240 t/h循環流化床鍋爐節能提效及低氮燃燒優化改造

徐俊紅，張紅建

（河南晉開化工投資控股集團有限責任公司，河南 開封 475100）

“雙碳”背景下，綠色低碳發展已成為企業技術提升的重要目標。鍋爐作為主要的耗能設備，其能效提升是降低碳排放的重要手段；全面挖掘、提高鍋爐系統的燃燒效率成為企業碳減排的重要研究方向。河南晉開化工投資控股集團有限責任公司（以下簡稱晉開集團）二分公司熱電車間現有的5臺240 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐均于2012年建成投產，連續運行了10年，已不能滿足公司現有合成氨系統長周期穩定運行的生產需求。

晉開集團經過充分的考察、探討、論證，提出對鍋爐系統進行節能提效及低氮燃燒優化改造的思路，優化鍋爐裝置的各項工藝參數，進而提高鍋爐的熱效率，以滿足整體生產系統的效能需求。

1 循環流化床鍋爐現狀

晉開集團二分公司熱電車間5臺鍋爐的型號為YG-240/9.81-M5，均為濟南鍋爐廠制造，鍋爐燃燒煤種為無煙煤，設計蒸發量為240 t/h，設計爐膛差壓1 000 Pa。改造前鍋爐運行參數見表1。

表1 改造前鍋爐運行工藝參數

該鍋爐是一種高壓、單汽包、單爐膛、自然循環的水管鍋爐，采用由膜式水冷壁、高溫旋風分離器、返料器、流化床組成的循環燃燒系統，爐膛為膜式水冷壁結構，過熱器分Ⅲ級布置，中間設Ⅱ級噴水減溫器，尾部設三級省煤器和一、二次風空氣預熱器。該鍋爐煤種適應性好，可燃用煙煤、無煙煤、褐煤及高硫煤。

燃料燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置水冷壁，用于吸收燃料所產生的部分熱量，由煙氣帶出爐膛的固體顆粒通過返料裝置返回爐膛再循環燃燒。鍋爐一次風經加熱后送入鍋爐燃燒室下面的風倉中，通過布風板的鐘罩式風帽進入爐膛；二次風經加熱后直接送入爐膛。煙氣及攜帶的固體顆粒離開爐膛通過旋風分離器進口煙道進入旋風分離器，在旋風分離器中，粗顆粒從煙氣中分離出來，而煙氣則通過旋風分離器頂部引出，分別經過過熱器、省煤器將熱量傳遞給尾部受熱面管內介質后，煙氣通過空氣預熱器進入除塵器去除細小顆粒，最后由引風機抽出，經煙囪排出大氣。

2 改造原因分析

2.1 隨著國家“雙碳”政策的推進、環保政策收緊及公司高效綠色低碳發展的內在要求，晉開集團作為開封市具有強大社會關注度的龍頭企業，在節能減碳方面應具有一定的示范效應。

2.2 改造前，爐膛出口溫度一般在750℃左右（進出口溫差約300℃），不能達到最佳溫度要求，造成氮氧化物控制難度大[1]。

2.3 循環流化床鍋爐經濟燃燒性能的關鍵因素之一是循環灰量[2]。當前鍋爐的各項數據表明，鍋爐循環灰量較低，爐膛內部缺乏足量的循環灰來蓄熱、傳熱，只有提升循環灰量，才能提升系統熱效能。

2.4 鍋爐已經運行較長時間，部分部件已出現老化、結構受損等問題，尤其是省煤器系統磨損悶堵、屏式過熱器過熱悶堵、水冷壁磨損補焊導熱變差等原因，導致鍋爐系統產能下降、效率降低，蒸汽產出已降低至設計值的83%。

3 優化改造方案

為提升鍋爐效率、實現氮氧化物的有效控制，晉開集團經過廣泛調研、論證，提出了節能提效及低氮燃燒優化改造，確立了分兩步走的技術改造方案：第一階段改造部分燃燒系統，第二階段改造汽水系統增加受熱面。

3.1 布風系統優化

通過縮減床面，降低一次風份額，控制床溫；在一次風中引進低溫甲醇洗廢氣，降低一次風含氧量[3]；將同等材質8個Φ13 mm孔徑的鐘罩式風帽改造為8個Φ12 mm孔徑的內嵌逆流風帽。以上舉措可保證在鍋爐同等出力情況下，降低燃燒中心和燃燒溫度，避免過氧燃燒，從而促使NOx原始濃度的減少。

跟葉劍英一同入學的，還有幾位來自朝鮮半島的學員。其中最著名的是李范奭，這位1948年韓國獨立后擔任過韓國第一任內閣總理兼國防部長的革命家，到講武堂讀書時，還是一個17歲的青年。

3.1.1 大床優化

縮減床面，在前、后墻適當敷設耐火澆筑料以減小床面，進而適應一次風份額的降低，控制床溫。大床改造示意圖見圖1。

圖1 大床改造示意圖

3.1.2 風帽改造

鍋爐原構造中，采用969個材質為ZG8Cr26Ni4-Mn3NRe、孔徑尺寸為Φ13 mm的鐘罩式風帽進行平行陣列布局。此次改造將此風帽更換為957個內嵌逆流風帽（尺寸為Φ12 mm，風帽及芯管材質均為ZG4Cr26-Ni4Mn3NRe）。內嵌逆流風帽具有全程控制阻力、布風均勻、防漏渣、防磨損、材質抗熱態磨損性能高、可靠性高等特點。

3.2 中心筒優化

中心筒是循環流化床鍋爐的關鍵部件，在旋風分離器中部起著導流的作用，將分離器內較輕的細顆粒導出分離器，進入尾部煙道，其運行效果關系著循環倍率和鍋爐效率。原中心筒材質為ZG8Cr26Ni4Mn3NRe、尺寸為Φ2 100 mm×3 800 mm，采用拉撐式布局結構，易出現本體缺陷，導致分離效果差。鍋爐高負荷運行時，床溫及返料溫度偏高，也驗證了分離器效率偏低、循環灰量少、爐膛差壓低等現象。經過論證，將中心筒由拉撐結構改為牛腿支撐式，且由06Cr25Ni20/δ10 mm耐熱鋼板卷制而成，尺寸為Φ2 100 mm×2 650 mm，采用上述改進型結構，可防止本體變形。中心筒改造前后對比圖見圖2。

圖2 中心筒改造前后對比圖

3.3 脫硝系統優化改造

3.3.1 當前分離器進口煙道對物料顆粒加速不利，分離器入口煙氣流速偏低，通過將分離器進口煙道重新塑形，縮小分離器入口寬度，強化分離器入口氣流速度，同時配合中心筒偏心改造，提升煙氣流速，使煙氣和夾帶的物料在進入旋風分離器之前得到較大的動量，更好地完成氣固分離，提升分離器分離效果。分離器進口煙道改造前后對比圖見圖3。

圖3 分離器進口煙道改造前后對比圖

3.3.2 煙氣脫硝采用選擇性非催化還原法，主要是將氨水經爐膛上部南北兩側各4條噴槍噴入溫度為850℃左右的區域，使其發生還原反應，脫除氮氧化物，生成氮氣及水。該還原法的關鍵在于溫度點的選取，一般認為最理想的溫度范圍在820℃～1 000℃。為提高脫硝效率，公司決定采用雙流體形式新型氣泡霧化噴槍，提高噴射霧化角度和覆蓋角度；與此同時，提升空氣壓力及空氣量，進而調節液氣比，改變氨水霧化最大粒徑和速度，達到霧化粒度為直徑60 μm～80 μm，以此來提升氨水的霧化效果。通過此改造，使氨水在介質接觸過程中分布更均勻、參與度更廣、反應更徹底，從而降低了NOx的排放量。

3.4 返料床改造

返料床的作用是將旋風分離器分離出來的固體顆粒返回到鍋爐爐膛內參與燃燒。原返料器隔板炭化變形嚴重，布風板及風帽損壞較多；分離器改造以后，分離效率提高，需要返回鍋爐爐膛的固體顆粒大幅提升，為了提高返料能力并延長返料器組件的運行周期，將原返料器隔板和布風板全部拆除更新，返料風帽更換為新型結構。改造后的風帽通過風帽中間加風帽柱、孔道變為斜孔并增加厚度等措施，具有用風量小、耐高溫、耐沖刷等優點。

3.5 三級省煤器優化改造

循環流化床鍋爐原結構采用的螺旋鰭片省煤器管徑Φ32 mm、管壁厚度4 mm，共178排，上下兩層管排布置。螺旋鰭片省煤器是將螺旋鰭片焊接在省煤器的管體上，大量的螺旋焊接會使管道發生形體變化，介質在管體中流動時易發生擾流、湍流等不正常現象，對管道內壁產生磨損；管道外部的螺旋鰭片安裝在煙氣通道中，煙氣攜帶的灰流在省煤器外部繞著螺旋鰭片反復改變沖刷磨損部位，造成省煤器管排運行周期短。為此，將省煤器更換為H型鰭片省煤器，其管徑Φ32 mm、管壁厚度4 mm，共149排，每排增加一組水平U型組合，增大換熱面積。更換H型鰭片省煤器后，H型鰭片與管子垂直，把空間分為若干小的區域，對氣流有順向導流和均流作用，既能增大換熱面積，又能對易沖刷部位準確防護，與原螺旋鰭片省煤器相比，在使用壽命和換熱效果方面都有較大改善。

4 改造效果分析

4.1 改造前后工藝參數對比分析

同等蒸發量條件下，改造后鍋爐運行的基礎工藝參數見表2。

表2 改造后鍋爐運行工藝參數

對比表1、表2可知：改造后爐膛差壓提升、返料溫度增加，說明爐膛上部稀相區循環灰量已提升；爐膛出口煙氣含氧體積分數由10%左右降至8%左右，說明鍋爐熱效率明顯提高；改造前爐膛內部因循環灰量低、灰濃度不足導致的蓄熱、傳熱能力不足在改造中得到了有效改善，爐內溫度場、壓力場更加趨向于系統設計值，更均衡、更科學。

4.2 環保效益

改造后，爐膛蓄熱能力增強，使出口溫度維持在800℃～860℃（上下溫差130℃左右），符合選擇性非催化還原法脫硝的理想反應溫度，大大降低了脫硝反應控制難度，具有一定的環保效益。改造前晉開集團二分公司鍋爐的NOx排放質量濃度在90 mg/m3，改造后NOx排放質量濃度低于50 mg/m3。

5 結 語

晉開集團二分公司鍋爐節能提效及低氮燃燒優化改造項目實施后，氮氧化物排放量明顯降低，鍋爐效率明顯提高。未來，公司仍將以節能降耗、減少排放為突破點、落實點，在各項運行指標優化、降低入爐煤的粒度、優化改善煤質、提高鍋爐效能等方面持續改進，以提升循環流化床鍋爐的技術優勢和經濟效益，將節能環保工作做到最佳，助力國家“雙碳”目標的實現。