高溫分離循環流化床鍋爐低氮燃燒改造小結

舒 曉

(重慶索特鹽化股份有限公司，重慶 萬州 404000)

1 項目背景

我公司現有的4#鍋爐為無錫華光鍋爐股份有限公司生產的UG-130/9.8-M型鍋爐，于2009年正式建成投運。該爐型為早期設計制造的產品，當時國家對氮氧化物排放指標還未嚴格控制，因此設計之初，主要考慮的是熱效率，故床溫設計選取普遍較高，達到950 ℃以上。在鍋爐運行時，隨著床溫的升高，為了防止高溫結焦，相應的一次風的給風量非常大，氧量普遍控制在6%～8%之間，爐膛下部燃燒充分，爐膛內部上下溫差較大，氮氧化物原始排放濃度高，達到200 mg/Nm3左右。

隨著國家環保要求的愈發嚴格，超低排放乃至凈零排放已經成了發展的必然趨勢，經過對類似鍋爐運行的考察學習后，我公司決定對4#鍋爐進行低氮燃燒改造，降低氮氧化物原始排放量，同步對4#鍋爐進行大修，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和燃料中的碳氫離子團反應生成的，此種氮氧化物含量較少；燃料型氮氧化物為燃料中的有機氮化合物在燃燒過程中氧化生成的。循環流化床鍋爐爐膛溫度控制在850～950 ℃，最高不允許超過990 ℃，對三種類型的反應機理分析可以得出，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，主要存在以下幾個方面：

1)燃燒溫度的影響：

燃燒溫度對氮氧化物生成是有影響的，隨著溫度的升高，氮氧化物會逐步增加。當溫度達到1 500 ℃以上時，熱力型氮氧化物會大量增加，此時生成的氮氧化物將占生成總量的15%～25%。而循環流化床鍋爐溫度區間遠低于1 500 ℃，在這種工況下，燃燒溫度對氮氧化物有影響，但并不是很大。

2)過量空氣系數及一、二次風率的影響：

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

減小一次風率，使密相區為還原性氣氛，抑制氮氧化物生成；同時密相區流化風速減小，氣體及燃料顆粒停留時間延長，可以抑制氮氧化物的的生成。另提高二次風率，增強了二次風穿透能力，加強了稀相區的氣固混合，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。理論上煤的揮發分和含氮量越高，氮氧化物生成量越多。煤炭顆粒越細，燃燒速率越高，炭粒表面還原氣氛增強，能抑制燃燒中氮氧化物的生成，但太細卻會增大燃料飛灰損失，故在燃料種類無法改變的情況，應盡量達到燃料顆粒度設計要求。

3 改造內容

根據上述對氮氧化物生成影響因素的分析，針對性的對4#鍋爐進行了以下改造：

1)增加水冷屏：在爐膛內布置2片“水冷屏”，每片15排管，節距 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，水冷屏為蒸發受熱面，可以有效地吸收爐膛內的熱量，達到降低床溫的目的。

2)更換屏式過熱器：由于床溫降低后，勢必會影響主汽溫度，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3片過熱屏全部更換，由16排管加寬到23排管，節距60 mm，寬度1.38 m，高度維持不變，以增大換熱面積。

3)燃燒裝置優化：現有布風板的橫斷面為7 330×2 800 mm，低氮改造將一次風比例由60%調整到50%后，布風板面積明顯偏大。因此將布風板進行整體更換后，在布風板前墻、后墻采用耐磨澆注料加厚，縮小布風板面積，并在其上均勻開孔布置風帽。一次風通過這些風帽均勻進入爐膛，流化床料。風帽采用新型低氮燃燒風帽，風帽橫向、縱向節距由160 mm改為170 mm，風帽數量由747個減少為660個。這樣改造可以減少流化風量，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：原分離器進口煙氣流速設計為22 m/s，根據氣流動態模似研究發現，當分離器進口煙氣流速提高到25 m/s左右時，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，將分離器進口煙道寬度由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，以防止循環灰反竄，返料口標高由7 600 mm下降至6 855 mm，且兩個返料口向爐中心線都移動400 mm，以適應低料層運行方式，中間冷渣器放灰，兩側冷渣器放渣。

5)一、二次風系統: 改變一、二次風比例，由原來的60%/40%改為50%/50%，即加大二次風量，減少一次風量，以強化循環床鍋爐分級燃燒的強度。二次風噴口由原上下各8個，改為上二次風噴口13個(其中前墻6個后墻7個)、下二次風噴口4個(前后墻各2個)。同步增加二次風風管直徑，以減少風管阻力，風管的標高保持不變。

6)同步新增碎煤機，保證入爐煤粒度達到低氮改造設計要求。

4 改造前后數據對比

4#鍋爐進行低氮改造以后，需維持一個低料層、低床溫、低氧量的運行狀態。在調試運行階段，經過大量摸索，我們得到了下列對比數據，以供參考。

表1 4#鍋爐運行參數

5 總 結

4#爐進行低氮改造以后，至今已運行1年有余，運行較為穩定。風室壓力一般維持在7～8 kPa，整個爐膛溫度場分布均勻，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，基本達到了改造預期排放效果。但是，鍋爐在實際運行過程中，仍有以下問題需考慮進一步優化：

1)按現有的實際配套風機，一、二次風機余量足夠，采用風門調節的話，損失較大。建議對一、二次風機進行變頻調節改造，以達到節電的目的。

2)低氮燃燒改造以后，灰分量相應的增加，經過旋風分離器分離后的細灰粘度增大，附著在鍋爐尾部受熱面上，會造成排煙溫度升高，嚴重影響鍋爐的熱效率。因此在低氮改造時，要綜合考慮增設吹灰系統，以保證吹灰效果。

綜上所述，循環流化床低氮燃燒改造，是一個比較成熟的技術，可以很好的控制氮氧化物的原始排放量。結合風機變頻調節改造，完全可以達到節能減排的目的，尤其適合老舊鍋爐的改造。但在進行初始低氮改造設計時，要充分考慮對后續受熱面積灰的影響，并配套對碎煤系統進行優化改造，否則改造效果會大打折扣。