煤粉供熱鍋爐技術改造

傅曉峰

(浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000)

浙江巨化熱電有限公司(以下簡稱“巨化熱電”)9#鍋爐為2004年上海鍋爐廠生產的440 t/h超高壓自然循環煤粉鍋爐，型號SG-440/13.7-M782，設計燃料為煙煤，采用中儲式熱風送粉方式，鍋爐一次風進風熱風溫度320 ℃，一次風進風冷風溫度為環境溫度，一次風溫180 ℃，二次風溫315 ℃，排煙溫度139 ℃。原各角燃燒器一次風和二次風配風方式為自上而下三、二、一、二、一、一、二，一次風由回轉式空氣預熱器出來的熱風及送風機出來的冷風進行溫度調節，二次風取自回轉式空氣預熱器出口。每臺制粉系統匹配兩根三次風管，分別對應1#、3#角及2#、4#角的三次風，作為制粉乏氣和干燥劑的三次風直接送入爐膛燃燒。

為符合國家超低排放要求(即NOx質量濃度≤50 mg/m3、SO2質量濃度≤35 mg/m3、粉塵排放濃度≤5 mg/m3)[1]，2015年巨化熱電對鍋爐進行了低氮燃燒改造，在四面爐墻加裝了8個SOFA風門，并在尾部煙道增設SCR脫硝裝置，以實現煤粉的分級低氮燃燒和噴氨脫硝。改造后，因爐膛火焰中心抬高而造成的過熱器壁溫難以控制，導致鍋爐極易結焦、掉焦滅火，脫硝噴氨副產物在空氣預熱器積聚，使煙道阻力增大，噴氨量、氨逃逸嚴重超過設計值，“四管”運行環境惡劣，且鍋爐長期在低負荷下運行。

中儲式熱風送粉系統的三次風攜帶大量超細煤粉，直接通過噴口送入爐膛，引起燃燒室斷面上的熱量不均勻，降低了火焰溫度，造成化學不完全反應熱損失和機械不完全燃燒熱損失增大；該部分煤粉入爐燃燒過程處于富氧環境下，會生成大量的 NOx[2]，對SCR的正常運行造成極大壓力；同時，三次風量偏大也將導致粗、細粉分離器的效率變差，煤粉細度變粗，造成煤粉燃盡困難，飛灰含碳量和減溫水用量增加，增加了爐膛結焦風險。

針對以上問題，巨化熱電從以下5個方面進行優化改造：中儲式熱風送粉方式改造為中儲式乏氣熱風混合送粉模式，風量配比優化，SCR系統整體優化，吹灰方式跟蹤匹配和爐內切圓深度調整。

1 實施方案

1.1 引進乏氣送粉工藝

參考大型機組直吹式送粉系統制粉乏氣直接輸送煤粉進入爐膛、燃燒過程NOx生成量低的工藝[3]，并在此基礎上進行升級，將中儲式熱風送粉系統改造為中儲式乏氣熱風混合送粉系統[4]。將排粉風機出口的全部乏氣(原三次風)送入部分一次風管道，采用乏氣作為大部分給粉機的送粉介質輸送煤粉，避免乏氣直接送入爐膛造成局部富氧氣氛，從而有效抑制乏氣中的煤粉燃燒過程NOx的生成量(乏氣送粉布置方式如圖1所示)。盡量在不使用摻冷風降低鍋爐效率的前提下，降低一次風溫，拉長火焰中心，保證在控制最佳過量空氣系數的前提下，增加二次風量，優化爐內燃燒工況，有效改善爐膛結焦情況。來自空氣預熱器出口的熱二次風經布置在爐膛四角的燃燒器進入爐膛，各角二次風噴嘴與一次風噴嘴自上而下按二、一、二、一、一、二的方式布置。這樣，可為碳的燃燒提供氧氣，并加強氣流擾動，促進高溫煙氣回流，使可燃物與氧氣充分混合。煤粉燃燒后繼續向爐膛上部流動，在到達SOFA風噴嘴時，大量補入的自空氣預熱器出口出來的熱風，使煤粉完全燃燒。考慮操作靈活性，當排粉風機停運時，仍可切換為熱風送粉方式。當磨煤機投運時，自空氣預熱器出口熱風總管出來的熱風，一部分進入四角二次風箱，供二次風、一次風周界風、燃盡風取風；一部分進入磨煤機，攜帶煤粉經粗粉分離器和細粉分離器后，煤粉進入煤粉倉，乏氣自細粉分離器進入排粉風機，由乏氣風箱分配到一次風管，經風粉混合器與煤粉混合后，將煤粉經燃燒器噴口送入爐膛，避免乏氣直接送入爐膛造成的局部富氧氣氛，有效降低乏氣所帶的煤粉燃燒過程中 NOx生成量，從而將NOx排放濃度控制在達標水平。

圖1 改造后乏氣送粉布置方式

1.2 優化風量配比

提高SOFA風及二次風測速裝置精度，使風速顯示準確，時時可控，指導鍋爐燃燒配風，準確掌握燃燒情況。由于設計制粉乏氣輸送煤粉時，須開大SOFA風和二次風，以保證爐膛氧量，達到改善爐墻周圍的燃燒情況，減少還原性氣體生成，防止爐膛結焦的目的。在保證最佳過量空氣系數的前提下，增加二次風量，保證一定的二次風壓，增加二次風剛性，改善爐墻附近區域的燃燒情況，避免主燃燒區域的貼壁燃燒以及還原性氣體生成而在爐膛結焦。同時，根據脫硝進口NOx含量，調整SOFA風量，保證還原區的還原性氣氛，增強還原效果。根據不同燃燒工況，特別是單、雙磨工況，制定不同的乏氣/熱風送粉只數、二次風壓、SOFA風量及氧量配比。

1.3 SCR系統整體優化

對空氣預熱器進行全面檢查，摸清情況，進行針對性檢修；制定噴氨格柵定期調整試驗機制，每次檢修或每半年均應對噴氨格柵進行一次優化，防止噴氨不均勻造成反應效率下降，浪費氨氣的同時，造成空氣預熱器硫酸氫氨堵塞。噴氨格柵布置如圖2所示。

圖2 噴氨格柵布置

噴嘴為Φ25×3的直管，噴射方向與煙氣流向一致。通過布置在噴嘴上方300 mm、600 mm的兩層Φ76×6的鋼管進行擾流混合。噴氨射流在煙氣中的擴散性差，混合效果差。

優化措施1：在噴嘴上端布置防磨擾流板，在噴口處形成負壓渦流，加強噴氨射流的擴散性。

優優措施2：增加噴嘴數量，將噴嘴的噴氨射流方向設置為與煙氣流向呈一定夾角，強制噴氨射流與煙氣的混合。

1.4 吹灰方式跟蹤匹配

對空氣預熱器進行定期吹灰，且保證吹灰蒸汽足夠的過熱度[5]。吹灰至少每8 h進行1次，如果發現空氣預熱器差壓有上升趨勢，應縮短吹灰時間間隔。吹灰程序控制必須采取疏水溫度控制，不能通過時間簡單判斷疏水是否干凈，必要時進行疏水管路改造，確保空氣預熱器的吹灰效果。

加強吹灰閥門的綜合治理。每次停爐后對空氣預熱器吹灰進汽閥和吹灰槍進行檢查處理，保證運行中濕蒸汽不會泄漏到空氣預熱器換熱元件上。

1.5 爐內切圓深度調整

9#鍋爐近年來發生多次掉焦正壓滅火，鍋爐噴嘴附近多處開裂、漏風，對鍋爐燃燒產生較大負面影響，導致NOx生成量偏高。利用本次改造機會，對9#鍋爐進行漏風試驗，將鍋爐漏風率控制在標準范圍以內。

在冷爐空氣動力場試驗階段，對四角燃燒器噴口進行了校核[6]；對一、二、三次風進行了標定、調平，同時對二次風小風門(包括周界風)以及三次風風門進行了特性試驗；在不同工況下，對爐內噴口速度特性以及切圓動力場特性進行了整合控制。

2 結果分析

項目實施前，9#鍋爐在部分負荷(350 t/h左右)下，噴氨量要開至90 kg/h才能保證 NOx排放不超過50 mg/m3；空氣預熱器壓差達3.9 kPa，引風機滿負荷運行；減溫水開足，過熱器管壁溫度紅線運行；鍋爐爆管、結焦等非計劃停車頻繁。

改造后，9#鍋爐在440 t/h滿負荷下運行時，投入9個乏氣噴嘴，噴氨量只需30～40 kg/h即能滿足 NOx排放要求。噴氨量的下降直接帶來了氨逃逸的下降，使之前一直困擾的空氣預熱器堵灰問題得到改善。改造完成以來，空氣預熱器壓差一直穩定在1 600～1 700 Pa，引風機電流也由改造前350 t/h負荷的140 A下降至滿負荷130 A左右，風機電耗顯著下降。二次風由改造前的0.2 kPa增大至0.6 kPa，使整個燃燒器周圍氧量充足，抑制了還原性氣體的產生，爐膛結焦情況基本消除。另外，鍋爐反平衡效率基本與改造前持平(改造前9#鍋爐反平衡效率為93% 左右)，說明改造為中儲式乏氣熱風混合送粉模式后，在保持鍋爐熱效率不降低的前提下，降低了NOx排放,各項指標都達到甚至超過了預期效果。

2.1 經濟性分析

本項目的試驗研究從源頭考慮，降低了脫硝進口的NOx含量。在采用SCR技術的同時，進行乏氣送粉系統改造，配合風量、噴氨、爐內空氣動力場等的控制優化，改造量小，施工周期短，投資和運行成本低，對鍋爐燃燒及效率影響小，同時能將 NOx排放降低，減少噴氨量，降低催化劑的更換頻率，解決鍋爐結焦、空氣預熱器堵灰和風量不足等問題，達到國家標準規定的環保要求，增加鍋爐可用率，顯著提高企業經濟效益。一次性投入61萬元，每年直接降低成本約488萬元，機組負荷提升帶來收益5 000萬元/a，降本增效合計5 488萬元/a。

2.2 環保性分析

鍋爐異常停運由2018年的4次爆管滅火，2019年的5次結焦滅火，減少為目前的無一次異常停運，蒸發量由345 t/h升高至420 t/h，穩發滿發，供熱量由60 t/h提升至130 t/h，出色完成保供任務。

在原有基礎上進行改進，NOx生成量大量減少，氨耗減少，噴氨副產物減少，優化了空氣預熱器運行環境，風機電耗減少。小投入，大產出，節能降耗效果顯著，保證環保排放。

2.3 運行效果

9#鍋爐負荷提升項目完成投產以來，鍋爐負荷由改造前勉強350～360 t/h提高至保證安全、經濟、穩定、長周期的440 t/h，并留有較大的調整裕量。噴氨量及氨逃逸顯著下降，回轉式空氣預熱器堵灰情況基本消除，空氣預熱器壓差穩定在1 700 Pa左右。爐膛結焦掉焦問題同步得到解決，改造前，僅2019年前三季度就因大面積掉焦引起滅火5次；改造后，連小范圍的掉焦冒正壓都鮮有出現。相應減少了吹灰次數，水冷壁、過熱器、再熱器的泄漏次數也得到控制。