鍋爐超低排放低氮技術改造總結

蘇金祥

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

1 裝置情況

我公司主要生產工業硝銨，副產品有硫酸銨、LNG等，其生產裝置由1套30kt/a合成氨、2套180 kt/a硝銨、2套200 kt/a硝酸銨裝置組成。該項目是中煤平朔公司高標準循環經濟規劃項目之一，設計建成有4臺160 t/h循環流化床鍋爐，三開一備用，滿足全廠供汽需求。

1.1 鍋爐概述

公司地處晉北地區，配備了太原鍋爐廠生產的次高溫次高壓循環流化床鍋爐，鍋爐型號TG-160/5.29-M型。鍋爐設有輕型爐頂、全鋼架π型布置、全懸吊結構。單鍋筒自然循環、集中下降管、平衡通風、絕熱式旋風氣固分離器、循環流化床燃燒方式、后煙井內布置對流受熱面。燃燒系統由風帽布風裝置、旋風分離器、U型回料閥、床下點火等系統組成。脫硝采用選擇性非催化還原(SNCR)+煙道內布置選擇性催化還原(SCR)組合脫硝技術;脫硫采用爐內噴鈣+煙氣氨法脫硫協同工藝。

1.2 裝置排放現狀

本裝置4臺160 t/h循環流化床鍋爐排煙設計NOx質量濃度250 mg/m3,裝置采用選擇性非催化還原(SNCR)+煙道內布置選擇性催化還原(SCR)組合脫硝技術方案。即，在鍋爐旋風分離器出入口的合適溫度區域向煙氣中噴射過量的5%(質量分數)左右氨水溶液，氨水溶液迅速分解成氨氣，氨氣和NOx(氮氧化物)發生反應從而達到初步控制NOx的目的；過量的氨蒸汽可以在下游SCR催化劑的作用下，進一步實施脫硝反應，經過上述工藝技術的組合，可以實現較高的脫硝效率，使NOx質量濃度降至90 mg/m3以下。

1.3 改造目標與要求

我國燃煤鍋爐在電力總裝機量中仍占據主要地位，隨著全社會對環境問題的日益重視，燃煤鍋爐的節能減排工作也面臨著更高的要求。《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》明確提出現役燃煤機組到2020年供電煤耗要達到310 g/kW·h，大氣污染物排放濃度達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放質量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)。所以對于我公司來說，如何把鍋爐煙氣排放中的NOx控制到環保要求的50 mg/m3以下成了一個突出的問題。

1.4 鍋爐裝置現存在的問題

本裝置4臺160 t/h循環流化床鍋爐，于2015年投運，經過長時間運行，鍋爐存在如下一些問題：

1) 旋風分離器效率低。本爐采用絕熱式分離器，經過幾年的運行中心筒變形，使得一部分煙氣攜帶粉塵從中心筒外部逃離減少了循環灰量；分離器入口煙道磨損嚴重，特別是靶區露出了輕質保溫磚。

2) 風室內落渣管周圍漏渣嚴重。由于落渣管下沉使得大量的高溫爐渣漏進風室，嚴重時影響一次風量的加入從而影響鍋爐負荷。

3) SCR催化劑堵塞嚴重。表面的小孔被細灰堵塞，最嚴重的時候可以達到三分之一橫截面積，嚴重影響鍋爐接帶負荷能力。

2 技術改造措施

借助公司對鍋爐進行低氮改造的機會，同時也為了解決鍋爐存在的以上問題。我公司工程技術人員同低氮改造委托單位山東先進清潔能源科技有限公司，對現場采集數據、模擬的基礎上擬定了改造方案：實施CFB鍋爐高效燃燒一體化技術+SNCR[1]優化。利用2019年9月份大檢修的機會對1#鍋爐進行了低氮改造。具體實施以下改造內容:

2.1 循環物料系統改造

1) 分離器入口的改造。分離器入口由原尺寸(約為1 150 mm)修正為1 100 mm，平滑過渡，高度、方向不變。先將原澆注料拆除，露出抓釘或鋼筋網，重新編織鋼筋網格，涂抹瀝青，進行澆注料的施工。施工時應預留膨脹縫，膨脹縫位置、尺寸與原膨脹縫一致。圖1為分離器入口煙道示意圖。

2) 中心筒的改造。將原中心筒底部150 mm部分切除，去除毛刺，新增部分與切除后剩余的中心筒重合大約100 mm，焊接連接，使中心筒插入深度調整為2 500 mm[2]。圖2分離器中心筒示意圖。

圖1 分離器入口煙道示意圖(mm)

圖2 分離器中心筒示意圖(mm)

3) 返料器的改造。更換返料風帽和松動風帽，并將返料風室與松動風室隔開，更換返料風機，返料風機更換前、后數據祥見表1。調整返料風管路，對松動風和返料風分別供風，分別設置放灰管道及風量調節閥門。圖3為返料器改造后現場布置情況。

表1 返料風機參數一覽表

改造后，整個循環物料系統分離效率大大提高，飛灰粒徑更細。循環物料粒徑變細，循環量增加，大量的循環灰返回來以后包圍在煤顆粒周圍有利于形成還原氣氛，減少NOx的生成。爐膛各受熱面傳熱系數增加，燃燒風量可以按設計風量運行，氧量降低，床溫降低。同時大大減輕各受熱面磨損。

圖3 返料器改造后

2.2 二次風系統改造

二次風改造總體原則是提高二次風動量，增加穿透力，優化爐膛燃燒，同時創造密相區還原性氣氛，抑制燃燒初期的NOx生成，實現分級燃燒。

原來給煤機送煤風由二次風供風，現更改為一次風供風，并且加裝手動擋板調節風量。

2.3 布風系統改造

為了保證低氮效果，對布風板系統進行了改造，從風帽的組合形式、固定方式方面入手，對布風裝置芯管、風帽結構進行全面優化。對比原風帽，新型風帽外罩出風小孔向下傾斜20°，加厚了出風小孔外罩，減少相鄰風帽的擾動和床料反竄，將原來的夾套鐘罩式風帽(采用ZG8Cr26Ni4Mn3N高溫合金材料，圖4)更換為新型鐘罩式風帽[3]。采用鑄造加工，外罩材質升級為ZG40Cr25Ni20，見圖5，提高耐磨性和使用壽命。在風帽芯管上部內增加內套管，用以增加布風板阻力。保證良好流化性能和低氮效果、降低一次風量，調整布風板阻力，提高布風板的布風均勻性和流化質量。

圖4 原來的夾套鐘罩式風帽

圖5 新型鐘罩式風帽

2.4 SNCR系統優化

循環流化床SNCR脫硝效率主要受溫度和布置位置影響。分離器入口溫度在850 ℃～950 ℃，為SNCR提供了良好溫度窗口；噴槍在分離入口位置的布置方式是影響SNCR還原劑與煙氣混合的的關鍵因素，影響著SNCR脫硝效率。根據鍋爐實際情況核算噴槍數量，優化霧化方式、噴槍角度、噴槍布置位置、噴槍數目等，提高SNCR脫硝效率。

在水平煙道外側合適標高處設置3支氨水噴槍(圖6)，每臺爐6支。在合適位置放置噴槍分配柜，實現對噴槍管件的集中操作(圖7)。

圖6 分離器入口氨水噴槍

圖7 噴槍集中操作柜

2.5 增加尾部煙道蒸汽吹灰器

針對鍋爐排煙溫度較高、分離器出口飛灰粒徑變細，沉積在尾部受熱面上難以用原來的聲波除灰器清除的情況，分別拆除在高溫過熱器、低溫過熱器上面的空氣吹灰器，更換為長伸縮式蒸汽吹灰器，保證過熱器系統良好的傳熱性能。

根據鍋爐實際情況，在尾部煙道標高+33 660 mm、+29 000 mm、+26 400 mm處增加3層蒸汽吹灰器，每層2臺。

2.6 拆除SCR催化劑

裝置的SCR催化劑布置在高、低溫省煤器中間，此處的溫度為320 ℃～420 ℃，經過4年多的運行已經超過3年的使用壽命，并且內孔堵塞嚴重(圖8),所以本次改造將它拆除。

圖8 SCR催化劑層堵塞情況

3 實施前、后的指標運行情況

改造實施前、后鍋爐主要參數對比，見表2。

表2 低氮排放改造前主要參數

由表2低氮改造前后數據對比可知：

1) 經過低氮改造以后，鍋爐的原始NOx排放量由改造前的326 mg/m3下降到現在的123 mg/m3，下降幅度達到62%，首先從燃燒層面減少NOx的生成，實現了低氮燃燒改造的初衷。再投入SNCR氨水脫硝系統，完全可以把NOx降低到標準以下，在保證排放合格的情況下可以節約大量的氨水。

2) 返料風室壓力和爐膛差壓都略有提高，說明分離器效率比改造前稍微提高了，循環灰量增多了但是幅度不大。

3) 鍋爐的溫度場分布比改造前變差了。爐膛上下溫度差由原來≤20 ℃增大到100 ℃左右，表明燃煤粒徑偏大，在爐膛下部顆粒濃度增加，被煙氣帶到爐膛上部參與放熱的顆粒濃度減少，要把控入爐煤的粒徑，為合理的爐內溫度場分布創造條件。

4 技術改造后的效果

通過對1#鍋爐的低氮排放改造，在對爐子本體改動盡量小的情況下實現了NOx的達標排放，實現了社會效益，減少了對大氣的污染。

實施改造以后，SNCR用5%的氨水為480 L/h(原設計為20%的氨水為170 kg/h),一臺爐可以節約液氨65.5 t/a，每年節約18.34萬元。同時，減少了過量的氨氣沾染到灰粒表面，減輕了對灰庫卸灰人員身體的危害。

5 存在的問題

對1#鍋爐的改造雖然達到了降低NOx的效果，也帶來了一些問題，如，爐內溫度場不如改造前均勻、一次風量也沒有大幅度降低等。但是，也發現

如果把煙氣含氧量控制在1.5%～2.5%，鍋爐的NOx原始排放可以降低到50 mg/m3以下，當然這也可能帶來鍋爐爐溫高、結焦等問題。

6 結語

通過對CFB鍋爐實施高效燃燒一體化技術+SNCR優化，對NOx的生成起到了較好的控制作用，但是低氮排放和高效燃燒之間本身就存在矛盾，鍋爐部分結構的改動，也不可避免地會對爐內原本穩定的溫度場造成影響，如何通過配套設備的改造以及相關的燃燒調整以減少對鍋爐的負面影響，仍然是今后技術開發以及工程改造中需要努力的方向。