循环流化床锅炉低氮燃烧改造及效果分析

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  • 更新时间2018-05-21
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  摘要:兖矿国宏化工有限责任公司是兖矿集团化工公司下属的大型化工企业,主要产品是甲醇,设计生产能力为年产62万t,配套建有两台130t/h和一台260t/h的循环流化床锅炉,三台锅炉脱硝效果差,NOx原始排放数据较高(450mg/m3),经氨水SNCR脱硝后NOx排放指标在150-180mg/m3。结合国宏公司工藝生产的实际状况,公司决定对锅炉本体和现有SNCR系统进行低氮燃烧和优化改造,以实现锅炉NOx超低排放的目的。此文主要分析我公司160t/h循环流化床锅炉改造方案。


  关键词:循环流化床锅炉;低氮燃烧;SNCR脱硝改造;环保


  1问题提出


  根据济宁市下达的环保目标责任书规定,主要污染物排放达到《山东省区域性大气污染物综合排放标准》(DB37/2376-2013)第三时段限值要求,我公司1#、2#、3#锅炉于2017年12月完成超低排放改造。改造前我公司锅炉烟气NOx执行排放标准为200mg/Nm3,改造后要求执行的排放标准为100mg/Nm3。国家环保政策对NOx排放限制不断趋严,企业必须提前做好节能减排工作,因此解决循环流化床锅炉达到超低排放的问题迫在眉睫。


  2CFB锅炉改造的必要性


  循环流化床(CFB)是商业化程度最好的洁净煤技术之一,其具燃烧效率高、燃料适应性强、NOx生成量少、脱硫成本低等优势。由于CFB锅炉设计标准不同,一般原始排放水平都在300mg/Nm3左右,我公司锅炉自运行以来,烟气中NOx含量一直较高,锅炉烟气原始NOx排放浓度约450mg/Nm3。


  采用选择性催化还原法(SCR),尽管脱硝效率高,但系统过于复杂、场地布置困难、改造周期长、运行成本高,企业难以接受;若采用选择性非催化还原法(SNCR)运行费用低、原理简单、硬件工艺成熟,但脱硝效率低,对反应温度窗口依赖性强,尤其在化工企业后系统负荷波动较大的情况下,极易引起炉膛出口温度波动,要保持较高的脱硝效率有较大困难。由此可见,先对CFB锅炉进行低氮燃烧改造,降低NOx原始排放浓度,再采用SNCR脱硝工艺,最终做到超低排放达标,是较为理想的脱硝改造方案。


  我公司CFB锅炉主要存在如下问题:①炉膛内循环物料量不足,炉膛压差小,分离器和回料系统组成的循环物料系统分离效率差;②炉膛布风板设计开孔率高,流化风量大,造成锅炉总风量大,炉膛出口氧含量6~8%;③锅炉环保性能差,污染物脱除成本高。因掺烧硫回收尾气,造成锅炉脱硫难度大,且烟气SO2指标波动较大,我公司脱硫以炉内喷钙为主,为保证在线指标,喷钙量较大,单炉日消耗石灰石粉150t左右,且受喷钙量大的影响,锅炉NOx还原受到限制,造成NOx原始排放指标偏高;锅炉一、二次风配比设计不合理,一次风量偏大,二次风量小,穿透力弱,分级燃烧效果差,同时受大量喷钙的影响,NOx原始排放浓度高达450mg/Nm3,为降低烟气NOx排放浓度,SNCR氨水消耗量大,单炉日消耗氨水15t左右,经氨水SNCR脱硝后NOx排放指标仅能控制在180mg/Nm3左右;④炉膛温度分布不均,锅炉负荷在130t/h时,沸下温度达980℃以上,炉膛上部温度较低,在850℃以下,温度梯度过大。


  3锅炉低氮燃烧改造方案


  据调研情况,我公司采用太原锅炉集团有限公司的低氮燃烧技术,并由该公司对两台130t/h锅炉进行了改造,改造内容主要为:改进锅炉循环物料系统分离效率,提高循环量,改善锅炉床层质量;增加炉膛受热面积;降低运行床温;布风床优化改造,调整一、二次风比,减小一次风加大二次风等。具体改造如下:


  3.1循环物料系统改造


  对分离器进口加速段进行改造,改造前锅炉分离器入口尺寸为1200mm,加速段太平缓,烟气流速过低,现采用抓钉和耐磨浇注料的方式在分离器进口内侧形成一个逐步加速的区域,进分离器前缩口尺寸降至930mm,满负荷130t/h时该处烟气流速可达28m/s,分离效果大大提高,分离粒径d99为120μm,D50为20μm。


  改造前绝热旋风筒椎体下部连接一个直段,然后在回料腿处再收缩,该直段就是一个失速区,产生二次扬析。此次改造用抓钉和耐磨浇注料将椎体下部收缩至回料腿,取消直段部分,料腿内径由650mm降至500mm。料腿尺寸适当变小后,料腿内物料高度相对增大,与进炉膛处的压差增大,配合采用高压头、高流率、小风量的自平衡回料阀,将原回料腿和回料阀全部拆除更换,保证返料阀内返料风不倒窜的同时,保证了分离效率、返料床内不结焦。


  循环物料系统改造后,循环物料分离效率会有显著提高,循环量增加,目前炉膛压差一般控制在锅炉负荷数值*11Pa,随着炉膛内物料浓度增加,炉膛内燃烧上移,温度也上移,沸下到炉膛出口的温度梯度降低,上下温差在30℃以内,同时,石灰石利用率也提高,投入同样石灰石量,锅炉尾部SO2排放会降低。另外,飞灰粒径变细,飞灰含碳量大大降低。


  3.2二次风改造


  二次风采用单层布置、大动量、低阻力、强穿透力的设计。增加二次风口数量,由原来的前4后5变为前6后5,二次风口尺寸由300mm*300mm变为130mm*320mm,同时将二次风口位置提高,由8200mm提至9200mm,入口角度20°。因改造锅炉以炉内喷钙脱硫为主,前后墙各两个二次风口布置Φ89*4石灰石喷管;因掺烧硫回收尾气,后墙两个二次风口布置Φ108*4硫回收尾气喷管。封堵原有的二次风口,用钢板、抓钉和耐磨可塑料封堵。


  3.3布风装置改造


  原布风板风帽和风帽布置不合理,此次采用精密铸造、易更换夹套钟罩式大风帽取代原小直径风帽,由原来666个风帽变为296个。现场割去水冷壁上的鳍片,水冷排渣管处新设计让管,使得该处布风更合理,布风床阻力减小至2500Pa左右,一次风机电耗大大下降。


  调整一二次风比,减小一次风,加大二次风。根据一二次风机实际情况和空预器原设计情况调整一二次风比例,布风床面积适当缩小,用砌筑耐磨浇注料来实现。


  3.4增加炉内水冷屏和过热屏面積


  布置有4屏过热屏。为实现超低排放,须降低床温。改进循环物料循环系统,提高分离器效率,并适当增加屏式受热面积。据原锅炉情况,拆除原锅炉4屏过热屏,新设计4屏过热屏,每屏17根,屏宽960mm;2屏水冷屏,每屏13根,屏宽960mm,新增加的水冷屏,下降管由集中下降管引出,引出管从侧墙水冷壁引出管各取用1根,水冷屏吊架新设计。


  3.5SNCR喷口重新确定


  原SNCR喷口位置在炉膛进旋风分离器水平烟道外侧,左右各3支,该处处于高灰浓区,且流速较快,氨水从此处喷入阻力大,不易混合均匀。现将SNCR喷口改至炉膛进旋风分离器水平烟道内侧,左右各3支,流速相对较慢,灰浓度也较小。氨水从该处喷入,穿透力强,混合均匀,有利于氨水与烟气更好混合,提高脱硝效率,减少氨水消耗量和减小氨逃逸,且磨损小,延长了氨枪的使用寿命。


  4改造后锅炉的主要技术参数


  最大连续蒸发量:130t/h;锅炉蒸汽压力:9.8MPa;额定蒸汽温度:540℃;给水温度:132℃;锅炉设计热效率:89%;锅炉保证热效率:90%;床温:880-920℃;NOx原始排放:<120mg/Nm3;设计煤种低位发热值:20640Kj/kg(4938Kcal/kg);稳定工况范围:40-100%。


  5运行效果


  1#、2#炉改造完成经消缺整改投入运行后,由于布风板、风帽整体更换,并进行了缩床,在保证良好流化状态下,一次风量明显降低,同等负荷下,一次风电流降低10A左右,随着一次风的降低,炉膛下部氧含量降低,还原气氛增加,抑制了NOx的产生,加之二次风喷口提高后的合理补充,保证了燃料充分燃烧。旋风分离器进口烟道的缩径,使烟气流速大大增加,设计由原来的23m/s提高至30m/s,分离效果明显提高,飞灰粒径变小,物料循环大大增加,分离的物料经返料器进入炉膛,并采用自平衡一对一返料装置,返料稳定,沸下温度有所降低,减少了NOx的生成,根据检测数据,1#、2#炉NOx原始排放指标大大降低,均在110mg/Nm3左右;同时,炉膛内物料浓度增加,炉膛内温度上移,沸下到炉膛出口的温度梯度降低,上下温差在30℃以内,炉膛出口温度相对提高,SNCR脱硝效率大大提高,配合氨枪喷口的优化布置,在喷氨后氮氧化物能够稳定控制在70mg/m3以下。另外,石灰石利用率也有所提高,炉内添加石灰石脱硫,在钙硫摩尔比2.5时,炉内脱硫效率大于90%。


  改造后,节能效果明显,改造前后对比数据如下:


  1#、2#锅炉低氮燃烧改造效果良好,满足环保局超低排放要求,并达到较好的节能效果。同时增加了水冷屏和屏过受热面积,使锅炉在130t/h负荷(给水温度132℃)时运行沸下温度由改造前的大于980℃降低至880-920℃之间。


  参考文献: 

  [1]梁建红,黄中.循环流化床锅炉降低NOx排放浓度试验与优化改造研究[D].锅炉技术,2013. 

  [2]胡建峰.CFB锅炉低氮燃烧与SNCR联合脱硝技术[R].全国煤电节能减排升级与改造技术交流研讨会,2015. 

  作者简介:孔环(1982- ),男,汉,山东曲阜人,工程师,车间主管,学士,2007年毕业于上海师范大学化学工程与工艺专业,现主要从事煤化工相关技术工作。