46 MW燃煤层燃锅炉中NOx减排与节能提升的试验研究

任庚坡

上海市节能中心

0 引言

我国工业锅炉80%以上为燃煤锅炉，年消耗标煤超6 亿t，其中容量在20 t/h 以下的锅炉约占80%，大部分为传统链条炉排锅炉［1］。传统的燃煤链条炉排锅炉普遍存在运行效率低，污染物排放高等问题。目前在我国北方地区，冬季采暖季中，常用燃煤链条锅炉作为基础性热源使用［2］。随着社会对污染物深度减排与低碳能效提升的需求，许多使用链条炉的企业面临技术升级的需要。

工业层燃锅炉通常初始燃烧排放的NOx 浓度在400～800 mg/m3［3］。在机组的气体污染物排放监控方面，部分重点地区要求燃煤35 t/h 以上层燃锅炉，实现超低排放要求，即粉尘≤10 mg/m3,SOx≤35 mg/m3, NOx≤50 mg/m3［4］。在链条炉的NOx减排技术中，常用的有深度空气分级［5］、烟气再循环［6-7］、SNCR［8］、SCR［5］、层燃改室燃［9］等技术。

同时，层燃锅炉的能效提升也是重要的工艺研究目标。尽可能减低污染物减排的运行成本消耗，提高锅炉燃烧效率，是工业锅炉有效提升绿色低碳品质的关键。层燃锅炉中炉渣含碳量高，带来的机械不完全燃烧损失往往是效率中最大的损失项，可达15%～20%以上［10］。烟气循环使用也能有效减少烟气总量，有效降低排烟热损失［11］。不过，将烟气循环输入一次风室，也会让炉渣含碳量升高，甚至未燃尽的碳含量占到25%～44%［12］，会直接降低燃烧效率。

本文对某46 MW 燃煤链条锅炉，开展了烟气循环技术的升级改造。改造后，有效降低NOx 排放；同时也有益于降低SNCR 尿素溶液用量，实现了炉渣含碳量的降低。该技术兼顾实现了降低污染物控制运行成本，提高了锅炉燃烧效率，有着重要的工业借鉴意义。

1 升级的烟气循环脱硝改造工艺

本文对46 MW 层燃锅炉进行了脱硝改造。该锅炉的额定热功率为46 MW，双锅筒设计。出水压力为1.6 MPa，设计效率82.50%。试验中煤炭的工业分析数据见表1。

表1 燃烧煤质的工业分析数据

对层燃锅炉的脱硝改造试验中，主要采用了烟气循环工艺、SNCR 工艺。锅炉改造前NOx 的排放数据为420 mg/m3（考虑工业锅炉炉型，使用9% O2折算）。改造试验的工况有三个（见表2）。改造工况1，将循环烟气输送到炉底的一次风中，通过改变层燃炉底部一次风的含氧浓度，来降低NOx 污染物。改造工况2，将循环烟气输送到炉内的喉口、燃烧室侧壁中，通过创造炉内的还原性气氛，来降低NOx 排放。改造工况3，在改造工况2 的基础上，增加了SNCR 的尿素喷射。SNCR 喷枪设计在喉口上部约1 m 位置，充分利用了烟气循环对SNCR的影响。改造试验工况见表2。

表2 改造试验工况

2 循环烟气进入炉内不同位置的影响

对两种不同的烟气循环脱硝改造工艺进行了对比。图1 是工况1 试验条件下，烟气的NOx 排放与O2浓度数据。图2 是工况1 与工况2 的对比，比较了烟气中的NOx与O2的浓度数据。

图1 改造工艺1运行后对锅炉出口烟气参数的影响

图2 改造工况1与工况2运行后对锅炉出口烟气参数影响

在工况1 下，NOx排放浓度降低14.7%～23.5%的比例，证明了炉底通入烟气是有脱硝意义的。在试验进行过程中，观察了O2浓度的变化，从8%降低到5.5%。O2浓度的降低是烟气循环稳定后，因为系统中有更多的烟气占比，形成了对烟气O2浓度的下降。

在工况1 下，对排入到渣坑的大渣进行取样。改造前，大渣的含碳量为8%，经过工况1 的工艺改造，大渣含碳量提升到16%。大渣的含碳量提高，样品颜色呈现灰黑色。这一点与文献［10］和［12］的叙述一致。由此可见，利用烟气循环降低一次风含氧浓度，以降低NOx，技术虽然有效，但是代价较大，直接降低了未燃尽固体含量，降低了整体的锅炉效率。

图2为改造工况1 与2 的对比。可见，NOx 排放浓度都有效降低，特别是较低的26～32 MW 负荷下，脱硝率有27.3%。工况2 脱硝的效果与工况1是相同。另外，对比烟气中O2浓度的数据，与工况1不同，改造工况2 与改造前的O2浓度相同，O2浓度未降低。在改造设计中，将约15%的烟气返回输送到炉内，并没有更改一次风空气的量，所以经过炉排的O2量并没有差异。虽然也有烟气循环操作，但是整体的O2浓度没有明显的降低。脱硝是利用烟气循环在炉内创造了还原性气氛，与工况1 的机理不同。

对于大渣含碳量，工况2 下取样的测试数据为7.8%，与改造前并没有太多差异。由此可见，工况2比工况1更能保证锅炉效率，是推荐的改造工艺。

3 烟气循环改造后对炉内温度场的影响

对脱硝工艺2 的炉内温度场与组分场的影响进行了讨论（详见图3 与图4）。图3 为满负荷下，改造前（即关闭烟气循环风机）与改造工况2 的温度数据进行了对比。图3 中的数据，是位置基于喉口（纵高4 m），从炉排到炉顶的不同高度处采集的。可见，改造前，炉内烟气温度较高的位置在6 m附近，即喉口上方约2 m 的位置。该位置烟气温度较高（1 120 ℃），源于炉内未燃尽的燃料（可燃气体与炭黑）与O2接触后的燃烧行为。改成了工况2后，会发现从炉排上自2～6 m 的位置，烟气温度都达到了1 150 ℃。图4 是把喉口前后两个位置的四个量都进行了测试对比，包括NOx 浓度、CO 浓度、O2浓度、烟气温度。可见，在改造前，后拱附近的O2浓度为12.6%，增加烟气循环后让喉口位置的气流进行了充分混合，使后拱附近的O2浓度降低到7.4%。因为更多的O2在充分混合中，与CO反应与燃烧。改造前，前拱附近的高浓度CO(2 238 ppm),改造后趋于零，前拱附近痕迹的CO 量是140 ppm。正是因为烟气的充分混合，让燃烧温度有提升，前拱附近烟气温度到了1 099 ℃，后拱烟气温度高到了771 ℃。同时，考虑炉内的烟气循环作用，让喉口处的NOx也有降低，从改造前的334～373 mg/m3降低到218～225 mg/m3, 实现了有效的脱硝效果。

图3 满负荷工况炉内不同纵高处烟气温度的变化

图4 烟气循环改造后满负荷工况在喉口附近的各量变化

4 烟气循环与SNCR协同作用的影响

由于喉口附近的烟气温度有效的提升，考虑让SNCR 喷枪位置下移，即安置在喉口上方。SNCR的工作温度窗口为850～1 100 ℃，期望喷入的尿素溶液雾滴可以在较高温度下，并且有更多的反应停留时间。本文把工况2烟气循环工艺不使用和使用的情况，进行了对比（见表3）。

表3 烟气循环与SNCR 协同作用的效果

将NOx 降低到98.4～107.3 mg/m3，两个工况的喷尿素量是不同的。单独使用SNCR 整体脱硝效率为69.3%，使用烟气循环与SNCR 协同的脱硝效率为71.9%。特别是计算使用的尿素量（干粉），改造前为1.51 t/d。使用烟气循环与SNCR 协同，使用尿素量是1.19 t/d。由此可见，尿素使用量减少了21.1%。

在实现同等烟气脱硝效果的同时，新技术能够降低大渣的含碳量，也降低尿素用量，是经济、低碳、高效的污染物减排模式，是一种节能的技术。

5 结论

本文在46 MW 的层燃燃煤锅炉中，通过现场工艺改造与试验。讨论了三种脱硝技术工艺的差异。研究结果如下：

1）采用烟气循环进入炉底一次风的技术（工艺1），可以有效降低NOx。但是，该技术的不足是让大渣含碳量提升，降低了锅炉效率。

2）采用烟气循环进入炉内（工艺2），营造还原性气氛，实现NOx 的有效降低。试验发现，脱硝效果能够与循环烟气进入炉底的脱硝效果保持一致，不同的是烟气中的O2浓度没有降低。

3）让烟气循环进入炉内，可以让喉口附近的烟气充分混合，使炉内温度有效提升。该温度对SNCR 喷射很有利，也使尿素溶液雾滴可以在炉内有更多的停留时间。工艺技术2 与SNCR 协同（工艺3），可以实现尿素用量减少，并且炉内综合的脱硝效率达到71.9%。