锅炉的流化及对炉内水冷壁产生额外的磨损。风帽不是数量越多流化效果越好，而应计算出合适的风帽数量、并选用几种不同规格的风帽、按进风方式的不同布置不同规格孔径的风帽，只有这样才能最大限度的消除因进风方式带来的不利影响。经核算原设计风帽芯管开孔率过小、帽头开孔率过大，使得风帽小孔速度太低、出口处静压太低，且单一风帽结构，极易存在局部流化偏弱等问题。改造后需重新布置风帽，采用多规格不均匀布置，对风帽小孔孔径做适当处理，以实现布风板对料层流化均匀性的基本目标。

(6) SNCR脱硝系统优化

我公司锅炉安装有SNCR脱硝系统，但脱硝系统存在喷枪数量和布置方式不满足分离器入口实际流场和NOx分布特点，单只喷枪雾化效果和降氮效能并未达到优良，沿烟道截面不能与烟气有效均匀混合。为保证最终NOx排放能达到50mg/Nm3以下的超低排放，需对现有SNCR脱硝系统进行优化升级。每台锅炉在每个旋风分离器入口设置8只喷枪，通过数学模型计算(CFD)的数模方式和专家系统解读，来了解炉膛NOx浓度分布、炉膛温度分布、炉膛气流分布以及烟气组分分布情况，确定喷枪的布置方式、数量和安装位置。对现有SNCR脱硝系统进行优化完善，对系统存在设备老化、设计不合理等缺陷进行处理，实现稳定的超低排放指标。

(7)炉膛风帽改造

改造前，炉膛风帽约为1400个，都采用小口径钟罩式，按统一的间距布置。通过近几年的运行，基本每半年将会有一半的风帽出现磨损严重，芯管烧断的问题，每次停炉风室积灰严重，造成运行周期短等问题。

本次改造，打破单一风帽结构布置，按照进风方式的不同，选择不同规格孔径的风帽分区布置，这样就能最大限度的消除因进风方式不同带来的不利影响。原有风帽存在芯管开孔率小，帽头开孔率过大，导致出口处静压低，局部存在流化不良的问题，本次改造针对此问题进行优化处理，减少风帽整体数量，采用多规格不均匀布置，以实现布风板均匀性目标。

2 改造效果

2018年我公司采用流化床锅炉低氮燃烧一体化改造技术对2台160t/h，2台320t/h循环流化床锅炉进行升级改造及应用。

通过近一年的运行调整，目前我公司烟气NOx、SO2及烟尘可控制在50、35、10mg/Nm3以下，氨逃逸<8ppm。与改造前同等锅炉负荷相比，氨水用量减少近一半，且锅炉原始NOx排放浓度由400mg/Nm3降至185mg/Nm3，实现锅炉全负荷下稳定超低排放。

2020年6月，我公司委托西安热工院对我公司四台流化床锅炉进行性能验收，并出具了相关的能效测试报告，NOx排放浓度可控制在50mg/Nm3以下，锅炉热效率在93%左右，床温稳定在880～920℃，锅炉炉膛出口温度提高30℃且左右偏差<15℃，锅炉燃烧稳更稳定，低氮燃烧效果明显，热工院对我公司流化床锅炉低氮燃烧一体化改造非常认可。

3 结语

通过本次流化床锅炉的升级、改造，我公司的流化床锅炉烟气排放指标能够达到国家烟气超低排放的标准。

本次流化床锅炉低氮一体化改造与前期相比，具有以下特点：

(1)改造后，锅炉在额定负荷内使得锅炉初始NOx排放浓度从原有的400mg/Nm3降低至185mg/Nm3。

(2)改造后，结合SNCR脱硝系统，锅炉在额定负荷内的NOx最终排放值稳定在50mg/Nm3(O2)以下，实现全负荷下的NOx超低排放。

(3)改造后，锅炉热效率提高0.8个百分点，辅机电耗及产汽煤耗降低1.5kg/t。

(4) 改造后，锅炉运行周期得到提升，炉内受热面磨损速率大幅下降。