高溫分離循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒改造小結(jié)

舒 曉

(重慶索特鹽化股份有限公司，重慶 萬州 404000)

1 項(xiàng)目背景

我公司現(xiàn)有的4#鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的UG-130/9.8-M型鍋爐，于2009年正式建成投運(yùn)。該爐型為早期設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)國(guó)家對(duì)氮氧化物排放指標(biāo)還未嚴(yán)格控制，因此設(shè)計(jì)之初，主要考慮的是熱效率，故床溫設(shè)計(jì)選取普遍較高，達(dá)到950 ℃以上。在鍋爐運(yùn)行時(shí)，隨著床溫的升高，為了防止高溫結(jié)焦，相應(yīng)的一次風(fēng)的給風(fēng)量非常大，氧量普遍控制在6%～8%之間，爐膛下部燃燒充分，爐膛內(nèi)部上下溫差較大，氮氧化物原始排放濃度高，達(dá)到200 mg/Nm3左右。

隨著國(guó)家環(huán)保要求的愈發(fā)嚴(yán)格，超低排放乃至凈零排放已經(jīng)成了發(fā)展的必然趨勢(shì)，經(jīng)過對(duì)類似鍋爐運(yùn)行的考察學(xué)習(xí)后，我公司決定對(duì)4#鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造，降低氮氧化物原始排放量，同步對(duì)4#鍋爐進(jìn)行大修，以保證鍋爐的使用功能。

2 氮氧化物生成的影響因素

燃料在燃燒過程中生成氮氧化物，主要有三種類型：熱力型、快速型和燃料型。其中，熱力型氮氧化物為空氣中的N2在高溫下氧化而生成的；快速型氮氧化物為空氣中的N2和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)生成的，此種氮氧化物含量較少；燃料型氮氧化物為燃料中的有機(jī)氮化合物在燃燒過程中氧化生成的。循環(huán)流化床鍋爐爐膛溫度控制在850～950 ℃，最高不允許超過990 ℃，對(duì)三種類型的反應(yīng)機(jī)理分析可以得出，鍋爐燃料在燃燒過程中生成的氮氧化物里，快速型氮氧化物基本可以忽略，熱力型氮氧化物占總排放的10%以下，燃料型氮氧化物為主要產(chǎn)物。而影響燃料型氮氧化物生成的因素很多，主要存在以下幾個(gè)方面：

1)燃燒溫度的影響：

燃燒溫度對(duì)氮氧化物生成是有影響的，隨著溫度的升高，氮氧化物會(huì)逐步增加。當(dāng)溫度達(dá)到1 500 ℃以上時(shí)，熱力型氮氧化物會(huì)大量增加，此時(shí)生成的氮氧化物將占生成總量的15%～25%。而循環(huán)流化床鍋爐溫度區(qū)間遠(yuǎn)低于1 500 ℃，在這種工況下，燃燒溫度對(duì)氮氧化物有影響，但并不是很大。

2)過量空氣系數(shù)及一、二次風(fēng)率的影響：

在燃燒過程中，貧氧條件下，燃料中的碳會(huì)反應(yīng)生成CO，將燃燒生成的氮氧化物還原成N2，同時(shí)未燃盡的碳也會(huì)抑制氮氧化物的生成。在富氧條件下，含氮化合物就會(huì)和充足的氧進(jìn)行反應(yīng)，生成大量的氮氧化物。因此要調(diào)整一、二次風(fēng)的配比。減小一次風(fēng)率，降低過量空氣系數(shù)，同時(shí)增加二次風(fēng)率，以保證燃料在爐膛上部二次風(fēng)處燃盡，保證燃燒效率。

減小一次風(fēng)率，使密相區(qū)為還原性氣氛，抑制氮氧化物生成；同時(shí)密相區(qū)流化風(fēng)速減小，氣體及燃料顆粒停留時(shí)間延長(zhǎng)，可以抑制氮氧化物的的生成。另提高二次風(fēng)率，增強(qiáng)了二次風(fēng)穿透能力，加強(qiáng)了稀相區(qū)的氣固混合，可降低飛灰含碳量，保證燃燒效率。

3)燃料的影響：

主要是煤炭的種類和煤炭粒徑的影響。理論上煤的揮發(fā)分和含氮量越高，氮氧化物生成量越多。煤炭顆粒越細(xì)，燃燒速率越高，炭粒表面還原氣氛增強(qiáng)，能抑制燃燒中氮氧化物的生成，但太細(xì)卻會(huì)增大燃料飛灰損失，故在燃料種類無法改變的情況，應(yīng)盡量達(dá)到燃料顆粒度設(shè)計(jì)要求。

3 改造內(nèi)容

根據(jù)上述對(duì)氮氧化物生成影響因素的分析，針對(duì)性的對(duì)4#鍋爐進(jìn)行了以下改造：

1)增加水冷屏：在爐膛內(nèi)布置2片“水冷屏”，每片15排管，節(jié)距 80 mm，寬度1.2 m，高度約18 m。水冷屏采用吊桿固定在頂板下，上部與鍋爐汽包相連，下部與集中下降管相連，水冷屏為蒸發(fā)受熱面，可以有效地吸收爐膛內(nèi)的熱量，達(dá)到降低床溫的目的。

2)更換屏式過熱器：由于床溫降低后，勢(shì)必會(huì)影響主汽溫度，為了保證主汽溫度，需增加過熱器換熱面積。加上之前的屏式過熱器已變形嚴(yán)重，無法拼接利舊，故本次改造決定整體更換屏式過熱器，將爐膛內(nèi)3片過熱屏全部更換，由16排管加寬到23排管，節(jié)距60 mm，寬度1.38 m，高度維持不變，以增大換熱面積。

3)燃燒裝置優(yōu)化：現(xiàn)有布風(fēng)板的橫斷面為7 330×2 800 mm，低氮改造將一次風(fēng)比例由60%調(diào)整到50%后，布風(fēng)板面積明顯偏大。因此將布風(fēng)板進(jìn)行整體更換后，在布風(fēng)板前墻、后墻采用耐磨澆注料加厚，縮小布風(fēng)板面積，并在其上均勻開孔布置風(fēng)帽。一次風(fēng)通過這些風(fēng)帽均勻進(jìn)入爐膛，流化床料。風(fēng)帽采用新型低氮燃燒風(fēng)帽，風(fēng)帽橫向、縱向節(jié)距由160 mm改為170 mm，風(fēng)帽數(shù)量由747個(gè)減少為660個(gè)。這樣改造可以減少流化風(fēng)量，從而降低氮氧化物的生成，減少原始排放量。

4)分離器及返料裝置：原分離器進(jìn)口煙氣流速設(shè)計(jì)為22 m/s，根據(jù)氣流動(dòng)態(tài)模似研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分離器進(jìn)口煙氣流速提高到25 m/s左右時(shí)，分離器分離效率可從99%提高到99.5%，分離器分離效率提高后，可增加爐膛灰濃度，有效降低床溫，從而降低氧量。本次改造，分離器主體不動(dòng)，將分離器進(jìn)口煙道寬度由1 050 mm縮小到950 mm。分離器下部的立管至返料腿全部拆掉，采用最新型返料裝置，立管直徑縮小至φ580，以防止循環(huán)灰反竄，返料口標(biāo)高由7 600 mm下降至6 855 mm，且兩個(gè)返料口向爐中心線都移動(dòng)400 mm，以適應(yīng)低料層運(yùn)行方式，中間冷渣器放灰，兩側(cè)冷渣器放渣。

5)一、二次風(fēng)系統(tǒng): 改變一、二次風(fēng)比例，由原來的60%/40%改為50%/50%，即加大二次風(fēng)量，減少一次風(fēng)量，以強(qiáng)化循環(huán)床鍋爐分級(jí)燃燒的強(qiáng)度。二次風(fēng)噴口由原上下各8個(gè)，改為上二次風(fēng)噴口13個(gè)(其中前墻6個(gè)后墻7個(gè))、下二次風(fēng)噴口4個(gè)(前后墻各2個(gè))。同步增加二次風(fēng)風(fēng)管直徑，以減少風(fēng)管阻力，風(fēng)管的標(biāo)高保持不變。

6)同步新增碎煤機(jī)，保證入爐煤粒度達(dá)到低氮改造設(shè)計(jì)要求。

4 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

4#鍋爐進(jìn)行低氮改造以后，需維持一個(gè)低料層、低床溫、低氧量的運(yùn)行狀態(tài)。在調(diào)試運(yùn)行階段，經(jīng)過大量摸索，我們得到了下列對(duì)比數(shù)據(jù)，以供參考。

表1 4#鍋爐運(yùn)行參數(shù)

5 總 結(jié)

4#爐進(jìn)行低氮改造以后，至今已運(yùn)行1年有余，運(yùn)行較為穩(wěn)定。風(fēng)室壓力一般維持在7～8 kPa，整個(gè)爐膛溫度場(chǎng)分布均勻，整體控制在880 ℃左右，低溫過熱器出口處氧量由6%左右降低至3.5%～4%，氮氧化物排放量可以控制在100 mg/Nm3以內(nèi)，基本達(dá)到了改造預(yù)期排放效果。但是，鍋爐在實(shí)際運(yùn)行過程中，仍有以下問題需考慮進(jìn)一步優(yōu)化：

1)按現(xiàn)有的實(shí)際配套風(fēng)機(jī)，一、二次風(fēng)機(jī)余量足夠，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的話，損失較大。建議對(duì)一、二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)改造，以達(dá)到節(jié)電的目的。

2)低氮燃燒改造以后，灰分量相應(yīng)的增加，經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離后的細(xì)灰粘度增大，附著在鍋爐尾部受熱面上，會(huì)造成排煙溫度升高，嚴(yán)重影響鍋爐的熱效率。因此在低氮改造時(shí)，要綜合考慮增設(shè)吹灰系統(tǒng)，以保證吹灰效果。

綜上所述，循環(huán)流化床低氮燃燒改造，是一個(gè)比較成熟的技術(shù)，可以很好的控制氮氧化物的原始排放量。結(jié)合風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)改造，完全可以達(dá)到節(jié)能減排的目的，尤其適合老舊鍋爐的改造。但在進(jìn)行初始低氮改造設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮對(duì)后續(xù)受熱面積灰的影響，并配套對(duì)碎煤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，否則改造效果會(huì)大打折扣。