循环流化床锅炉低NOx燃烧环保改造

      自2014年7月1日起，循环流化床（circulating fluidized bed）锅炉氮氧化物排放执行《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）规定的循环流化床排放限值，即 NOₓ<200 mg/m3（标准状况下 273.15 K，101.325 kPa 的质量浓度）。国内蒸发量 420 t/h以上的大型 CFB锅炉 NOₓ 平均排放浓度为 230 mg/m3左右；而蒸发量 240 t/h的中小型锅炉 NOₓ 烟气排放浓度更高一些，平均为 300 mg/m3。总体上来讲，CFB锅炉 NOₓ 烟气排放浓度平均为 270~290 mg/m3。一般来说，CFB锅炉的 NOₓ 排放值确实要显著低于那些未采取有效炉内低氮燃烧技术的普通煤粉锅炉，但仍未达到国家现阶段 NOₓ排放标准。当然，目前有极少部分 CFB锅炉 NOₓ 排放浓度已经达到 90~150 mg/m3，但这部分达标机组比例不超过 10%，大部分循环流化床锅炉仍需进行改造。

   目前，对循环流化床运行优化和改造已有一些研究，多数为燃烧配风的控制，虽然有一定的效果，但对现场的运行人员操作要求较高，无法保证长期稳定的达标排放。本研究针对某循环流化床锅炉改造实例进行探讨并提出有效降低 NOₓ 的思路，即 CFB锅炉炉内低 NOₓ 燃烧技术一体化改造方案，通过对二次风、水冷屏、过热器、返料系统、布风板、风帽、给煤口的优化，以及采用烟气再循环、SNCR 等烟气脱硝技术大幅度地降低 NOₓ 的排放浓度。采用该方案后，炉膛出口 NOₓ 排放浓度应不高于 50 mg/m3。而考虑到暂无 NOₓ 的超低排放需求，对于 NOₓ 浓度无超低排放改造要求的锅炉，可不考虑增加 SNCR 脱硝装置。只需进行炉内燃烧改造，NOₓ 排放浓度低于 150 mg/m3即可。

   1实施方案

   1.1工程概况

   某厂锅炉型号为 YG-75/3.82-M1，蒸发量为 75 t/h，由济南锅炉厂制造；该厂采用自然循环、中温中压双旋风分离的循环流化床锅炉。3 台锅炉均为室内布置，钢结构形式，采用由旋风分离器组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分高、低二级过热，中间设喷水减温器，尾部设三级省煤器和一、二次风预热器。入炉煤磨煤机主要包括 HSZ-50 型环锤式破碎机与 KBC 型细粒破碎机，入厂煤经环锤式破碎机破碎后送入细粒破碎机磨制，合格煤粉送入锅炉炉膛。对该锅炉污染物排放情况进行测试，在蒸发量分别为 64 t/h和 34 t/h工况下，锅炉 NOₓ 排放浓度为 596 mg/m3和 516 mg/m3。锅炉 NOₓ 排放情况浓度偏高，存在的主要问题如下。

   1）锅炉炉膛出口 NOₓ 原始排放浓度偏高，可达 500~600 mg/m3。

   2）输煤皮带只设计了碎煤系统而没有设计合格的筛分系统，使得入炉煤颗粒偏粗，达不到“三筛两碎”的基本要求。

   3）锅炉达不到额定设计出力，在实际运行过程中，锅炉最大出力仅为 60~62 t/h。

   4）锅炉运行中都出现高床温现象，仅在 60~62 t/h出力下已高达 950 ℃，造成 NOₓ 和 SO2超标。

   1.2工艺流程

   本次 CFB 锅炉炉内低 NOₓ 燃烧改造的总体技术方案为：二次风系统改造、增设水冷屏、过热器优化、返料系统局部优化、布风板和风帽的整体完善、给煤口结构优化、烟气再循环改造以及 SNCR烟气脱硝改造，可大幅度地降低 NOₓ 的排放浓度。

   1.3设计参数及改进方案

   1.3.1低氮燃烧技术改造方案

   1）二次风喷口改造方案。CFB 燃烧所产生的 NOₓ 成分，基本上来源于燃料氮的生成，一般称为燃料型 NOₓ。但氧量不均匀所带来的局部富氧燃烧会导致热力型 NOₓ 剧增，高床温运行也会大幅促进 NOₓ 的生成。对二次风改造后，实现空气沿炉膛的空间分级燃烧，控制炉内温度场相对均匀，消除高温峰值，减弱富氧区，以减少炉内热力型 NOₓ 。由于分级燃烧独特的流场结构，可解决炉膛中心缺氧问题。在炉膛容积内，制造适合于还原反应发生的最佳温度区域和适当氧量分布，并在下炉膛内部的强还原区域，让含硫物质在碳氢催化作用下分解成 H2S，与烟气中的 CaO 发生反应，生成 CaS，CaS 可较稳定地存在于炉渣中，提高了炉内脱硫效率。

   锅炉原有二次风喷口数量 21 个，前墙分 3 层布置，上、中、下层各 2 个二次风喷口，共 6 个二次风喷口；后墙分 3 层布置，上、中、下层各 1 个二次风喷口，共 3 个二次风喷口；左、右侧墙二次风喷口同样分 3 层布置、上、中、下各 2 个二次风喷口，共 12 个二次风喷口，布局极不合理。

  二次风口原设计风速约为 80 m/s，二次风速显著偏高，二次风速高必然会产生二次风喷口静压的下降，不利于二次风穿透。锅炉原前墙上、中、下层二次风喷口距离布风板高度分别为 2.567、1.767、1.067 m；左、右侧墙上、中、下二次风喷口距离布风板高度分别为 2.567、1.767、1.067 m；前、后墙上层二次风喷口距离原设计浇注料层拐点为 1.683 m，二次风喷口布置不合理，必须进行重新布置。

   根据锅炉的实际情况，本次改造按现有煤质核算实际二次风布置方案，重新布置二次风口位置、调整入射角度和高度，在合理配风、分级燃烧的基础上，大幅提高二次风穿透性，解决炉膛中心区严重缺氧问题，提高燃料燃尽效果和脱硫反应效率，实现均温燃烧下的高效低氮。将二次风喷口分2 层布置，数量由 8 个增加至 12~15 个，上、下层二次风喷口采用对称布置或者交叉平行布置的方式。

   为保证二次风有足够的穿透动量，喷口前段设有 5 倍以上管道直径的直管段；对原有二次风系统管道进行重新优化布置，改造后二次风喷口相对位置示意图如图 1 所示。通过二次风喷口的立体分级和水平优化组合，由模拟理论计算可知，温度场分布的不均匀度由 21.35% 降到了 5.41%，床温偏差由 140 ℃ 降低到 70 ℃，氧浓度不均匀度由 67.48% 降低到 14.31%，从根本上解决了炉内温度场和氧分布不均匀性问题。

   2）增设烟气再循环。烟气再循环技术的核心，就是利用烟气具有低O2的特点，将烟气喷入炉膛合适的位置，等效于一次风率的降低，促进密相区物料的还原性初始燃烧，可有效减低床温。与二次风分级相结合的烟气再循环，可有效实现炉内物料的流态化合理构建，达到深度还原降氮的目的。

   该锅炉一次风量占总风量的 60%，二次风占总风量的 40%，一次风量较大。本次改造在炉膛出口氧量一定的情况下，拟在不降低一次风量、保证床料正常流化的基础上，降低一次风中的氧量份额、增加二次风总量，由于底部一次风中的含氧量减少，抑制密相区的燃烧强度，同时二次风喷口分层布置，增大密相区还原气氛，抑制 NOₓ 的生成。