穆紫瑞
中煤大同能源有限责任公司电厂 山西省大同市 037000
摘要：随着我国对于环保重视程度的提高，对于燃煤机组的环保指标提出了更高的要求。对于循环流化床锅炉来说，由于其自身特殊性，在进行超低排放过程中的技术路线是不同的，本文主要分析循环流化床锅炉超低排放改造技术路线方面的内容，同时对其具体应用进行了阐述，希望能够对相关人士有所帮助。
关键词：循环流化床锅炉；超低排放改造；技术路线
中图分类号：X773 文献标识码：A
近些年我国加强了节能减排方面的管理，循环流化床锅炉属于发电中最为重要的设备，面临着非常严峻的减排压力。但是因为循环流化床锅炉自身较为特殊，所以实现超低排放技术路线也有所差异。本文主要分析循环流化床锅炉超低排放改造技术路线，提出循环流化床锅炉烟气超低排放的使用条件。
1循环流化床锅炉超低排放改造技术路线分析
1.1炉内改造
对于循环流化床锅炉来说，其影响NOx最主要的因素就是锅炉的床温以及氧化还原性能，随着锅炉床温的下降以及氧化还原性的增加，锅炉炉膛出口的NOx值会逐渐下降。遵照此原理，可以利用优化给煤粒度，增加物料的平均粒度、降低底部密相区的悬浮浓度来提升快速床流动有效床料比例，可以确保炉膛内部燃烧热量的有效分配，防止底部出现超温的情况。
1.2增设SNCR装置
如果锅炉所用的煤种是烟煤，那么通过简单的炉内改造就无法实现NOx的超低排放要求，此种情况下可以增设价格较低的SNCR烟气脱硝设备。
1.3增设半干法脱硫设施
对于循环流化床锅炉来说，最主要的脱硫方式包括炉内钙法脱硫、炉外半干法脱硫以及炉外湿法脱硫等类型。通过不同炉内钙法脱硫的300MW循环流化床锅炉SO2排放测试，得知其排放质量浓度比较低（仅为200mg/m3）。如果想要实现SO2的超低排放就要确保脱硫效率控制在98%上，只通过炉内钙法脱硫是无法实现的。从目前来看，循环流化床锅炉超低排放更多采用的是炉内钙法脱硫+炉外半干法脱硫、炉外湿法脱硫等方式[1]。
1.4增设超净电袋复合除尘设施
从以往试验数据能够得知，采用超净电袋复合除尘设施之后烟尘排放质量浓度<10mg/m3，绝大多数除尘器的运行阻力都在900Pa下。所以在符合超低排放属性的基础上，可以优先采取超净电袋复合除尘设施。
2应用案例分析
2.1工程基本概况
神华神东电力有限责任公司上湾热电厂位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，建有2×150MW空冷抽凝式汽轮发电机组，配置2×520t/h超高压循环流化床锅炉，项目于2008年4月2日开工建设，2009年12月建成并进入设备和系统调试阶段。为响应国家“节能减排”政策号召，顺利完成“十三五”减排任务，上湾热电厂拟于2019年完成机组的煤种适应性改造，使锅炉的床温不高于原设计值，NOx原始排放浓度≤150mg/Nm3（干烟气，6%O2），蒸汽温度达到额定汽温。
2.1.1考虑催化剂活性温度
反应器一般布置于高压蒸发器换热面下游区域，反应器内进行催化剂支撑及安装导向布置。常规还原剂氨气制备来源主要可分为液氨、氨水与尿素三种，此例为氨水制备。氨水原料通过输送泵送入储罐，储罐中的氨水经计量泵通过压缩空气雾化进入蒸发混合装置，与此同时，蒸发混合装置抽取余热锅炉内部分高温烟气实现氨水蒸发，形成氨气送入喷氨格栅进行脱硝反应[2]。
2.1.2催化剂选择
催化剂是ＳＣＲ脱硝系统的核心部件。燃气轮机烟气中ＮＯｘ比例与燃煤机组存在区别，其ＮＯ２含量很高。在燃气轮机实际运行中，ＮＯ２含量约占烟气中ＮＯｘ含量的５０％（体积分数）以上。高的ＮＯ２含量可以促进ＳＣＲ脱硝反应，进一步提高ＮＯｘ的转化率。同时，天然气燃烧产生的烟气成分中基本不含粉尘与ＳＯ２，可以有效避免催化剂堵塞与中毒的问题。此外，燃气轮机排气中ＮＯｘ浓度远低于燃煤机组，加之燃气轮机负荷波动大，相应温度与烟气ＮＯｘ浓度变化梯度大，催化剂运行工况不稳定，催化剂工况适应性需要得到保证。在余热锅炉空间布置上，空间较为狭窄，喷氨装置一般布置于低温段的尾部烟道，较低的烟气温度将会降低催化剂的活性，因此燃气轮机催化剂必须具有较高的低温活性。
2..2锅炉优化改进方案
根据上述情况，可通过优化二次风位置强化分级燃烧效果，布风板风帽更换提高布风均匀性，SNCR脱硝提效等以达到降低NOx排放目的；屏过入口分配集箱设置节流圈，降低屏过壁温偏差，具体优化改造方案如下：提高二次风口，增强分级配风效果（高效二次风方案）：
（1）方案描述
高效二次风系统是一种先进的炉内分级、降低NOx、去除SO2、优化炉内燃烧的技术，通过改变锅炉炉膛燃烧场的方法，在锅炉效率不受影响，甚至稍有提高的情况下，减少石灰石消耗或提高CFB锅炉的脱硫效率、降低现有NOx排放。结合入炉煤燃料的特性，通过数值模拟，锅炉在常规二次布置的基础上提高上二次风的标高、优化了二次风喷口的位置、二次风的喷口入炉角度及数量[3]。通过采用高效二次风，提高上二次风口以下还原区域高度，分级燃烧效果得到强化，可以有效降低NOx排放浓度。具体实施改造内容：
原设计下二次风口距离布风板很近有利于燃烧，但分级燃烧效果不明显。通过提高下二次风标高，起到强化分级燃烧的作用，降低氮氧化物生成量二次风改造分两个方面：①提高下二次风；②提高上二次风。
（2）提高下二次风口
原设计下二次风口距离布风板很近有利于燃烧，但分级燃烧效果不明显。通过提高下二次风标高，起到强化分级燃烧的作用，降低氮氧化物生成量。原设计下二次距离布风板只有1m，本次改造为将下二次风向上提高，如图1所示。
（3）提高上二次风口，即高效二次风方案将原上二次风口提高到炉膛下部拐点以上，进一步增大还原区高度，同时利于增强上二次风的穿透性和扰动性。将上二次风布置在炉膛的稀相区，锅炉密相区均为欠氧环境（风量控制在理论空气量以下），还原性气氛围区域相对于常规二次风系统更广。同时，高效二次风在锅炉炉膛上部区间内产生强烈的扰动，能对锅炉喷射区域及影响区域内的整个物料流化反应场进行重新分配，能够改善CFB锅炉炉膛中心缺氧问题，增大锅炉的有效反应空间，同时因气流的高速穿透也增加了煤颗粒及石灰石颗粒在炉内的滞留时间，改善了碳颗粒与石灰石颗粒在炉内的化学反应条件，使下部欠氧环境下不能充分反应燃烧的物料强化了反应和燃烧。
（4）布风板及风帽优化布置
采用最新风帽结构，且采用分区布置，使布风更为均匀，减少局部的高温区。新风帽结构不仅有利于均匀床温，且更利于电厂运行维护。原设计的布风板，风帽全炉膛设计一致，四周与中间风帽结构一致，导致中间部分风量偏大，四周风量偏小的情况，出现床温偏差。为改善流化质量，有利于布风均匀，现采用炉膛及四周风帽分区布置，即炉膛中间区域采用阻力系数较大的风帽，四周区域采用阻力系数较小的风帽，达到全炉膛风量一致、布风均匀的目的[4]。
（5）旋风分离器入口烟道优化
为提高旋风分离器分离效率，通过耐磨耐火材料优化旋风分离器入口烟道宽度。固定耐火材料用金属锚固件加长，用于固定支撑耐磨可塑料，耐磨可塑料需注意与原内衬材料相接处圆滑过渡。此处浇注料施工需要将该部位原浇注料去除，再按图重新施工。旋风分离器入口烟道优化后，分离器效率得到提升，首先会降低飞灰含碳量，再者由于分离器分离效率提高，灰循环量增加，提升炉内物料浓度。
（6）炉膛布风板优化
缩小布风板深度，提高布风板区域风速，降低上、下炉膛床温偏差，提高上炉膛温度；布风板深度适当缩小，布风板深度降低后，也可以降低一次风率，提高二次风率，降低NOx。为减小改造工程量，采用敷设耐火材料方法实现。
3改造结果分析
2#炉改造前、后满负荷工况的NOx排放及床温分布的情况，对比可发现，满负荷工况改造后平均床温由改造前945~950℃（未折算）的降低至920℃左右，降低效果比较明显，SNCR投运，NOx控制在165~185mg/Nm3时，尿素用量明显比改造前低，由300—350L/h减少至100—150L/h。满负荷工况钙硫比也较改造前有较大优化。本次改造后，床温均匀性有较大改善，改造前满负荷工况多个测点床温超960℃，部分点高于1000℃，改造后仅后墙个别点床温超960℃，剔除后墙下部受流化风和水冷壁影响温度偏低的两测点，床温偏差低于50℃。105MW负荷改造后NOx排放量明显降低，改造后105MW负荷不投SNCR，NOx原始排放低于150mg/Nm3，满足性能考核要求。而改造前105MW负荷NOx控制在145~150mg/Nm3范围，需投85—138L/h的尿素量。改造后同负荷二次风量明显降低，风机电耗明显减少，改造前运行风量偏大（与改造后满负荷工况运行风量相当），说明改造后床温可控性明显优于改造前，同负荷下无需大风量控床温。75MW负荷改造后不投SNCR，NOx排放可降至130mg/Nm3左右，满足不投脱硝低于150mg/Nm3的性能考核指标。改造前75MW负荷NOx降至130mg/Nm3左右需投60—80L/h的尿素。综合改造前、后75MW、105MW和150MW三个负荷段运行情况，本次改造整体效果优良，各负荷段NOx排放明显降低，75~112MW负荷经调整后NOx原始排放可降至150mg/Nm3以下稳定运行，满负荷也较改造前降低超60mg/Nm3。床温均匀性及可控性、钙硫比、风机电耗、满负荷工况稳定性等均优于改造前[5]。
3.1主要存在的问题
(1)随着国家环保要求日益严格，原排放指标已不能满足新的环保要求，成为影响公司进一步发展的重要因素；
(2)除尘器通透量不足，造成除尘器布袋压差高，导致除尘器出口粉尘含量偏高；
(3)脱硫装置的脱硫塔进口环形喷淋前后烟道及附件存在腐蚀问题。脱硫装置整体设备故障率高、部分浆液管道易堵，无法长周期稳定运行；
(4)脱硫塔直排烟囱的烟气夹带液滴较多，烟囱出口烟羽现象严重；
(5)脱硫塔的喷淋层不足、喷淋效果不好，为了使烟气出口SO2达标，超设计量使用液氨。
3.2改造目标
为了响应国家节能减排、环保排放的政策，本着从严治理的目的，此次锅炉超低排放改造指标要求为:NOX排放浓度不高于50mg/Nm3，SO2排放浓度不高于35mg/Nm3，烟尘排放浓度不高于5mg/Nm3。
3.3改造方案
本次改造采用锅炉脱硝系统增效改造+除尘器提效改造+脱硫除尘一体化改造+引风机改造方案。锅炉烟气经脱硝、除尘后经过新建烟道进入脱硫系统，经过降温浓缩段、喷淋吸收段、一二级水洗段后经塔顶直排烟囱排放。
3.4除尘系统改造
除尘系统在原除尘器的基础上增加4个室共728条滤袋及气力输灰系统，每台锅炉可以增加30%除尘面积。新增加除尘器外观布置设计与原除尘器及输灰系统一致，增加的4个室布置在原除尘器后，每台炉新增2台仓泵，新增一根输灰母管至灰库，可以与原有输灰母管相互切换。将原有滤袋更换采用PPS+超细纤维+PTFE覆膜材质除尘袋并改进滤袋口密封装置；取消现有旁路烟道并更换所有现用脉冲反吹阀。
4结束语
本文主要以神华神东电力有限责任公司上湾热电厂超高压循环流化床锅炉为例，介绍了超低排放改造技术以及施工方面的内容，并且对其具体改造运行结果进行了分析，可知床温均匀性及可控性、钙硫比、风机电耗、满负荷工况稳定性等均优于改造前，改造效果良好。通过本文的介绍能够对循环流化床锅炉超低排放改造提供一定参考和帮助，对于节能环保具有现实意义。
参考文献：
[1]于军.循环流化床锅炉超低排放改造技术路线分析及应用[J].低碳世界，2020，10(09):11-12.
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[3]郭庆，侯刚.煤粉锅炉烟气超低排放改造[J].山东化工，2020，49(21):246-247.
[4]温卿云.330MW循环流化床锅炉低氮燃烧改造及分析[J].能源与环境，2020(05):81-83.
[5]王宏亮,许月阳,薛建明,刘涛,管一明.燃煤发电机组超低排放改造前后汞排放规律对比研究[J].中国电力,2020,53(11):243-251.