引言

為了改善大氣環(huán)境質(zhì)量，國家出臺(tái)了一系列環(huán)保政策，GB13271《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》于2014年頒布實(shí)施，對(duì)燃煤鍋爐的污染物排放提出了更高的要求，需要達(dá)到 100mg /Nm³以下，特別是浙江省在 2018年頒布了DB33 /2147 -2018《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)燃煤機(jī)組等提出了比國家標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的超低排放要求，尤其是對(duì)NOx排放濃度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，需要達(dá)到50mg/Nm³以下。寧波眾茂杭州灣熱電有限公司4號(hào)鍋爐于2007年12月投入使用，已不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，在2016 年對(duì)4號(hào)鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造。本文介紹了這臺(tái)鍋爐低氮燃燒改造的情況以及改造后的效果，該低氮燃燒技術(shù)方案并在其余3臺(tái)鍋爐上得到了很好的應(yīng)用。

1低氮燃燒技術(shù)改造

1.1鍋爐使用情況概述

寧波眾茂杭州灣熱電有限公司使用的4號(hào)鍋爐由無錫華光鍋爐股份有限公司制造，型號(hào)為UG - 130 /5.3- M5的次高溫次高壓循環(huán)流化床鍋爐，單鍋筒橫置式，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架 П 型布置，設(shè)計(jì)煤種為煙煤。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐和煙道中間是絕熱式旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置兩級(jí)三組對(duì)流過熱器，過熱器下方布置三組光管省煤器及一、二次風(fēng)各三組空氣預(yù)熱器。環(huán)保設(shè)施配有一套石灰石爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)、一套SNCR脫硝系統(tǒng)、一套布袋除塵系統(tǒng)、一套爐外濕法脫硫系統(tǒng)。目前，鍋爐 NOx原始排放濃度約 350mg /Nm³，采用“SNCR“脫硝工藝進(jìn)行脫硝 后，NOx排放濃度可控制在90350mg/Nm³左右，無法達(dá)到《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中 NOx規(guī)定的要求。因此，在2016年對(duì)該臺(tái)鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造。

1.2 低氮燃燒原理及影響因素

NOx主要來源于人類的活動(dòng)，其中絕大部分來自燃料的燃燒，根據(jù)形成機(jī)理，可分為燃料型NOx、熱力型 NOx以及瞬時(shí)型NOx，其中瞬時(shí)型NOx產(chǎn)生的量很少，可忽略不計(jì)。循環(huán)流化床燃煤鍋爐產(chǎn)生的主要是燃料型 NOx，大約占總 NOx的 75% ～ 90% ，其次是熱力型 NOx。燃料型 NOx的生成的反應(yīng)過程和燃燒條件( 如溫度和氧氣)及各種成分的濃度密切相關(guān)。熱力型 NOx 生成的原理如下:

當(dāng)燃燒區(qū)域溫度低于 1000℃ 時(shí)，NO的生成量較少，隨著溫度的升高，NOx的生成速度按指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)溫度足夠高時(shí)熱力型 NOx可達(dá)20% 。因此，溫度對(duì)熱力型 NOx 的生成具有絕對(duì)性的作用，另外，空氣系數(shù)和煙氣停留時(shí)間對(duì)熱力型 NOx的生成也有很大影響。

根據(jù)上述分析，針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行特性，本次改造從爐膛溫度控制、高溫旋風(fēng)分離器的分離效率，含氧量，床溫控制，分級(jí)燃燒，布風(fēng)板布置，返料系統(tǒng)的優(yōu)化等方面對(duì)4號(hào)鍋爐進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造。

1.3 改造內(nèi)容

1.3.1增加爐膛受熱面

1)增加兩片水冷屏。在靠近前屛水冷壁處左右各布置一片水冷屏，從前屏水冷壁中部穿進(jìn)爐膛然后向上，從爐膛頂棚管穿出，并從兩根集中下降管分別引出一根下降管連接到水冷屏下集箱，水冷屏下部迎煙氣沖刷2.5米范圍內(nèi)澆注料敷設(shè)，將原來水冷壁上集箱至汽包的 12 根 直徑133 ×6 的聯(lián)絡(luò)管更換成 直徑194 × 10 的管子，其中兩根作為增加的水冷屏的聯(lián)絡(luò)管。通過增加爐膛內(nèi)受熱面，運(yùn)行過程中有利于降低爐膛溫度，減少 NOx的生成。

2)增加三片屏式過熱器。由于采用低氮燃燒，床溫和含氧量降低后鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)影響主蒸汽的溫度，甚至?xí)_(dá)不到設(shè)計(jì)的溫度，在靠近前屛水冷壁中間部位均勻布置三片屏式過熱器，過熱器管材質(zhì)為 12Cr1MoVG，規(guī)格為直徑42 × 6，在管屏下部敷設(shè)澆注料。

通過增加爐膛內(nèi)的受熱面，既能降低爐膛溫度，減少NOx的生成，又能保證鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主蒸汽的溫度。

1.3.2分系統(tǒng)的優(yōu)化改造

1)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將分離器進(jìn)口寬度由原來的 1200mm 縮小到 900mm，通過計(jì)算，這樣煙氣速度可以由原來的 22m/s 提高到 27m/s，提高分離器的分離效率，有利于降低床溫和含氧量。

2)返料系統(tǒng)的優(yōu)化。將原來的返料箱拆除，更換成新型的返料箱，返料箱風(fēng)室隔成三部分，返料風(fēng)分成三路獨(dú)立風(fēng)，使返料風(fēng)形成高壓頭小風(fēng)量，提高返料的可靠性。同時(shí)，將返料口下移并向爐膛中間靠攏，這樣布置有利于返料的均勻性，使布風(fēng)板同一平面處的溫度均勻性，減少床溫局部過高造成 NOx 生成量高的因素。

3)布風(fēng)裝置的優(yōu)化。經(jīng)過床層冷態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，布風(fēng)板上的床料顆粒度分布不是均勻的，呈現(xiàn)中間細(xì)，四周粗的狀態(tài)，為了保持整個(gè)床面流化風(fēng)保持一致，對(duì)布風(fēng)板及風(fēng)帽進(jìn)行了改造，風(fēng)帽的開孔率呈中心部位小，向四周逐漸增大，使鍋爐在運(yùn)行過程中流暢分布更均勻。

4) 二次風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。原來的二次風(fēng)口離布風(fēng)板高度僅有2米左右，造成還原區(qū)濃度不夠，分級(jí)燃燒不夠明顯，對(duì)二次風(fēng)口進(jìn)行了優(yōu)化，保留原有的兩個(gè)風(fēng)口，其他的風(fēng)口改到離布風(fēng)板 3.5米高度處，使得分級(jí)燃燒更加明顯。

5) 增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。為保證低負(fù)荷時(shí)一次風(fēng)氧氣不過量、降低 NOx 生成量，從引風(fēng)機(jī)出口增設(shè)一根直徑720x8煙氣再循環(huán)管通往一次風(fēng)機(jī)入口，用脫硫除塵后的低氧煙氣代替部分空氣，降低一次風(fēng)氧含量，在保證床料充分流化的同時(shí)，控制一次風(fēng)氧氣不過量，降低 NOx 生成量。

1.4 水汽系統(tǒng)的變化

由于增加了屏式過熱器，汽水系統(tǒng)的蒸汽流向發(fā)生了變化，原來是汽包→包墻過熱器→低溫過熱器→減溫器→高溫過熱器→集汽集箱，經(jīng)過低氮燃燒改造后變成了汽包→包墻過熱器→低溫過熱器→一級(jí)減溫器→屏式過熱器→二級(jí)減溫器→高溫過熱器→集汽集箱。

2鍋爐運(yùn)行試驗(yàn)優(yōu)化

2.1冷態(tài)試驗(yàn)

2.1.1布風(fēng)板均勻性試驗(yàn)

在床料充分流化后，迅速關(guān)掉一次風(fēng)機(jī)，床料自由下落、堆積，觀察床料表面平整，無明顯凹凸，表明布風(fēng)板經(jīng)改造優(yōu)化后均勻性良好。

2.1.2冷態(tài)臨界沸騰風(fēng)量的測(cè)量

根據(jù)料層與空板的阻力曲線等無法判斷最小流化風(fēng)量，通過打開爐門用鉤耙在主床內(nèi)鉤動(dòng)，從手感上感覺沸騰效果，確定最小流化風(fēng)量約為38000m³/h。

2.2運(yùn)行參數(shù)調(diào)整

通過冷態(tài)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)床料的均勻性得到了很大的改善，在不改變一次風(fēng)量的情況下，通過調(diào)節(jié)新增二次風(fēng)口的風(fēng)量，優(yōu)化了爐膛空氣分級(jí)燃燒，降低了 NOx 生成量; 另外，在低負(fù)荷情況下，通過調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的引入一次風(fēng)機(jī)的煙氣量，保持爐膛出口的 NOx不會(huì)大大提高，低氮燃燒技術(shù)改造后，床溫、爐膛出口溫度等參數(shù)有了明顯的變化。

3改造后的效果分析

3.1 運(yùn)行參數(shù)

鍋爐經(jīng)低氮燃燒改造后，最大出力可達(dá)到150t/h，與原設(shè)計(jì)最大出力一致，在30~110%額定負(fù)荷內(nèi)能穩(wěn)定燃燒，并且在較低負(fù)荷時(shí)，主蒸汽溫度能達(dá)到規(guī)定的溫度，改造后運(yùn)行兩年時(shí)間以來，水冷壁管子磨損大大較少。

3.2 NOx排放效果

鍋爐經(jīng)低氮燃燒改造后，爐膛出口的NOx生成量比改造前大大降低。目前，鍋爐經(jīng)過近兩年時(shí)間的運(yùn)行，結(jié)合“SNCR”脫硝工藝進(jìn)行脫硝后，最終NOx排放濃度可控制在 50mg /Nm³以下的超低排放要求。

4總結(jié)

1) 該鍋爐通過增加鍋爐爐膛內(nèi)受熱面，優(yōu)化旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)、返料系統(tǒng)、布風(fēng)裝置，調(diào)整二次風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)口布置，增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)等措施，鍋爐各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期要求，并且以往存在的水冷壁磨損問題得到了很大的改善。

2) 低氮燃燒改造后，在額定負(fù)荷下，爐膛出口 NOx 排放質(zhì)量濃度從 350mg /Nm³降 至 100mg/Nm³以下，效果接近原來的最終 NOx排放濃度，優(yōu)于預(yù)期效果;經(jīng)SNCR脫硝后，最終排放濃度能達(dá)到 50mg /Nm³以下，運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)甚至能達(dá)到 30mg /Nm3，氨逃逸量控制在 8mg /Nm³以內(nèi)。

3) 針對(duì)原來 CO 排放指標(biāo)偏高的現(xiàn)象，通過合理選擇再循環(huán)煙氣量，旋風(fēng)分離器圓柱段增加補(bǔ)燃噴嘴，從一次熱風(fēng)風(fēng)道接入一次風(fēng)，與高溫?zé)煔饣旌希篃煔庵?CO 燃盡，從而有效的降低了CO 排放指標(biāo); 另外，通過燃料消耗量與產(chǎn)生的蒸汽量計(jì)算，改造后鍋爐熱效率并未降低，熱效率與環(huán)保得到了很好的平衡。