循環(huán)流化床鍋爐NOX超低排放改造

(江蘇蘇鹽井神股份有限公司，江蘇 淮安 223200)

江蘇蘇鹽井神股份有限公司5#爐為無錫華光鍋爐股份有限公司制造的240 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，采用石灰石爐內(nèi)脫硫，設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)為SO2≯400 mg/Nm3，NOX≯450 mg/Nm3。為降低污染物排放，后續(xù)進(jìn)行了低氮燃燒改造、增設(shè)SNCR脫硝系統(tǒng)和堿渣濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，NOX原始排放降至200 mg/Nm3，經(jīng)脫硝處理后的NOX排放濃度不大于100 mg/Nm3，SO2排放濃度不大于50 mg/Nm3，煙塵排放濃度不大于20 mg/Nm3，煙氣排放可以滿足國家重點(diǎn)地區(qū)排放要求，但不能滿足鍋爐超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求(即NOX≤50 mg/Nm3，SO2≤35 mg/Nm3，煙塵≤10 mg/Nm3)。因此，進(jìn)行超低排放技術(shù)改造對(duì)保證鍋爐合規(guī)排放具有現(xiàn)實(shí)意義，本改造方案為情況類似的CFB鍋爐超低排放改造提供參考。

1 鍋爐概況

1.1 鍋爐基本特性

5#鍋爐型號(hào)為：UG240/9.8-M6，高溫高壓，單鍋筒橫置式，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架π型布置。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐中部是蝸殼式絕熱旋風(fēng)分離器，兩側(cè)旋風(fēng)分離器入口水平煙道分別布置3支脫硝噴槍，噴入適量的氨水來去除煙氣中的NOX，脫硝后的煙氣依次經(jīng)過尾部豎井煙道布置的兩級(jí)四組對(duì)流過熱器、過熱器下方布置的二組光管省煤器及一、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器，由尾部煙道進(jìn)入布袋除塵器經(jīng)除塵后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，通過堿渣濕法脫硫裝置脫硫后的凈煙氣經(jīng)兩級(jí)屋脊式除霧器去除霧滴后經(jīng)煙囪排出。主要參數(shù)如下。

鍋爐實(shí)際耗煤量 39.866 t/h(設(shè)計(jì)煤)

一、二次風(fēng)量比 55/45

氧量 3.5%

煙氣量(BMCR工況) 246 110 Nm3/h

循環(huán)倍率 25～30

FGD入口煙氣溫度 136 ℃

FGD入口煙氣壓力 1 300 Pa

FGD入口SO2原始濃度 1 887 mg/Nm3

NOX原始濃度 ≤200 mg/Nm3

煙塵原始濃度 39.2 mg/Nm3

除塵后煙塵濃度 ≤30 mg/Nm3

1.2 鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀

1)運(yùn)行床溫偏高，明顯高于設(shè)計(jì)值，遠(yuǎn)高于對(duì)降低NOX和SO2原始排放有利的床溫890 ℃[1]。為降低床溫，運(yùn)行中保持較高的一次風(fēng)量，一、二次風(fēng)量比不符合設(shè)計(jì)要求。高床溫和高一次風(fēng)率運(yùn)行均會(huì)導(dǎo)致NOX原始排放值升高，對(duì)減排不利。

2)入爐煤摻拌不均、高床溫運(yùn)行、白泥漿液品質(zhì)差、脫硫效率降低等原因會(huì)導(dǎo)致一些工況下SO2排放超標(biāo)，運(yùn)行中會(huì)選擇投用爐內(nèi)石灰石脫硫系統(tǒng)。NOX的原始生成值隨爐內(nèi)石灰石粉投用量的增加而升高，對(duì)NOX達(dá)標(biāo)排放不利。

3)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中存在氨水消耗量大，氨逃逸高，脫硝效率低的問題[2]。

2 改造方案

對(duì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，針對(duì)運(yùn)行中存在的問題，結(jié)合目前主流脫硝工藝，提出兩套改造方案：

2.1 目前循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝主要有以下幾種工藝

2.1.1 SCR工藝

選擇性催化還原(SCR)工藝原理：SCR技術(shù)是在金屬催化劑作用下，以NH3作為還原劑，將NOX還原成N2和H2O。NH3不和煙氣中的殘余的O2反應(yīng)，而如果采用H2、CO、CH4等還原劑，它們?cè)谶€原NOX的同時(shí)會(huì)與O2作用，因此稱這種方法為“選擇性”。適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢栽?00～400 ℃的溫度范圍內(nèi)有效進(jìn)行。在NH3/NO=1的條件下，可以得到80%～90%的NOX脫除率。

優(yōu)缺點(diǎn)分析，SCR技術(shù)脫硝效率高，對(duì)鍋爐煙氣NOX控制效果十分顯著，特別對(duì)于煤粉爐普遍適用，同時(shí)占地面積小、技術(shù)成熟、易于操作，是我國燃煤電廠控制NOX污染排放的主要手段之一。

由于其脫硝反應(yīng)在300～400 ℃的溫度范圍內(nèi)，催化劑布置需要3.5～4.0 m左右的空間，我公司鍋爐尾部煙道該溫度區(qū)間在兩組省煤器之間，原設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)留布置空間，需要通過對(duì)豎井煙道受熱面布置進(jìn)行改造，騰出布置空間，或在煙道后置，這樣占地面積大，布置也有一定困難。SCR系統(tǒng)運(yùn)行中，普遍存在著容易積灰，煙道阻力大，引風(fēng)機(jī)電耗增大，阻力大使鍋爐安全運(yùn)行周期變短，有因此而被迫停爐的案例，并且清灰難度大。同時(shí)SCR技術(shù)消耗NH3和催化劑(一般3年需要更換)，還存在運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備投資大的缺點(diǎn)。

2.1.2 SNCR工藝

SNCR工藝原理：選擇性非催化還原(SNCR)脫除NOX技術(shù)是把氨基的還原劑(如氨氣、氨水或尿素等)噴入爐膛溫度為850～1150 ℃的區(qū)域，與NOX發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水。

SNCR還原NOX的反應(yīng)對(duì)于溫度條件非常敏感，爐膛上噴入點(diǎn)的選擇，也就是所謂的溫度窗口的選擇，是SNCR還原NOX效率高低的關(guān)鍵。一般認(rèn)為理想的溫度范圍為850～1150 ℃，并隨鍋爐類型的變化而有所不同。

優(yōu)缺點(diǎn)分析，SNCR系統(tǒng)較簡單，可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況靈活處理，不受機(jī)組燃料和負(fù)荷的變化影響。施工周期短，SNCR對(duì)其他系統(tǒng)的維護(hù)運(yùn)行(如空氣預(yù)熱器),不產(chǎn)生干擾及增加阻力。缺點(diǎn)是脫硝效率較低65%左右，低負(fù)荷時(shí)鍋爐出口溫度低會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響。近年來，隨著脫硝技術(shù)的進(jìn)步，SNCR工藝在噴槍布置和脫硝劑選用等進(jìn)行優(yōu)化，脫硝效率進(jìn)一步提高。

2.1.3 深度低氮燃燒技術(shù)，通過鍋爐改造降低NOX原始排放濃度

隨著國家的環(huán)保力度增大，各鍋爐廠在鍋爐設(shè)計(jì)、制造過程中越來越多的考慮到鍋爐煙氣排放的環(huán)保因素，在循環(huán)流化床鍋爐采用低溫燃燒、密相區(qū)欠氧燃燒、增加返料灰的循環(huán)倍率等技術(shù)，最新設(shè)計(jì)、制造出廠的鍋爐，煙氣中NOX的原始排放濃度可以降低到100 mg/m3以下，老鍋爐在原來設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過技術(shù)改造，也可以將NOX排放濃度在額定工況下，降低到150mg/m3以下，通過這種改造，降低鍋爐NOX的原始排放濃度，對(duì)其達(dá)標(biāo)排放有著顯著的效果，同時(shí)可避免布置SCR所產(chǎn)生的運(yùn)行成本高、鍋爐能耗增大等缺點(diǎn)，存在的問題是對(duì)鍋爐改造技術(shù)要求高，投資較大。

2.2 方案的選擇

2.2.1 方案一：深度低氮燃燒改造+SNCR脫硝技術(shù)優(yōu)化改造

深度低氮燃燒改造主要是對(duì)爐膛系統(tǒng)進(jìn)行改造，加大爐膛受熱面，增加爐膛受熱面吸熱量，有效降低爐膛床溫，進(jìn)一步降低NOX原始生成量，將5#爐NOX原始生成量≤200 mg/Nm3降低到≤150 mg/Nm3。

SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化主要是通過提高霧化效果，使氨水與煙氣更充分的混合，增加氨水與煙氣的接觸面積來提高脫硝效率，降低氨水耗量。

2.2.2 方案二：省煤器之間增設(shè)SCR脫硝系統(tǒng)

減少一組尾部省煤器，或?qū)⒇Q井煙道受熱面進(jìn)行改造布置，騰出SCR脫硝系統(tǒng)布置空間，或?qū)煹篮笾谩?/p>

3 確定方案

方案二與方案一的不同之處是方案二不改造爐膛系統(tǒng)，而是對(duì)鍋爐尾部豎井煙道進(jìn)行改造，在兩組光管省煤器之間增設(shè)SCR脫硝系統(tǒng)，煙氣經(jīng)SNCR系統(tǒng)脫硝后NOX排放濃度降低到100 mg/Nm3，再進(jìn)入SCR系統(tǒng)進(jìn)行二次NOX脫除，將NOX排放濃度降低到50 mg/Nm3以下。同時(shí)方案二不降低床溫，沒有減少NOX的原始生成量。沒有降低排煙溫度，相反排煙溫度可能上升。改造時(shí)間一個(gè)月以上，改造投資成本不低。

方案一的爐膛系統(tǒng)改造工程量較大，初投資大，工期長，但是可以解決鍋爐實(shí)際運(yùn)行中床溫高的問題，不但可以降低NOX的原始生成量，而且對(duì)降低SO2的原始排放有利，更有利于鍋爐帶負(fù)荷能力的提高，無后期運(yùn)行維護(hù)成本。

方案二的實(shí)施受空間限制，需要將尾部豎井煙道的受熱面進(jìn)行重新布置；CFB鍋爐煙氣灰濃度較高，催化劑使用壽命短，后期運(yùn)行費(fèi)用高；由于催化劑的加入會(huì)將SO2氧化為SO3并與逃逸氨反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨，易造成空預(yù)器積灰堵塞和腐蝕，影響機(jī)組運(yùn)行安全；氨水消耗量增加，運(yùn)行成本升高；設(shè)備增多，運(yùn)行調(diào)整和設(shè)備維護(hù)工作量增加。

綜上所述，經(jīng)多方面比較，此次5#鍋爐的超低排放改造決定采用方案一的改造方案。根據(jù)以上兩種脫硝工藝優(yōu)缺點(diǎn)的比較，結(jié)合我公司鍋爐和生產(chǎn)特點(diǎn)，兼顧環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本鍋爐節(jié)能提效，形成以下實(shí)施方案：對(duì)鍋爐進(jìn)行深度低氮燃燒改造，降低NOX的原始排放濃度，優(yōu)化SNCR脫硝噴槍布置方案，保證NOX達(dá)到超低排放。同時(shí)通過受熱面的增加，而增加了鍋爐的吸熱面，提高鍋爐熱能利用，降低鍋爐的排煙溫度，減少鍋爐的排煙熱損失，彌補(bǔ)因低氮改造使化學(xué)不完全燃燒熱損失增大，達(dá)到節(jié)能提效，對(duì)企業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性效益明顯。本次改造鍋爐溫度、壓力等主要參數(shù)不變，安全性上沒有影響。

4 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

4.1 鍋爐本體改造

爐膛原斷面尺寸為8 770 mm×6 610 mm，改造方案選擇將爐膛寬度由8 770 mm加大至11 010 mm，單側(cè)加大1 120 mm，爐膛深度不變，水冷屏不變，爐膛截面由57.92 m2增加至72.78 m2，爐膛受熱面積增加，爐內(nèi)吸熱量增加。后墻水平煙道、水平煙道非金屬膨脹節(jié)和分離器入口水平煙道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)更換。前后墻二次風(fēng)管相應(yīng)單側(cè)增加1 120 mm，前后墻各增加4根二次風(fēng)支管。水冷風(fēng)室相應(yīng)單側(cè)加寬1 120 mm，風(fēng)帽和接管增加16排。前墻水冷壁下集箱、后墻水冷壁下集箱和水冷壁上集箱重新制作加寬，下降管和頂部連接管相應(yīng)改動(dòng)并增加部分連接管。

4.2 旋風(fēng)分離器進(jìn)口水平煙道改造

將旋風(fēng)分離器進(jìn)口水平煙道重新設(shè)計(jì)改造，擴(kuò)大爐膛出口到水平煙道截面積，降低水平煙道到分離器的截面積，縮小水平煙道通流面積。

4.3 優(yōu)化布置脫硝噴嘴

脫硝噴嘴進(jìn)行優(yōu)化布置，兩側(cè)水平煙道各增加一組噴槍，由原來單側(cè)三組噴槍增加到四組噴槍。

5 改造后效果

1)改造完成后鍋爐床溫降低30～50 ℃，鍋爐負(fù)荷可長期穩(wěn)定運(yùn)行在30%～110%負(fù)荷之間，NOX原始生成量控制在150 mg/Nm3以下，脫硝后排放量≤40 mg/Nm3，保證NOX排放達(dá)國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2)擴(kuò)大爐膛出口到水平煙道的截面積，縮小水平煙道到分離器的截面積后，使?fàn)t膛出口煙氣流速由原來的5 m/s降到4.3 m/s， 降低了煙氣對(duì)爐膛受熱面的沖刷，降低爐膛受熱面的磨損，有利于鍋爐長周期運(yùn)行。

3)脫硝噴嘴進(jìn)行優(yōu)化布置后，提高了噴槍的霧化效果，增加氨水和煙氣的接觸面積，降低了氨逃逸率，提高氨水的綜合利用率。氨水耗量和氨逃逸量均有所降低。

4)投運(yùn)后鍋爐的排煙溫度由原來的150 ℃降到132 ℃，降低了排煙熱損失，同時(shí)也提高了尾部煙道布袋除塵器濾袋的安全性。

6 結(jié) 論

此次超低排放改造不但有效降低了蘇鹽井神熱電分公司5#CFB鍋爐多污染物的排放濃度，使得NOX、SO2和煙塵排放可以滿足國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，而且增加了鍋爐效率。