張 代 史麗超

(黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司，陜西省延安市，727300)

目前，國內(nèi)業(yè)界控制爐內(nèi)床溫和NOX原始排放的方法主要有兩大類，一是低溫燃燒技術(shù)，即通過在爐內(nèi)增加水冷或汽冷受熱面，增大爐內(nèi)吸熱量來降低爐內(nèi)整體溫度和NOX的原始排放；二是煙氣脫硝技術(shù)，即采用低氮燃燒器、空氣分級技術(shù)、燃料分級燃燒為主，投資較多且功能相對單一，對鍋爐效率都有不同程度的影響。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家、高校和科研機(jī)構(gòu)研究人員對循環(huán)流化床鍋爐(CFB)水冷壁防磨導(dǎo)熱[1-2]、運(yùn)行中存在的床溫偏差[3-4]、分離器煙道壁面磨損和分離性能、中心筒對循環(huán)灰分離效率進(jìn)行了研究[5-6]，形成的各項(xiàng)研究成果為黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司的300 MW級循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)改造提供了參考。

1 存在的問題及改進(jìn)措施

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠三期2臺300 MW級循環(huán)流化床鍋爐由于實(shí)際煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤質(zhì)差別較大，造成鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時平均床溫比設(shè)計(jì)值高50℃～60℃，容易造成鍋爐結(jié)焦，限制了帶負(fù)荷能力，同時還嚴(yán)重影響了鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行；在尿素反應(yīng)煙窗處，煙溫超過尿素與NOX反應(yīng)的最佳溫度，導(dǎo)致尿素與NOX無法充分反應(yīng)，尿素耗量超出設(shè)計(jì)值的3～4倍；中間高、兩側(cè)低的床溫分布，導(dǎo)致底渣含碳量和飛灰含碳量升高；鍋爐床溫嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，造成鍋爐落煤口、下二次風(fēng)口、旋風(fēng)分離器中心筒超溫變形嚴(yán)重。針對上述問題，國內(nèi)同行業(yè)通用的技術(shù)改造為采用高效風(fēng)帽、低溫省煤器、提高入爐煤熱值、SNCR尿素噴槍提效改造等方式，不僅投資巨大，而且降床溫和降NOX原始排放效果均不佳。

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠的相關(guān)技術(shù)人員本著投資低、問題徹底解決的目的，形成以下解決思路：一是通過降低鍋爐床溫和消除床溫偏差，進(jìn)而降低一次風(fēng)量，減小NOx的原始排放值，節(jié)省脫硝用藥生產(chǎn)成本；二是通過降低鍋爐床溫，避免了鍋爐落煤口、下二次風(fēng)口、旋風(fēng)分離器中心筒等鍋爐部件燒損變形，延長了鍋爐運(yùn)行周期；三是通過提高爐內(nèi)循環(huán)灰量可大大提高鍋爐的升負(fù)荷速度和帶負(fù)荷能力；四是通過降低一次風(fēng)量，增大二次風(fēng)量，可減小爐內(nèi)受熱面、水冷壁磨損，結(jié)合二次風(fēng)高效優(yōu)化調(diào)節(jié)以促進(jìn)分級燃燒，提高鍋爐效率的同時降低爐內(nèi)NOx的原始生成。

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠1#鍋爐于2017年4月28日停爐后開始進(jìn)行技術(shù)改造，2017年5月25日順利啟動；2#鍋爐于2017年6月3日停爐后開始進(jìn)行改造，2017年6月30日完成并一次啟動并網(wǎng)成功，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)的主要內(nèi)容

2.1.1 三維空間水冷循環(huán)清潔排放技術(shù)

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠2臺鍋爐原設(shè)計(jì)爐膛后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏，燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)是通過在爐膛后墻增設(shè)9片擴(kuò)展水冷屏，從上述后墻的2片水冷屏底部標(biāo)高位置穿進(jìn)爐膛，擴(kuò)展水冷屏的頂部從爐頂穿出。每片擴(kuò)展水冷屏有6根管子，節(jié)距設(shè)定為89 mm，增加擴(kuò)展水冷屏換熱面積208 m2。汽包的分散下降管增加了固定和止晃裝置，防止分散下降管的振動。增加擴(kuò)展水冷屏后，爐膛溫度降低大約30℃。將325 mm×46 mm分散下水管與爐后原集箱位置連通，并用連接管引入每片擴(kuò)展水冷屏。擴(kuò)展水冷屏于爐頂穿出后接入出口匯集集箱，再由2根273 mm×45 mm的連接管引入鍋筒。原后墻雙面水冷壁每片屏有 3根219 mm×20 mm的連接管引至鍋筒，改造時將原每屏3 根連接管最上層的1 根接到新增的水冷屏出口匯集集箱，作為新增擴(kuò)展水冷屏引入鍋筒連接管。

同時清除部分鍋爐密相區(qū)和水冷壁易磨損區(qū)域表面可塑料，在水冷壁鰭片上縱向和橫向焊接厚度為6 mm、寬度為30 mm、長度為800 mm的防磨鋼格柵，從而增大鍋爐爐膛的受熱面積，實(shí)現(xiàn)了降低鍋爐床溫的目的，與改造前相比原始NOx生成量大大下降。防磨鋼材料的具體布置方式如圖1所示。

圖1 防磨鋼材料的具體布置方式

2.1.2 旋風(fēng)分離器入口煙道優(yōu)化縮頸提效技術(shù)

針對分離器分離效率較低、返料灰量較少而造成爐內(nèi)整體循環(huán)灰溫較高的問題，采用分離器入口煙道內(nèi)側(cè)敷設(shè)耐高溫、耐磨損澆注料，使入口寬度由原來的1850 mm縮小為1640 mm，在煙氣量不變的基礎(chǔ)上，煙氣流速計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：V——煙氣流速，m/s；

Q——分離器入口煙氣量，m3/s；

S——分離器入口煙道截面積，m2。

通過減小通流面積S，再結(jié)合煙氣顆粒所受的離心力，可知通過加快煙氣流速可提升煙氣整體離心力，增強(qiáng)分離器的分離效率和返料灰量，煙氣顆粒所受的離心力見式(2)：

F=0.5×M×V

(2)

式中：F——煙氣顆粒所受的離心力，N；

M——煙氣顆粒質(zhì)量，kg。

經(jīng)過理論計(jì)算表明，滿負(fù)荷時分離器入口煙道流速可達(dá)32 m/s，結(jié)合理論力學(xué)知識和澆注料耐磨特性可知，此煙氣流速不會對縮口處和分離器靶區(qū)澆注料產(chǎn)生影響，而且不會在煙道處產(chǎn)生區(qū)域性渦流。通過提高分離器入口煙氣流速，提高旋風(fēng)分離器分離物料效率，增大CFB鍋爐循環(huán)灰量，降低鍋爐床溫，降低NOX的原始排放量。改造前和改造后的分離器入口煙道縮口前示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 改造前分離器入口煙道縮口前示意圖

圖3 改造后分離器入口煙道縮口后示意圖

2.1.3 床溫偏差風(fēng)帽限流平衡消偏技術(shù)

針對黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠鍋爐床面存在的中間溫度高、兩側(cè)溫度低的問題，采用布風(fēng)板風(fēng)帽芯管入口增設(shè)節(jié)流圓鋼的方法，發(fā)明了一種風(fēng)帽限流平衡消偏技術(shù)，通過對布風(fēng)板阻力的深層機(jī)理及影響因素、鍋爐布風(fēng)板風(fēng)帽特性與爐膛傳熱性能、循環(huán)流化床鍋爐顆粒循環(huán)流率研究及數(shù)值模擬水冷風(fēng)室靜壓分布對床溫偏差影響試驗(yàn)研究，通過改變風(fēng)壓的大小，可以調(diào)整進(jìn)入風(fēng)帽風(fēng)速的大小，一旦風(fēng)速發(fā)生改變，則該風(fēng)帽進(jìn)風(fēng)量也發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了單位面積床面布風(fēng)的均勻性。

結(jié)合黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司電廠鍋爐布風(fēng)板及風(fēng)帽阻力特性，經(jīng)過水冷風(fēng)室各風(fēng)帽內(nèi)管加貼試驗(yàn)?zāi)鄩K的冷態(tài)阻力試驗(yàn)論證后，得出式(3)：

(3)

式中：v——風(fēng)速，m/s；

Pw——風(fēng)壓，kPa；

ε——常數(shù)；

n——加焊圓鋼個數(shù)。

通過式(3)計(jì)算出的結(jié)果，將符合尺寸要求的圓鋼點(diǎn)焊在區(qū)域的風(fēng)帽內(nèi)管內(nèi)壁即可。目前循環(huán)流化床鍋爐爐膛內(nèi)煙氣流速設(shè)計(jì)約為5～8 m/s，結(jié)合黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電公司鍋爐所需一次風(fēng)量較大的實(shí)際情況，設(shè)定床面平均煙氣流速約為8 m/s。同時根據(jù)高負(fù)荷時床溫較高區(qū)域和10孔風(fēng)帽布置區(qū)域，可確定加焊圓鋼個數(shù)為1495個。通過改造，成功限流中間區(qū)域風(fēng)帽進(jìn)風(fēng)量，整個床面沿爐寬方向?qū)崿F(xiàn)等風(fēng)量、等氧量分布，實(shí)現(xiàn)消除床溫偏差和減少NOx原始生成量的目的。

2.1.4 中心筒物料離心篩選優(yōu)化技術(shù)

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電公司三期單臺鍋爐設(shè)計(jì)有3臺旋風(fēng)分離器，每臺旋風(fēng)分離器中配套1組長度為6320 mm、直徑為4149 mm的中心筒，中心筒無縮頸；優(yōu)化后統(tǒng)一更換為長度為6000 mm、直徑為4000 mm的中心筒，再將1號和3號旋風(fēng)分離器中心筒從筒底部以上1 m處的直徑由4 m漸縮至筒底的3.8 m，改造前和改造后分離器中心筒結(jié)構(gòu)比較如圖4所示。

改造后的1號和3號中心筒篩選物料量減少，2號中心筒篩選物料量增大，增加爐膛中部區(qū)域外循環(huán)灰量的同時降低爐膛左右側(cè)區(qū)域的外循環(huán)灰量，從而實(shí)現(xiàn)消除床溫偏差，減少NOx生成量的目的。經(jīng)過數(shù)值模擬軟件對上述優(yōu)化進(jìn)行模擬，優(yōu)化前后三級旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬分別如圖5和圖6所示。

圖4 改造前和改造后分離器中心筒結(jié)構(gòu)比較

圖5 優(yōu)化前三級旋風(fēng)分離器流場數(shù)值模擬

由圖5和圖6可以看出，優(yōu)化后分離器流暢穩(wěn)定，兩側(cè)分離器入口煙氣量由改造前的421 m3/s降低至改造后的391 m3/s，中間分離器入口煙氣量由改造前的421 m3/s增加至改造后的443 m3/s，三級旋風(fēng)分離器煙氣處理量趨于平衡。

2.2 燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 通過在水冷壁鰭片上焊接厚度為6 mm、寬度為30 mm、長度為800 mm的高鎳合金格柵板，增大爐內(nèi)水冷受熱面積。

(2) 通過在分離器入口煙道內(nèi)側(cè)敷設(shè)碳化硅澆注料，使入口寬度由原來的1850 mm縮小為1640 mm，達(dá)到提高分離器入口煙氣流速，提高旋風(fēng)分離器分離物料效率的目的。

(3) 通過在爐膛床面中間區(qū)域1495個風(fēng)帽底部進(jìn)風(fēng)口點(diǎn)焊一段直徑為40 mm、長度為80 mm的圓鋼，實(shí)現(xiàn)密相區(qū)的等風(fēng)量和等氧量。

(4) 通過將1號和3號旋風(fēng)分離器中心筒從筒底部以上1 m處的直徑由4 m漸縮至筒底的3.8 m，實(shí)現(xiàn)了消除床溫偏差，減少局部NOx生成量的目的。

圖6 優(yōu)化后三級旋風(fēng)分離器流場數(shù)值模擬

2.3 燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢分析

從安全生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)效益、市場競爭力等幾個方面進(jìn)行綜合對比分析，燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.3.1 技術(shù)可靠穩(wěn)定并具有創(chuàng)新性

燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)從立項(xiàng)、研發(fā)、討論、論證到最終方案確定經(jīng)過了近2年的時間，試驗(yàn)到工業(yè)化生產(chǎn)及工程應(yīng)用，積累了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)和豐富的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。從技術(shù)改造完畢運(yùn)行至今，在各階段穩(wěn)定負(fù)荷均能夠維持各環(huán)保指標(biāo)在超低排放標(biāo)準(zhǔn)且運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定。

燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)在兼顧鍋爐效率和環(huán)保指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備改造和運(yùn)行調(diào)整兩方面入手，是國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)社會和經(jīng)濟(jì)效益以及市場競爭力等較為成功的先進(jìn)技術(shù)之一。該技術(shù)與國內(nèi)同類型技術(shù)相比較，不但能從根本上遏制爐內(nèi)NOX、SO2的原始生成量，其創(chuàng)新性是在保證鍋爐環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，對鍋爐效率的影響基本降到最低。

2.3.2 成本低、市場競爭力強(qiáng)

燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)將NOX排放值從改造前的100 mg/Nm3降到改造后的50 mg/Nm3，SO2排放值從改造前的50 mg/Nm3降到改造后的35 mg/Nm3，粉塵排放值從改造前的30 mg/Nm3降到降到改造后的10 mg/Nm3，無論是設(shè)備投資成本還是生產(chǎn)成本均相對較低且技術(shù)穩(wěn)定成熟，在市場競爭中成本優(yōu)勢非常明顯。燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)通過硬軟件兩方面即設(shè)備改造和運(yùn)行優(yōu)化，以相對較小的資金投入即可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，市場競爭力十分明顯。

3 項(xiàng)目實(shí)施后技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

低熱值煤燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)與國內(nèi)同類型技術(shù)的比較見表1。

燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)在黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司2×300 MW機(jī)組應(yīng)用后，鍋爐各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)值，具體如下：

(1) 鍋爐在BMCR工況運(yùn)行時，平均床溫由改造前的950℃降低到改造后的約920℃，且床溫偏差由改造前的100℃減小至改造后的60℃，NOX原始生成量從改造前的480 mg/Nm3降低至改造后的380 mg/Nm3，從目前來看仍有下降的空間。

表1 低熱值煤燃燒關(guān)鍵技術(shù)與國內(nèi)同類型技術(shù)的比較

(2) 因分離器分離效率的提高，運(yùn)行中爐內(nèi)稀相區(qū)差壓進(jìn)一步提高，同時提高了機(jī)組在高負(fù)荷階段的帶負(fù)荷能力，250 MW以上負(fù)荷升速率由改造前的3 MW/min升至改造后的4 MW/min，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)速度明顯增強(qiáng)。

(3)運(yùn)行中降低了一次風(fēng)量和總風(fēng)量，生產(chǎn)廠用電率下降了0.3%左右，減輕了鍋爐磨損、局部受熱面運(yùn)行超溫等問題。

(4)鍋爐總風(fēng)量降低，排煙熱損失下降。

(5) 避免氨逃逸造成對空預(yù)器的污染、積灰以及腐蝕，提高了機(jī)組運(yùn)行的周期和可靠性。

(6)鍋爐分離效率的提高可以降低除塵器入口的粉塵濃度，有益于除塵器出口粉塵濃度的降低。

4 社會效益和經(jīng)濟(jì)效益

黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)在300 MW級循環(huán)流化床鍋爐中的研究及應(yīng)用，共增設(shè)了9片爐后水冷受熱面和1050 m2防磨格柵，并進(jìn)行了1495個床面風(fēng)帽限流平衡消偏優(yōu)化、中心筒物料離心篩選優(yōu)化改造，改造后的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.1 社會效益

燃燒優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)符合國家超低排放、節(jié)能改造一體化方針，完全滿足國家超低排放指標(biāo)的全部要求，同時鍋爐效率非但沒有影響反而有所提高，為2×300 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐超低排放改造和鍋爐提效改造提供了科學(xué)研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有良好的社會效益和科研價(jià)值。

4.2 直接經(jīng)濟(jì)效益

工程總造價(jià)為890萬元，其中設(shè)計(jì)費(fèi)用40萬元，占總投資的4.5%；設(shè)備費(fèi)用550萬元，占總投資的61.8%；安裝費(fèi)用170萬元，占總投資的19.2%；其它費(fèi)用70萬元，占總投資的7.9%；工程預(yù)備費(fèi)用60萬元，占總投資的 6.75 %。項(xiàng)目完成投入運(yùn)行后，2年內(nèi)的尿素、廠用電量和檢修費(fèi)用節(jié)省量基本可回收全部投資，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

由于床層溫度的整體下降，BMCR工況下一次風(fēng)量大大減小減弱了密相區(qū)燃燒份額，二次風(fēng)量的相對增加強(qiáng)化了稀相區(qū)燃燒份額，使得爐膛整體溫度更加平均，同時高效二次風(fēng)優(yōu)化調(diào)整進(jìn)一步促進(jìn)了爐內(nèi)稀相區(qū)的缺氧燃燒，使NOX原始生成量從改造前的480 mg/Nm3降低至改造后的380 mg/Nm3，按照可利用小時5000 h/a、每天保守節(jié)約尿素用量5 t、尿素價(jià)格2800元/t計(jì)算，每天可降低脫硝成本2.8～4.2萬元，單尿素費(fèi)用一年可節(jié)省成本近300萬元。

4.3 間接效益

(1) BMCR工況下，降低了除塵器入口粉塵濃度，有益于除塵器出口粉塵濃度的降低，降低了除塵系統(tǒng)的耗電量。

(2) BMCR工況下一次風(fēng)量降低，大大降低了爐內(nèi)受熱面的磨損，降低了廠用電率，中心筒、下二次風(fēng)口等部位的高溫變形明顯減小，延長了鍋爐的運(yùn)行周期。

(3)改造后尿素用量大大下降，避免了氨逃逸造成對空預(yù)器的污染、積灰以及腐蝕，提高了機(jī)組運(yùn)行周期和可靠性。

(4)因分離器分離效率的提高，運(yùn)行中爐內(nèi)稀相區(qū)差壓進(jìn)一步提高，提高了機(jī)組在高負(fù)荷階段的帶負(fù)荷能力。

(5)采用爐前石灰石前期預(yù)處理+爐后濕法徹底處理的脫硫運(yùn)行方式，加上二次風(fēng)高效優(yōu)化調(diào)整，減輕了空預(yù)器的腐蝕。