410 t/h循环流化床锅炉氮氧化物超低排放改造研究

随着社会的发展和环境保护意识的提高，火力发电行业正在面临着日益严苛的环保要求。我国近年出台的烟气超低排放政策对煤电机组烟气排放提出了更高的标准。面对新的环保限值，煤粉锅炉一般采用湿法脱硫、SCR 脱硝的方式来实现 SO2 和NOx 的达标排放。然而，对于循环流化床锅炉，由于其炉内燃烧机理的不同，为超低排放技术路线尤其是 NOx 排放控制提供了新的选择。循环流化床锅炉具有燃烧温度低、物料炉内停留时间长等特点，因此从其发展伊始就具备了炉内脱硫、低氮排放的优势。随着 NOx 排放要求的提升，SNCR 脱硝技术在循环流化床锅炉上体现出了良好的适用性。面对氮氧化物 50 mg/Nm3的超低排放要求，循环流化床锅炉可以采用低氮燃烧结合 SNCR脱硝的方式加以实现，这一技术路线从投资及运行费用方面考虑都具有显著的优势。循环流化床锅炉 NO x 稳定达标排放主要受两方面的影响，一方面是锅炉燃烧生成氮氧化物的量；另一方面是脱硝反应的效果。如果锅炉燃烧工况偏离正常范围或脱硝反应效果不佳，会导致 NOx 指标难以稳定控制、脱硝剂耗量激增、氨逃逸严重等问题。因此，优化锅炉燃烧工况、提升 SNCR 脱硝效率，对于循环流化床锅炉的生存和发展具有重要的意义。

1 锅炉设备概述

某电厂锅炉为 410 t/h CFB 锅炉，型号 DG410/9.81-II1，由东方锅炉(集团)股份有限公司在消化吸收引进国外技术的基础上设计制造。锅炉采用单汽包、自然循环、循环流化床燃烧方式，紧身封闭布置。锅炉由一个膜式水冷壁炉膛，两台汽冷式旋风分离器和一个由汽冷包墙包覆的尾部竖井(HRA)三部分组成。

炉膛内布置有屏式受热面：6 片屏式过热器管屏和 4 片水冷蒸发屏。锅炉共设有 6 台给煤装置，给煤装置置于炉前，在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置。炉膛两侧分别设置一台滚筒冷渣机。炉膛与尾部竖井之间，布置有两台汽冷式旋风分离器，其下部各布置一台“J”阀回料器。在尾部竖井中从上到下依次布置有高温过热器、低温过热器、螺旋肋片管省煤器和空气预热器。过热器系统中设有两级喷水减温器。

1.1 锅炉主要设计参数

1.2 设计煤质及校核煤质

1.3 锅炉脱硝运行现状

锅炉现有脱硝系统采用以氨水为还原剂的选择性非催化还原法（SNCR），每个分离器水平烟道各设有 8 支喷枪，喷枪为单侧等间距布置。受锅炉设计及运行参数影响，NOx 原始排放最高可达 250mg/Nm 3 ，经过 SNCR 脱硝后 NOx 排放可控制在 70mg/Nm 3 以内，还需炉后 COA 脱硝系统配合使用才能满足低于 50 mg/Nm 3 的排放限值。

2 锅炉改造方案

综合分析锅炉运行现状，根据循环流化床锅炉设计原理及关键部件优化经验，本次改造主要包含以下几部分内容：

(1) 布风板优化改造

锅炉布风板设计尺寸为 4.3m×14.3m，相比炉膛截面积 6.7m×14.3m，布风板面积占比达到 64%，明显高于同类锅炉设计值。同等流化风速下布风板面积越大，所需的布风板一次风量越高，这对于锅炉分级燃烧是不利的。为降低锅炉最低流化风量，将前后墙各一排风帽用浇注料进行覆盖，布风板面积从 61.5 m 2 缩小至减小值 58.2 m 2 。

(2) 旋风分离器优化改造

考虑到锅炉高负荷时平均床温接近 950 ℃，稀相区差压偏低的情况，通过修筑浇注料凸台将分离器入口烟道截面缩小 5%，以适当提高分离器入口烟气流速，改善分离器效率。

(3) SNCR 脱硝系统升级改造

更换新型高效雾化喷枪，改善喷枪雾化效果。此外，还借助数值模拟方法对脱硝喷枪布置位置进行了优化，提升脱硝溶液与烟气的混合效果 。

(4) 其他改造

在锅炉每个落煤口下方新增一路播煤风，改善锅炉播煤均匀性。此外，还对锅炉返料器结构进行优化，更换返料器风帽，提升返料器返料能力。

3 锅炉燃烧调整试验

3.1 一二次风配比调整试验

3.1.1 一次风量调整试验

图 2 为锅炉负荷在 340 t/h 时一次风量调整试验结果。在保持氧量和NO x 排放基本稳定的情况下，当一次风量从 155 km3/h 降低至 145km3/h 时，氨水量从 467 L/h 降低至 340 L/h。氨水量的降低主要是由于流化风降低使得密相区还原性气氛加强，抑制了 NOx 的原始生成量。

3.1.2 上下二次风调整试验

当负荷维持在 340 t/h 负荷时，保持 NOx 排放基本稳定的情况下对上下二次风阀门开度进行调整。当下二次风阀门全开、上二次风阀门开度 20%时，平均床温 912 ℃，氨水流量 213.8 L/h；保持上下二次风阀门全开，平均床温 916.5 ℃，氨水流量 189L/h；上二次风开度 100%，下二次风开度 30%时，平均床温 920.5 ℃，氨水流量 192 L/h。对比不同上下二次风配比，下二次风比例的增加对于降低床温有利，随着上二次风比例增大，床温随之升高。由于下二次风比例降低有助于加强分级燃烧，NO x 原始排放会受到抑制，然而床温升高则会导致 NOx 原始排放增加，因此上下二次风全开时氨水耗量有所下降，但进一步降低下二次风比例的时受床温的上升影响氨水耗量略有增加。

3.2 氧量调整试验

图 5 为锅炉氧量与 NO x 原始排放关系图。从测试结果来看，负荷维持在 340 t/h，当氧量为 3.4%时，NO x 原始排放均值为 189 mg/Nm 3 ；氧量降低至 3%时，NO x 原始排放均值约为 171 mg/Nm 3 ；氧量 2.5%时 NO x 原始排放均值约为 150 mg/Nm 3 ；这一结果直接说明了随着氧量降低NO x 原始排放整体呈下降趋势。负荷维持在 380 t/h 时，氧量 3.3%时现场实测 NO x 原始排放 172 mg/Nm 3 ，氧量降低至 2.8%时NO x 原始排放降低至 163 mg/Nm 3 。改造后不同负荷下NO x 原始排放浓度基本保持在200 mg/Nm 3 以下，相比改造前有明显下降，这说明锅炉炉内分级燃烧得到了强化，抑制了 NO x 的生成。

图 6 为锅炉负荷 340 t/h 时氧量与氨水耗量关系图。试验期间保持 NO x 排放基本稳定的情况下，随着氧量的降低氨水量呈下降趋势。这主要是由于NO x 原始排放浓度降低导致的。

图 7 给出了锅炉负荷维持在 380 t/h 时氧量与氨水耗量的关系。保持NO x 排放基本稳定的情况下，当锅炉氧量从 3.8%降低至 2.8%时，氨水量同样呈下降趋势，与 340 t/h 负荷试验结果一致。

3.3 播煤风调整试验

为验证新增播煤风效果，调试期间对新增播煤风进行了投运对比试验。试验期间负荷维持340 t/h，氨水流量保持稳定，通过开关播煤风阀门，将播煤风单个给煤口流量从 0 和 800 m 3 /h 之间切换，NO x排放随着新增播煤风的投运下降 4～5 mg/Nm 3 。这说明播煤效果的改善确实提升了燃烧均匀性，降低了氮氧化物生成量。

3.4 不同喷枪投运组合试验

为研究不同高度的喷枪投运效果差异，试验期间还对比了不同喷枪组合的 NO x 排放特性。将每侧的喷枪从下至上分别标记为 1～5 号，所有喷枪全开时为组合 0，依次同时关闭不同编号喷枪，分别标记为组合 1～5，试验期间氨水流量保持恒定。试验结果如图 9 所示，相比组合 0 工况，从组合 1 至组合 3 工况 NO x 排放逐渐升高，而组合 4 和组合 5 工况相比组合 0 工况 NO x 排放有所降低。试验结果说明分离器入口水平烟道中部区域的喷枪脱硝效果相对较好，喷枪位置过高或者过低都不利于氨水溶液与烟气的充分反应和混合。

3.5 锅炉改造前后对比

表 3 给出了改造前后典型工况运行参数对比。改造后氨水量降低 17%，NO x 排放指标稳定控制在50 mg/Nm 3 以下，氨逃逸指标有所下降。

此外，还对改造后锅炉热效率进行了测试。根据锅炉效率计算结果得出，锅炉改造后在 380 t/h负荷锅炉效率为 91.07%，达到了锅炉设计值（91%）。

3.6 脱硝反应数值模拟分析

为了对比分析改造前后 SNCR 脱硝反应变化，通过 Fluent 软件对分离器内烟气流场以及脱硝溶液颗粒运动轨迹进行了数值模拟。图 10 为分离器烟气速度场模型，不同截面高度对应不同喷枪位置。图 11 为改造前后脱硝溶液颗粒运动轨迹分布图，从模拟结果可以看出改造后由于喷枪雾化效果的提升和布置位置的优化，脱硝溶液运动轨迹在分离器中充满度明显改善，这说明改造后脱硝溶液与烟气混合更加均匀，保证了脱硝反应的高效进行。

4 试验结论

通过本次锅炉改造，在不影响锅炉燃烧效率的前提下，NO x 原始排放值降低 20%以上，基于低氮燃烧和 SNCR 脱硝系统优化成功实现了锅炉出口NO x 排放稳定控制小于 50 mg/Nm 3 的目标。综合对比分析改造前后锅炉运行参数，改造效果良好，具有显著的环保效益和经济效益。