蘇金祥

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

1 裝置情況

我公司主要生產(chǎn)工業(yè)硝銨，副產(chǎn)品有硫酸銨、LNG等，其生產(chǎn)裝置由1套30kt/a合成氨、2套180 kt/a硝銨、2套200 kt/a硝酸銨裝置組成。該項目是中煤平朔公司高標準循環(huán)經(jīng)濟規(guī)劃項目之一，設(shè)計建成有4臺160 t/h循環(huán)流化床鍋爐，三開一備用，滿足全廠供汽需求。

1.1 鍋爐概述

公司地處晉北地區(qū)，配備了太原鍋爐廠生產(chǎn)的次高溫次高壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐型號TG-160/5.29-M型。鍋爐設(shè)有輕型爐頂、全鋼架π型布置、全懸吊結(jié)構(gòu)。單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風(fēng)、絕熱式旋風(fēng)氣固分離器、循環(huán)流化床燃燒方式、后煙井內(nèi)布置對流受熱面。燃燒系統(tǒng)由風(fēng)帽布風(fēng)裝置、旋風(fēng)分離器、U型回料閥、床下點火等系統(tǒng)組成。脫硝采用選擇性非催化還原(SNCR)+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原(SCR)組合脫硝技術(shù);脫硫采用爐內(nèi)噴鈣+煙氣氨法脫硫協(xié)同工藝。

1.2 裝置排放現(xiàn)狀

本裝置4臺160 t/h循環(huán)流化床鍋爐排煙設(shè)計NOx質(zhì)量濃度250 mg/m3,裝置采用選擇性非催化還原(SNCR)+煙道內(nèi)布置選擇性催化還原(SCR)組合脫硝技術(shù)方案。即，在鍋爐旋風(fēng)分離器出入口的合適溫度區(qū)域向煙氣中噴射過量的5%(質(zhì)量分數(shù))左右氨水溶液，氨水溶液迅速分解成氨氣，氨氣和NOx(氮氧化物)發(fā)生反應(yīng)從而達到初步控制NOx的目的；過量的氨蒸汽可以在下游SCR催化劑的作用下，進一步實施脫硝反應(yīng)，經(jīng)過上述工藝技術(shù)的組合，可以實現(xiàn)較高的脫硝效率，使NOx質(zhì)量濃度降至90 mg/m3以下。

1.3 改造目標與要求

我國燃煤鍋爐在電力總裝機量中仍占據(jù)主要地位，隨著全社會對環(huán)境問題的日益重視，燃煤鍋爐的節(jié)能減排工作也面臨著更高的要求?！睹弘姽?jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》明確提出現(xiàn)役燃煤機組到2020年供電煤耗要達到310 g/kW·h，大氣污染物排放濃度達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放質(zhì)量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)。所以對于我公司來說，如何把鍋爐煙氣排放中的NOx控制到環(huán)保要求的50 mg/m3以下成了一個突出的問題。

1.4 鍋爐裝置現(xiàn)存在的問題

本裝置4臺160 t/h循環(huán)流化床鍋爐，于2015年投運，經(jīng)過長時間運行，鍋爐存在如下一些問題：

1) 旋風(fēng)分離器效率低。本爐采用絕熱式分離器，經(jīng)過幾年的運行中心筒變形，使得一部分煙氣攜帶粉塵從中心筒外部逃離減少了循環(huán)灰量；分離器入口煙道磨損嚴重，特別是靶區(qū)露出了輕質(zhì)保溫磚。

2) 風(fēng)室內(nèi)落渣管周圍漏渣嚴重。由于落渣管下沉使得大量的高溫爐渣漏進風(fēng)室，嚴重時影響一次風(fēng)量的加入從而影響鍋爐負荷。

3) SCR催化劑堵塞嚴重。表面的小孔被細灰堵塞，最嚴重的時候可以達到三分之一橫截面積，嚴重影響鍋爐接帶負荷能力。

2 技術(shù)改造措施

借助公司對鍋爐進行低氮改造的機會，同時也為了解決鍋爐存在的以上問題。我公司工程技術(shù)人員同低氮改造委托單位山東先進清潔能源科技有限公司，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、模擬的基礎(chǔ)上擬定了改造方案：實施CFB鍋爐高效燃燒一體化技術(shù)+SNCR[1]優(yōu)化。利用2019年9月份大檢修的機會對1#鍋爐進行了低氮改造。具體實施以下改造內(nèi)容:

2.1 循環(huán)物料系統(tǒng)改造

1) 分離器入口的改造。分離器入口由原尺寸(約為1 150 mm)修正為1 100 mm，平滑過渡，高度、方向不變。先將原澆注料拆除，露出抓釘或鋼筋網(wǎng)，重新編織鋼筋網(wǎng)格，涂抹瀝青，進行澆注料的施工。施工時應(yīng)預(yù)留膨脹縫，膨脹縫位置、尺寸與原膨脹縫一致。圖1為分離器入口煙道示意圖。

2) 中心筒的改造。將原中心筒底部150 mm部分切除，去除毛刺，新增部分與切除后剩余的中心筒重合大約100 mm，焊接連接，使中心筒插入深度調(diào)整為2 500 mm[2]。圖2分離器中心筒示意圖。

圖1 分離器入口煙道示意圖(mm)

圖2 分離器中心筒示意圖(mm)

3) 返料器的改造。更換返料風(fēng)帽和松動風(fēng)帽，并將返料風(fēng)室與松動風(fēng)室隔開，更換返料風(fēng)機，返料風(fēng)機更換前、后數(shù)據(jù)祥見表1。調(diào)整返料風(fēng)管路，對松動風(fēng)和返料風(fēng)分別供風(fēng)，分別設(shè)置放灰管道及風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門。圖3為返料器改造后現(xiàn)場布置情況。

表1 返料風(fēng)機參數(shù)一覽表

改造后，整個循環(huán)物料系統(tǒng)分離效率大大提高，飛灰粒徑更細。循環(huán)物料粒徑變細，循環(huán)量增加，大量的循環(huán)灰返回來以后包圍在煤顆粒周圍有利于形成還原氣氛，減少NOx的生成。爐膛各受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加，燃燒風(fēng)量可以按設(shè)計風(fēng)量運行，氧量降低，床溫降低。同時大大減輕各受熱面磨損。

圖3 返料器改造后

2.2 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

二次風(fēng)改造總體原則是提高二次風(fēng)動量，增加穿透力，優(yōu)化爐膛燃燒，同時創(chuàng)造密相區(qū)還原性氣氛，抑制燃燒初期的NOx生成，實現(xiàn)分級燃燒。

原來給煤機送煤風(fēng)由二次風(fēng)供風(fēng)，現(xiàn)更改為一次風(fēng)供風(fēng)，并且加裝手動擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2.3 布風(fēng)系統(tǒng)改造

為了保證低氮效果，對布風(fēng)板系統(tǒng)進行了改造，從風(fēng)帽的組合形式、固定方式方面入手，對布風(fēng)裝置芯管、風(fēng)帽結(jié)構(gòu)進行全面優(yōu)化。對比原風(fēng)帽，新型風(fēng)帽外罩出風(fēng)小孔向下傾斜20°，加厚了出風(fēng)小孔外罩，減少相鄰風(fēng)帽的擾動和床料反竄，將原來的夾套鐘罩式風(fēng)帽(采用ZG8Cr26Ni4Mn3N高溫合金材料，圖4)更換為新型鐘罩式風(fēng)帽[3]。采用鑄造加工，外罩材質(zhì)升級為ZG40Cr25Ni20，見圖5，提高耐磨性和使用壽命。在風(fēng)帽芯管上部內(nèi)增加內(nèi)套管，用以增加布風(fēng)板阻力。保證良好流化性能和低氮效果、降低一次風(fēng)量，調(diào)整布風(fēng)板阻力，提高布風(fēng)板的布風(fēng)均勻性和流化質(zhì)量。

圖4 原來的夾套鐘罩式風(fēng)帽

圖5 新型鐘罩式風(fēng)帽

2.4 SNCR系統(tǒng)優(yōu)化

循環(huán)流化床SNCR脫硝效率主要受溫度和布置位置影響。分離器入口溫度在850 ℃～950 ℃，為SNCR提供了良好溫度窗口；噴槍在分離入口位置的布置方式是影響SNCR還原劑與煙氣混合的的關(guān)鍵因素，影響著SNCR脫硝效率。根據(jù)鍋爐實際情況核算噴槍數(shù)量，優(yōu)化霧化方式、噴槍角度、噴槍布置位置、噴槍數(shù)目等，提高SNCR脫硝效率。

在水平煙道外側(cè)合適標高處設(shè)置3支氨水噴槍(圖6)，每臺爐6支。在合適位置放置噴槍分配柜，實現(xiàn)對噴槍管件的集中操作(圖7)。

圖6 分離器入口氨水噴槍

圖7 噴槍集中操作柜

2.5 增加尾部煙道蒸汽吹灰器

針對鍋爐排煙溫度較高、分離器出口飛灰粒徑變細，沉積在尾部受熱面上難以用原來的聲波除灰器清除的情況，分別拆除在高溫過熱器、低溫過熱器上面的空氣吹灰器，更換為長伸縮式蒸汽吹灰器，保證過熱器系統(tǒng)良好的傳熱性能。

根據(jù)鍋爐實際情況，在尾部煙道標高+33 660 mm、+29 000 mm、+26 400 mm處增加3層蒸汽吹灰器，每層2臺。

2.6 拆除SCR催化劑

裝置的SCR催化劑布置在高、低溫省煤器中間，此處的溫度為320 ℃～420 ℃，經(jīng)過4年多的運行已經(jīng)超過3年的使用壽命，并且內(nèi)孔堵塞嚴重(圖8),所以本次改造將它拆除。

圖8 SCR催化劑層堵塞情況

3 實施前、后的指標運行情況

改造實施前、后鍋爐主要參數(shù)對比，見表2。

表2 低氮排放改造前主要參數(shù)

由表2低氮改造前后數(shù)據(jù)對比可知：

1) 經(jīng)過低氮改造以后，鍋爐的原始NOx排放量由改造前的326 mg/m3下降到現(xiàn)在的123 mg/m3，下降幅度達到62%，首先從燃燒層面減少NOx的生成，實現(xiàn)了低氮燃燒改造的初衷。再投入SNCR氨水脫硝系統(tǒng)，完全可以把NOx降低到標準以下，在保證排放合格的情況下可以節(jié)約大量的氨水。

2) 返料風(fēng)室壓力和爐膛差壓都略有提高，說明分離器效率比改造前稍微提高了，循環(huán)灰量增多了但是幅度不大。

3) 鍋爐的溫度場分布比改造前變差了。爐膛上下溫度差由原來≤20 ℃增大到100 ℃左右，表明燃煤粒徑偏大，在爐膛下部顆粒濃度增加，被煙氣帶到爐膛上部參與放熱的顆粒濃度減少，要把控入爐煤的粒徑，為合理的爐內(nèi)溫度場分布創(chuàng)造條件。

4 技術(shù)改造后的效果

通過對1#鍋爐的低氮排放改造，在對爐子本體改動盡量小的情況下實現(xiàn)了NOx的達標排放，實現(xiàn)了社會效益，減少了對大氣的污染。

實施改造以后，SNCR用5%的氨水為480 L/h(原設(shè)計為20%的氨水為170 kg/h),一臺爐可以節(jié)約液氨65.5 t/a，每年節(jié)約18.34萬元。同時，減少了過量的氨氣沾染到灰粒表面，減輕了對灰?guī)煨痘胰藛T身體的危害。

5 存在的問題

對1#鍋爐的改造雖然達到了降低NOx的效果，也帶來了一些問題，如，爐內(nèi)溫度場不如改造前均勻、一次風(fēng)量也沒有大幅度降低等。但是，也發(fā)現(xiàn)

如果把煙氣含氧量控制在1.5%～2.5%，鍋爐的NOx原始排放可以降低到50 mg/m3以下，當(dāng)然這也可能帶來鍋爐爐溫高、結(jié)焦等問題。

6 結(jié)語

通過對CFB鍋爐實施高效燃燒一體化技術(shù)+SNCR優(yōu)化，對NOx的生成起到了較好的控制作用，但是低氮排放和高效燃燒之間本身就存在矛盾，鍋爐部分結(jié)構(gòu)的改動，也不可避免地會對爐內(nèi)原本穩(wěn)定的溫度場造成影響，如何通過配套設(shè)備的改造以及相關(guān)的燃燒調(diào)整以減少對鍋爐的負面影響，仍然是今后技術(shù)開發(fā)以及工程改造中需要努力的方向。