300 MW級循環流化床鍋爐燃燒優化關鍵技術的實踐研究

張 代 史麗超

(黃陵礦業煤矸石發電有限公司，陜西省延安市，727300)

目前，國內業界控制爐內床溫和NOX原始排放的方法主要有兩大類，一是低溫燃燒技術，即通過在爐內增加水冷或汽冷受熱面，增大爐內吸熱量來降低爐內整體溫度和NOX的原始排放；二是煙氣脫硝技術，即采用低氮燃燒器、空氣分級技術、燃料分級燃燒為主，投資較多且功能相對單一，對鍋爐效率都有不同程度的影響。

近年來，國內外相關行業專家、高校和科研機構研究人員對循環流化床鍋爐(CFB)水冷壁防磨導熱[1-2]、運行中存在的床溫偏差[3-4]、分離器煙道壁面磨損和分離性能、中心筒對循環灰分離效率進行了研究[5-6]，形成的各項研究成果為黃陵礦業煤矸石發電有限公司的300 MW級循環流化床鍋爐技術改造提供了參考。

1 存在的問題及改進措施

黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠三期2臺300 MW級循環流化床鍋爐由于實際煤質與設計煤質差別較大，造成鍋爐滿負荷運行時平均床溫比設計值高50℃～60℃，容易造成鍋爐結焦，限制了帶負荷能力，同時還嚴重影響了鍋爐安全穩定運行；在尿素反應煙窗處，煙溫超過尿素與NOX反應的最佳溫度，導致尿素與NOX無法充分反應，尿素耗量超出設計值的3～4倍；中間高、兩側低的床溫分布，導致底渣含碳量和飛灰含碳量升高；鍋爐床溫嚴重偏離設計值，造成鍋爐落煤口、下二次風口、旋風分離器中心筒超溫變形嚴重。針對上述問題，國內同行業通用的技術改造為采用高效風帽、低溫省煤器、提高入爐煤熱值、SNCR尿素噴槍提效改造等方式，不僅投資巨大，而且降床溫和降NOX原始排放效果均不佳。

黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠的相關技術人員本著投資低、問題徹底解決的目的，形成以下解決思路：一是通過降低鍋爐床溫和消除床溫偏差，進而降低一次風量，減小NOx的原始排放值，節省脫硝用藥生產成本；二是通過降低鍋爐床溫，避免了鍋爐落煤口、下二次風口、旋風分離器中心筒等鍋爐部件燒損變形，延長了鍋爐運行周期；三是通過提高爐內循環灰量可大大提高鍋爐的升負荷速度和帶負荷能力；四是通過降低一次風量，增大二次風量，可減小爐內受熱面、水冷壁磨損，結合二次風高效優化調節以促進分級燃燒，提高鍋爐效率的同時降低爐內NOx的原始生成。

黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠1#鍋爐于2017年4月28日停爐后開始進行技術改造，2017年5月25日順利啟動；2#鍋爐于2017年6月3日停爐后開始進行改造，2017年6月30日完成并一次啟動并網成功，經濟效益顯著。

2 燃燒優化關鍵技術

2.1 燃燒優化關鍵技術的主要內容

2.1.1 三維空間水冷循環清潔排放技術

黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠2臺鍋爐原設計爐膛后墻布置2片水冷蒸發屏，燃燒優化關鍵技術是通過在爐膛后墻增設9片擴展水冷屏，從上述后墻的2片水冷屏底部標高位置穿進爐膛，擴展水冷屏的頂部從爐頂穿出。每片擴展水冷屏有6根管子，節距設定為89 mm，增加擴展水冷屏換熱面積208 m2。汽包的分散下降管增加了固定和止晃裝置，防止分散下降管的振動。增加擴展水冷屏后，爐膛溫度降低大約30℃。將325 mm×46 mm分散下水管與爐后原集箱位置連通，并用連接管引入每片擴展水冷屏。擴展水冷屏于爐頂穿出后接入出口匯集集箱，再由2根273 mm×45 mm的連接管引入鍋筒。原后墻雙面水冷壁每片屏有 3根219 mm×20 mm的連接管引至鍋筒，改造時將原每屏3 根連接管最上層的1 根接到新增的水冷屏出口匯集集箱，作為新增擴展水冷屏引入鍋筒連接管。

同時清除部分鍋爐密相區和水冷壁易磨損區域表面可塑料，在水冷壁鰭片上縱向和橫向焊接厚度為6 mm、寬度為30 mm、長度為800 mm的防磨鋼格柵，從而增大鍋爐爐膛的受熱面積，實現了降低鍋爐床溫的目的，與改造前相比原始NOx生成量大大下降。防磨鋼材料的具體布置方式如圖1所示。

圖1 防磨鋼材料的具體布置方式

2.1.2 旋風分離器入口煙道優化縮頸提效技術

針對分離器分離效率較低、返料灰量較少而造成爐內整體循環灰溫較高的問題，采用分離器入口煙道內側敷設耐高溫、耐磨損澆注料，使入口寬度由原來的1850 mm縮小為1640 mm，在煙氣量不變的基礎上，煙氣流速計算見式(1)：

(1)

式中：V——煙氣流速，m/s；

Q——分離器入口煙氣量，m3/s；

S——分離器入口煙道截面積，m2。

通過減小通流面積S，再結合煙氣顆粒所受的離心力，可知通過加快煙氣流速可提升煙氣整體離心力，增強分離器的分離效率和返料灰量，煙氣顆粒所受的離心力見式(2)：

F=0.5×M×V

(2)

式中：F——煙氣顆粒所受的離心力，N；

M——煙氣顆粒質量，kg。

經過理論計算表明，滿負荷時分離器入口煙道流速可達32 m/s，結合理論力學知識和澆注料耐磨特性可知，此煙氣流速不會對縮口處和分離器靶區澆注料產生影響，而且不會在煙道處產生區域性渦流。通過提高分離器入口煙氣流速，提高旋風分離器分離物料效率，增大CFB鍋爐循環灰量，降低鍋爐床溫，降低NOX的原始排放量。改造前和改造后的分離器入口煙道縮口前示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 改造前分離器入口煙道縮口前示意圖

圖3 改造后分離器入口煙道縮口后示意圖

2.1.3 床溫偏差風帽限流平衡消偏技術

針對黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠鍋爐床面存在的中間溫度高、兩側溫度低的問題，采用布風板風帽芯管入口增設節流圓鋼的方法，發明了一種風帽限流平衡消偏技術，通過對布風板阻力的深層機理及影響因素、鍋爐布風板風帽特性與爐膛傳熱性能、循環流化床鍋爐顆粒循環流率研究及數值模擬水冷風室靜壓分布對床溫偏差影響試驗研究，通過改變風壓的大小，可以調整進入風帽風速的大小，一旦風速發生改變，則該風帽進風量也發生變化，從而實現了單位面積床面布風的均勻性。

結合黃陵礦業煤矸石發電有限公司電廠鍋爐布風板及風帽阻力特性，經過水冷風室各風帽內管加貼試驗泥塊的冷態阻力試驗論證后，得出式(3)：

(3)

式中：v——風速，m/s；

Pw——風壓，kPa；

ε——常數；

n——加焊圓鋼個數。

通過式(3)計算出的結果，將符合尺寸要求的圓鋼點焊在區域的風帽內管內壁即可。目前循環流化床鍋爐爐膛內煙氣流速設計約為5～8 m/s，結合黃陵礦業煤矸石發電公司鍋爐所需一次風量較大的實際情況，設定床面平均煙氣流速約為8 m/s。同時根據高負荷時床溫較高區域和10孔風帽布置區域，可確定加焊圓鋼個數為1495個。通過改造，成功限流中間區域風帽進風量，整個床面沿爐寬方向實現等風量、等氧量分布，實現消除床溫偏差和減少NOx原始生成量的目的。

2.1.4 中心筒物料離心篩選優化技術

黃陵礦業煤矸石發電公司三期單臺鍋爐設計有3臺旋風分離器，每臺旋風分離器中配套1組長度為6320 mm、直徑為4149 mm的中心筒，中心筒無縮頸；優化后統一更換為長度為6000 mm、直徑為4000 mm的中心筒，再將1號和3號旋風分離器中心筒從筒底部以上1 m處的直徑由4 m漸縮至筒底的3.8 m，改造前和改造后分離器中心筒結構比較如圖4所示。

改造后的1號和3號中心筒篩選物料量減少，2號中心筒篩選物料量增大，增加爐膛中部區域外循環灰量的同時降低爐膛左右側區域的外循環灰量，從而實現消除床溫偏差，減少NOx生成量的目的。經過數值模擬軟件對上述優化進行模擬，優化前后三級旋風分離器數值模擬分別如圖5和圖6所示。

圖4 改造前和改造后分離器中心筒結構比較

圖5 優化前三級旋風分離器流場數值模擬

由圖5和圖6可以看出，優化后分離器流暢穩定，兩側分離器入口煙氣量由改造前的421 m3/s降低至改造后的391 m3/s，中間分離器入口煙氣量由改造前的421 m3/s增加至改造后的443 m3/s，三級旋風分離器煙氣處理量趨于平衡。

2.2 燃燒優化關鍵技術創新點

(1) 通過在水冷壁鰭片上焊接厚度為6 mm、寬度為30 mm、長度為800 mm的高鎳合金格柵板，增大爐內水冷受熱面積。

(2) 通過在分離器入口煙道內側敷設碳化硅澆注料，使入口寬度由原來的1850 mm縮小為1640 mm，達到提高分離器入口煙氣流速，提高旋風分離器分離物料效率的目的。

(3) 通過在爐膛床面中間區域1495個風帽底部進風口點焊一段直徑為40 mm、長度為80 mm的圓鋼，實現密相區的等風量和等氧量。

(4) 通過將1號和3號旋風分離器中心筒從筒底部以上1 m處的直徑由4 m漸縮至筒底的3.8 m，實現了消除床溫偏差，減少局部NOx生成量的目的。

圖6 優化后三級旋風分離器流場數值模擬

2.3 燃燒優化關鍵技術優勢分析

從安全生產、社會經濟效益、市場競爭力等幾個方面進行綜合對比分析，燃燒優化關鍵技術優勢主要體現在以下幾個方面。

2.3.1 技術可靠穩定并具有創新性

燃燒優化關鍵技術從立項、研發、討論、論證到最終方案確定經過了近2年的時間，試驗到工業化生產及工程應用，積累了大量的科學數據和豐富的實用經驗。從技術改造完畢運行至今，在各階段穩定負荷均能夠維持各環保指標在超低排放標準且運行指標穩定。

燃燒優化關鍵技術在兼顧鍋爐效率和環保指標的基礎上，結合設備改造和運行調整兩方面入手，是國內在該領域內社會和經濟效益以及市場競爭力等較為成功的先進技術之一。該技術與國內同類型技術相比較，不但能從根本上遏制爐內NOX、SO2的原始生成量，其創新性是在保證鍋爐環保指標達標的基礎上，對鍋爐效率的影響基本降到最低。

2.3.2 成本低、市場競爭力強

燃燒優化關鍵技術將NOX排放值從改造前的100 mg/Nm3降到改造后的50 mg/Nm3，SO2排放值從改造前的50 mg/Nm3降到改造后的35 mg/Nm3，粉塵排放值從改造前的30 mg/Nm3降到降到改造后的10 mg/Nm3，無論是設備投資成本還是生產成本均相對較低且技術穩定成熟，在市場競爭中成本優勢非常明顯。燃燒優化關鍵技術通過硬軟件兩方面即設備改造和運行優化，以相對較小的資金投入即可達到預期目標，市場競爭力十分明顯。

3 項目實施后技術經濟指標對比

低熱值煤燃燒優化關鍵技術與國內同類型技術的比較見表1。

燃燒優化關鍵技術在黃陵礦業煤矸石發電有限公司2×300 MW機組應用后，鍋爐各項主要技術參數及經濟指標均達到預期設計值，具體如下：

(1) 鍋爐在BMCR工況運行時，平均床溫由改造前的950℃降低到改造后的約920℃，且床溫偏差由改造前的100℃減小至改造后的60℃，NOX原始生成量從改造前的480 mg/Nm3降低至改造后的380 mg/Nm3，從目前來看仍有下降的空間。

表1 低熱值煤燃燒關鍵技術與國內同類型技術的比較

(2) 因分離器分離效率的提高，運行中爐內稀相區差壓進一步提高，同時提高了機組在高負荷階段的帶負荷能力，250 MW以上負荷升速率由改造前的3 MW/min升至改造后的4 MW/min，機組負荷調節速度明顯增強。

(3)運行中降低了一次風量和總風量，生產廠用電率下降了0.3%左右，減輕了鍋爐磨損、局部受熱面運行超溫等問題。

(4)鍋爐總風量降低，排煙熱損失下降。

(5) 避免氨逃逸造成對空預器的污染、積灰以及腐蝕，提高了機組運行的周期和可靠性。

(6)鍋爐分離效率的提高可以降低除塵器入口的粉塵濃度，有益于除塵器出口粉塵濃度的降低。

4 社會效益和經濟效益

黃陵礦業煤矸石發電有限公司燃燒優化關鍵技術在300 MW級循環流化床鍋爐中的研究及應用，共增設了9片爐后水冷受熱面和1050 m2防磨格柵，并進行了1495個床面風帽限流平衡消偏優化、中心筒物料離心篩選優化改造，改造后的社會效益和經濟效益顯著。

4.1 社會效益

燃燒優化關鍵技術符合國家超低排放、節能改造一體化方針，完全滿足國家超低排放指標的全部要求，同時鍋爐效率非但沒有影響反而有所提高，為2×300 MW機組循環流化床鍋爐超低排放改造和鍋爐提效改造提供了科學研究和應用奠定了基礎，具有良好的社會效益和科研價值。

4.2 直接經濟效益

工程總造價為890萬元，其中設計費用40萬元，占總投資的4.5%；設備費用550萬元，占總投資的61.8%；安裝費用170萬元，占總投資的19.2%；其它費用70萬元，占總投資的7.9%；工程預備費用60萬元，占總投資的 6.75 %。項目完成投入運行后，2年內的尿素、廠用電量和檢修費用節省量基本可回收全部投資，其經濟效益十分可觀。

由于床層溫度的整體下降，BMCR工況下一次風量大大減小減弱了密相區燃燒份額，二次風量的相對增加強化了稀相區燃燒份額，使得爐膛整體溫度更加平均，同時高效二次風優化調整進一步促進了爐內稀相區的缺氧燃燒，使NOX原始生成量從改造前的480 mg/Nm3降低至改造后的380 mg/Nm3，按照可利用小時5000 h/a、每天保守節約尿素用量5 t、尿素價格2800元/t計算，每天可降低脫硝成本2.8～4.2萬元，單尿素費用一年可節省成本近300萬元。

4.3 間接效益

(1) BMCR工況下，降低了除塵器入口粉塵濃度，有益于除塵器出口粉塵濃度的降低，降低了除塵系統的耗電量。

(2) BMCR工況下一次風量降低，大大降低了爐內受熱面的磨損，降低了廠用電率，中心筒、下二次風口等部位的高溫變形明顯減小，延長了鍋爐的運行周期。

(3)改造后尿素用量大大下降，避免了氨逃逸造成對空預器的污染、積灰以及腐蝕，提高了機組運行周期和可靠性。

(4)因分離器分離效率的提高，運行中爐內稀相區差壓進一步提高，提高了機組在高負荷階段的帶負荷能力。

(5)采用爐前石灰石前期預處理+爐后濕法徹底處理的脫硫運行方式，加上二次風高效優化調整，減輕了空預器的腐蝕。