大型循环流化床锅炉超低排放技术应用研究

摘要： 为响应国家号召,减少火电厂排放及污染,全国大部分燃煤机组已相继开展超低排放改造工作.某电厂480t/h循环流化床锅炉根据自身运行特点,采用了“炉内脱硫+SNCR+半干法”超低排放技术,脱硫效率及脱硝效率分别高于98.7%及82.4%,实现机组超低排放运行.通过燃烧调整及运行维护调试,机组投运的钙硫比及氨氮比分别达到设计值(4、1.6),锅炉实现高效稳定运行.经理论分析及试验佐证,若炉内喷钙脱硫系统高效运行,炉后半干法系统不需要投入消石灰,只需喷水增湿即可实现锅炉SO2的超低排放,每年可节约环保投运成本224万元/台.

0前言

超低排放，是指火电厂燃煤锅炉在发电运行、末端治理等过程中，采用多种污染物高效协同脱除集成系统技术，使其大气污染物排放浓度基本符合燃气机组排放限值，即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度(基准含氧量6%)分别不超过5 mg/m3、35mg/m3、50 mg/m3。根据国务院下发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》通知，我国所有在运行的燃煤机组必须在2020年底前完成超低排放技术改造。在此之前，燃煤机组实行国家环保部《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)，即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度(基准含氧量6%)分别不超过30 mg/m3、200mg/m3、200 mg/m3。大型循环流化床锅炉由于自身燃烧特点，一般采用炉内喷钙脱硫+SNCR的技术路线。其中，炉内脱硫喷钙受制于锅炉燃烧工况，脱硫效率只能达到80%～90%，必须配套响应的半干法技术才可达到超低排放标准;而SNCR技术受喷枪雾化扩散等条件影响，脱硝效率约为70%～85%，若流化床锅炉未进行低氮燃烧改造，也很难直接达到超低排放标准。本文将以阜新金山煤矸石热电有限公司2号锅炉为例，详细介绍其采用的超低排放路线及应用效果。

1 超低排放系统

1.1锅炉简介

阜新金山煤矸石热电有限公司建有4台无锡华光锅炉股份有限公司UG一480/13.7一M型超高压自然循环流化床锅炉，单锅筒横置式，单炉膛，自然循环，全悬吊结构，全钢架Ⅱ型布置。炉膛采用膜式水冷壁，锅炉和烟道中间是绝热式旋风分离器。旋风分离器与燃烧室之间，旋风分离器的料腿与返料装置之间分别装有耐高温的膨胀节，以补偿其胀差。循环流化床锅炉焚烧温度在700℃～900℃，主要设计参数见表1。

锅炉超低排放环保设施配有1套石灰石炉内喷钙脱硫系统、1套SNCR尿素喷射脱硝系统、1套电除尘系统、1套炉后半干法脱硫系统。

1.2低氮燃烧配风系统

锅炉原二次风系统分上下两层，分管直径咖325 mm×5 mm，喷嘴为咖250 mm×5 mm。上层布置12个，前后墙各6个;下层布置12个，前后墙各6个。上层二次风喷口距离布风板表面约4 850 mm，水平夹角30;下层二次风喷口距离布风板表面约2 250 mm，水平夹角30。。考虑两层二次风布置较为接近，燃烧分层效果较差，因此距布风板表面约11 700 mm位置处增设一层12个二次风喷口，前后墙各6个。通过燃烧配风调整，控制锅炉额度负荷下NOx原始排放由285 mg/m3降至≤255 mg/m3。

1.3 SNCR尿素喷射脱硝系统

锅炉原SNCR脱硝系统采用了18支墙式双流体短枪，液量为100～200 L/h，脱硝系统氨氮比设计值为1.8。喷枪在锅炉炉膛气力输送区及水平烟道人口均有布置。尿素循环泵则采用2台锅炉1用1备的运行模式，即2台锅炉公用1套尿素输送循环系统。原尿素喷射装置在炉膛侧因喷射距离短，脱硝效率低;在水平烟道侧由于雾化效果差，无法对烟气中的NOx进行深度脱除。另外，由于我国可再生能源发电大规模并网，燃煤机组需实现灵活性运行，而原公用输送系统无法满足锅炉单元制运行的需求。

基于以上因素，改造后的SNCR脱硝系统采用了1台炉尿素循环泵1用1备，即单台炉单元制输送系统。尿素喷枪更换为华能清洁能源研究院设计的大流量、高雾化、创新型喷枪，喷枪分2列间隔布置于分离器人口水平烟道两侧。

1.4炉内喷钙脱硫系统

原炉内脱硫系统石灰石粉库布置在远离炉膛位置，石灰石粉库至炉前日用仓的输送管线过长，距离约为300 m，输送阻力高且管道容易堵塞。同时，炉内石灰石投入点在锅炉前墙的上二次风口，投入点较高，并且石灰石风机压力低，喷人炉内的石灰石穿透力弱，不能很好地与烟气混合，造成脱硫效率降低。在最大出力情况下，只能将入口SO。浓度降至2 200 mg/m3左右，实际石灰石最大耗量约为4.5 t，仅为原设计出力的一半，炉内喷钙效率仅为25%左右。改造后的炉内喷钙脱硫系统选择在锅炉厂房一侧新建石灰石储存仓并加装两级缓冲输送系统，石灰石粉分别通过锅炉下二次风管及返料管输送至炉膛前墙和后墙，见图1。

改造后的炉内喷钙输送系统最大出力可达到15 t/h，脱硫效率可达90%，脱硫系统钙硫比设计值为4。

1.5循环流化半干法脱硫系统

脱硫除尘岛烟道系统包含原有电除尘器出口与脱硫塔的连接烟道、脱硫布袋除尘器与脱硫引风机的连接烟道、脱硫引风机返回原有引风机出口的连接烟道及清洁烟气再循环烟道，见图2。

脱硫塔是1个七孔文丘里空塔结构，主要由进口段、下部方圆节、给料段、文丘里段、锥形段、直管段、上部方圆节、顶部方形段和出口段组成。吸收塔文丘里段安装有空气斜槽用以导人消化后的石灰石粉，锥形段安装有冷却水喷嘴。从吸收塔出来的含有较多未被反应消石灰的脱硫灰，被气流夹带从吸收塔顶部侧向出口排出，经脱硫布袋除尘器进行气固分离，从布袋除尘器4个灰斗排出的脱硫灰大部分通过物料循环调节阀调节后进入空气斜槽，排放至吸收塔文丘里段前变径段，循环流量调节阀主要是根据吸收塔的床层压降信号进行开度调节的。设计工况下，脱硫效率≥90%，炉内正常脱硫时，保证出口SOz浓度<50 mg/Nm3;炉内脱硫停运时，入口SO：浓度为2 750mg/Nm3，保证装置出口S02浓度<150 mg/Nm3。

炉后半干法脱硫系统由于循环硫化需要同时配套布袋除尘系统，未反应完全的吸收剂及经前级除尘后的粉尘随烟气从吸收塔出口侧向垂直向下进入布袋除尘器，利用布袋各个室压力的自均衡性，使烟气均匀分配到各除尘室，从滤袋外侧进入内部，配合电厂原有的电除尘设施可完成除尘超低净化过程。

2冷态试验及氧量标定试验

为保证调试数据可靠稳定，利用毕托管网格测压方式对阜新金山煤矸石电厂2号炉左右一次风母管、左右二次风母管、左侧上下二次风、松动风、返料风风量进行重新标定，给出了准确的修正系数。试验单位测量了布风板在不同风量下的冷态空床(未装床料)阻力，得出了冷态布风板的阻力特性曲线。根据冷态布风板阻力数据回归出了布风板阻力特性计算公式，为热态运行时利用风室压力判断炉内床料层厚度提供参考依据。锅炉布风板阻力特性曲线见图4。

图4中包含2根曲线，下方的曲线是冷态试验条件下测量的布风板阻力曲线，上方曲线是根据冷态试验结果换算到热态条件下(风温221℃)的布风板阻力曲线。

经回归得到的布风板阻力计算公式见式(1)

排放标准，满足系统设计要求。通过观察对比锅炉不同负荷下的运行数据可发现，超低改造后阜新金山煤矸石电厂2号炉床温随负荷波动较小，但分离器人口烟温即SNCR脱硝系统投入区域温度随负荷降低而快速下降。随着负荷的上升，脱硝系统尿素投入量与脱硫系统石灰石投入量均逐渐增加。

对于锅炉SNCR尿素喷射脱硝系统，为保证喷枪雾化效果，溶液压力及空气压力必须依照设计压力运行。因此，最终进入锅炉的尿素溶液浓度是被动跟随尿素投入量及尿素溶液压力波动，以阜新金山煤矸石电厂运行数据为例，当负荷上升时，尿素溶液浓度可由4％增至13％。另外，当流化床锅炉处于低负荷时，分离器人口烟温较低，脱硝效率快速下降，为保证锅炉维持超低排放标准，以阜新金山煤矸石电厂运行数据为例，锅炉可增加床压，降低锅炉N0，的原始排放，最终实现30％负荷下超低排放运行。除此以外，锅炉也可采用烟气再循环、返料器改造、分离器改造等技术手段实现锅炉脱硝超低排放运行，具体需参考锅炉运行现状。

对于锅炉炉内喷钙脱硫系统，其需通过燃烧调整及系统优化的方式实现炉内脱硫的高效运行。以阜新金山煤矸石电厂运行数据为例，通过燃烧调整，锅炉在100 MW负荷以下时不需要投入炉后循环流化床半干法脱硫系统即可实现锅炉SO2超低排放标准。当锅炉处于满负荷运行状态(150 MW)时，锅炉需维持低氮燃烧以降低Nn的原始排放节约尿素投入量，炉内脱硫处于欠氧气氛运行，脱硫效率降低；阜新金山煤矸石电厂所用石灰石颗粒小于0．25 mm比例都在85％以上，颗粒严重偏细，细颗粒还没有参加脱硫反应就已经被烟气携带出炉膛，造成脱硫剂利用率低。因此，高负荷状态下，单依靠炉内脱硫系统无法实现锅炉SO。的超低排放，需辅助配以循环流化床半干法脱硫系统。

石灰石粉经过炉内煅烧可转换为生石灰粉，后者因为粒径偏细易被分离器分离送往锅炉尾部烟道及机组电除尘系统。由于电除尘系统对于细灰状的石灰石粉脱除效率较低，大量的生石灰粉最终会进入至炉后的半干法系统进行二次循环流化。生石灰粉在二次循环流化过程中经喷水增湿可转换为消石灰，最终成功脱除烟气中的SO。。经过燃烧调整试验验证，在满负荷状态，只需以8 t／h流量投入石灰石粉，最终即可锅炉整体的超低排放运行。石灰石成本约100元／t，而生石灰成本约500元／t，以阜新金山煤矸石电厂半干法系统设计生石灰用量0．64 t／h计算，单台炉每日可节约成本6 144元，年可节约成本约224万元。

4 结语

通过“炉内脱硫+SNCR+半干法”组合式技术路线，大型循环流化床机组可达到超低排放标准，但技术改造需考虑锅炉原有系统的优缺点，以实现超低排放系统的经济高效运行。

(1)为提高脱硫效率，炉内喷钙系统喷钙点设计需考虑锅炉密相区燃烧位置及锅炉实际燃烧工况；受雾化喷射行程影响，SNCR脱硝系统喷枪位置以分离器人口水平烟道为宜。

(2)额定负荷状态下，系统脱硫效率和脱销效率分别为98．7％及82．4％，同时，钙硫比和氨氮比也分别达到设计值(4及1．6)。

(3)SNCR尿素喷射脱硝系统以压力及尿素用量作为主要调整标准而非溶液浓度；低负荷时由于分离器人口烟温低而SNCR系统效率低，需辅助响应调整手段或技改措施方可实现NU的超低排放。

(4)炉内喷钙脱硫系统无法实现全负荷段超低排放脱硫，必须辅助以半干法脱硫设施；若调整得当，锅炉半干法脱硫系统不需投人生石灰即可达到超低排放标准，年可节约成本约224万元。