循環流化床鍋爐低NOx燃燒環保改造

      自2014年7月1日起，循環流化床（circulating fluidized bed）鍋爐氮氧化物排放執行《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）規定的循環流化床排放限值，即 NO?<200 mg/m3（標準狀況下 273.15 K，101.325 kPa 的質量濃度）。國內蒸發量 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? 排放值確實要顯著低于那些未采取有效爐內低氮燃燒技術的普通煤粉鍋爐，但仍未達到國家現階段 NO?排放標準。當然，目前有極少部分 CFB鍋爐 NO? 排放濃度已經達到 90~150 mg/m3，但這部分達標機組比例不超過 10%，大部分循環流化床鍋爐仍需進行改造。

   目前，對循環流化床運行優化和改造已有一些研究，多數為燃燒配風的控制，雖然有一定的效果，但對現場的運行人員操作要求較高，無法保證長期穩定的達標排放。本研究針對某循環流化床鍋爐改造實例進行探討并提出有效降低 NO? 的思路，即 CFB鍋爐爐內低 NO? 燃燒技術一體化改造方案，通過對二次風、水冷屏、過熱器、返料系統、布風板、風帽、給煤口的優化，以及采用煙氣再循環、SNCR 等煙氣脫硝技術大幅度地降低 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。只需進行爐內燃燒改造，NO? 排放濃度低于 150 mg/m3即可。

   1實施方案

   1.1工程概況

   某廠鍋爐型號為 YG-75/3.82-M1，蒸發量為 75 t/h，由濟南鍋爐廠制造；該廠采用自然循環、中溫中壓雙旋風分離的循環流化床鍋爐。3 臺鍋爐均為室內布置，鋼結構形式，采用由旋風分離器組成的循環燃燒系統，爐膛為膜式水冷壁結構，過熱器分高、低二級過熱，中間設噴水減溫器，尾部設三級省煤器和一、二次風預熱器。入爐煤磨煤機主要包括 HSZ-50 型環錘式破碎機與 KBC 型細粒破碎機，入廠煤經環錘式破碎機破碎后送入細粒破碎機磨制，合格煤粉送入鍋爐爐膛。對該鍋爐污染物排放情況進行測試，在蒸發量分別為 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 500~600 mg/m3。

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

   3）鍋爐達不到額定設計出力，在實際運行過程中，鍋爐最大出力僅為 60~62 t/h。

   4）鍋爐運行中都出現高床溫現象，僅在 60~62 t/h出力下已高達 950 ℃，造成 NO? 和 SO2超標。

   1.2工藝流程

   本次 CFB 鍋爐爐內低 NO? 燃燒改造的總體技術方案為：二次風系統改造、增設水冷屏、過熱器優化、返料系統局部優化、布風板和風帽的整體完善、給煤口結構優化、煙氣再循環改造以及 SNCR煙氣脫硝改造，可大幅度地降低 NO? 的排放濃度。

   1.3設計參數及改進方案

   1.3.1低氮燃燒技術改造方案

   1）二次風噴口改造方案。CFB 燃燒所產生的 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致熱力型 NO? 劇增，高床溫運行也會大幅促進 NO? 的生成。對二次風改造后，實現空氣沿爐膛的空間分級燃燒，控制爐內溫度場相對均勻，消除高溫峰值，減弱富氧區，以減少爐內熱力型 NO? 。由于分級燃燒獨特的流場結構，可解決爐膛中心缺氧問題。在爐膛容積內，制造適合于還原反應發生的最佳溫度區域和適當氧量分布，并在下爐膛內部的強還原區域，讓含硫物質在碳氫催化作用下分解成 H2S，與煙氣中的 CaO 發生反應，生成 CaS，CaS 可較穩定地存在于爐渣中，提高了爐內脫硫效率。

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

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

   根據鍋爐的實際情況，本次改造按現有煤質核算實際二次風布置方案，重新布置二次風口位置、調整入射角度和高度，在合理配風、分級燃燒的基礎上，大幅提高二次風穿透性，解決爐膛中心區嚴重缺氧問題，提高燃料燃盡效果和脫硫反應效率，實現均溫燃燒下的高效低氮。將二次風噴口分2 層布置，數量由 8 個增加至 12~15 個，上、下層二次風噴口采用對稱布置或者交叉平行布置的方式。

   為保證二次風有足夠的穿透動量，噴口前段設有 5 倍以上管道直徑的直管段；對原有二次風系統管道進行重新優化布置，改造后二次風噴口相對位置示意圖如圖 1 所示。通過二次風噴口的立體分級和水平優化組合，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溫度場和氧分布不均勻性問題。

   2）增設煙氣再循環。煙氣再循環技術的核心，就是利用煙氣具有低O2的特點，將煙氣噴入爐膛合適的位置，等效于一次風率的降低，促進密相區物料的還原性初始燃燒，可有效減低床溫。與二次風分級相結合的煙氣再循環，可有效實現爐內物料的流態化合理構建，達到深度還原降氮的目的。

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