46 MW燃煤層燃鍋爐中NOx減排與節能提升的試驗研究

任庚坡

上海市節能中心

0 引言

我國工業鍋爐80%以上為燃煤鍋爐，年消耗標煤超6 億t，其中容量在20 t/h 以下的鍋爐約占80%，大部分為傳統鏈條爐排鍋爐［1］。傳統的燃煤鏈條爐排鍋爐普遍存在運行效率低，污染物排放高等問題。目前在我國北方地區，冬季采暖季中，常用燃煤鏈條鍋爐作為基礎性熱源使用［2］。隨著社會對污染物深度減排與低碳能效提升的需求，許多使用鏈條爐的企業面臨技術升級的需要。

工業層燃鍋爐通常初始燃燒排放的NOx 濃度在400～800 mg/m3［3］。在機組的氣體污染物排放監控方面，部分重點地區要求燃煤35 t/h 以上層燃鍋爐，實現超低排放要求，即粉塵≤10 mg/m3,SOx≤35 mg/m3, NOx≤50 mg/m3［4］。在鏈條爐的NOx減排技術中，常用的有深度空氣分級［5］、煙氣再循環［6-7］、SNCR［8］、SCR［5］、層燃改室燃［9］等技術。

同時，層燃鍋爐的能效提升也是重要的工藝研究目標。盡可能減低污染物減排的運行成本消耗，提高鍋爐燃燒效率，是工業鍋爐有效提升綠色低碳品質的關鍵。層燃鍋爐中爐渣含碳量高，帶來的機械不完全燃燒損失往往是效率中最大的損失項，可達15%～20%以上［10］。煙氣循環使用也能有效減少煙氣總量，有效降低排煙熱損失［11］。不過，將煙氣循環輸入一次風室，也會讓爐渣含碳量升高，甚至未燃盡的碳含量占到25%～44%［12］，會直接降低燃燒效率。

本文對某46 MW 燃煤鏈條鍋爐，開展了煙氣循環技術的升級改造。改造后，有效降低NOx 排放；同時也有益于降低SNCR 尿素溶液用量，實現了爐渣含碳量的降低。該技術兼顧實現了降低污染物控制運行成本，提高了鍋爐燃燒效率，有著重要的工業借鑒意義。

1 升級的煙氣循環脫硝改造工藝

本文對46 MW 層燃鍋爐進行了脫硝改造。該鍋爐的額定熱功率為46 MW，雙鍋筒設計。出水壓力為1.6 MPa，設計效率82.50%。試驗中煤炭的工業分析數據見表1。

表1 燃燒煤質的工業分析數據

對層燃鍋爐的脫硝改造試驗中，主要采用了煙氣循環工藝、SNCR 工藝。鍋爐改造前NOx 的排放數據為420 mg/m3（考慮工業鍋爐爐型，使用9% O2折算）。改造試驗的工況有三個（見表2）。改造工況1，將循環煙氣輸送到爐底的一次風中，通過改變層燃爐底部一次風的含氧濃度，來降低NOx 污染物。改造工況2，將循環煙氣輸送到爐內的喉口、燃燒室側壁中，通過創造爐內的還原性氣氛，來降低NOx 排放。改造工況3，在改造工況2 的基礎上，增加了SNCR 的尿素噴射。SNCR 噴槍設計在喉口上部約1 m 位置，充分利用了煙氣循環對SNCR的影響。改造試驗工況見表2。

表2 改造試驗工況

2 循環煙氣進入爐內不同位置的影響

對兩種不同的煙氣循環脫硝改造工藝進行了對比。圖1 是工況1 試驗條件下，煙氣的NOx 排放與O2濃度數據。圖2 是工況1 與工況2 的對比，比較了煙氣中的NOx與O2的濃度數據。

圖1 改造工藝1運行后對鍋爐出口煙氣參數的影響

圖2 改造工況1與工況2運行后對鍋爐出口煙氣參數影響

在工況1 下，NOx排放濃度降低14.7%～23.5%的比例，證明了爐底通入煙氣是有脫硝意義的。在試驗進行過程中，觀察了O2濃度的變化，從8%降低到5.5%。O2濃度的降低是煙氣循環穩定后，因為系統中有更多的煙氣占比，形成了對煙氣O2濃度的下降。

在工況1 下，對排入到渣坑的大渣進行取樣。改造前，大渣的含碳量為8%，經過工況1 的工藝改造，大渣含碳量提升到16%。大渣的含碳量提高，樣品顏色呈現灰黑色。這一點與文獻［10］和［12］的敘述一致。由此可見，利用煙氣循環降低一次風含氧濃度，以降低NOx，技術雖然有效，但是代價較大，直接降低了未燃盡固體含量，降低了整體的鍋爐效率。

圖2為改造工況1 與2 的對比。可見，NOx 排放濃度都有效降低，特別是較低的26～32 MW 負荷下，脫硝率有27.3%。工況2 脫硝的效果與工況1是相同。另外，對比煙氣中O2濃度的數據，與工況1不同，改造工況2 與改造前的O2濃度相同，O2濃度未降低。在改造設計中，將約15%的煙氣返回輸送到爐內，并沒有更改一次風空氣的量，所以經過爐排的O2量并沒有差異。雖然也有煙氣循環操作，但是整體的O2濃度沒有明顯的降低。脫硝是利用煙氣循環在爐內創造了還原性氣氛，與工況1 的機理不同。

對于大渣含碳量，工況2 下取樣的測試數據為7.8%，與改造前并沒有太多差異。由此可見，工況2比工況1更能保證鍋爐效率，是推薦的改造工藝。

3 煙氣循環改造后對爐內溫度場的影響

對脫硝工藝2 的爐內溫度場與組分場的影響進行了討論（詳見圖3 與圖4）。圖3 為滿負荷下，改造前（即關閉煙氣循環風機）與改造工況2 的溫度數據進行了對比。圖3 中的數據，是位置基于喉口（縱高4 m），從爐排到爐頂的不同高度處采集的。可見，改造前，爐內煙氣溫度較高的位置在6 m附近，即喉口上方約2 m 的位置。該位置煙氣溫度較高（1 120 ℃），源于爐內未燃盡的燃料（可燃氣體與炭黑）與O2接觸后的燃燒行為。改成了工況2后，會發現從爐排上自2～6 m 的位置，煙氣溫度都達到了1 150 ℃。圖4 是把喉口前后兩個位置的四個量都進行了測試對比，包括NOx 濃度、CO 濃度、O2濃度、煙氣溫度。可見，在改造前，后拱附近的O2濃度為12.6%，增加煙氣循環后讓喉口位置的氣流進行了充分混合，使后拱附近的O2濃度降低到7.4%。因為更多的O2在充分混合中，與CO反應與燃燒。改造前，前拱附近的高濃度CO(2 238 ppm),改造后趨于零，前拱附近痕跡的CO 量是140 ppm。正是因為煙氣的充分混合，讓燃燒溫度有提升，前拱附近煙氣溫度到了1 099 ℃，后拱煙氣溫度高到了771 ℃。同時，考慮爐內的煙氣循環作用，讓喉口處的NOx也有降低，從改造前的334～373 mg/m3降低到218～225 mg/m3, 實現了有效的脫硝效果。

圖3 滿負荷工況爐內不同縱高處煙氣溫度的變化

圖4 煙氣循環改造后滿負荷工況在喉口附近的各量變化

4 煙氣循環與SNCR協同作用的影響

由于喉口附近的煙氣溫度有效的提升，考慮讓SNCR 噴槍位置下移，即安置在喉口上方。SNCR的工作溫度窗口為850～1 100 ℃，期望噴入的尿素溶液霧滴可以在較高溫度下，并且有更多的反應停留時間。本文把工況2煙氣循環工藝不使用和使用的情況，進行了對比（見表3）。

表3 煙氣循環與SNCR 協同作用的效果

將NOx 降低到98.4～107.3 mg/m3，兩個工況的噴尿素量是不同的。單獨使用SNCR 整體脫硝效率為69.3%，使用煙氣循環與SNCR 協同的脫硝效率為71.9%。特別是計算使用的尿素量（干粉），改造前為1.51 t/d。使用煙氣循環與SNCR 協同，使用尿素量是1.19 t/d。由此可見，尿素使用量減少了21.1%。

在實現同等煙氣脫硝效果的同時，新技術能夠降低大渣的含碳量，也降低尿素用量，是經濟、低碳、高效的污染物減排模式，是一種節能的技術。

5 結論

本文在46 MW 的層燃燃煤鍋爐中，通過現場工藝改造與試驗。討論了三種脫硝技術工藝的差異。研究結果如下：

1）采用煙氣循環進入爐底一次風的技術（工藝1），可以有效降低NOx。但是，該技術的不足是讓大渣含碳量提升，降低了鍋爐效率。

2）采用煙氣循環進入爐內（工藝2），營造還原性氣氛，實現NOx 的有效降低。試驗發現，脫硝效果能夠與循環煙氣進入爐底的脫硝效果保持一致，不同的是煙氣中的O2濃度沒有降低。

3）讓煙氣循環進入爐內，可以讓喉口附近的煙氣充分混合，使爐內溫度有效提升。該溫度對SNCR 噴射很有利，也使尿素溶液霧滴可以在爐內有更多的停留時間。工藝技術2 與SNCR 協同（工藝3），可以實現尿素用量減少，并且爐內綜合的脫硝效率達到71.9%。