循环流化床锅炉低氮燃烧一体化的改造技术

循环流化床锅炉低氮燃烧一体化的改造技术

赵国昌

中国石油哈尔滨石化公司 150056

摘要：循环流化床锅炉（CFB）具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放浓度低等优点，适用于燃烧劣质燃料和低热值的煤种，因此我国一直推进循环流化床锅炉用于燃烧以煤矸石为主的低热值煤。但由于劣质燃料灰分大、热值低、硫分高等特点，因此要同时满足CFB锅炉稳定安全的运行和污染物超低排放的标准，存在着一定的难度。CFB锅炉要达到氮氧化物的超低排放，通常采用脱硝技术有低氮燃烧（LNB）技术、选择性非循化还原（SNCR）技术和选择性催化还原（SCR）技术这三种技术的组合。

关键词：低氮燃烧；流化床锅炉；NOx；设备升级改造

引言

能源与环境是当今社会存在的两大问题，近几年国家对环保的重视程度逐年提升，对火力发电企业大气污染物排放的标准和要求愈发严格。根据国家下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》，要求NOx、SO2及烟尘分别达到50、35、10mg/Nm3排放要求。虽然流化床锅炉具有高效、清洁、低污染的燃烧技术，但在如此严峻的环保压力下，即使安装配套的SCR+SNCR联合脱硝技术，烟气氮氧化物排放指标也难以稳定控制。

1存在的问题及原因分析

（1）二次风配风方式不当。二次风是锅炉内燃烧过程的主旋律，设法降低一次风率、提高二次风率，既可以强化氧化区燃尽和还原区低氧分段低NOx燃烧效果，也抑制温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧的过程统一。本文中的锅炉设计一、二次风风量比例为4∶6，二次风口分布位置不合理，数量上也未考虑与煤质和炉型的关系，单只喷口风量分配性不好，二次风设计并没有实现充分协调，没有正确处理好射流穿透、配风均匀性、风煤比局部均衡和合理制造还原氧化区分布这几方面的协调关系。（2）锅炉灰循环差而分离器效率低。锅炉分离器设计效率较低，灰颗粒外循环倍率不足，炉内热负荷分配极不平衡，负荷的变化往往会影响到燃烧份额变化，造成类似于煤粉炉炉内火焰中心上移效果。由于存在颗粒粗大时床温偏高而物料细微时床温偏低的规律，炉内的燃烧份额随颗粒级配和粒径而迥然不同。此外，布风板、风帽和均压风室的设计瑕疵，也会造成布风不均匀，增加床温控制的难度。

2流化床锅炉低氮燃烧一体化改造技术

为了增加高位燃尽风的风量，对燃烧器进行了重新设计，调整了各燃烧器喷嘴间的间距，改变了四角切圆燃烧的直径。改造过程中对燃烧器的风箱、风门和燃烧器喷嘴等设备进行了更换。本次改造对风量进行了合理的配置，调整了燃烧区域的一、二次风的喷嘴面积，适当减小了燃烧区域的二次风量，增加了一次风速，以满足不同煤种的燃烧要求。改造过程中将锅炉底部的一次风和端部风的切圆适当减小，但仍采用逆时针方向旋转；其余的二次风采用顺时针切入，并使二次风的风向与一次风形成小角度的偏置，这样就形成了横向的空气分级。为了促进燃烧，在原燃烧器的上方设计了分离燃尽风喷嘴，分离燃尽风喷嘴可上下、左右摆动。

2.1二次风系统改造

对流化床锅炉来说，二次风是炉内燃烧的主旋律，提高二次风率降低一次风率，是比较好的分级送风的好方法。本次改造通过适当降低一次风的含氧量，间接减少一次风率、增加二次风率。使得底部一次风所供给氧量的减少，密相区还原性气氛加强。通过增加二次风的风率，增加二次风的压头，使得稀相区物料悬浮浓度的增加及燃烧份额的上移，局部未燃尽一氧化碳和其他还原性气体浓度增加，对NOx的还原效果明显，且对后续焦炭粒子燃尽有利。本次改造主要针对二次风量、风速、角度等进行更改。对一二次风的比例进行合理分配，使得一次风压头下降，二次风压头提升，大幅提高二次风的穿透力，达到分级燃烧的目的，使得燃料能够燃尽。

2.2烟气再循环系统改造

烟气再循环的作用：除了间接提高二次风率、产生一次风厌氧环节的分级燃烧效果之外，还构成了CFB锅炉变负荷时所需床温调定功能，使得随负荷变化过程中，床温变化不再那么陡然变动，对床温的稳定协调有非常好的作用。图1为烟气再循环系统示意图。根据锅炉原设计的主要参数、实际运行状况和煤质等，确定烟气再循环改造方案。原设计锅炉出口烟气量为1135000Nm3/h（α=1.2，O2=3.5%），排烟温度为145℃。综合考虑后，烟气再循环系统设计为：再循环风机采用挡板调节，设计风量选择250000m3/h左右，根据负荷变化适量调整再循环烟气投用量。系统包括烟气再循环管道、风量电动调节门、关断插板门、再循环增压风机等，同时增加DCS控制画面达到远程操作。锅炉现有一次风机2台，从现有引风机出口烟道引回锅炉侧，母烟道一分二分别进入现有2个一次风机入口，本次烟气再循环系统分支管路设计有烟气风量测量装置及分配电动调节风门，保证烟气再循环管路系统的风量分配适用性，提高炉底一次风氧量分配的均匀性，实现床温控制的均衡性。

2.3旋风分离器改造

循环流化床锅炉的燃烧、传热都伴随着大量的循环灰。若循环灰量不足，会造成锅炉床温偏高，风室压力无法维持且锅炉带负荷能力差等一系列问题，可以说循环灰量的大小与循环灰的稳定性对流化床锅炉燃烧起着决定性作用。原有锅炉在设计初期对分离器入口流速设计值在24m/s，而一般比较理想的速率至少因该在27m/s以上。在加炉膛出口温度低，进一步降低了分离器入口流速。此次改造分离器入口烟道形状进行处理，增加入口流速来增加循环灰量。

2.4锅炉风量调整原则

目前锅炉运行状态是：锅炉顶部燃烧器内二次风量过量，二次风风速高，温度低；通过降低二次风量，相比之前燃烧器内烟气温度有所提高，氧量降低同时削弱炉内氧化气氛，有利于控制NOX的生成；上述锅炉顶部三次风改造，增强了火焰在炉膛截面方向上的扩散，同时减少了火焰内燃料的分层现象，起到了强化燃烧的作用。燃料分级燃烧技术，一般按过量空气系数大于1或者小于1，将炉膛空间分为主燃区、再燃区和燃尽区三个区域。大部分燃料（80%～85%）在预燃室及炉膛上部形成主燃烧区，该过量空气系数一般大于1（或接近1），主燃区呈贫燃料燃烧状态，该区域内会生成较大量的NOX；剩余的（15%～20%）再燃燃料从主燃区进入炉膛，主燃区生成的大量NOx经过再燃区还原性气氛，使得还原NOX为N2，最后由炉膛中部进入的助燃空气作为燃烬风，以保证燃料的燃尽，飞灰的残C尽可能的低。

2.5炉膛风帽改造

改造前，炉膛风帽约为1400个，都采用小口径钟罩式，按统一的间距布置。通过近几年的运行，基本每半年将会有一半的风帽出现磨损严重，芯管烧断的问题，每次停炉风室积灰严重，造成运行周期短等问题。

结束语

(1)改造后，锅炉在额定负荷内使得锅炉初始NOx排放浓度从原有的400mg/Nm3降低至185mg/Nm3。(2)改造后，结合SNCR脱硝系统，锅炉在额定负荷内的NOx最终排放值稳定在50mg/Nm3(O2)以下，实现全负荷下的NOx超低排放。(3)改造后，锅炉热效率提高0.8个百分点，辅机电耗及产汽煤耗降低1.5kg/t。(4)改造后，锅炉运行周期得到提升，炉内受热面磨损速率大幅下降。

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