130t/h循环流化床锅炉低氮燃烧技术改造及其效果分析
0引言
为了改善大气环境质量，国家出台了一系列环保政策，GB13271《锅炉大气污染物排放标准》于2014年颁布实施，对燃煤锅炉的污染物排放提出了更高的要求，需要达到 100mg /Nm³以下，特别是浙江省在 2018年颁布了DB33 /2147 -2018《燃煤电厂大气污染物排放标准》地方标准，对燃煤机组等提出了比国家标准更严格的超低排放要求，尤其是对NOx排放浓度进行了严格的控制，需要达到50mg/Nm³以下。宁波众茂杭州湾热电有限公司4号锅炉于2007年12月投入使用，已不能满足日益严格的环保排放要求，在2016 年对4号锅炉进行了低氮燃烧技术改造。本文介绍了这台锅炉低氮燃烧改造的情况以及改造后的效果，该低氮燃烧技术方案并在其余3台锅炉上得到了很好的应用。
1低氮燃烧技术改造
1.1锅炉使用情况概述
宁波众茂杭州湾热电有限公司使用的4号锅炉由无锡华光锅炉股份有限公司制造，型号为UG - 130 /5.3- M5的次高温次高压循环流化床锅炉，单锅筒横置式，单炉膛，自然循环，全悬吊结构，全钢架 П 型布置，设计煤种为烟煤。炉膛采用膜式水冷壁，锅炉和烟道中间是绝热式旋风分离器，尾部竖井烟道布置两级三组对流过热器，过热器下方布置三组光管省煤器及一、二次风各三组空气预热器。环保设施配有一套石灰石炉内脱硫系统、一套SNCR脱硝系统、一套布袋除尘系统、一套炉外湿法脱硫系统。目前，锅炉 NOx原始排放浓度约 350mg /Nm³，采用“SNCR“脱硝工艺进行脱硝 后，NOx排放浓度可控制在90350mg/Nm³左右，无法达到《燃煤电厂大气污染物排放标准》中 NOx规定的要求。因此，在2016年对该台锅炉进行了低氮燃烧技术改造。
1.2 低氮燃烧原理及影响因素
NOx主要来源于人类的活动，其中绝大部分来自燃料的燃烧，根据形成机理，可分为燃料型NOx、热力型 NOx以及瞬时型NOx，其中瞬时型NOx产生的量很少，可忽略不计。循环流化床燃煤锅炉产生的主要是燃料型 NOx，大约占总 NOx的 75% ～ 90% ，其次是热力型 NOx。燃料型 NOx的生成的反应过程和燃烧条件( 如温度和氧气)及各种成分的浓度密切相关。热力型 NOx 生成的原理如下:
当燃烧区域温度低于 1000℃ 时，NO的生成量较少，随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加，当温度足够高时热力型 NOx可达20% 。因此，温度对热力型 NOx 的生成具有绝对性的作用，另外，空气系数和烟气停留时间对热力型 NOx的生成也有很大影响。
根据上述分析，针对循环流化床锅炉的运行特性，本次改造从炉膛温度控制、高温旋风分离器的分离效率，含氧量，床温控制，分级燃烧，布风板布置，返料系统的优化等方面对4号锅炉进行低氮燃烧技术改造。
1.3 改造内容
1.3.1增加炉膛受热面
1)增加两片水冷屏。在靠近前屛水冷壁处左右各布置一片水冷屏，从前屏水冷壁中部穿进炉膛然后向上，从炉膛顶棚管穿出，并从两根集中下降管分别引出一根下降管连接到水冷屏下集箱，水冷屏下部迎烟气冲刷2.5米范围内浇注料敷设，将原来水冷壁上集箱至汽包的 12 根 直径133 ×6 的联络管更换成 直径194 × 10 的管子，其中两根作为增加的水冷屏的联络管。通过增加炉膛内受热面，运行过程中有利于降低炉膛温度，减少 NOx的生成。
2)增加三片屏式过热器。由于采用低氮燃烧，床温和含氧量降低后锅炉在低负荷运行时会影响主蒸汽的温度，甚至会达不到设计的温度，在靠近前屛水冷壁中间部位均匀布置三片屏式过热器，过热器管材质为 12Cr1MoVG，规格为直径42 × 6，在管屏下部敷设浇注料。
通过增加炉膛内的受热面，既能降低炉膛温度，减少NOx的生成，又能保证锅炉在低负荷运行时主蒸汽的温度。
1.3.2分系统的优化改造
1)旋风分离器结构优化。将分离器进口宽度由原来的 1200mm 缩小到 900mm，通过计算，这样烟气速度可以由原来的 22m/s 提高到 27m/s，提高分离器的分离效率，有利于降低床温和含氧量。
2)返料系统的优化。将原来的返料箱拆除，更换成新型的返料箱，返料箱风室隔成三部分，返料风分成三路独立风，使返料风形成高压头小风量，提高返料的可靠性。同时，将返料口下移并向炉膛中间靠拢，这样布置有利于返料的均匀性，使布风板同一平面处的温度均匀性，减少床温局部过高造成 NOx 生成量高的因素。
3)布风装置的优化。经过床层冷态试验发现，布风板上的床料颗粒度分布不是均匀的，呈现中间细，四周粗的状态，为了保持整个床面流化风保持一致，对布风板及风帽进行了改造，风帽的开孔率呈中心部位小，向四周逐渐增大，使锅炉在运行过程中流畅分布更均匀。
4) 二次风系统的优化。原来的二次风口离布风板高度仅有2米左右，造成还原区浓度不够，分级燃烧不够明显，对二次风口进行了优化，保留原有的两个风口，其他的风口改到离布风板 3.5米高度处，使得分级燃烧更加明显。
5) 增加烟气再循环系统。为保证低负荷时一次风氧气不过量、降低 NOx 生成量，从引风机出口增设一根直径720x8烟气再循环管通往一次风机入口，用脱硫除尘后的低氧烟气代替部分空气，降低一次风氧含量，在保证床料充分流化的同时，控制一次风氧气不过量，降低 NOx 生成量。
1.4 水汽系统的变化
由于增加了屏式过热器，汽水系统的蒸汽流向发生了变化，原来是汽包→包墙过热器→低温过热器→减温器→高温过热器→集汽集箱，经过低氮燃烧改造后变成了汽包→包墙过热器→低温过热器→一级减温器→屏式过热器→二级减温器→高温过热器→集汽集箱。
2锅炉运行试验优化
2.1冷态试验
2.1.1布风板均匀性试验
在床料充分流化后，迅速关掉一次风机，床料自由下落、堆积，观察床料表面平整，无明显凹凸，表明布风板经改造优化后均匀性良好。
2.1.2冷态临界沸腾风量的测量
根据料层与空板的阻力曲线等无法判断最小流化风量，通过打开炉门用钩耙在主床内钩动，从手感上感觉沸腾效果，确定最小流化风量约为38000m³/h。
2.2运行参数调整
通过冷态试验可以发现床料的均匀性得到了很大的改善，在不改变一次风量的情况下，通过调节新增二次风口的风量，优化了炉膛空气分级燃烧，降低了 NOx 生成量; 另外，在低负荷情况下，通过调节烟气再循环系统的引入一次风机的烟气量，保持炉膛出口的 NOx不会大大提高，低氮燃烧技术改造后，床温、炉膛出口温度等参数有了明显的变化。
3改造后的效果分析
3.1 运行参数
锅炉经低氮燃烧改造后，最大出力可达到150t/h，与原设计最大出力一致，在30~110%额定负荷内能稳定燃烧，并且在较低负荷时，主蒸汽温度能达到规定的温度，改造后运行两年时间以来，水冷壁管子磨损大大较少。
3.2 NOx排放效果
锅炉经低氮燃烧改造后，炉膛出口的NOx生成量比改造前大大降低。目前，锅炉经过近两年时间的运行，结合“SNCR”脱硝工艺进行脱硝后，最终NOx排放浓度可控制在 50mg /Nm³以下的超低排放要求。
4总结
1) 该锅炉通过增加锅炉炉膛内受热面，优化旋风分离器结构、返料系统、布风装置，调整二次风系统风口布置，增加烟气再循环系统等措施，锅炉各项性能指标均能达到预期要求，并且以往存在的水冷壁磨损问题得到了很大的改善。
2) 低氮燃烧改造后，在额定负荷下，炉膛出口 NOx 排放质量浓度从 350mg /Nm³降 至 100mg/Nm³以下，效果接近原来的最终 NOx排放浓度，优于预期效果;经SNCR脱硝后，最终排放浓度能达到 50mg /Nm³以下，运行稳定时甚至能达到 30mg /Nm3，氨逃逸量控制在 8mg /Nm³以内。
3) 针对原来 CO 排放指标偏高的现象，通过合理选择再循环烟气量，旋风分离器圆柱段增加补燃喷嘴，从一次热风风道接入一次风，与高温烟气混合，使烟气中 CO 燃尽，从而有效的降低了CO 排放指标; 另外，通过燃料消耗量与产生的蒸汽量计算，改造后锅炉热效率并未降低，热效率与环保得到了很好的平衡。
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