溫卿云

（廈門龍凈環(huán)保技術(shù)有限公司 福建廈門 361009）

循環(huán)流化床鍋爐（CFB）具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放濃度低等優(yōu)點(diǎn)，適用于燃燒劣質(zhì)燃料和低熱值的煤種，因此我國一直推進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐用于燃燒以煤矸石為主的低熱值煤［1］。但由于劣質(zhì)燃料灰分大、熱值低、硫分高等特點(diǎn)，因此要同時滿足CFB鍋爐穩(wěn)定安全的運(yùn)行和污染物超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，存在著一定的難度［2］。CFB鍋爐要達(dá)到氮氧化物的超低排放，通常采用脫硝技術(shù)有低氮燃燒（LNB）技術(shù)、選擇性非循化還原（SNCR）技術(shù)和選擇性催化還原（SCR）技術(shù)這三種技術(shù)的組合［3］。

本文針對某330 MW循環(huán)流化床鍋爐燃燒以煤矸石為主的燃料，初始氮氧化物濃度高達(dá)420 mg/Nm3（初始排放濃度，O2=6%）的情況，分別從二次風(fēng)配風(fēng)、煙氣再循環(huán)、爐膛風(fēng)帽等方面進(jìn)行低氮燃燒改造，并加以SNCR技術(shù)的改造，最終實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放。

1 鍋爐概況

鍋爐型號為DG-1177/17.4-II2，亞臨界、一次中間再熱、單汽包爐。鍋爐采用汽冷式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣—固分離、高溫回灰、全鋼架支吊結(jié)構(gòu)。采用床下、床上點(diǎn)火器點(diǎn)火。鍋爐主要由1個膜式水冷壁爐膛、3臺汽冷式高溫旋風(fēng)分離器和1個由汽冷包墻包覆的尾部豎井（HRA）煙道三部分組成。爐膛內(nèi)前墻布置有12片屏式過熱器管屏、6片屏式再熱器管屏，后墻布置2片水冷蒸發(fā)屏。鍋爐共布置有10個給煤口，全部布置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置。爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室兩側(cè)布置有一次熱風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)型式為平行于布風(fēng)板從風(fēng)室兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，由于空預(yù)器一、二次風(fēng)出口均在兩側(cè)，一次熱風(fēng)道布置較為簡單。一次熱風(fēng)道內(nèi)布置有4臺點(diǎn)火燃燒器，密相區(qū)水冷壁前后墻上分別布置2只床上點(diǎn)火油槍。6個排渣口布置在爐膛后墻水冷壁下部，分別對應(yīng)6臺滾筒式冷渣器。

該鍋爐曾經(jīng)進(jìn)行了二次風(fēng)口提升高度改造。但由于技術(shù)不成熟，缺少實(shí)質(zhì)性的深入研究，改造后無明顯降氮效果，改后二次風(fēng)壓降低使年廠用電率降低0.5%。

2 存在的問題及原因分析

鍋爐存在著爐膛中心區(qū)缺氧的問題，這種中心區(qū)缺氧會降低燃料燃盡效果和脫硫劑化學(xué)反應(yīng)的效率，直接導(dǎo)致爐內(nèi)低NOx的優(yōu)化過程受到限制，不能有效實(shí)現(xiàn)低溫燃燒時的高效低氮，初始NOx排放較高。鍋爐NOx排放值約420 mg/Nm3（初始排放濃度，O2=6%），分析鍋爐設(shè)計與運(yùn)行現(xiàn)狀如下：

2.1 二次風(fēng)配風(fēng)方式不當(dāng)

二次風(fēng)是鍋爐內(nèi)燃燒過程的主旋律，設(shè)法降低一次風(fēng)率、提高二次風(fēng)率，既可以強(qiáng)化氧化區(qū)燃盡和還原區(qū)低氧分段低NOx燃燒效果，也抑制溫度及溫差水平，達(dá)到低氮與高效燃燒的過程統(tǒng)一［4］。本文中的鍋爐設(shè)計一、二次風(fēng)風(fēng)量比例為4∶6，二次風(fēng)口分布位置不合理，數(shù)量上也未考慮與煤質(zhì)和爐型的關(guān)系，單只噴口風(fēng)量分配性不好，二次風(fēng)設(shè)計并沒有實(shí)現(xiàn)充分協(xié)調(diào)，沒有正確處理好射流穿透、配風(fēng)均勻性、風(fēng)煤比局部均衡和合理制造還原氧化區(qū)分布這幾方面的協(xié)調(diào)關(guān)系。

2.2 爐內(nèi)溫差大而床溫偏高

由于流態(tài)化過程的復(fù)雜性、新鮮燃料和回料灰的分布相對集中、料層顆粒的不均勻性、物料流化程度的偏差和一、二次風(fēng)分配的不均勻性，直接導(dǎo)致了CFB鍋爐床溫偏高和爐內(nèi)溫度偏差大。床溫偏差大不但影響物料的燃盡和脫硫效率，還將影響爐膛整個低NOx的進(jìn)程；同時，床溫的不均勻也會造成局部溫度峰值，而局部超高床溫是NOx急劇增加的最重要原因之一［5］。理論上，850～915℃的床溫是CFB最佳低氮脫硝溫度。

鍋爐實(shí)際運(yùn)行床溫偏高，在滿負(fù)荷時局部床溫可達(dá)970℃，過高的床溫已影響了鍋爐帶負(fù)荷能力。鍋爐還存在明顯的爐膛布風(fēng)板布風(fēng)不均現(xiàn)象，使得密相區(qū)溫度場分布極不均勻，爐內(nèi)上下溫差偏大，爐膛出口溫度隨負(fù)荷變化的波動范圍為740～950℃。運(yùn)行床溫已嚴(yán)重偏離了低氮燃燒所需的最佳床溫。

2.3 鍋爐灰循環(huán)差而分離器效率低

鍋爐分離器設(shè)計效率較低，灰顆粒外循環(huán)倍率不足，爐內(nèi)熱負(fù)荷分配極不平衡，負(fù)荷的變化往往會影響到燃燒份額變化，造成類似于煤粉爐爐內(nèi)火焰中心上移效果。由于存在顆粒粗大時床溫偏高而物料細(xì)微時床溫偏低的規(guī)律，爐內(nèi)的燃燒份額隨顆粒級配和粒徑而迥然不同。此外，布風(fēng)板、風(fēng)帽和均壓風(fēng)室的設(shè)計瑕疵，也會造成布風(fēng)不均勻，增加床溫控制的難度。

3 改造方案

3.1 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

本次改造根據(jù)現(xiàn)有煤質(zhì)核算實(shí)際二次風(fēng)量、二次風(fēng)速，重新布置二次風(fēng)噴口位置、調(diào)整二次風(fēng)的入射角度等，在合理配風(fēng)、分級燃燒基礎(chǔ)上，大幅提高二次風(fēng)穿透性，解決爐膛中心區(qū)嚴(yán)重缺氧問題，提高燃料燃盡率，實(shí)現(xiàn)均溫燃燒下的高效低氮。具體改造內(nèi)容如下：

（1）改造后的二次風(fēng)噴口仍為兩層布置，保持上下二次風(fēng)配風(fēng)方式，噴口數(shù)量適當(dāng)調(diào)整，取消側(cè)墻二次風(fēng)，噴口改造涉及的水冷壁及密封盒重新設(shè)計優(yōu)化。

（2）為強(qiáng)化低氮燃燒效果，在保證鍋爐運(yùn)行安全的前提下，上下層風(fēng)口標(biāo)高均上移，強(qiáng)化空氣分級程度，并沿寬度方向重新布置，形成“兩頭小中間大”“上大下小”的差異化配風(fēng)結(jié)構(gòu)，重新調(diào)整上下層二次風(fēng)的風(fēng)量關(guān)系，噴口布在密相區(qū)上部低灰濃度區(qū)域，使二次風(fēng)在一個寬松的低背壓環(huán)境下入爐，提高其有效穿透能力。

（3）改造后二次風(fēng)管加裝靈活手動調(diào)節(jié)裝置，以便精確調(diào)節(jié)各組二次風(fēng)風(fēng)量和配風(fēng)關(guān)系；并根據(jù)二次風(fēng)口尺寸相應(yīng)調(diào)整風(fēng)管路直徑，并按保證噴口之后設(shè)置必要的直管段引入距離，為各個二次風(fēng)口形成有效穿透動量；并對二次風(fēng)噴口下傾角度適當(dāng)調(diào)整，下層角度適當(dāng)小，上層二次風(fēng)角度適大，減小對密相區(qū)和稀相區(qū)轉(zhuǎn)化的干擾。

（4）二次風(fēng)噴口做專門設(shè)計和加工，選擇耐熱耐磨材質(zhì)保證噴口使用壽命，噴口插入深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大幅減少貼壁下降灰流的干擾，有效加強(qiáng)二次風(fēng)的穿透性。

（5）二次風(fēng)系統(tǒng)改造設(shè)計，需對密相區(qū)鍋爐剛性梁進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證二次風(fēng)標(biāo)高及角度設(shè)置需求。

通過改造實(shí)現(xiàn)空氣深度分級，調(diào)整爐內(nèi)溫度場使之沒有明顯的高溫峰值，提高火焰充滿度，減少爐內(nèi)高溫區(qū)產(chǎn)生的NOx。在相同爐膛容積內(nèi)，擴(kuò)大適于還原反應(yīng)發(fā)生的最佳溫度區(qū)域。由于分級燃燒獨(dú)特的流場結(jié)構(gòu)使?fàn)t膛中心缺氧問題得以解決，床溫控制在最佳低氮脫硝溫度并形成高效燃燒氛圍。

3.2 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)改造

煙氣再循環(huán)的作用：除了間接提高二次風(fēng)率、產(chǎn)生一次風(fēng)厭氧環(huán)節(jié)的分級燃燒效果之外，還構(gòu)成了CFB鍋爐變負(fù)荷時所需床溫調(diào)定功能，使得隨負(fù)荷變化過程中，床溫變化不再那么陡然變動，對床溫的穩(wěn)定協(xié)調(diào)有非常好的作用。圖1為煙氣再循環(huán)系統(tǒng)示意圖。

根據(jù)鍋爐原設(shè)計的主要參數(shù)、實(shí)際運(yùn)行狀況和煤質(zhì)等，確定煙氣再循環(huán)改造方案。原設(shè)計鍋爐出口煙氣量為1 135 000 Nm3/h（α=1.2，O2=3.5%），排煙溫度為 145 ℃。綜合考慮后，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計為：再循環(huán)風(fēng)機(jī)采用擋板調(diào)節(jié)，設(shè)計風(fēng)量選擇250 000 m3/h左右，根據(jù)負(fù)荷變化適量調(diào)整再循環(huán)煙氣投用量。系統(tǒng)包括煙氣再循環(huán)管道、風(fēng)量電動調(diào)節(jié)門、關(guān)斷插板門、再循環(huán)增壓風(fēng)機(jī)等，同時增加DCS控制畫面達(dá)到遠(yuǎn)程操作。鍋爐現(xiàn)有一次風(fēng)機(jī)2臺，從現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)出口煙道引回鍋爐側(cè)，母煙道一分二分別進(jìn)入現(xiàn)有2個一次風(fēng)機(jī)入口，本次煙氣再循環(huán)系統(tǒng)分支管路設(shè)計有煙氣風(fēng)量測量裝置及分配電動調(diào)節(jié)風(fēng)門，保證煙氣再循環(huán)管路系統(tǒng)的風(fēng)量分配適用性，提高爐底一次風(fēng)氧量分配的均勻性，實(shí)現(xiàn)床溫控制的均衡性。

3.3 給煤口及播煤風(fēng)改造

原設(shè)計給煤口中心線距離布風(fēng)板高度僅為1 m，該高度十分不利于初始著火階段煙氣的快速擴(kuò)散和燃盡，往往大渣可燃物含量偏高一些且形成床溫大偏差。此外，由于太低的落煤高度，面對的爐內(nèi)床壓很高，極易由落煤口倒煙反串至給煤機(jī)，即粉塵污染環(huán)境，也嚴(yán)重地破壞了播煤風(fēng)對燃煤的播撒效果。給煤方式對流態(tài)化的破壞趨勢和燃料擴(kuò)散弱化、直接制約著分級燃燒和爐溫分布的均勻性、新鮮燃料著火很容易集中在密相區(qū)形成高床溫、對低氮低硫原始排放不利、增加床溫與爐膛出口煙溫偏差以及降低灰循環(huán)倍率。

本次改造將給煤口適當(dāng)抬高；在給煤口下部增強(qiáng)播煤風(fēng)，便于燃煤播撒，防止爬渣；在播煤風(fēng)系統(tǒng)增加調(diào)節(jié)閥門，便于對每個噴口對應(yīng)的多路播煤風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)分配，見圖2。

3.4 返料立管及返料吹掃風(fēng)改造

返料系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件，其主要作用是將煙氣中攜帶的大量沒有燃盡的高溫顆粒分離出來，送回燃燒室，以維持燃燒室的快速流化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒，這樣有利于達(dá)到理想燃燒和脫硫效率。物料循環(huán)質(zhì)量直接影響床溫、床壓的變化，因此，循環(huán)流化床鍋爐回料裝置的性能將直接影響鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

本次改造將在3個返料口增設(shè)吹掃風(fēng)，取自一次風(fēng)，設(shè)置必要的吹掃風(fēng)箱母管及風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，保證回料的播撒，一定程度上避免壓床及減小床溫偏差，避免局部高溫導(dǎo)致的超量氮氧化物的生成，見圖3。

3.5 爐膛風(fēng)帽改造

鍋爐原設(shè)計爐膛風(fēng)帽約為2 903個，為小口徑鐘罩式，數(shù)量太多且存在風(fēng)帽結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理問題，將影響鍋爐的流化及對爐內(nèi)水冷壁產(chǎn)生額外的磨損。經(jīng)核算，原設(shè)計風(fēng)帽芯管開孔率過小、帽頭開孔率過大，使得風(fēng)帽小孔速度太低、出口處靜壓太低，且單一風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，極易存在局部流化偏弱等問題。改造后重新布置風(fēng)帽，采用多規(guī)格不均勻布置，對風(fēng)帽小孔孔徑做適當(dāng)處理，以實(shí)現(xiàn)布風(fēng)板對料層流化均勻性的基本目標(biāo)。

4 改造效果及分析

采用上述各改造方案后，該330 MW流化床鍋爐降氮效果明顯：改造前，鍋爐出口氮氧化物初始排放濃度高達(dá)420 mg/Nm3（初始排放濃度，O2=6%），而且存在床溫不穩(wěn)定、溫度波動范圍大的問題；本次改造后，鍋爐出口氮氧化物初始排放濃度可控制在160 mg/Nm3以下，降氮幅度達(dá)到260 mg/Nm3，僅低氮燃燒改造達(dá)到的脫硝效率高達(dá)61.90%，再加上后端SNCR脫硝系統(tǒng)的左右，最終控制NOx濃度低于50 mg/Nm3，僅靠低氮燃燒+SNCR脫硝就達(dá)到了超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

（1）CFB循環(huán)流化床鍋爐中二次風(fēng)的配比及床溫的控制和波動是低氮燃燒的關(guān)鍵，低氮燃燒改造時，應(yīng)著重針對這兩方面進(jìn)行改造。主要通過調(diào)整二次風(fēng)噴口位置、入射角度、提高二次風(fēng)穿透性等手段來實(shí)現(xiàn)高效低氮的效果。

（2）煙氣再循環(huán)系統(tǒng)和爐膛布風(fēng)帽的改造是CFB鍋爐實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的輔助手段。煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)CFB鍋爐的床溫，使得鍋爐負(fù)荷變化過程中，鍋爐床溫變化緩和，可以有效地控制NOx的產(chǎn)生。

（3）針對330 MW循環(huán)流化床鍋爐，通過低氮燃燒改造+SNCR脫硝改造后，可以實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放，脫硝效率可高達(dá)88.10%。