620 t·h^—1循環(huán)流化床鍋爐提效及低NOx改造的實(shí)踐

摘要：

針對(duì)國(guó)產(chǎn)620 t·h^-1循環(huán)流化床鍋爐效率及NOx排放濃度不能達(dá)到性能保證值的現(xiàn)狀，分析了鍋爐的熱損失情況以及NOx排放濃度與平均床溫等參數(shù)間的規(guī)律，得出排煙熱損失及固體未完全燃燒熱損失過大、平均床溫偏高、因風(fēng)帽磨損引起的流化質(zhì)量下降是造成鍋爐效率及NOx排放濃度超性能保證值的主要原因.在此基礎(chǔ)上提出了提高空預(yù)器吸熱量、降低床溫、提高流化質(zhì)量的改造思路，對(duì)改造思路逐項(xiàng)分析，得出了回轉(zhuǎn)式空預(yù)器改造、加長(zhǎng)水冷屏和屏式過熱器以及風(fēng)帽改型等具體改造措施.對(duì)改造后參數(shù)作了分析，并提出改造完成后可能出現(xiàn)的熱風(fēng)管磨損及濃相區(qū)上移等問題.通過改造實(shí)現(xiàn)了鍋爐提效和減排的目標(biāo).

關(guān)鍵詞：

循環(huán)流化床鍋爐； 排煙溫度； 減排； 改造

中圖分類號(hào)：TK 22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Thermal efficiency improvement and low NOx retrofit for

the 620 t·h^-1 CFB boiler

FAN Wen-jun

（Thermal Power Division， Sinopec Shanghai Petrochemical Company Limited， Shanghai 200540， China）

Abstract：

At present the thermal efficiency and NOx emission concentration of the domestic 620 t·h^-1 CFB boiler cannot achieve design value.In this paper，heat losses and relationships between the average bed temperature and NOx emission concentration were analyzed.From the analysis，the main reasons for a high NOx emission and a low thermal efficiency were revealed，i.e.an excessive heat loss of exhaust gas and solid incomplete combustion heat loss，a high bed temperature，and poor fluidized quality due to worn-out air buttons.Suggestions of improving the air-preheater heat absorption，reducing the bed temperature and improving the fluidized quality were made.In addition，concrete measures for retrofits were proposed，such as retrofitting the rotary air preheater，lengthening the water-cooled tube panels，and modifying the air buttons.A parameter analysis of the boiler after retrofitting was carried out，and possible problems，such as warm-air pipe abrasion and a risen dense phase zone，were pointed out.The thermal efficiency and NOx emission concentration achieved the design values after boiler retrofitting.

Key words：

CFB boiler； exhaust-gas temperature； emission reduction； retrofit

某公司自備電站安裝一臺(tái)國(guó)產(chǎn)620 t·h^-1循環(huán)流化床（CFB）鍋爐.該鍋爐采用單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風(fēng)、絕熱式旋風(fēng)氣固分離器、循環(huán)流化床燃燒方式、滾筒冷渣器，后煙井內(nèi)布置對(duì)流受熱面，過熱器采用兩級(jí)噴水調(diào)節(jié)蒸汽溫度，不帶再熱器，并配套一臺(tái)100 MW雙抽凝汽式汽輪機(jī)組.該鍋爐設(shè)計(jì)為煤與石油焦混燒，煤焦比為7∶3，并于2008年建成投產(chǎn).自投產(chǎn)以來，鍋爐性能基本達(dá)到了運(yùn)行要求，但由于排煙溫度高等原因使得鍋爐效率達(dá)不到性能保證值91.2%；存在NOx排放濃度超性能保證值、風(fēng)帽堵塞和磨損較快的問題.

近年來，公司開展了爐效達(dá)標(biāo)治理工作，對(duì)鍋爐實(shí)施提效技術(shù)改造.該鍋爐的提效治理目標(biāo)為92.3%.另一方面，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）規(guī)定：自2014年7月1日起，現(xiàn)有循環(huán)流化床火力發(fā)電鍋爐NOx排放限值為100 mg·Nm-3（重點(diǎn)地區(qū)）^[1].為進(jìn)一步提高循環(huán)流化床鍋爐低污染排放的能力，使之符合新排放標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)劃采取有效措施在滿足NOx排放性能保證值的前提下，純燒煤工況時(shí)NOx排放濃度小于200 mg·Nm-3 （干煙氣，6%含氧量），并為日后進(jìn)一步降低NOx排放打好基礎(chǔ).計(jì)劃減排措施與提效措施同步實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)污染物減排和提高爐效的雙贏.

1 鍋爐基本情況

1.1 基本情況

該鍋爐主要由鍋筒、懸吊式全膜式水冷壁爐膛、絕熱式旋風(fēng)分離器、“U”型返料回路以及后煙井對(duì)流受熱面組成.鍋爐的鍋筒、爐膛水冷壁和尾部包覆墻部分均采用懸吊結(jié)構(gòu).鍋爐爐膛和后煙井包覆過熱器整體向下膨脹，鍋爐在爐膛水冷壁、旋風(fēng)分離器和后煙井設(shè)置三個(gè)膨脹中心，每個(gè)獨(dú)立膨脹的組件之間均有柔性的非金屬膨脹節(jié)連接.鍋爐整體呈左右對(duì)稱布置.

爐膛上部布置10 片水冷屏和10 片屏式過熱器（簡(jiǎn)稱屏過），其中水冷屏對(duì)稱布置在左右兩側(cè).爐膛與后煙井之間，布置有兩臺(tái)絕熱鋼板式旋風(fēng)分離器.旋風(fēng)分離器下部各布置一臺(tái)非機(jī)械的“U”型回料器.回料器底部布置流化風(fēng)帽，使物料流化返回爐膛.在后煙井內(nèi)按煙氣流向依次布置高溫過熱器、中溫過熱器和省煤器.過熱器系統(tǒng)中，在屏過出口設(shè)置一級(jí)噴水減溫器，在中溫過熱器和高溫過熱器之間布置二級(jí)噴水減溫器.

該鍋爐一次風(fēng)從爐膛底部經(jīng)布風(fēng)板、風(fēng)帽進(jìn)入爐膛，二次風(fēng)從燃燒室錐體部分進(jìn)入爐膛.鍋爐共設(shè)有6個(gè)給煤點(diǎn)和6個(gè)石灰石給料口，均勻地布置在爐前.爐膛底部設(shè)有鋼板式一次風(fēng)室，懸掛在爐膛水冷壁下集箱上.該鍋爐采用床上啟動(dòng)點(diǎn)火方式.床上共布置4 支（左右側(cè)墻各2支）大功率的點(diǎn)火油槍.同時(shí)在爐底布置兩臺(tái)滾筒式冷渣器.

1.2 主要參數(shù)

該鍋爐主要參數(shù)如表1所示.

2 爐效分析

循環(huán)流化床鍋爐的熱效率為^[2]

式中，η為循環(huán)流化床鍋爐熱效率；q2為排煙熱損失；q3為可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失；q4為固體未完全燃燒熱損失；q5為鍋爐散熱損失；q6為灰渣物理顯熱損失；q7為石灰石脫硫熱損失.

該鍋爐通過性能試驗(yàn)測(cè)得熱效率為90.7%，各項(xiàng)熱損失如表2所示.

對(duì)照表2數(shù)據(jù)，熱損失超過設(shè)計(jì)值的主要是排煙熱損失q2和固體未完全燃燒熱損失q4.

2.1 排煙熱損失分析

排煙熱損失是該鍋爐的主要熱損失.實(shí)際運(yùn)行中排煙溫度明顯高于設(shè)計(jì)值.以2010年9月份與2011年3月份典型數(shù)據(jù)為例，如表3所示.

從表3可見，環(huán)境溫度對(duì)排煙溫度影響較大.夏季工況時(shí)，由于環(huán)境溫度較高（約為32℃），對(duì)應(yīng)的空預(yù)器進(jìn)口一、二次風(fēng)溫及排煙溫度較高；同理在冬季工況時(shí)，空預(yù)器進(jìn)口一、二次風(fēng)溫及排煙溫度較低.鍋爐原設(shè)計(jì)工況是環(huán)境溫度為20℃，空預(yù)器進(jìn)口一、二次風(fēng)溫平均為35℃，設(shè)計(jì)排煙溫度約為140℃.如果折算到設(shè)計(jì)環(huán)境溫度20℃工況下，實(shí)際的排煙溫度修正后約為158℃左右.因此實(shí)際的排煙溫度比設(shè)計(jì)值偏高約18℃左右，這是造成鍋爐效率降低的最主要原因.

造成空預(yù)器排煙溫度偏高的原因主要有三個(gè)：

一是省煤器設(shè)計(jì)給水溫度為223℃，但實(shí)際給水溫度約235℃左右，超過設(shè)計(jì)值10℃，造成空預(yù)器進(jìn)口煙溫偏高，提升了空預(yù)器出口排煙溫度.同時(shí)在省煤器的出口，水溫基本達(dá)到飽和溫度315℃，說明省煤器的換熱已基本達(dá)到上限.

二是原有的管式空預(yù)器管子超過2萬根，數(shù)量多，橫向跨距6.6 m，長(zhǎng)度大，在運(yùn)輸、裝卸、現(xiàn)場(chǎng)安裝等過程中，容易造成管子開裂以及管子與管箱之間存在縫隙；運(yùn)行中低溫腐蝕等原因也會(huì)引起管子泄漏.損壞的管子處理受到檢修空間和穿管難度大的限制，無法在現(xiàn)場(chǎng)更換，只能采取封堵的辦法解決，造成了空預(yù)器有效受熱面積不斷減少，排煙溫度不斷升高.另外當(dāng)運(yùn)行中發(fā)生省煤器泄漏時(shí)，大量的灰積在空預(yù)器管排之間，由于管排間距較小，積灰無法沖洗干凈，造成空預(yù)器煙氣側(cè)換熱面積減少，換熱效果差，排煙溫度上升.

三是爐膛內(nèi)床溫偏高，使得鍋爐尾部的過熱器、省煤器等整體溫度上升.以2010年9月14日的工況為例，平均床溫895.40℃，高溫過熱器進(jìn)口平均煙溫為936℃，超過設(shè)計(jì)溫度（876.1℃）.高、中溫過熱器間的二級(jí)噴水減溫水量比較大，為8.53 t·h -1，設(shè)計(jì)流量為4.65 t·h -1.這也可證明尾部煙道整體溫度偏高，使排煙溫度上升.

2.2 固體未完全燃燒熱損失分析

試驗(yàn)測(cè)得飛灰含碳量為9%左右，設(shè)計(jì)值為7.9%；灰渣含碳量為2%，與設(shè)計(jì)相差不大.飛灰含碳量高是造成固體未完全燃燒熱損失大的主因.影響飛灰含碳量的因素有很多，如入爐煤粒徑、爐膛尺寸、床壓與床溫、旋風(fēng)分離器的效果等^[3].

對(duì)于該鍋爐，飛灰含碳量高的主要原因是燃料中細(xì)顆粒成分嚴(yán)重偏高.大量的細(xì)碎煤焦尚來不及在鍋爐內(nèi)充分燃燒，便隨氣流吹到尾部煙道，引起飛灰含碳量高，降低鍋爐效率.另外，因風(fēng)帽存在磨損和堵塞，造成流化質(zhì)量下降，也增加了固體未完全燃燒熱損失.

3 NOx排放分析

該鍋爐的NOx排放的性能保證值為150 mg·Nm-3 （干煙氣，6%含氧量），工況條件為：燃用設(shè)計(jì)煤質(zhì)（煤焦比為7∶3）.實(shí)際運(yùn)行中，按照設(shè)計(jì)煤質(zhì)運(yùn)行時(shí)，NOx的排放濃度曾達(dá)到保證值，如2010年9月10日NOx排放濃度為141.5 mg·Nm-3.但實(shí)際運(yùn)行中煤焦比經(jīng)常根據(jù)煤、焦價(jià)格及庫(kù)存情況發(fā)生變化，加之負(fù)荷的波動(dòng)，NOx排放濃度一般在200～300 mg·Nm-3之間，少數(shù)情況下出現(xiàn)超過300 mg·Nm-3的情況.

爐膛運(yùn)行床溫對(duì)NOx排放的影響業(yè)已取得共識(shí).一般來說，床溫越高，NOx的排放濃度越高.當(dāng)溫度超過一定值（如900℃），NOx排放有加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，床溫下降則相反[2，4].該鍋爐運(yùn)行中床溫較設(shè)計(jì)值偏高：鍋爐蒸發(fā)量在620 t · h -1左右時(shí)，平均床溫在898℃左右，局部床溫超過940℃.選取蒸發(fā)量600～620 t · h -1之間的20個(gè)工況點(diǎn)，得出平均床溫與NOx排放濃度之間的關(guān)系，如圖1所示.

圖1顯示出床溫與NOx排放濃度有較明顯的線性關(guān)系.可以判斷床溫偏高是該鍋爐NOx排放濃度超過性能保證值的主要原因.另外，風(fēng)帽的磨損與堵塞造成的流化質(zhì)量下降，爐膛出現(xiàn)的局部高溫在一定程度上提升了NOx排放.

鍋爐設(shè)計(jì)燃料（煤焦混合燃料）的揮發(fā)份Vdaf約為28.95%，氮元素含量Nar約為0.9%，燃燒特性偏向中揮發(fā)份煙煤特性；而純煤的Vdaf 約為37.50%，Nar約為0.8%，燃燒特性偏向高揮發(fā)份煙煤特性.通常，在同樣的燃燒溫度以及相近的含氮量情況下，高揮發(fā)份煙煤的NOx排放濃度要高于中揮發(fā)份煙煤的排放濃度.如果在接近900℃的平均床溫下純燒煤，那么排放濃度將超過300 mg·Nm^-3.若把純燒煤時(shí)的NOx排放濃度降低到200 mg·Nm^-3以下，那么要適當(dāng)降低床溫10～15℃.

4 改造思路與主要措施

鍋爐的改造是一個(gè)系統(tǒng)性工程，改造后容易發(fā)生單個(gè)部位的效率得到提高，而相關(guān)其它部位效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到整臺(tái)鍋爐的正常運(yùn)行.因此，提效與低NOx改造同步實(shí)施必須綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，采用熱力計(jì)算與成熟經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方式.

4.1 改造思路

根據(jù)對(duì)鍋爐熱損失和NOx排放的分析，鍋爐提效必須降低排煙溫度，減少飛灰含碳量.

降低排煙溫度采取增加鍋爐尾部的過熱器、省煤器、空預(yù)器的吸熱量及降低床溫的措施.增加換熱器的吸熱量，對(duì)于已安裝設(shè)備增加換熱面積是最直接的方式，但由于省煤器出口水溫基本上達(dá)到了飽和溫度，已不能再通過增加省煤器面積降低煙氣溫度.高溫過熱器減溫水的量已大于設(shè)計(jì)值，說明過熱器的面積已足夠.因此只能增加空預(yù)器的吸熱量和降低床溫實(shí)現(xiàn)排煙溫度的降低.

減少飛灰含碳量采用提高流化質(zhì)量，減少燃料中細(xì)顆粒成分的措施.由于不考慮增加燃料處理的新設(shè)備，減少燃料細(xì)顆粒需要在運(yùn)行中優(yōu)化破碎機(jī)的工作狀況實(shí)現(xiàn).

低NOx排放需要降低鍋爐床溫.爐膛內(nèi)局部高溫不利于NOx排放，因此也需要提高流化質(zhì)量.

因此，改造思路為：增加空預(yù)器吸熱量，降低鍋爐床溫，提高流化質(zhì)量.對(duì)應(yīng)的措施是空預(yù)器改造、水冷屏與屏式過熱器的改造、風(fēng)帽改型.

4.2 空預(yù)器的改造

增加空預(yù)器吸熱量，通過增加原管式空預(yù)器的換熱面積來實(shí)現(xiàn).

經(jīng)初步計(jì)算分析，如果降低排煙溫度到140℃左右，需要增加空預(yù)器縱向排數(shù)總共約30排，且空預(yù)器管束需改成三回程，高度方向增加約4.2 m左右.但對(duì)于現(xiàn)有的空預(yù)器現(xiàn)場(chǎng)空間十分有限，增加高度和改造施工難度很高，基本無法實(shí)現(xiàn).因此空預(yù)器改造需要一臺(tái)尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高的空預(yù)器.

經(jīng)過計(jì)算和空間布置情況分析，對(duì)照國(guó)內(nèi)類似循環(huán)流化床鍋爐空預(yù)器結(jié)構(gòu)和借鑒部分鍋爐改造的經(jīng)驗(yàn)，將空預(yù)器改為體積相對(duì)較小的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是可行的.改造后的排煙溫度可降到140℃以下，漏風(fēng)率可控制在8%以內(nèi).回轉(zhuǎn)式空預(yù)器在國(guó)產(chǎn)200 MW、300 MW 等級(jí)的大型循環(huán)流化床鍋爐中得到較廣泛應(yīng)用，具有漏風(fēng)率小、低溫腐蝕程度輕、排煙溫度低的優(yōu)點(diǎn).空預(yù)器改造的主要內(nèi)容是空預(yù)器本體安裝及相應(yīng)風(fēng)、煙道的改造.

空預(yù)器改造完成后，將一、二次熱風(fēng)溫度提高至260℃，并將爐膛床溫提高4℃.這有利于降低飛灰含碳量，但是對(duì)于降低NOx排放有負(fù)面作用，且進(jìn)一步提高鍋爐尾部整體溫度.空預(yù)器改造對(duì)床溫的影響需通過水冷屏與屏過的改造一并消除.

4.3 水冷屏與屏式過熱器的改造

對(duì)該鍋爐來說，降低床溫可行的方法是增加爐膛內(nèi)水冷屏和屏式過熱器面積以增加吸熱量.

水冷屏與屏式過熱器各10屏在爐膛上部，屏過在中間，水冷屏在兩旁各5屏，沿寬度方向均勻布置，橫向節(jié)距為800.1 mm.由于無法用增加屏數(shù)量的辦法增加換熱面積，只能增加屏的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn).經(jīng)過計(jì)算，將水冷屏與屏過在長(zhǎng)度方向上各增加2.5 m，實(shí)現(xiàn)水冷屏增加換熱面積150 m2、屏過增加120 m2的效果.以屏過為例，如圖2所示.

空預(yù)器、水冷屏與屏過改造方案計(jì)算結(jié)果如表4所示.

4.4 風(fēng)帽的改型

原風(fēng)帽采用鐘罩型，在該鍋爐上應(yīng)用效果不好，磨損、燒毀和堵塞嚴(yán)重.2010年鍋爐第一次檢查性大修時(shí)，鍋爐運(yùn)行僅一年多，更換風(fēng)帽450只，占全部風(fēng)帽的三分之一多.另外，在發(fā)生水冷壁泄漏時(shí)，風(fēng)帽堵塞情況嚴(yán)重，且清理十分緩慢.存在問題的風(fēng)帽影響鍋爐流化質(zhì)量，使燃燒工況變差.若進(jìn)一步提高流化效果，需對(duì)風(fēng)帽進(jìn)行改型.

此風(fēng)帽兼具T 型風(fēng)帽和鐘罩式風(fēng)帽的優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)帽外罩小口倒吹設(shè)置，相鄰排的風(fēng)帽外罩小口朝向相互轉(zhuǎn)45°布置，使得風(fēng)帽間的對(duì)吹磨損和堵塞得到解決，且布風(fēng)效果良好，流化均勻穩(wěn)定.這可在一定程度上提高爐效.在改造中，利用原布風(fēng)板和風(fēng)帽導(dǎo)管，只將鐘罩部分更換.通過計(jì)算，風(fēng)帽阻力在5～6 kPa，有良好流化質(zhì)量.

5 改造效果分析

5.1 相關(guān)參數(shù)

該鍋爐改造前后主要參數(shù)如表5所示.

從改造結(jié)果看，排煙溫度下降明顯，爐效相應(yīng)提高.風(fēng)帽的改造達(dá)到了預(yù)期的效果.NOx排放達(dá)到的效果超過預(yù)期，其原因主要是新型風(fēng)帽有效地提高了流化質(zhì)量，一定程度減少了局部高溫；水冷屏與屏過換熱面積的增加，有效降低了爐膛上部的溫度.

5.2 改造需要注意的問題

使用回轉(zhuǎn)式空預(yù)器后，一、二次熱風(fēng)將攜帶部分飛灰回到爐膛，熱風(fēng)道特別是二次風(fēng)管上的膨脹節(jié)、風(fēng)門等的磨損可能會(huì)加劇.另外，風(fēng)帽改造后，如果一次風(fēng)調(diào)整不當(dāng)，可能造成濃相區(qū)上移，造成水冷壁管的快速磨損、泄漏.

6 結(jié)論

通過對(duì)620 t·h^-1循環(huán)流化床鍋爐熱損失和NOx排放的分析，對(duì)空預(yù)器、水冷屏和屏過、風(fēng)帽提出了改造方案.改造后有效提高了鍋爐的流化質(zhì)量，降低了床溫和排煙溫度，提高了鍋爐的效率并降低了NOx排放.對(duì)于因排煙熱損失大引起爐效降低的大型循環(huán)流化床鍋爐，可用更換回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的方法實(shí)現(xiàn)鍋爐提效.通過合理降低床溫，也可以將大型循環(huán)流化床鍋爐的NOx排放降低到100 mg·Nm^-3以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)減排與提效的雙贏.

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