小型CFB锅炉烟气脱硝改造两步法应用及探讨

　　摘 要： 由于循环流化床（ CFB） 锅炉特有的结构和燃烧方式，其氮氧化物排放低于其它炉型，有清洁炉型之称，但随着烟气污染物排放标准的进一步提高，其氮氧化物的排放已不能满足新的排放需要。选择性非催化还原法（ SNCR） 工艺 + 低氮燃烧（ LNB） 脱硝技术具有投资费用少、运行成本低、锅炉改造范围小等优势，而 CFB 锅炉具有烟气在炉内停留时间长、便于还原剂在炉内混合等特点，该脱硝改造两步法在小型循环流化床锅炉脱硝改造中被广泛应用。本文以 75t/h 循环流化床锅炉为模型，并采用环保性较高的尿素作为脱硝还原剂，通过低氮燃烧（ LNB） + SNCR 工艺两步法脱硝技术改造方式，进一步提高脱硝效率，并对锅炉进行针对性的改进以提高其出力，最终使烟气中 NOx 排放达到新的国家标准要求。主要从实施背景、技术路线、疑难问题解决及改造后的效果分析、存在问题等进行分析探讨。
　　
　　关键词： 循环流化床锅炉； 选择性非催化还原法 + 低氮燃烧； 脱硝改造。
　　
　　1 项目实施背景及锅炉设备现状。
　　
　　1. 1 实施改造背景。
　　
　　2011 年 7 月份，国家环保部联合国家质量监督检验检疫总局联合下发《火电厂大气污染物排放标准》（ GB13223-2011） ,该标准要求现有火力发电 CFB 锅炉及 2003 年 12 月 31 日建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电 CFB 锅炉执行 NOx的排放限值为 200mg/Nm3,并于 2015 年 7 月 1日前完成达标排放改造任务。为全面落实该标准要求，江苏、山东、浙江等地区率先开始并且制定了更加严格的地方排放标准以及整改行动计划，全国逐渐掀起脱硫、脱硝、除尘提标改造风暴。
　　
　　1. 2 众诚热电锅炉设备现状。
　　
　　众诚热电隶属于合肥热电集团旗下子公司，现有五台循环流化床锅炉，均为 75t/h,装机容量33MW,承担合肥市中部及西南政务片区集中供暖、热水及发电任务。一期锅炉（ 1#、2#炉） 为济南锅炉厂生产并于 2005 年建成投产，二期锅炉（ 3#,4#,5#炉） 为无锡华光锅炉，2009 年建成投产。一期锅炉配套除尘器为四电场静电除尘器，后于 2008 年进行电袋复合改造，除尘效率 >99. 3%; 二期锅炉配套除尘器为袋式除尘器，除尘效率高达 99. 97%,一、二期锅炉粉尘排放数值均小于 30mg/Nm3.燃烧煤质为低硫分优质煤（ 一般硫分在 0. 4%以下） ,脱硫采用石灰石炉内喷钙脱硫技术，硫氧化物排放值（ 折算后）低于 100mg/Nm3,满足环保排放标准。而目前主要面临的问题是一期锅炉运行近 10 年，设备不断老化，带负荷能力逐渐下降，1#,2#最高负荷约 60 ~62t/h,且在冬供大负荷生产期间氮氧化物不可控制，一般排放数值达 300 ~450mg/Nm3,而面对新版《火电厂大气污染物排放标准》中对 NOx≤200mg/Nm3的要求，将无法实现达标排放，因此实施脱硝及锅炉性能指标提升改造任务迫在眉睫。
　　
　　2 改造技术路线与主要内容。
　　
　　2. 1 技术线路。
　　
　　通过对不同的脱硝方式进行分析和比较后，众诚热电 5 台 75t/h 循环流化床锅炉全部采取了低氮燃烧改造 + SNCR 两步法工艺进行脱硝改造。该工艺主要是先通过对锅炉进行低氮燃烧改造降低原始排放浓度（ 可降至 200mg/Nm3左右） ,然后在无催化剂存在条件下，向炉内烟气温度在 850 ~1100℃的区域喷入浓度为 10 ~20%尿素溶液，在高温条件下与 NOx还原反应生成 N2和 H2O.该两步法脱硝效率可达 75%以上。另外，结合脱硝两步法改造，还进一步提升锅炉带负荷能力以及对锅炉存在的问题进行消除，最终实现降低氮氧化物并提升锅炉性能的目标。此种做法反应式为：
　　
　　4NH3+ 4NO + O2→4N2+ 6H2O4NH3+ 2NO2+ O2→3N2+ 6H2O.
　　
　　当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成 NO:
　　
　　4NH3+ 5O2→3NO +6H2O.
　　
　　该两步法脱硝工艺具有不需要催化剂、投资成本低、系统结构简单、施工工期短、占地面积小、自动化程度高、NOx脱除效率高及对锅炉安全、经济性能影响小等优点，可有效降低锅炉氮氧化物的生成与排放，满足环保排放要求。
　　
　　2. 2 锅炉脱硝及节能改造方式。
　　
　　2. 2. 1 锅炉低氮燃烧改造。
　　
　　（ 1） 低氮燃烧改造原则，在保持锅炉基础、钢架等不变的情况下，通过对送风系统改造实现空气分段送入、燃料分级燃烧、降低炉膛温度，并采用烟气再循环系统及对分离器改造等方式达到降低 NOx初始排放浓度的目的。内容包括二次风系统重新优化布置、炉膛布风板改进及风帽重新选型等。
　　
　　（ 2） 烟气再循环技术，即从引风机出口利用管道连接至一次风机入口，利用前后压力差对锅炉烟气进行循环利用，并辅以烟气再循环风机对循环风量进行调节，有效降低炉膛底部过剩空气系数，降低氧化气氛，减少氮氧化物的生成环境，达到抑制氮氧化物生成与排放的目的。系统包括风机、管道、风门及支吊架、外保温等。
　　
　　2. 2. 2 SNCR 工艺技术。
　　
　　该项目采用先进成熟的选择性非催化还原法（ SNCR） 工艺技术，还原剂采用环保性能较高的尿素，经热解后配置浓度为 10 ~20%的溶液，然后经输送分配系统送至每台锅炉，并于锅炉炉膛至旋风分离器进口烟道及分离器出口转向烟道位置经机械雾化后喷射与烟气混合，每台锅炉布置喷枪 8 只。
　　
　　SNCR 系统包括土建基础及公用系统建设、锅炉分系统管线设备安装、烟气连续在线监测设备安装等。系统分为尿素溶液制备及转存系统、溶液储存及输送系统、计量和分配系统及炉前喷射系统等部分。本系统还创新尝试采取“一拖二、一拖三”的方式对氨逃逸进行检测，减少投资费用。该系统全部采用智能控制，从尿素溶液制备、转存、计量、输送、喷射等全过程自动化控制，并能根据烟气在线连续监测系统氮氧化物排放数值变化自动投运、调节及停运。
　　
　　2. 3 锅炉性能提升改造及检修。
　　
　　2. 3. 1 燃烧系统改造。
　　
　　众诚热电锅炉运行年限较长，设备老化，锅炉带负荷能力下降，结合本次脱硝改造对锅炉中心筒、分离器、返料器等进行了相应的改造。即缩小中心筒直径、偏心布置及改变分离器进口烟道宽度，以提高分离效率，并对返料器进行改造，提高返料能力，同时亦可起到降低炉膛温度的目的，更有利于脱硝效果。经改造后，炉膛差压大幅上升，锅炉带负荷能力提升明显。
　　
　　2. 3. 2 水冷系统改造。
　　
　　为进一步提升水冷壁换热效果，本次改造采取在炉膛中上部位置纵向分别增加 2 组水冷屏，新增水冷屏面积约为40m2,增加蒸发换热能力约10 ~15%.为防止烟气、物料对其冲刷磨损，水冷壁底部采用耐火材料敷设等防磨措施。
　　
　　2. 3. 3 锅炉检修及节能改造。
　　
　　锅炉漏风不仅影响经济运行，还有利于 NOx的生成与排放。为改善锅炉性能，提升节能效果，结合本次脱硝改造重点对锅炉漏风进行消除，即通过正压、负压等不同的漏风试验方式查找漏风点，更换腐蚀严重的空预器管子、对损坏漏风（ 灰） 部位的耐火材料重新砌筑、尾部烟道及除尘器箱体漏风查找并密封处理等。同时，更换原节能效率较低的引风机液力耦合器为高压变频调速装置，并对性能下降的一、二次风机进行检修。通过上述检修及改造，烟气含氧量及风机电流大幅降低。
　　
　　3 项目实施效果分析。
　　
　　3. 1 项目实施概况。
　　
　　本项目采用 EPC 总承包模式，于 2015 年 5 月份开始施工，10 月底施工结束，12 月份通过竣工环保验收。在工程施工过程中严格按照施工规范，加强隐蔽工程及重要节点等监督控制，严把入厂材料验收关、隐蔽工程报验关、焊接质量控制关及重要节点控制关等，同时强化施工人员安全教育，加强施工安全监督管理，最终顺利完成全部改造工作，并经调试试运正常。2015 -2016 年冬供大负荷运行期间，各项数据指标全部达标排放。
　　
　　3. 2 改造效果及节能效果分析。
　　
　　本次锅炉烟气脱硝节能环保改造工程分为节能、环保及提升锅炉性能等三个部分。通过本次脱硝及节能环保改造，氮氧化物排放低于新的环保排放标准，锅炉带负荷能力得到一定的加强，全部达到设计要求，同时引风机、一次风机电流大幅下降，节能效果显着。
　　
　　3. 2. 1 环保方面。
　　
　　锅炉低氮燃烧改造后，料层温度下降50 ~100℃，炉膛出口温度上升30 ~70℃，烟气含氧量下降4 ~6% .炉膛温度场分布相对改造前较均匀，上下温度差缩小，有利于抑制氮氧化物的生成，亦能改善锅炉运行条件。通过锅炉低氮燃烧改造及 SNCR 工艺技术的实施，锅炉在允许负荷范围内基本无需投运SNCR 系统，烟气污染物可达标排放，投运 SNCR 系统 NOx可低于100mg/Nm3.低 NOx燃烧技术脱硝率> 40% ,SNCR 脱硝率 > 40% ,氨逃逸率≤7mg / Nm3,两步法综合脱硝效率 >75%.
　　
　　3. 2. 2 锅炉性能提升方面。
　　
　　通过更换部分老旧设备、增加一定的受热面，并对锅炉燃烧系统进行改进，同时对锅炉漏风进行全面查找和消除，并对锅炉燃烧方式进行优化调整。改造后的锅炉带负荷能力大幅提升，在最低、最高负荷区间各项参数符合设计要求，安全、经济性能不受影响。
　　
　　3. 2. 3 节能方面。
　　
　　由于更换了原节能效果相对较差的液力偶合器并消除锅炉漏风现象，锅炉的严密性有了一定程度上的提高。加之锅炉采用低氮燃烧技术，并采取低料层、小风量等先进运行调整方式，锅炉引风机、一次风机电流大幅下降，1#锅炉引风机电流下降 31. 6%,3#锅炉下降近 10%; 一次风机电流 1#锅炉下降24% ,3#锅炉下降 15. 6% ,节能效率较为明显。
　　
　　4 存在问题及对策。
　　
　　4. 1 锅炉省煤器后烟气压力表计不能满足改造后锅炉测量需要。
　　
　　因锅炉低氮燃烧改造及性能提高需要，中心筒及水平烟道阻力较改造前有所加大，加之锅炉引风机更换导致尾部烟道省煤器后左右两侧压力表在高负荷时满量程，不能满足改造后的锅炉监测需要。该问题需对锅炉尾部烟道压力测点变送器重新进行计算和选型，并进行更换，方能满足使用需要。
　　
　　4. 2 锅炉主蒸汽温度偏低。
　　
　　由于改造增加了炉膛换热面积，并一定程度上降低了料层温度，导致二期锅炉过热蒸汽温度较改造前略有下降，加之该锅炉原设计存在缺陷（ 过热受热面不足等） 导致锅炉主蒸汽温度略低于设计值。而主蒸汽温度改造需结合锅炉最低及最高负荷综合考虑设计方案，两者要兼顾，且过热器受热面的改动要求较高，难度相对较大。计划下一步对高温过热器换热面积重新进行计算并进行针对性的改造，以提高主蒸汽温度。
　　
　　4. 3 改造后灰、渣含碳量相对升高。
　　
　　低氮燃烧改造原理即实现锅炉低氧量燃料分级燃烧，抑制氮氧化物的生成，该种方式将对燃料燃烧产生影响，导致灰、渣含碳量较改造前略有上升，其中灰含碳量升高 2 ~4%,渣含碳量升高约 1. 5%,影响锅炉效率下降约 0. 5%.为降低对锅炉经济性的影响，公司于脱硝改造调试中进行了不同运行工况及单纯低氮燃烧与投运 SNCR 系统等进行分析比较，以及不同方式对锅炉热效率的影响，寻找锅炉最佳运行方式，提高经济性能。通过分析比较，采用低氮燃烧 + SNCR 工艺两步法脱硝方式，虽然因锅炉烟气含氧量相对较低影响燃烧效率从而导致灰、渣含碳量略有上升，但辅机耗电率将有所下降，且因经低氮燃烧后氮氧化物初始排放浓度较低，无需消耗大量尿素原料，节省生产成本。
　　
　　5 结束语。
　　
　　低氮燃烧改造 + SNCR 两步法脱硝工艺一次性投资费用低，众诚热电 5 台 75t/h 循环流化床锅炉全部采用此种工艺改造，全部费用约 2992 万元（ 含 5 台引风机改造及锅炉检修） ,相对 SCR 脱硝方式费用大幅降低，且无需安装催化剂，避免了失效催化剂更换及对环境产生的影响。因经低氮燃烧后氮氧化物初始排放浓度较低，无需消耗大量尿素原料，生产成本较低。随着本次改造结束，在 2015 -2016 年冬供期间运行状况来看，锅炉带负荷能力提高并且运行稳定，环保排放数据优于排放标准，氨逃逸低于7mg / Nm3,两步法实施后的脱硝效率大于 75%,脱硝效果较为显着，可广泛应用小型循环流化床锅炉。
　　
　　参考文献：
　　
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