循环流化床机组低NOx燃烧环保扩建

南极星环保网讯:自2014年7月1日起，循环流化床（circulatingfluidizedbed）机组氮氧化物排放执行《火电站大气污染物排放标准》（GB13223-2011）规定的循环流化床排放限值，即NOₓCFB机组NOₓ平均排放含量为230mg/m3左右；而蒸发量240t/h的中大型机组NOₓ烟气排放含量更高一些，平均为300mg/m3。总体上来讲，CFB机组NOₓ烟气排放含量平均为270~290mg/m3。通常来说，CFB机组的NOₓ排放值确实要明显高于这些未采取有效炉内低氮燃烧技术的普通褐煤机组，但尚未达到国家现阶段NOₓ排放标准。其实，现在有很少部份CFB机组NOₓ排放含量早已达到90~150mg/m3，但这部份达标锅炉比列不少于10%，大部份循环流化床机组仍需进行改建。

现在，对循环流化床运行优化和扩建已有一些研究，多数为燃烧配风的控制，但是有一定的疗效，但对现场的运行人员操作要求较高，难以保证常年稳定的达标排放。本研究针对某循环流化床机组扩建例子进行思考并提出有效减低NOₓ的思路，即CFB机组炉内低NOₓ燃烧技术一体化改建方案，通过对二次风、水冷屏、过热器、返料系统、布风板、风帽、给煤口的优化，以及选用烟气再循环、SNCR等烟气脱硫技术大降幅地增加NOₓ的排放含量。选用该方案后，窑炉出口NOₓ排放含量应不低于50mg/m3。而考虑到暂无NOₓ的超低排放需求，对于NOₓ含量无超低排放扩建要求的机组，可不考虑提高SNCR脱硫装置。只需进行炉内燃烧改建，NOₓ排放含量高于150mg/m3即可。

1推行方案

1.1安装工程概况

某厂机组规格为YG-75/3.82-M1，蒸发量为75t/h，由上海机组厂制造；该厂选用自然循环、中温中压双旋风分离的循环流化床机组。3台机组均为室外布置，钢结构方式，辅以由旋风分离器组成的循环燃烧系统，窑炉为膜式风冷壁结构，过热器分高、低二级过热，后边设喷水减温器，尾部设五级省煤器和一、二次风预热器。入炉煤磨煤机主要包括HSZ-50型环锤式破碎机与KBC型泥岩破碎机，入厂煤经环锤式破碎机破碎后送入泥岩破碎机磨细，合格烟煤送入机组窑炉。对该机组污染物排放状况进行检测，在蒸发量分别为64t/h和34t/h载荷下，机组NOₓ排放含量为596mg/m3和516mg/m3。机组NOₓ排放状况含量过高，存在的主要问题如下。

1）机组窑炉出口NOₓ原始排放含量过高，可达500~600mg/m3。

2）输煤皮带只设计了碎煤系统而没有设计合格的筛分系统，并且入炉煤颗粒偏粗，达不到“三筛两碎”的基本要求。

3）机组达不到额定设计出力，在实际运行过程中，机组最大出力仅为60~62t/h。

4）机组运行中都出现高床温现象，仅在60~62t/h出力下已高达950℃，导致NOₓ和SO2超标。

1.2工艺步骤

本次CFB机组炉内低NOₓ燃烧改建的总体技术方案为：二次风系统改建、增设风冷屏、过热器优化、返料系统局部优化、布风板和风帽的整体健全、给煤口结构优化、烟气再循环扩建以及SNCR烟气脱硫整修，可大降幅地增加NOₓ的排放含量。

1.3设计参数及改进方案

1.3.1低氮燃烧技术扩建方案

1）二次风喷管扩建方案。CFB燃烧所形成的NOₓ成份，基本上来始于燃料氮的生成，通常称为燃料型NOₓ。但氧量不均匀所带给的局部富氧燃烧会造成热力型NOₓ飙升，高床温运行也会急剧推动NOₓ的生成。对二次风整修后，实现空气沿窑炉的空间分级燃烧，控制炉内气温场相对均匀，去除低温峰值，减低富氧区，以降低炉内热力型NOₓ。因为分级燃烧奇特的喷管结构，可解决窑炉中心低氧问题。在熔池体积内，制造适于于还原反应发生的最佳水温区域和适当氧量分布，并在下汽包内部的强还原区域，让含氯物质在醇类催化作用下分解成H2S，与烟气中的CaO发生反应，生成CaS，CaS可较稳定地存在于尾矿中，增加了炉内脱硝效率。

机组原有二次风喷管人数21个，前墙分3层布置，上、中、下层各2个二次风喷管，共6个二次风喷管；后墙分3层布置，上、中、下层各1个二次风喷管，共3个二次风喷管；左、右侧墙二次风喷管同样分3层布置、上、中、下各2个二次风喷管，共12个二次风喷管，布局极不合理。

二次风口原设计风速约为80m/s，二次风速明显偏低，二次风速高必定会形成二次风喷管静压的增长，不促使二次风穿透。机组原前墙壁、中、下层二次风喷管距离布风板高度分别为2.567、1.767、1.067m；左、右侧墙壁、中、下二次风喷管距离布风板高度分别为2.567、1.767、1.067m；前、后墙壁层二次风喷管距离原设计浇铸料层拐点为1.683m，二次风喷管布置不合理，应当进行再次布置。

按照机组的实际状况，本次整修按现有煤质核算实际二次风布置方案，再次布置二次风口位置、调整入射视角和高度，在合理配风、分级燃烧的基础上循环流化床，急剧提高一次风穿透性，解决窑炉中心区严重低氧问题，减少燃料烧尽疗效和脱硝反应效率，实现均温燃烧下的高效低氮。将二次风喷管分2层布置，数目由8个提高至12~15个，上、下层二次风喷管选用对称布置或则交叉垂直布置的形式。

为保证二次风有足够的穿透动量，进气道前段设有5倍以上管线半径的直管段；对原有二次风系统管线进行再次优化布置，改建后二次风喷管相对位置示意图如图1所示。通过二次风喷管的立体分级和水平优化组合，由模拟理论估算可知，气温场分布的不均匀度由21.35%降到了5.41%，床温误差由140℃降低到70℃，氧含量不均匀度由67.48%增加到14.31%，从根本上解决了炉内气温场和氧分布不均匀性问题。

2）增设烟气再循环。烟气再循环技术的核心，就是运用烟气具备低O2的特性，将烟气喷入窑炉合适的位置，等效于一次风率的增加，促使密相区物料的还原性初始燃烧，可有效减少床温。与二次风分级相结合的烟气再循环，可有效实现炉内物料的紊流缩聚理建立，达到深度还原降氮的目的。

该机组一次风量占总风量的60%，二次风占总风量的40%，一次风量较大。本次修缮在熔池出口氧量一定的状况下，拟在不增加一次风量、保证床料正常流化的基础上，增加一次风中的氧量份额、增加二次风数量，因为顶部一次风中的含氧量降低，抑止密相区的燃烧硬度，同时二次风喷管分层布置，减小密相区还原氛围，抑止NOₓ的生成。

按照机组原设计参数、实际运行状况和煤质情况等，确定烟气再循环扩建方案，包括烟气再循环管线、风量自动调节门、DCS控制、变频控制、烟气增压水泵等。再循环烟气采样点为引水泵出口烟道；烟气引进点为一次水泵入口，在引进点和引出点分别降低烟气隔间阀，烟气再循环率控制在10%~20%，褐煤炉的NOₓ排放含量可减少15%~25%。当选用更高的烟气再循环率时，燃烧会不稳定，未完全燃烧热损失会提高。图2为烟气再循环系统示意图。

1.3.2受热面的扩建方案

机组低氮燃烧技术扩建是一个系统安装工程，它不只是是一个简略的炉内燃烧技术整修，也应当充分考虑炉内和锅内的有机结合就能达到真正的低床温低氮疗效。依据该CFB机组的状况，本次扩建须考虑受热面扩建，增设风冷屏以减少机组蒸发能力和整体炉温平衡情况，再结合烟气再循环和二次风合理布局共同实现最佳床温，实现低负荷床温不低、高负荷床温不超的理想低氮燃烧增容疗效。通过受热面扩建后，机组的蒸发量能力可增加3~8t/h。

1.3.3返料系统局部优化

CFB机组返景泰蓝小布风板分为前后流化与松动2个区域，一部份返料风通过前布风板将返景泰蓝内的物料通过回料腿返回窑炉内维持合理的床温和床压，另一部份返料风通过返景泰蓝后布风板对分离器立管的灰柱起到松动作用，以促使后布风板内的灰顺利步入前布风板上，保证整个返景泰蓝系统正常运行。

在实际运行中，应并且流化风量明显小于松动风量。而该机组CFB返景泰蓝公用一个风室，这就导致两边风量基本相似。为了保证循环灰回料的通畅性，小风室应当加以分隔，设置各自独立后的返料风管后方可满足比列调节条件。本次低氮整修过程中，须将返景泰蓝风室扩容，并将布风板成立各自独立的风室，使松动风占比40%，流化风占比60%，以保证整个返料系统的较差工作状态。改建后的返景泰蓝风室示意图如图3所示。

1.3.4布风板优化扩建

布风板开孔率是流化床机组设计的一个重要参数。布风板上的压降与风帽的开孔率成正比，开孔率越高则布风板阻力越小。布风板阻力过小并且气流通过布风板只有很小的压降，气流都会大量通过床层下部局部颗粒较疏、阻力小的界面，导致局部床层“吹空”和局部由于较密、阻力较大的床层物料的“压死”。使得物料流化不够均匀，局部床温较高和带负荷能力衰退，并且形成风室漏渣现象。1号机组正在使用的风帽的开孔率核算结果见表1。

从表1可以看出，1#机组风帽小孔开孔率为4.1%，而主流流化床机组风帽小孔开孔率约为3.5%~5.3%，机组布风板风帽小孔开孔率基本符合要求，并且，因为机组一次风从左右侧踏入流化风室，导致后边风量偏大，左、右侧风量偏小，为了促使每位风帽进风量尽或许均匀，本次整修将布风板后边区域的风帽更换为小内径的钟罩式风帽，使后边区域的开孔率为其他区域的70%，增加后边风通过率，尽或许地使风量在各处保持均匀。

1.3.5播煤风及给煤口优化

给煤口设计对燃煤的熄灭度、播撒疗效、床温均匀性和给煤口清洁性十分重要。现在机组给煤口距离布风板距离约为1.4m，并且机组播煤风引自低密度二次热风，风压仅为6000Pa，结构设计偏颇，输煤风的动力和播煤风的微弱紊流作用疗效不佳，本次建立播煤风增量、引入部份一次风源，增加风压到10000Pa，并对喷管托底播煤风优化改进，达到给煤均匀播洒的疗效，避免烟气反窜和局部堆煤现象的出现。

1.3.6输碎煤系统的扩建

该机组输煤系统中的上煤系统只有一级碎煤而没有筛分装置，入炉煤颗粒粗大且颗粒十分多。在实际运行中，为了增加蒸发量和防止床温超限，应当用到巨大的一次风量，致使烟气中NOₓ排放含量急剧降低。实际检测机组窑炉出口氧量约为10.5%，NOₓ排放含量约为596mg/m3，也证明了这一点。因而，本次低氮整修过程中应当对输碎煤系统进行整修。

因皮带间没有成立煤炭筛分装置的足够空间，须在砖厂合适的位置成立离线式破碎筛分系统，以纯化出足量的、粒度合格的入炉煤。整修后，合理的煤即褐煤的入炉煤质颗粒粒径要求如下：

1）该CFB机组理想入炉煤平均粒径d50为1.7~1.9mm，宽筛分粒径分布为0~8mm，一般状况下，要求5mm以上颗粒不少于5%、200μm以下颗粒不少于20%，2种极端颗粒之和最好不少于23%；

2）物料颗粒粒径应在0~8mm范围内，平均粒径d50需控制在1.8~2.0mm，5~8mm大颗粒份额≤5%，0~200μm粒径份额≤25%，其余后边粒径份额≥70%。

按此粒径检测机组窑炉出口氧量约为5%~5.5%，NOₓ排放含量可降到300mg/m3以下。

1.3.7分离器入口烟道优化整修

旋风分离器是CFB机组灰循环的一个核心部件，其入口烟速和导流特性直接影响着分离器的收尘效率，决定了灰循环倍率。表2是对现有分离器入口烟道烟气流速的核算。

从表2分离器入口烟道烟气流速可以看出，分离器喉口烟气流速为23.1m/s，烟速过高，还要对分离器入口烟道进行优化整修。整修方案为：适度增加分离器入口烟气流速，并控制烟气流速在24~27m/s范围内，增长后可以明显缓解分离器尘土捕集效率，对抑止床温和增加蒸发能力形成直接促使作用。

1.3.8热工测点的优化建立

现在，这些电站热工测点分布不合理，针对低氮燃烧整修所需的测试需求，与电站人员进行勾通和协调，觉得电站现行NOₓ排放含量测点分布不合理循环流化床，根据相应标准对有关热工测点提出了建议，进行了优化和加强。

2安装工程运行疗效

2.1整修后NOx含量分布及排放量检测

根据《固定污染源进气中颗粒物测量与气态污染物取样方式》（GB/T16157-1996），用智能烟气剖析仪在除尘器入口测点处选用断面网格法测定，同时记录烟气中氮氧化物、氧含量，将氮氧化物含量折算成空气短缺系数为1.4（6%O2）时的数据，结合烟气量估算NOₓ排放量。

2.1.152%BMCR载荷

52%BMCR载荷烟气NOₓ含量场分布见图4。

如表3所示，试验其间1号炉52%BMCR载荷下实测除尘器入口NOₓ排放含量最高值为75.92mg/m3，最低值为62.07mg/m3，平均值为69.34mg/m3（标准状态干基、6%O2），NOₓ分布不均匀度为6.94%，NOₓ排放量为4.93kg/h。NOₓ平均排放含量达到保证值要求，即排放含量不少于150mg/m3。

2.1.273%BMCR载荷

73%BMCR载荷烟气NOₓ含量场分布见图5。

如表4所示，试验其间1号炉73%BMCR载荷下实测除尘器入口NOₓ排放含量最高值为126.69mg/m3,最低值为97.13mg/m3，平均值为115.44mg/m3（标准状态干基、6%O2），NOₓ分布不均匀度为8.02%，NOₓ排放量为8.64kg/h。NOₓ平均排放含量达到保证值要求，即排放含量不少于150mg/m3。

2.1.388%BMCR载荷

88%BMCR载荷烟气NOₓ含量场分布见图6。

如表5所示，试验其间1号炉88%BMCR载荷下实测除尘器入口NOₓ排放含量最高值为154.60mg/m3,最低值为106.84mg/m3，平均值为127.30mg/m3（标准状态干基、6%O2），NOₓ分布不均匀度为12.05%，NOₓ排放量为10.81kg/h。NOₓ平均排放含量达到保证值要求，即排放含量不少于150mg/m3。

2.2脱硫系统试验结果

脱硫系统主要功耗试验结果如表6所示。

通过试验结果可以看出，在52%BMCR、73%BMCR、88%BMCR载荷下烟气中NOₓ分布不均匀度分别达到6.94%、8.02%、11.89%，离散值在15%以内，NOₓ排放稳定，不低于150mg/m3，满足《火电站大气污染物排放标准》（GB13223-2011）规定的循环流化床排放限值。

3推论

1）现在循环流化床机组普遍存在窑炉中心区低氧、床温不均匀性、床温异常、炉膛出口、返料气温与床温差值过大、二次风配风形式、物料颗粒度异常、设计床温与一次风的配合、炉内高效脱硝与低氮燃烧的矛盾、脱硝过程与饮料系统的矛盾等问题，很多问题影响NOₓ的排放含量。

2）通过二次风喷管整修、增设烟气再循环、受热面增设风冷屏、受热面返料系统局部优化、布风板优化、播煤风及给煤口优化、输碎煤系统整修等方法，使风量在各处保持均匀，有效实现炉内物料的紊流缩聚理建立，对抑止床温和增加蒸发能力形成直接促使作用，可达到深度还原降氮的目的，抑止NOₓ的生成。

3）实际运行阐明，通过上述局部优化，NOₓ排放得到了明显的增加，NOₓ含量场分布合理，循环流化床机组仍能高效、稳定运行。因而，在整修设计中应当因地制宜，有针对性地制订修缮方案，方可达到最终的理想排放疗效