摘要：针对某热电公司几台循环流化床锅炉出现NOx排放浓度偏高、运行负荷不足及汽温偏低的情况，通过分析认为锅炉二次风设计不合理、分离器分离效率偏低、返料器设计缺陷和受热面设计不足等是造成了锅炉出现以上问题的主要原因。基于技术经验分析，通过优化二次风设计、提高分离器分离效率、改进返料器结构和增加受热面等具体措施，锅炉NOx排放浓度低于150mg/Nm3，锅炉运行负荷和汽温均达到设计要求，实现锅炉降硝增容改目标，为循环流化床锅炉改造技术提供重要的参考价值。
关键词：循环流化床锅炉；NOx排放；负荷；汽温；改造
1引言
某热电厂建设有3×75t/h和1×150 t/h共4台次循环流化床锅炉,其中#1~#3锅炉为75t/h次高温次高压循环流化床锅炉，#4锅炉为150t/h次高温次高压循环流化床锅炉。随着锅炉老化，#1~#3锅炉NOx原始排放量400mg/Nm3，锅炉最高负荷仅为65~70t/h；#4锅炉NOx原始排放量350mg/Nm3左右，此外锅炉最高汽温仅450℃左右，远低于485℃设计值。
本文通过对循环流化床锅炉NOx排放浓度高、负荷不足和汽温不达标的情况作深入分析研究，得出优化二次风设计、提高分离器分离效率、改进返料器结构和增加受热面等具体措施，可以实现了锅炉降硝增容的改造目标，为循环流化床锅炉降硝增容改造提供了有价值的参考依据。
2 改造技术原理分析
通过分析1#~4#循环流化床锅炉在二次风设计上不能充分发挥分级燃烧的效果，导致NOx排放浓度高于350mg/Nm3；1#~3#锅炉旋风分离器分离效率下降及炉膛受热面不足，炉膛吸热面量少，导致最大负荷维持在65~70t/h；4#锅炉旋风分离器分离效率下降，尾部受热面积灰及过热器受热面设计偏小，导致最高汽温450℃左右远低于485℃设计要求。因此，从影响NOx排放、运行负荷和汽温等方面进行了改造原理技术分析，为采取具体改造措施提供理论经验依据。
2.1 降低锅炉NOx排放[3][4][5][6]
根据NOx生成机理，影响其生成量的因素主要有床温、氧浓度、燃烧产物在高温区停留时间和煤的特性。降低NOx生成量的途径主要有两个参数：降低床温，防止局部高温；降低过量空气系数（即氧浓度），使煤在缺氧的条件下燃烧。分级燃烧的方式可以有效在炉膛密相区形成低氧量反应区，抑制NOx生成；增加烟气再循环，把引风机低温烟气重新送入密相区，起到降低床温和稀释氧浓度效果；提高分离器分离效率和优化返料器结构，可以保证足够的细灰返回炉膛，对于降低床温效果明显。因此通过优化空气深度分级燃烧、增加烟气再循环系统、提高分离器分离效率和优化返料器等具体措施，实现降低床温和氧浓度，进而达到抑制NOx生成的效果。
2.2 提升锅炉负荷能力
提高锅炉负荷能力，需要增加蒸发受热面吸热量。影响吸热量两个因素：受热面和传热系数。1#~3#锅炉均存在负荷能力不足情况，一方面可以增加蒸发吸热面积；另一方面可以提高受热面传热系数。通过热力计算[7]重新确定需要增加的蒸发面积；提高分离器分离效率，提高炉膛细灰浓度，提高炉膛受热面传热系数[8]。根据循环流化床炉膛传热原理，细灰在炉膛传热过程中起到关键载体作用[9]。稀相区细灰浓度少，烟气夹带到炉膛稀相区的热量减少，一方面热量堆积在床层导致床温急剧升高，另一方面上部炉膛稀相区吸收的热量也减少，容易造成锅炉运行负荷提不上去。因此，采用增加蒸发受热面积和提高分离器分离效率的措施，对提高锅炉带负荷能力、控制床温和降低NOx排放均具有促进作用。
2.3提高锅炉汽温参数
锅炉汽温不足，说明锅炉过热蒸汽吸热不足，需要增加过热受热面热量。影响吸热量两个因素：受热面和传热系数。由于分离器分离效率较低，大量飞灰沉积在尾部受热面上，降低受热面传热系数，导致两级过热器吸热量远低于理论计算，汽温无法达到设计温度。一方面通过提高分离器分离效率，减轻尾部受热面的积灰程度[10]，可以缓解汽温不足情况；另一方面还可以增加过热器受热面来增加过热蒸汽吸热量。因此，采用增加过热受热面积和提高分离器分离效率的措施，可以提高锅炉汽温参数。
3 改造措施及效果
3.1 降低NOx排放浓度
根据第2.1节对影响NOx排放浓度的原理分析，确定了优化空气深度分级燃烧、增加烟气再循环系统、提高分离器分离效率和优化返料器等具体措施，可以降低抑制NOx排放浓度目标。
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3.1.1 优化空气深度分级燃烧
循环流化床锅炉分级送风方式，一次风由布风板送入，二次风在布风板上部炉膛周围送入。改造前，锅炉二次风采用3层送风方式，这种布置方式不能充分发挥分级燃烧的效果，燃料进入炉膛后挥发份很快析出，立刻与燃料入口二次风发生复杂反应生成NOx，这种布置不利于更明显抑制NOx的生成。可以适当需要扩大燃料周围还原氛围区域和增加燃料在还原氛围的停留时间。
把锅炉二次风的3层送风方式改为单层布置，适当提高二次风口的高度，并且保证二次风口空气速度和风口倾斜角度。这种改造的技术可以充分发挥空气深度分级燃烧效果，保证燃料的燃烧效率，明显抑制了NOx的生成。
3.1.2 烟气再循环系统
烟气再循环可以作为控制床温手段，也发挥着抑制NOx生成效果。通过烟气再循环，可以调整降低炉膛床温和密相区的空气过量系数，这两因素均可促进NOx排放浓度降低。烟气再循环量不是越大于浩，过大的烟气再循环不仅起不到降低NOx作用，还会增加循环风机的耗电量，引起密相区着火不稳定。一般烟气再循环倍率控制在10~15%。
3.1.3 提高旋风分离器分离效率
通过对锅炉分离器结构分析计算，分离器的入口烟道结构设计不合理，入口烟气速度偏低。在入口烟道补加防磨涂层，使入口烟气速度提高至25m/s左右，增大了分离器对细灰的捕捉能力，提高分离器的分离效率。
3.1.4 优化返料器结构
回料器送风可分为输送风和松动风，松动风保证在料腿形成一定高度料封，输送风把循环灰送入炉膛。1#~3#锅炉返料器输送风和松动风共用一个风室，造成松动风量和输送风量无法调节，无法保证松动和输送布风截面各自合理流化速度；回料器风帽也采用相同的结构型式，无法保证风帽小孔气流的速度。需要对返料器进行改进，把返料风的风室分隔为输送风室和松动风室，同时重新优化两者风量大小，保证输送布风截面1m/s左右，松动布风截面0.45m/s左右；重新设计风帽结构，松动风风帽与输送风风帽小孔数量之比为1:1.5～1:2左右。
3.2 提高带负荷能力
针对1#～3#锅炉带负荷不足，通过锅炉热力计算校核发现，炉膛传热系数下降30w/（℃•m2）左右，这是与炉膛细灰浓度下降有直接关系，通过提高分离器分离效率，可以有所改善，采用第3.1.3和3.1.4章节的措施保证了分离器的提高，炉膛细灰浓度增大，炉膛传热能力增强，利于带负荷能力提高。
3.2提高过热蒸汽温度
4#锅炉最高汽温450℃左右，低于485℃设计值。由第2.3章节可知提高分离器分离效率，可以减轻尾部烟道受热面的积灰，增大受热面传热系数，增加汽温参数。
对于汽温偏差较大情况，还需要增加额外受热面吸收热量。根据尾部烟道受热面布置，在尾部烟道已经没有对于空间来增加高、过受热面。根据热力计算结果，炉膛受热面传热系数比尾部烟道受热面传热系数高2.5～3倍，本项目改造采用在炉膛内增加4片U型过热汽屏，增加吸热面积80m2，并且炉膛内受热面不存在积灰可能，布置较小的面积即可增加较多蒸汽吸热量，节省改造成本，实现锅炉汽温提升的效果。
4 结论
本文对某热电厂#1～#4共4台循环流化床锅炉降硝增容改造情况进行分析，主要得出以下结论：
（1）优化二次风口结构、增加烟气再循环系统、提高旋风分离器和优化返料器结构实现低NOx排放的要求，NOx排放浓度低于150mg/Nm3；
（2）提高分离器分离效率和增加水冷屏可以实现锅炉负荷提升的效果，最高负荷提升13%左右；
（3）提高分离器分离效率和增加U型过热蒸汽屏，提高了蒸汽吸热量，过热汽温上升35℃，达到了改造效果。
参考文献
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[2]卢志民.SNCR反应机理及混合特性研究[D].浙江大学,2006.
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[5]周俊虎,宋国良,等.高浓度煤粉燃烧低NOx排放特性的试验研究[J].中国电机工程学报.2007,27(02):42～47.
论文作者:代增丽,柳振波,侯国君
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
标签：锅炉论文; 炉膛论文; 分离器论文; 料器论文; 流化床论文; 浓度论文; 烟气论文; 《电力设备》2017年第17期论文;