超低排放形勢下CFB鍋爐低氮燃燒和SNCR聯合脫硝提效研究

王豐吉， 王 東， 馮前偉

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

超低排放形勢下CFB鍋爐低氮燃燒和SNCR聯合脫硝提效研究

王豐吉， 王 東， 馮前偉

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

對某廠2號CFB鍋爐進行超低排放改造前的摸底試驗，診斷鍋爐原燃燒系統和SNCR脫硝系統存在的問題，并提出優化改造方案。該項目的實踐表明：CFB鍋爐通過深度優化改造低氮燃燒和SNCR聯合脫硝系統后能夠滿足高、中負荷段NOx超低排放要求，但在低負荷下，特別是實際燃用煤質較差，且嚴重偏離設計煤質時仍有較大超排風險。

CFB；循環流化床；低氮燃燒；SNCR；超低排放

0 引言

近年來，隨著國家環保標準的進一步提高，循環流化床（Circulating Fluidized Bed，簡稱CFB）鍋爐超低排放改造勢在必行。就NOx而言，考慮到投資、運維成本、系統復雜性等因素，要實現超低排放的技術路線較為單一，特別是對于燃用高鈣煤或需投運爐內干法脫硫的CFB鍋爐，受制于選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）脫硝技術中催化劑鈣中毒及爐后改造空間限制的影響，基本只能選用爐內低氮燃燒聯合選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，簡稱SNCR）脫硝的技術組合。本文以某廠2號CFB鍋爐NOx超低排放改造項目為例，診斷鍋爐原燃燒系統和SNCR脫硝系統存在的問題，提出優化改造方案，并對改造效果加以分析。

1 項目概述

某廠2號機組為200MW循環流化床機組，配有東方鍋爐股份有限公司設計制造的“П”型布置、超高壓、自然循環、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣的汽包蒸汽鍋爐。鍋爐設計燃用煙煤，實際燃用高CaO含量的煤泥和煤矸石，采用循環流化床低氮燃燒方式，配有爐內石灰石脫硫、布袋除塵器和以尿素為還原劑的SNCR脫硝等環保設施。

2 超低排放改造前摸底試驗及數據分析

2.1 摸底試驗

為更好地了解原燃燒系統和SNCR脫硝裝置的特性，對2號鍋爐進行NOx超低排放改造前的摸底試驗，主要數據結果見表1。

表1 某廠2號鍋爐超低排放改造前摸底試驗數據Tab.1 The test data of NO.2 boiler before the reconstruction of ultra-low emission

2.2 數據分析及存在的問題

（1）各負荷段原始NOx濃度處于同類型鍋爐較高水平，其中高、中負荷段接近300mg/m3，低負荷時達到了350mg/m3以上。

（2）高、中負荷段SNCR脫硝率均高于75%，處于較好水平，但氨逃逸相對較大，造成還原劑浪費且對后續設備安全運行構成威脅。

（3）A、B、C三個旋風分離器入口煙氣溫度偏差很大，最大達到100℃。低負荷時A旋風分離器入口煙氣溫度最低低至接近700℃，SNCR脫硝率大幅下降。

（4）各負荷段的NOx排放濃度均大于50mg/m3，不能滿足NOx超低排放要求。

3 問題診斷

3.1 燃燒系統診斷

CFB鍋爐的低氮燃燒主要和燃料特性、配風方式、床溫、脫硫劑、循環倍率等因素相關[1]。結合該項目的實際情況，2號鍋爐燃燒系統存在以下問題導致原始NOx濃度偏高。

3.1.1 床溫不均勻

滿負荷下采集DCS床溫數據，發現鍋爐整個床面上各個床溫測點偏差較大，最大偏差可達70℃以上。床溫的不均勻，會造成局部溫度峰值，局部超高床溫是NOx生成急劇增加的元兇。

3.1.2 一次風率過大

停爐檢查時發現鍋爐風帽磨損較嚴重，實際運行中為了維持布風板阻力、保持爐內流化和防止結焦，必須加大一次風量，導致一次風率大大提高，鍋爐密向區富氧燃燒，提高了NOx生成率。

3.1.3 實際燃用煤質嚴重偏離設計煤質

鍋爐設計燃用煙煤，實際燃用泥煤和煤矸石，燃煤中CaO含量高達18%-20%。過高的CaO含量一方面提高了入爐煤在燃燒過程中的自脫硫能力，另一方面也改變了含氮揮發分的氧化路徑，是燃料氮生成氮氧化物的強催化劑[2]。

3.1.4 旋風分離器分離效率較低

鍋爐旋風分離器設計入口煙氣流速偏小，導致分離效率較低，減小了循環倍率。循環倍率和NOx的生成有密切關系。循環倍率的提高，可以增加鍋爐主循環回路中的焦炭濃度，這些焦炭不僅提供燃燒反應進行的表面，而且提供了NO的還原條件，有利于降低氮氧化物的排放濃度[1]。

3.2 SNCR脫硝系統診斷

CFB鍋爐的SNCR脫硝率主要和氨氮摩爾比、煙氣溫度、停留時間、混合均勻度等因素相關[3]。結合該項目實際情況，2號鍋爐SNCR脫硝系統存在以下問題導致脫硝率偏低。

3.2.1 低負荷時旋風分離器入口煙溫偏低

以尿素作為還原劑的SNCR脫硝系統，其最佳反應溫度窗口是850-1150℃[4]。該項目SNCR脫硝系統尿素溶液噴槍設置在旋風分離器入口和上部爐膛，根據摸底試驗結果，高、中負荷段該處溫度均在最佳反應溫度窗口，脫硝率均高于75%；低負荷時該處煙氣溫度遠低于最佳反應溫度窗口下限，脫硝率大幅下降。

3.2.2 尿素溶液和煙氣的混合均勻性不佳

該項目SNCR脫硝系統共設置28支噴槍，分爐膛和旋風分離器入口兩個區域布置：爐膛布置10支，3個旋風分離器入口各布置6支。由于爐膛尺寸遠大于噴槍的噴射距離，導致爐膛中央大片區域的煙氣無法被尿素溶液覆蓋，故布置在爐膛的噴槍脫硝效果相對比較有限；旋風分離器入口采用了大流量、單側集中布置的噴槍布置方式，雖然減少了噴槍數量，節省了投資，但同時也減弱了尿素溶液和煙氣的混合效果，進一步降低了低負荷時SNCR的脫硝率。

4 優化改造方案

通過診斷原低氮燃燒和SNCR聯合脫硝系統，并調研國內外類似成功案例，提出以下改造技術路線：深度優化鍋爐低氮燃燒系統，保證爐膛出口的原始NOx濃度控制在200mg/m3以內；在此基礎上，充分挖掘原SNCR脫硝系統提效空間，保證低負荷時SNCR脫硝率≥75%，高、中負荷段SNCR脫硝率≥80%，最終穩定達到≤50mg/m3的NOx超低排放要求。

4.1 燃燒系統優化措施

4.1.1 旋風分離器優化改造

通過敷設耐磨耐火材料將旋風分離器入口煙道通流面積減小，提高旋風分離器入口煙氣速度至30m/s，以提高分離效率。適當增加中心筒厚度，由原設計δ=12mm變為δ=16mm，材料由原先R253MA鋼板升級為ZGCr25Ni20MoMnSiNRe，實現結構優化，材質升級，解決旋風分離器因高溫變形問題。對中心筒長度和直徑進行調整，采用圓臺形狀，中心管采用上大下小的縮頸結構，以進一步改善旋風分離器分離效率，提高循環倍率，降低NOx的生成。

4.1.2 受熱面改造

分離器效率的提高雖有助于飛灰可燃物和NOx生成的降低，但也會導致鍋爐循環物料濃度提高，加快水冷壁的磨損，相同條件下爐膛溫度也會有所下降。因此，需對水冷壁采取一定的防磨措施。改造方案在爐膛水冷壁上增加多階防磨裝置阻斷貼壁流，布置如圖1所示，由此減輕貼壁流對爐內受熱面的磨損。同時，由于防磨裝置的安裝減少了1%左右的爐膛受熱面，有利于提高低負荷下旋風分離器入口煙氣溫度，進而改善低負荷下SNCR脫硝效率。

圖1 多階防磨裝置布置示意圖Fig.1 Diagram of multi-stage wear prevention device

4.1.3 布風裝置優化改造

布風裝置的核心設備是風帽，該項目中鍋爐風帽由于設計和運行的原因，已有部分嚴重磨損，改造方案將其整體更換為新型風帽，材質為ZG40Cr25Ni20，結構如圖2所示。風帽節距保持不變，更換布風板上、下方的澆注料，更換風帽外罩、全部的芯管。布風裝置的優化改造擬解決風帽磨損大、布風不均、長期運行布風板阻力降低的問題，同時也有利于改善3個旋風分離器的入口煙溫偏差，提高低負荷時旋風分離器最低入口煙溫。

圖2 新型風帽安裝示意圖Fig.2 Diagram of a new type of distributor of hot air

4.1.4 深度優化燃燒調整

優化燃燒調整包括加強入爐煤的控制，優化物料流態及配風，改善鍋爐燃燒特性，保持床溫均勻，具體措施有：控制入爐煤粒徑分布盡量均勻，粒徑1.8mm以下占50%，最大粒徑dmax控制在11mm以內，入爐煤中CaO含量在14%以內；在保證密相區床層物料充分流化的前提下，盡量降低一次風量，控制一次風率在55%以內；合理調整各層二次風門開度，控制爐膛出口氧量2.5%-3.5%，保持爐內低氮、高效燃燒。

4.2 SNCR脫硝系統優化措施

4.2.1 優化噴槍選型布置

綜合考慮混合均勻度、溫度窗口、停留時間，改造方案拆除旋風分離器入口煙道原有噴槍，采用了小流量、兩側分散布置的噴槍布置方式。每個旋風分離器入口煙道設置10支小流量噴槍，單支最大出力200kg/h，單臺爐總計30支，保證尿素溶液在煙道內的全覆蓋。保留爐膛原有10支噴槍作備用，以備在惡劣工況下投用，進一步提升SNCR脫硝率。

4.2.2 提升低負荷時旋風分離器入口煙溫

保持鍋爐原上、下二次風不變，在原上二次風上方約5m處增加一層上上二次風作備用，噴口材質采用Cr25Ni20，設計風速不小于45m/s，具體布置方式如圖3所示。當旋風分離器入口煙溫滿足SNCR最佳溫度窗口時，維持原上二次風投運；當低于溫度窗口下限時，投運上上層二次風，調整上二次風和上上二次風風門開度，提高爐內火焰中心，以達到提升旋風分離器入口煙溫的目的，同時深化爐內垂直空氣分級，進一步降低爐內NOx的生成。

圖3 二次風系統改造示意圖Fig.3 Diagram of the secondary air modification

4.2.3 深度優化SNCR系統運行

在不改變設計氨氮比的前提下，將噴入煙道的尿素溶液濃度由10%進一步稀釋至5%，大流量、低濃度的尿素溶液更加有利于和煙氣的均勻混合，另一方面也能改善尿素溶液母管上流量調節閥的閥門特性，從而便于精確控制噴入煙道的尿素溶液的量。另外，在投運噴槍前，調整爐前尿素溶液和霧化壓縮空氣母管壓力在3-6bar之間，逐支調整噴槍前尿素溶液支路和霧化壓縮空氣支路手動閥開度，保證噴槍射出尿素溶液的體積流量、霧化效果和射程符合設計要求后再投入使用，以強化混合效果，防止尿素溶液滴漏腐蝕受熱面。

5 優化改造效果

在低氮燃燒和SNCR聯合脫硝系統優化改造結束并穩定運行2個月后，為驗證改造效果，對2號鍋爐進行了性能試驗，主要數據見表2。

表2 某廠2號鍋爐超低排放改造后性能試驗數據Tab.2 The test data of NO.2 boiler after the reconstruction of ultra-low emission

試驗結果表明：

（1）優化改造后，各負荷段原始NOx濃度與改造前相比均有不同程度下降，特別是低負荷時由于投用了上上層二次風，使得爐內垂直空氣分級進一步加深，NOx的生成率有了較大下降。盡管如此，由于試驗期間入爐煤煤質未得到改善，CaO含量超過20%，使得各負荷段原始NOx濃度仍相對較高。

（2）A、B、C旋風分離器入口煙溫偏差較改造前大幅減小，且高、中負荷段煙溫滿足SNCR最佳反應溫度窗口，低負荷時投用上上層二次風后煙溫有較大改善，但仍低于SNCR最佳反應溫度窗口的下限。

（3）優化改造后，高、中負荷段滿足NOx超低排放要求，且氨逃逸得到較好控制。低負荷時SNCR脫硝率較改造前有了較大提高，但受旋風分離器入口煙溫的影響，仍不滿足NOx超低排放要求。

6 結語

低氮燃燒和SNCR聯合脫硝系統是大多數CFB鍋爐的標配，其充分利用了CFB鍋爐的特有結構和燃燒方式，具有安全、經濟、高效的顯著優點，但要實現NOx超低排放，須對其深度優化改造。該項目的實踐表明：CFB鍋爐通過深度優化改造低氮燃燒和SNCR聯合脫硝系統后能夠滿足高、中負荷段NOx超低排放要求，但在低負荷下，特別是實際燃用煤質較差，且嚴重偏離設計煤質時仍有較大超排風險。

[1]岳光溪，呂俊復，徐鵬，等.循環流化床燃耗發展現狀及前景分析[J].中國電力，2016，49(1):1-13.Yue Guangxi，Lv Junfu，Xu Peng，et al．Development status and prospect analysis of circulating fluidized bed fuel consumption[J]．Electric Power，2016，49(1)： 1-13．

[2]周建平，姚洪，徐濤，等.爐內噴鈣脫硫對SO2和NOx排放的影響[J].熱力發電，1998，(3):4-8.Zhou Jianping， Yao Hong， Xu Tao， et al． Effect of calcium injection desulfurization in furnace on SO2 and NOx emissions [J].ThermalPowerGeneration， 1998，(3)：4-8．

[3]董陳，趙樹春，徐宏杰，等.燃煤鍋爐SNCR脫硝工藝關鍵技術[J].熱力發電，2016,45(12):73-77.Dong Chen， Zhao Shuchun， Xu Hongjie， et al． Key technology of SNCR denitration process for coal fired boiler[J].Thermal Power Generation，2016，45(12)：73-77．

[4]趙鵬勃，孫濤，高洪培，等.CFB鍋爐SNCR脫硝技術常見問題及對策[J].潔凈煤技術,2016,22(1):86-89.Zhao Pengbo，Sun Tao，Gao Hongpei，et al．Common problems and countermeasures of SNCR denitration technology in CFB boiler[J].Clean Coal Technology， 2016，22(1)：86-89．

Study on Low-nitrogen Combustion and SNCR Combined Denitrification System of CFB Boiler Under Ultra-low Emission Situation

WANG Fengji， WANG Dong， FENG Qianwei
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

Experimentswereperformed toinvestigate the problems of the existing combustion system and the SNCR system of a CFB boiler before the ultra-low pollutants emission reconstruction，and made the plan.The practice of the project has proved that CFB boiler can meet the requirementofNOxultra-low emission underthehigh or middle load after the reconstruction.But under the low load,especiallythe actualcoalquality seriouslydeviated from the designed coal quality when there is still a large risk.

CFB; circulating fluidized bed;low-nitrogen combustion; SNCR; ultra-low emission

TM621.2

B

2095-3429（2017）05-0006-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.002

2017-09-04

王豐吉（1980-），男，浙江臨安人，工學學士，工程師，主要從事脫硫、脫硝、除塵等環保工程相關工作。