440t/h循環流化床鍋爐NOx超低排放研究

李 帥，劉廣武，回禹衡，王 忠

（國家電投集團東北公司大連泰山熱電有限公司，遼寧 大連 116023）

氮氧化物（NOx）是工業燃燒產生的煙氣成分之一，也是導致光化學煙霧、酸雨和霧霾等環境問題的主要污染物[1-2]。為了減少NOx的排放，滿足日益嚴格的排放標準，國內外探索出許多方法，如三聯催化、氮氧化物減量和儲存、選擇性催化還原（SCR）等[3-5]。根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）[6]，現有燃煤機組排放的煙氣中NOx含量要低于200 mg/m3，新建燃煤機組排放的煙氣中NOx含量要低于100 mg/m3。2014年，國家印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，其中對燃煤機組排放的污染物提出更嚴格的超低排放要求，即在基準含氧量6%的條件下，NOx排放限值是50 mg/m3。2017年9月，遼寧省某熱電廠接到當地環境保護部門下發的通知，要求限期完成超低排放改造。因而，該熱電廠實施煙氣超低排放改造工程，改造后實現超低排放，從而落實國家環保政策，更好地保護環境。本文以該熱電廠的440 t/h循環流化床鍋爐為例，開展煙氣（尾氣）再循環改造、二次風深度分級改造、噴射系統改造和鍋爐燃燒調整，通過多種技術耦合實現低氮燃燒。

1 設備現狀

該熱電廠現有的鍋爐為440 t/h循環流化床鍋爐，采用超高壓參數中間再熱循環流化床技術。鍋爐總體型式為自然循環、單鍋筒、一次再熱、高溫絕熱旋風分離器、平衡通風、回料閥給煤、緊身封閉布置，配國產135 MW 抽凝式汽輪發電機組。鍋爐為鋼架雙排柱懸吊結構，以燃煤為燃料，采用固態排渣。經測試，鍋爐NOx的原始排放濃度可達350 mg/Nm3，改造前，鍋爐采用選擇性非催化還原（SNCR）系統脫硝，能夠滿足NOx排放濃度不大于200 mg/Nm3的污染物排放標準。為降低NOx排放濃度，實現超低排放，2019年，該熱電廠進行脫硝提效改造，提效改造工程有3 項主要內容，即布風裝置改造、SNCR 提效改造和鍋爐燃燒調整。

1.1 布風裝置改造

對風帽及布風板進行改造，同時更換布風板上、下方的澆注料，更換風帽外罩、全部的芯管，并保證風帽有可靠的連接方式。改造后，提高一次風的穿透能力，減少流化風量，降低床溫，提高床溫均勻性，從而降低NOx原始排放濃度。一次風量降低后，通過增加二次風來增加補充燃燒需要的氧量。

1.2 SNCR 提效改造

噴射系統是保證脫硝效率的關鍵。對每個分離器入口原有的5 支噴槍進行更換，并且在煙道對側增設一排噴槍（3 支）。每臺鍋爐設置2 個計量分配模塊，每個計量分配模塊可以對10 只噴槍進行分配和計量。現有的尿素溶液供應系統由母管制改為單元制，增設1 臺尿素供應泵，泵的規格一致，并增加相應的閥門與管路。

2 存在的問題

為了實現超低排放，將鍋爐出口NOx排放濃度穩定在50 mg/Nm3以下，首先分析鍋爐現狀運行參數和運行狀況，然后進行改造，解決兩個關鍵問題。一是機組低負荷運行時（鍋爐蒸發量200 t/h 以下），NOx排放濃度偏高；二是保證達標排放時，尿素消耗量偏大，氨氮比達到5。

3 煙氣脫硝改造方案

多種技術耦合有助于實現鍋爐低氮燃燒。該熱電廠擬通過煙氣（尾氣）再循環改造、二次風深度分級改造、噴射系統改造和鍋爐燃燒調整，實現低負荷運行條件下NOx超低穩定排放、降低SNCR 的還原劑消耗量等技術目標。

3.1 煙氣（尾氣）再循環改造

為降低鍋爐一次風含氧量，改變爐內燃燒環境，降低鍋爐NOx原始生成量，該熱電廠在鍋爐上新增一套煙氣（尾氣）再循環系統。在引風機出口加裝風機，引一部分煙氣，分兩側，至現有的一次風機入口，將煙氣接入一次風中，與一次風一起送入爐膛。在使用設計煤種時，再循環煙氣量的設計值為額定煙氣量的10%，即60 000 Nm3/h。如圖1所示，煙氣再循環系統包含流量計、壓力溫度測點、流量調節閥門和系統進出口關斷門等。煙氣可以分兩側調節。

圖1 煙氣（尾氣）再循環改造

本次改造涉及多項具體內容。總體來說，在引風機的出口煙道開孔，新增1 臺風機，風機室內布置（新增輕體房），在風機出口安裝溫度、壓力測點和煙氣調節擋板；在管道接口處安裝插板門，拆除與恢復保溫系統；布置管道，新增金屬膨脹節，新增管道保溫、防腐，布置相關閥門與測點。

3.2 二次風深度分級改造

對二次風口布置及二次風配比進行優化。主要目的是延長下部還原區空間，強化上部氧化氛圍，實現分級燃燒，抑制NOx的生成，同時強化二次風穿透與擴散，改善爐內氧量的均勻性。采用二次風深度分級可以實現爐內高效抑氮，將上二次風口提至稀相區后，加強爐內混合擾動，也使二次風具有更好的穿透性。

上二次風風口上移，可以在密相區形成較大的貧氧燃燒區，CO 還原性氣體與部分NOx發生反應重新生成N2。二次風區域物料濃度較稀，有利于二次風的穿透擾動，床溫均勻性提高，雖然氧濃度高，但溫度會相應降低，又阻止熱力型NOx的生成。該熱電廠利用原有風口（改造后，上二次風口標高至爐膛拐點上方）作為上二次風口，減少鍋爐改動量。各風口標高的相對位置如表1所示。改造二次風風箱，取消二次風箱與原有風箱的隔板，即取消原有風箱，整個二次風箱合一。現有二次風保留。二次風系統改造后，二次風分為3 層。在各二次風支管上加手動調節門。可以通過優化調整試驗，確立二次風優化運行操作卡。

表1 二次風口與原有風口的位置

3.3 噴射系統改造

如圖2所示，在旋風分離器處增設3 支高效噴槍，每臺爐共有6 支。原噴槍保留，新增分配計量模塊，安裝不銹鋼管道、軟管以及閥管件等。對于增設噴槍配套的計量分配模塊，根據現有分配模塊箱內部空間，增加就地流量計、手動閥門、壓力表和不銹鋼管道等。

圖2 脫硝噴槍布置

3.4 鍋爐燃燒調整

煙氣再循環能提高布風均勻性，降低鍋爐一次風含氧量，同時改變爐內燃燒環境，降低鍋爐NOx原始生成量。煙氣再循環對鍋爐燃燒過程NOx原始排放濃度的影響如圖3所示。鍋爐負荷為200 t/h，煙氣再循環投入量從30 000 Nm3/h 增加到50 000 Nm3/h 時，NOx原始排放濃度分別降低30%、45%和48%。

圖3 NOx 原始排放濃度減少率隨煙氣再循環的變化

4 結論

該熱電廠實施機組煙氣（尾氣）再循環改造+二次風深度分級改造+噴射系統改造+鍋爐燃燒調整，改造后達到預期效果，NOx排放濃度小于50 mg/Nm3，達到《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）和遼寧省的超低排放要求。本次改造采用的脫硝系統技術成熟，性能可靠，現場滿足施工條件。本項目實施方案從技術上是可行的。本改造項目可以實現節能減排，符合國家現行的污染物排放標準要求，具有良好的環境效益和社會效益。