循环流化床锅炉低NOx燃烧环保改造

周洋; 李曈; 郭思鹏; 张政

doi:10.12030/j.cjee.201804047

循环流化床锅炉低NOx燃烧环保改造

1.
大唐东北电力试验研究院有限公司，长春130012
基金项目:

Low NOx combustion environmental protection modification for circulating fluidized bed boiler

1.
Datang Northeast Electric Power Test Research Institute, Changchun 130012, China
Fund Project:

摘要: 循环流化床锅炉具有低NOx燃烧的特性，但随着环保要求的不断提高，大部分此种类型锅炉已不能满足现行排放标准，需对原锅炉进行改造。考虑到循环流化床锅炉的结构特点，不适宜进行SCR改造，采用SNCR工艺需具备相应的温度窗口，并且增加还原剂的物料消耗，因此，利用循环流化床炉自身的特点进行局部改造，达到低NOx燃烧的目的，成为一种经济的研究方向。根据某循环流化床锅炉的改造实例探讨具体改造方案及最终效果，提出一种有效的循环流化床锅炉低NOx改造思路。
- 循环流化床 /
- 锅炉 /
- 低NOx燃烧 /
- 改造
Abstract: The circulating fluidized bed (CFB) boilers have low NOx combustion characteristics. However, with the increasing environmental protection requirement, most of CFB boiler has been unable to meet the existing emission standards, and modification of the original boiler is required. Taking into account the structural characteristics of CFB boiler, it’s not suitable for SCR transformation. The SNCR process requires a corresponding temperature window and increases the material consumption of the reducing agent. Therefore, partial modification of CFB furnace based on its own characteristics to achieve low NOx combustion has become an economic research direction. The specific modification project and the final effect were discussed according to a CFB boiler modification example. This paper presents an effective low NOx modification idea for CFB boilers.
- circulating fluidized bed /
- boiler /
- lower NOx combustion /
- modification

自2014年7月1日起，循环流化床（circulating fluidized bed）锅炉氮氧化物排放执行《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）规定的循环流化床排放限值，即NO_x<200 mg·m⁻³ ^[1-3] 3]（标准状况下273.15 K，101.325 kPa 的质量浓度）。国内蒸发量420 t·h⁻¹以上的大型CFB 锅炉NO_x平均排放浓度为230 mg·m⁻³左右；而蒸发量240 t·h⁻¹的中小型锅炉NO_x烟气排放浓度更高一些，平均为300 mg·m⁻³。总体上来讲，CFB锅炉NO_x烟气排放浓度平均为270～290 mg·m⁻³。一般来说，CFB锅炉的NO_x排放值确实要显著低于那些未采取有效炉内低氮燃烧技术的普通煤粉锅炉，但仍未达到国家现阶段NO_x排放标准。当然，目前有极少部分CFB锅炉NO_x排放浓度已经达到90～150 mg·m⁻³，但这部分达标机组比例不超过10%，大部分循环流化床锅炉仍需进行改造^[4-5]。

目前，对循环流化床运行优化和改造已有一些研究，多数为燃烧配风的控制，虽然有一定的效果，但对现场的运行人员操作要求较高，无法保证长期稳定的达标排放^[6-9]。本研究针对某循环流化床锅炉改造实例进行探讨并提出有效降低NO_x的思路，即CFB锅炉炉内低NO_x燃烧技术一体化改造方案，通过对二次风、水冷屏、过热器、返料系统、布风板、风帽、给煤口的优化，以及采用烟气再循环、SNCR等烟气脱硝技术大幅度地降低NO_x的排放浓度。采用该方案后，炉膛出口NO_x排放浓度应不高于50 mg·m⁻³。而考虑到暂无NO_x的超低排放需求，对于NO_x浓度无超低排放改造要求的锅炉，可不考虑增加SNCR脱硝装置。只需进行炉内燃烧改造，NO_x排放浓度低于150 mg·m⁻³即可。

1 实施方案

1.1 工程概况

某厂锅炉型号为YG-75/3.82-M1，蒸发量为75 t·h⁻¹，由济南锅炉厂制造；该厂采用自然循环、中温中压双旋风分离的循环流化床锅炉。3台锅炉均为室内布置，钢结构形式，采用由旋风分离器组成的循环燃烧系统，炉膛为膜式水冷壁结构，过热器分高、低二级过热，中间设喷水减温器，尾部设三级省煤器和一、二次风预热器。入炉煤磨煤机主要包括HSZ-50型环锤式破碎机与KBC型细粒破碎机，入厂煤经环锤式破碎机破碎后送入细粒破碎机磨制，合格煤粉送入锅炉炉膛。对该锅炉污染物排放情况进行测试，在蒸发量分别为64 t·h⁻¹和34 t·h⁻¹工况下，锅炉NO_x排放浓度为596 mg·m⁻³和516 mg·m⁻³。锅炉NO_x排放情况浓度偏高，存在的主要问题如下。

1）锅炉炉膛出口NO_x原始排放浓度偏高，可达500~600 mg·m⁻³。

2）输煤皮带只设计了碎煤系统而没有设计合格的筛分系统，使得入炉煤颗粒偏粗，达不到“三筛两碎”的基本要求^[7]。

3）锅炉达不到额定设计出力，在实际运行过程中，锅炉最大出力仅为60～62 t·h⁻¹。

4）锅炉运行中都出现高床温现象，仅在60～62 t·h⁻¹出力下已高达950 ℃，造成NO_x和SO₂超标。

1.2 工艺流程

本次CFB锅炉炉内低NO_x燃烧改造的总体技术方案为：二次风系统改造、增设水冷屏、过热器优化、返料系统局部优化、布风板和风帽的整体完善、给煤口结构优化、烟气再循环以及SNCR烟气脱硝技术改造，可大幅度地降低NO_x的排放浓度。

1.3 设计参数及改进方案

1.3.1 低氮燃烧技术改造方案

1）二次风喷口改造方案。CFB燃烧所产生的NO_x成分，基本上来源于燃料氮的生成，一般称为燃料型NO_x。但氧量不均匀所带来的局部富氧燃烧会导致热力型NO_x剧增，高床温运行也会大幅促进NO_x的生成。对二次风改造后，实现空气沿炉膛的空间分级燃烧，控制炉内温度场相对均匀，消除高温峰值，减弱富氧区，以减少炉内热力型NO_x^[8]。由于分级燃烧独特的流场结构，可解决炉膛中心缺氧问题。在炉膛容积内，制造适合于还原反应发生的最佳温度区域和适当氧量分布，并在下炉膛内部的强还原区域，让含硫物质在碳氢催化作用下分解成H₂S，与烟气中的CaO发生反应，生成CaS，CaS可较稳定地存在于炉渣中，提高了炉内脱硫效率。

锅炉原有二次风喷口数量21个，前墙分3层布置，上、中、下层各2个二次风喷口，共6个二次风喷口；后墙分3层布置，上、中、下层各1个二次风喷口，共3个二次风喷口；左、右侧墙二次风喷口同样分3层布置，上、中、下各2个二次风喷口，共12个二次风喷口，布局极不合理。

二次风口原设计风速约为80 m·s⁻¹，二次风速显著偏高，二次风速高必然会产生二次风喷口静压的下降，不利于二次风穿透。锅炉原前墙上、中、下层二次风喷口距离布风板高度分别为2.567、1.767、1.067 m；左、右侧墙上、中、下二次风喷口距离布风板高度分别为2.567、1.767、1.067 m；前、后墙上层二次风喷口距离原设计浇注料层拐点为1.683 m，二次风喷口布置不合理，必须进行重新布置。

根据锅炉的实际情况，本次改造按现有煤质核算实际二次风布置方案，重新布置二次风口位置、调整入射角度和高度，在合理配风、分级燃烧的基础上，大幅提高二次风穿透性，解决炉膛中心区严重缺氧问题，提高燃料燃尽效果和脱硫反应效率，实现均温燃烧下的高效低氮。将二次风喷口分2层布置，数量由8个增加至12～15个，上、下层二次风喷口采用对称布置或者交叉平行布置的方式。为保证二次风有足够的穿透动量，喷口前段设有5倍以上管道直径的直管段；对原有二次风系统管道进行重新优化布置，改造后二次风喷口相对位置示意图如图1所示。通过二次风喷口的立体分级和水平优化组合，由模拟理论计算可知，温度场分布的不均匀度由21.35%降到了5.41%，床温偏差由140 ℃降低到70 ℃，氧浓度不均匀度由67.48%降低到14.31%，从根本上解决了炉内温度场和氧分布不均匀性问题。

图1 锅炉改造方案布置图
Fig. 1 Layout of boiler reconstruction plan

2）增设烟气再循环。烟气再循环技术的核心，就是利用烟气具有低O₂的特点，将烟气喷入炉膛合适的位置，等效于一次风率的降低，促进密相区物料的还原性初始燃烧，可有效减低床温^[9-10]。与二次风分级相结合的烟气再循环，可有效实现炉内物料的流态化合理构建，达到深度还原降氮的目的。

该锅炉一次风量占总风量的60%，二次风占总风量的40%，一次风量较大。本次改造在炉膛出口氧量一定的情况下，拟在不降低一次风量、保证床料正常流化的基础上，降低一次风中的氧量份额、增加二次风总量，由于底部一次风中的含氧量减少，抑制密相区的燃烧强度，同时二次风喷口分层布置，增大密相区还原气氛，抑制NO_x的生成。

根据锅炉原设计参数、实际运行情况和煤质状况等，确定烟气再循环改造方案，包括烟气再循环管道、风量手动调节门、DCS控制、变频控制、烟气增压风机等。再循环烟气取样点为引风机出口烟道；烟气引入点为一次风机入口，在引入点和引出点分别增加烟气隔断阀，烟气再循环率控制在10%~20%，煤粉炉的NO_x排放浓度可降低15%~25%。当采用更高的烟气再循环率时，燃烧会不稳定，未完全燃烧热损失会增加。图2为烟气再循环系统示意图。

图2 烟气再循环系统示意图
Fig. 2 Schematic diagram of gas recirculation system

1.3.2 受热面的改造方案

锅炉低氮燃烧技术改造是一个系统工程，它不仅仅是一个简单的炉内燃烧技术改造，必须充分考虑炉内和锅内的有机结合才能达到真正的低床温低氮效果。根据该CFB锅炉的情况，本次改造须考虑受热面改造，增设水冷屏以提高锅炉蒸发能力和整体炉温平衡状况，再结合烟气再循环和二次风合理布局共同实现最佳床温，实现低负荷床温不低、高负荷床温不超的理想低氮燃烧增容效果。通过受热面改造后，锅炉的蒸发量能力可提高3～8 t·h⁻¹。

1.3.3 返料系统局部优化

CFB锅炉返料器小布风板分为前后流化与松动2个区域，一部分返料风通过前布风板将返料器内的物料通过回料腿返回炉膛内维持合理的床温和床压，另一部分返料风通过返料器后布风板对分离器立管的灰柱起到松动作用，以使得后布风板内的灰顺利进入前布风板上，保证整个返料器系统正常运行。

在实际运行中，应使得流化风量显著大于松动风量。而该锅炉CFB返料器公用一个风室，这就造成两侧风量基本相同。为了保证循环灰回料的通畅性，小风室必须加以分隔，设置各自独立后的返料风管后方可满足比例调节条件。本次低氮改造过程中，须将返料器风室扩容，并将布风板设立各自独立的风室，使松动风占比40%，流化风占比60%，以保证整个返料系统的较好工作状态。改造后的返料器风室示意图如图3所示。

图3 返料风风室优化改造示意图
Fig. 3 Schematic diagram of the return wind chamber optimization and modification

1.3.4 布风板优化改造

布风板开孔率是流化床锅炉设计的一个重要参数^[11]。布风板上的压降与风帽的开孔率成反比，开孔率越高则布风板阻力越小。布风板阻力过小使得气流通过布风板只有很小的压降，气流就会大量通过床层上部局部颗粒较疏、阻力小的界面，造成局部床层“吹空”和局部因为较密、阻力较大的床层物料的“压死”。致使物料流化不够均匀，局部床温较高和带负荷能力下降，甚至产生风室漏渣现象。1号锅炉正在使用的风帽的开孔率核算结果见表1。

表1 锅炉风帽开孔率核算结果
Table 1 Calculation results of boiler hood opening rate

表1 锅炉风帽开孔率核算结果
**Table 1** Calculation results of boiler hood opening rate
风帽小孔直径/mm	风帽小孔面积/m²	单个风帽小孔数量/个	单个风帽小孔面积/m²	每台锅炉风帽数量/个	每台锅炉风帽小孔总面积/m²	布风板宽度/mm	布风板深度/mm	布风板面积/m²
14	0.000 154	8	0.001 23	286	0.352	4 515	1 924	8.687

从表1可以看出，1^#锅炉风帽小孔开孔率为4.1%，而主流流化床锅炉风帽小孔开孔率约为3.5%～5.3%，锅炉布风板风帽小孔开孔率基本符合要求，但是，由于锅炉一次风从左右侧进入流化风室，造成中间风量偏大，左、右侧风量偏小，为了使得每个风帽进风量尽可能均匀，本次改造将布风板中间区域的风帽更换为小孔径的钟罩式风帽，使中间区域的开孔率为其他区域的70%，降低中间风通过率，尽可能地使风量在各处保持均匀。

1.3.5 播煤风及给煤口优化

给煤口设计对燃煤的燃尽度、播撒效果、床温均匀性和给煤口清洁性非常重要。目前锅炉给煤口距离布风板距离约为1.4 m，但是锅炉播煤风引自低密度二次热风，风压仅为6 000 Pa，结构设计欠妥，输煤风的动力和播煤风的微弱射流作用效果不佳，本次完善播煤风增量、引入部分一次风源，提高风压到10 000 Pa，并对喷口托底播煤风优化改进，达到给煤均匀播撒的效果，防止烟气反窜和局部堆煤现象的出现。

1.3.6 输碎煤系统的改造

该锅炉输煤系统中的上煤系统只有一级碎煤而没有筛分装置，入炉煤颗粒粗大且颗粒非常多。在实际运行中，为了提高蒸发量和避免床温超限，必须用到很大的一次风量，导致烟气中NO_x排放浓度大幅增加。实际测试锅炉炉膛出口氧量约为10.5%，NO_x排放浓度约为596 mg·m⁻³，也证明了这一点。因此，本次低氮改造过程中必须对输碎煤系统进行改造。

因皮带间没有设立原煤筛分装置的足够空间，须在煤场合适的位置设立离线式破碎筛分系统，以制备出足量的、粒度合格的入炉煤。改造后，合理的煤即烟煤的入炉煤质颗粒粒径要求如下：1）该CFB锅炉理想入炉煤平均粒径d₅₀为1.7～1.9 mm，宽筛分粒径分布为0~8 mm，通常情况下，要求5 mm以上颗粒不超过5%、200 μm以下颗粒不超过20%，2种极端颗粒之和最好不超过23%；2）物料颗粒粒径应在0～8 mm范围内，平均粒径d₅₀需控制在1.8～2.0 mm，5～8 mm大颗粒份额≤5%，0～200 μm粒径份额≤25%，其余中间粒径份额≥70%。

按此粒径测试锅炉炉膛出口氧量约为5%~5.5%，NO_x排放浓度可降到300 mg·m⁻³以下。

1.3.7 分离器入口烟道优化改造

旋风分离器是CFB锅炉灰循环的一个核心部件，其入口烟速和导流特征直接影响着分离器的收尘效率，决定了灰循环倍率^[2]。表2是对现有分离器入口烟道烟气流速的核算。

表2 分离器入口烟气流速核算结果
Table 2 Calculation results of gas flow rate of separator inlet

表2 分离器入口烟气流速核算结果
**Table 2** Calculation results of gas flow rate of separator inlet
烟气量/（m³·h⁻¹）	分离器入口烟温/℃	分离器实际入口烟气量/（m³·h⁻¹）	分离器数量/个	单个分离器实际入口烟气量/（m³·h⁻¹）	分离器入口高度/mm	分离器入口宽度/mm	分离器入口横截面积/m²	分离器入口烟气流速/（m·s⁻¹）
83 630	870	350 143	2	175 071	2 480	850	2.108	23.1

注：分离器实际入口烟气量的测试温度为870 ℃。

从表2分离器入口烟道烟气流速可以看出，分离器喉口烟气流速为23.1 m·s⁻¹，烟速偏低，需要对分离器入口烟道进行优化改造。改造方案为：适度提高分离器入口烟气流速，并控制烟气流速在24~27 m·s⁻¹范围内，增速后可以显著改善分离器灰尘捕集效率，对抑制床温和提高蒸发能力产生直接推动作用。

1.3.8 热工测点的优化完善

目前，很多电厂热工测点分布不合理^[12]，针对低氮燃烧改造所需的检测需求，与电厂人员进行沟通和协调，认为电厂现行NO_x排放浓度测点分布不合理，按照相应标准对有关热工测点提出了建议，进行了优化和完善。

2 工程运行效果

2.1 改造后NO_x浓度分布及排放量测试

依据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T 16157-1996），用智能烟气分析仪在除尘器入口测点处采用断面网格法测量，同时记录烟气中氮氧化物、氧浓度，将氮氧化物浓度折算成空气过剩系数为1.4（6% O₂）时的数据，结合烟气量计算NO_x排放量。

2.1.1 52% BMCR工况

52% BMCR工况烟气NO_x浓度场分布见图4。

图4 52% BMCR工况NO_x浓度场分布
Fig. 4 NO_x concentration distribution at 52% BMCR condition

如表3所示，实验期间1号炉52% BMCR工况下实测除尘器入口NO_x排放浓度最高值为75.92 mg·m⁻³，最低值为62.07 mg·m⁻³，平均值为69.34 mg·m⁻³（标准状态干基、6%O₂），NO_x分布不均匀度为6.94%，NO_x排放量为4.93 kg·h⁻¹。NO_x平均排放浓度达到保证值要求，即排放浓度不超过150 mg·m⁻³。

表3 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（52% BMCR）
Table 3 Flue gas NO_x distribution and emission test （52% BMCR）

表3 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（52% BMCR）
**Table 3** Flue gas NO_x distribution and emission test （52% BMCR）
测点	NO_x浓度/（mg·m⁻³）
位置	测孔1	测孔2	测孔3	测孔4	测孔5	测孔6	测孔7	测孔8
1	62.67	67.29	62.63	67.53	68.88	71.95	75.92	75.68
2	69.03	64.78	67.75	62.07	69.75	73.94	75.89	73.70

2.1.2 73% BMCR工况

73% BMCR工况烟气NO_x浓度场分布见图5。

图5 73%BMCR工况NO_x浓度场分布
Fig. 5 NO_x concentration distribution at 73% BMCR condition

如表4所示，实验期间1号炉73%BMCR工况下实测除尘器入口NO_x排放浓度最高值为126.69 mg·m⁻³,最低值为97.13 mg·m⁻³，平均值为115.44 mg·m⁻³（标准状态干基、6%O₂），NO_x分布不均匀度为8.02%，NO_x排放量为8.64 kg·h⁻¹。NO_x平均排放浓度达到保证值要求，即排放浓度不超过150 mg·m⁻³。

表4 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（73% BMCR）
Table 4 Flue gas NO_x distribution and emission test （73% BMCR）

表4 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（73% BMCR）
**Table 4** Flue gas NO_x distribution and emission test （73% BMCR）
测点	NO_x浓度/（mg·m⁻³）
位置	测孔1	测孔2	测孔3	测孔4	测孔5	测孔6	测孔7	测孔8
1	99.05	118.14	117.98	114.12	126.69	120.72	120.97	103.24
2	105.96	120.46	119.77	113.33	123.66	125.7	120.09	97.13

2.1.3 88%BMCR工况

88%BMCR工况烟气NO_x浓度场分布见图6。

图6 88%BMCR工况NO_x浓度场分布
Fig. 6 NO_x concentration distribution at 88% BMCR condition

如表5所示，实验期间1号炉88%BMCR工况下实测除尘器入口NO_x排放浓度最高值为154.60 mg·m⁻³,最低值为106.84 mg·m⁻³，平均值为127.30 mg·m⁻³（标准状态干基、6% O₂），NO_x分布不均匀度为12.05%，NO_x排放量为10.81 kg·h⁻¹。NO_x平均排放浓度达到保证值要求，即排放浓度不超过150 mg·m⁻³。

表5 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（88%BMCR）
Table 5 Flue gas NO_x distribution and emission test （88% BMCR）

表5 烟气NO_x分布测试及NO_x排放量测试（88%BMCR）
**Table 5** Flue gas NO_x distribution and emission test （88% BMCR）
测点	NO_x浓度/（mg·m⁻³）
位置	测孔1	测孔2	测孔3	测孔4	测孔5	测孔6	测孔7	测孔8
1	131.46	121.01	113.65	106.84	116.81	149.19	154.60	127.19
2	115.22	119.56	117.25	107.85	129.41	146.25	148.96	131.49

2.2 脱硝系统实验结果

脱硝系统主要性能实验结果如表6所示。

表6 脱硝实验主要测试结果
Table 6 Main results of denitration test

表6 脱硝实验主要测试结果
**Table 6** Main results of denitration test
测试工况	NO_x排放浓度 /（mg·m⁻³）	NO_x排放量 /（kg·h⁻¹）	NO_x分布不均匀度 /%	标况烟气流量 /（m³·h⁻¹）
52% BMCR	69.34	4.93	6.94	71 028
73% BMCR	115.44	8.64	8.02	74 859
88% BMCR	127.30	10.81	12.05	84 903

注：NO_x排放浓度≤150 mg·m⁻³。

通过实验结果可以看出，在52%BMCR、73%BMCR、88%BMCR工况下烟气中NO_x分布不均匀度分别达到6.94%、8.02%、11.89%，离散值在15%以内，NO_x排放稳定，不高于150 mg·m⁻³，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）规定的循环流化床排放限值。

3 结论

1）目前循环流化床锅炉普遍存在：炉膛中心区缺氧、床温不均匀性、床温异常、炉膛出口、返料温度与床温差值过大、二次风配风方式、物料颗粒度异常、设计床温与一次风的配合、炉内高效脱硫与低氮燃烧的矛盾、脱硝过程与汽水系统的矛盾等问题，这些问题影响NO_x的排放浓度。

2）通过二次风喷口改造、增设烟气再循环、受热面增设水冷屏、受热面返料系统局部优化、布风板优化、播煤风及给煤口优化、输碎煤系统改造等方式，使风量在各处保持均匀，有效实现炉内物料的流态化合理构建，对抑制床温和提高蒸发能力产生直接推动作用，可达到深度还原降氮的目的，抑制NO_x的生成。

3）实际运行表明，通过上述局部优化，NOx排放得到了显著的降低，NO_x浓度场分布合理，循环流化床锅炉仍能高效、稳定运行。因此，在改造设计中必须因地制宜，有针对性地制定改造方案，方可达到最终的理想排放效果。

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期刊类型引用(3)

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