范劍明，武新崗

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，鄂爾多斯市 康巴什 017010；2.內(nèi)蒙古中科聯(lián)合工程技術(shù)有限責(zé)任公司，鄂爾多斯市 康巴什 017010)

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煤粉爐低氮燃燒及煙氣脫硝改造設(shè)計(jì)典型示范

范劍明1，武新崗2

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，鄂爾多斯市 康巴什 017010；2.內(nèi)蒙古中科聯(lián)合工程技術(shù)有限責(zé)任公司，鄂爾多斯市 康巴什 017010)

針對(duì)某電廠兩臺(tái)240 t/h煤粉鍋爐NOX超標(biāo)問(wèn)題，在充分了解鍋爐特點(diǎn)及原始運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，提出了低氮燃燒和煙氣脫硝綜合改造技術(shù)路線，并對(duì)改造工程主要內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行完全可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行成本較低。

煤粉爐；低氮燃燒；煙氣脫硝；改造設(shè)計(jì)

燃煤發(fā)電雖已是我國(guó)煤資源利用高效清潔方式，但因其基數(shù)大，仍是我國(guó)大氣污染的主要排放源之一。當(dāng)前我國(guó)面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，為此國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)政策，進(jìn)一步提高了燃煤電廠大氣污染物的排放限值[1]。

作者在工作過(guò)程中參與了某發(fā)電廠脫硝工程技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)，該發(fā)電廠1、2號(hào)機(jī)組配套兩臺(tái)240 t/h煤粉鍋爐，改造前鍋爐煙氣NOX排放濃度約900 mg/Nm3，按照新的《GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，出口煙氣NOX濃度需滿足<100 mg/Nm3的要求。因此需對(duì)現(xiàn)有兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造。

1 鍋爐現(xiàn)狀

兩臺(tái)鍋爐型號(hào)為NG—240/9.8—M1型鍋爐，單汽包自然循環(huán)“π”型布置，固態(tài)排渣煤粉爐。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為煙煤，同時(shí)可摻燒部分煤矸石，經(jīng)改造后可摻燒部分焦?fàn)t煤氣。

鍋爐采用直流式煤粉燃燒器，正四角切向布置，在爐膛中心形成一個(gè)直徑為Φ600的假想切圓；爐膛四角布滿了Φ60×5的節(jié)距為80 mm的光管加扁鋼制成的膜式水冷壁，形成一個(gè)完全封閉的爐膛；爐膛出口處布置屏式過(guò)熱器，水平煙道布置高溫段、低溫段過(guò)熱器，頂棚、水平煙道兩側(cè)墻、轉(zhuǎn)向室四周均布置了過(guò)熱器包覆管；豎井煙道中交錯(cuò)布置了二級(jí)省煤器和二級(jí)空氣預(yù)熱器。

2 技術(shù)路線確定

2.1 選擇過(guò)程

(1)選擇性非催化還原法(SNCR)。該工藝一次投資少、后期運(yùn)行費(fèi)用也低，但脫硝效率較其他方法明顯偏低，一般僅為40%左右。為此，本工程不考慮單獨(dú)采用SNCR法。

(2)混合型煙氣脫硝(SNCR/SCR)。作為近年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于中小型鍋爐，爐后場(chǎng)地空間不足，且初始NOX較低的情況。本工程初始NOX濃度較高，不考慮采用SNCR/SCR法。

(3)選擇性催化還原法(SCR)。該工藝脫硝效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用業(yè)績(jī)量大。但其初期投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，運(yùn)行成本壓力較大。為此，本工程也不考慮單獨(dú)采用SCR法。

(4)綜合評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合鍋爐NOX排放濃度較高的實(shí)際，首先考慮對(duì)鍋爐進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造，通過(guò)控制燃燒區(qū)域的空氣量和溫度，進(jìn)而達(dá)到阻止NOX生成及降低其排放的目的，從而降低后續(xù)脫銷設(shè)施壓力。

2.2 選擇結(jié)論

鑒于以上技術(shù)分析和鍋爐實(shí)際情況，本工程選擇采用低氮燃燒技術(shù)和選擇性催化還原技術(shù)(SCR)綜合改造技術(shù)路線。首先采用低氮燃燒改造技術(shù)將NOX降到550 mg/Nm3以下，脫硝率為40%，然后采用SCR脫硝技術(shù)，將NOX降到100mg/Nm3以下，脫硝率為82%，兩種技術(shù)綜合脫硝效率為89%，完全能滿足最新NOX濃度排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，且可以分步實(shí)施。

3 工程設(shè)計(jì)方案[2-4]

3.1 低氮燃燒改造部分

(1)采用二次風(fēng)垂直分級(jí)高位燃盡風(fēng)系統(tǒng)

將有組織燃燒風(fēng)量沿爐膛垂直方向分級(jí)供入。在主燃燒器上方一定標(biāo)高處(下層燃盡風(fēng)距燃燒器三次風(fēng)噴口中心線約3.5 m，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道、鋼架安裝位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)布置燃盡風(fēng)噴口(二層8只)，且每個(gè)燃盡風(fēng)噴口均采用擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)，目的在于鍋爐運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行燃盡噴口擺動(dòng)角度調(diào)整，減少爐膛出口煙溫偏差，并保證過(guò)熱器管壁壁溫正常。各燃盡風(fēng)噴口供風(fēng)均由單獨(dú)燃盡風(fēng)道提供，引出自二次風(fēng)主風(fēng)道。

燃盡風(fēng)噴口需滿足水平和垂直兩個(gè)方向擺動(dòng)，水平方向擺動(dòng)幅度按±15°考慮，垂直上下擺動(dòng)幅度按±15°考慮。垂直擺動(dòng)裝置采用電動(dòng)執(zhí)行器，水平擺動(dòng)手動(dòng)執(zhí)行。

(2)主燃燒器區(qū)二次風(fēng)噴口

由于增加了高位燃盡風(fēng)，維持總風(fēng)量不變，需根據(jù)主燃燒器區(qū)有組織二次風(fēng)減少情況進(jìn)行相應(yīng)縮小主燃燒器區(qū)二次風(fēng)噴口面積。但最下層要保證較大二次風(fēng)噴口面積，可強(qiáng)化二次風(fēng)托粉作用，減少爐膛底部的掉渣量和大渣的含碳量。

同時(shí)適當(dāng)增加一、二次風(fēng)噴口之間的間距，降低NOX生成濃度，還可有效防止燃用高硫煤時(shí)容易發(fā)生的高溫腐蝕。

(3)主燃燒器區(qū)三次風(fēng)噴口

三次風(fēng)噴口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，噴口風(fēng)速適當(dāng)降低，并加裝水平WR鈍體和穩(wěn)燃齒，提高三次風(fēng)出口氣流著火穩(wěn)定性。

(4)周界風(fēng)噴口

采用延遲混合型一、二次風(fēng)布置以及側(cè)二次風(fēng)的周界風(fēng)噴口設(shè)計(jì)。

二次風(fēng)噴口采用收縮型結(jié)構(gòu)，推遲一二次風(fēng)的混合。一次風(fēng)濃淡噴口之間采用垂直V型隔板，推遲濃淡一次風(fēng)的混合速度。采用這樣的措施，可以有效地推遲濃淡煤粉氣流的混合，減少燃燒過(guò)程中含N基團(tuán)與O2反應(yīng)機(jī)會(huì)，有效降低NOX生成量。高濃度的濃一次風(fēng)煤粉氣流，強(qiáng)化一次風(fēng)的著火和穩(wěn)燃性能，利用早期快速析出揮發(fā)分有效降低NOX生成量，可保持高的煤粉顆粒的燃盡度。

一次風(fēng)噴口出口四周設(shè)計(jì)有偏置型周界風(fēng)噴口，對(duì)運(yùn)行或停運(yùn)的一次風(fēng)噴口起到冷卻保護(hù)作用，一次風(fēng)在向火側(cè)和上下兩側(cè)設(shè)有小扳邊，推遲周界風(fēng)與一次風(fēng)的混合，在一次風(fēng)噴口背火側(cè)設(shè)計(jì)較大出口動(dòng)量的側(cè)二次風(fēng)，對(duì)爐膛水冷壁面起到防止結(jié)渣、防止高溫腐蝕的保護(hù)作用。

采用新型低氮燃燒技術(shù)預(yù)期能把本項(xiàng)目2臺(tái)鍋爐的NOX排放量從現(xiàn)有的900 mg/Nm3降到550 mg/Nm3以下，并能同時(shí)保證鍋爐效率和其它性能。

3.2 新建SCR區(qū)部分[5-6]

本階段確定采用選擇性催化還原(SCR)工藝。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)采用高灰段布置方式，脫硝裝置處理100%煙氣量。根據(jù)煙氣溫度、煙氣成分、煙氣壓降、煙氣氮氧化物濃度、氮氧化物脫除率、氨的逸出量、催化劑壽命、SO2/SO3轉(zhuǎn)換率、煙氣含塵量和反應(yīng)器的布置空間等，合理選擇催化劑，優(yōu)化設(shè)計(jì)反應(yīng)器及煙道系統(tǒng)的流場(chǎng)，合理設(shè)計(jì)氨/煙氣混合系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)煤種及校核煤種、鍋爐最大連續(xù)出力工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下，初裝兩層催化劑時(shí)煙氣脫硝效率分別不低于84%，反應(yīng)器出口NOX濃度不高于100 mg/Nm3(6%氧含量，干煙氣)。催化劑層數(shù)按2+1設(shè)置。

(1)SCR區(qū)

SCR系統(tǒng)是指從鍋爐上級(jí)省煤器出口，經(jīng)SCR反應(yīng)器至上級(jí)空預(yù)器入口之間的部分。主要由煙道、SCR反應(yīng)器、催化劑、氨/空氣混合器及噴氨格柵、吹灰系統(tǒng)等組成。

(2)SCR反應(yīng)器

每臺(tái)鍋爐各設(shè)置一臺(tái)SCR反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器采取緊身封閉結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器內(nèi)煙氣流向?yàn)樨Q直向下，在入口處設(shè)置氣流均布裝置，出入口段均設(shè)導(dǎo)流板，各類支架、加強(qiáng)板均采用不易積灰的結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。

SCR反應(yīng)器設(shè)置足夠大小和數(shù)量的人孔門(mén)，并設(shè)有催化劑取樣口；SCR反應(yīng)器內(nèi)的設(shè)計(jì)流速一般在4～6 m/s選擇；SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)需考慮堵塞、磨損等情況，能適應(yīng)鍋爐各種工況以及負(fù)荷變化和啟停的要求；SCR反應(yīng)器需設(shè)計(jì)必要的起吊裝置和平臺(tái)，用于催化劑模塊安裝、維護(hù)及更換；SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)當(dāng)與配套鍋爐一致，瞬時(shí)不變形承載能力按照爐膛抗爆壓力考慮。

(3)催化劑

當(dāng)前SCR脫硝工藝普遍采用氧化鈦基催化劑，市場(chǎng)上主要有蜂窩式、板式與波紋式三種。特別是最近幾年，蜂窩式催化劑以其高的比表面積、低體積、可再生而被越來(lái)越多地應(yīng)用于煙氣脫硝項(xiàng)目中。本項(xiàng)目推薦采用蜂窩式催化劑。

(4)氨噴射系統(tǒng)

尿素?zé)峤夂笊砂笨諝饣旌蠚?。為了保證噴入煙道內(nèi)的氨與煙氣均勻分配和混合，氨氣注入采用格柵式，在噴射格柵的入口每一區(qū)域分配管道上設(shè)有手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，方便在調(diào)試初期調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域氨氣的分配。

(5)吹灰系統(tǒng)

根據(jù)灰的特性，SCR反應(yīng)器設(shè)置聲波吹灰器和蒸汽吹灰器，為初裝催化劑安裝吹灰器，為備用層預(yù)留接口。

4 結(jié)論

根據(jù)給定2臺(tái)240 t/h煤粉鍋爐特點(diǎn)及原始運(yùn)行情況，首先對(duì)當(dāng)前燃煤鍋爐脫硝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析和比選，在此基礎(chǔ)上確定了項(xiàng)目改造技術(shù)路線，并對(duì)改造工程主要內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行完全可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；工程投資核算后，本改造工程單位造價(jià)約300元/kW，運(yùn)行成本較低，可為同類型機(jī)組煙氣脫硝改造運(yùn)行提供借鑒。

[1]儷建國(guó).燃煤電廠煙氣“超低排放”技術(shù)路線[C].超臨界機(jī)組技術(shù)交流2014年會(huì).

[2]陳浩.鍋爐低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用與淺析[J]. 科技專論，2012(19):318

[3]火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5480-2013 [S].

[4]燃煤煙氣脫硝技術(shù)裝備：GB/T 21509-2008 [S].

[5]馮立波,羅鐘高,葛春亮.火電廠SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].能源與環(huán)境,2009(1):48-52

[6]火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 選擇性催化還原法：HJ562-2010 [S].

The Typical Reconstruction Design of Coal-Fired Boiler adopted Low NOXCombustion and Flue Gas Denitrification Technology

FAN Jian-ming1, WU Xin-gang2

(1. Ordos Vocational College, Ordos Inner Mongolia 017010,China )

In view of the problems of NOx exceeding standard of two 240t/h coal-fired boilers in a power plant,a comprehensive technical route of low NOx combustion and flue gas denitrification was put forwardon the basis of fully understanding the characteristics of the boilers and the operation of the boilers. The main contents and renovation project were designed. The actual operation could achieve the expected objectives. Therefore, it could provide references for the same type unit flue gas denitrification operation.

coal-fired boiler; low NOXcombustion; flue gas denitrification; reconstruction design

2017-03-15

范劍明(1987-)，男，碩士，講師，主要從事安全、環(huán)境領(lǐng)域教學(xué)、科研和工程技術(shù)設(shè)計(jì)工作。

X701

A

1673-9655(2017)05-0059-03