240 t/h循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能提效及低氮燃燒優(yōu)化改造

徐俊紅，張紅建

（河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 開(kāi)封 475100）

“雙碳”背景下，綠色低碳發(fā)展已成為企業(yè)技術(shù)提升的重要目標(biāo)。鍋爐作為主要的耗能設(shè)備，其能效提升是降低碳排放的重要手段；全面挖掘、提高鍋爐系統(tǒng)的燃燒效率成為企業(yè)碳減排的重要研究方向。河南晉開(kāi)化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱晉開(kāi)集團(tuán)）二分公司熱電車間現(xiàn)有的5臺(tái)240 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐均于2012年建成投產(chǎn)，連續(xù)運(yùn)行了10年，已不能滿足公司現(xiàn)有合成氨系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)需求。

晉開(kāi)集團(tuán)經(jīng)過(guò)充分的考察、探討、論證，提出對(duì)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能提效及低氮燃燒優(yōu)化改造的思路，優(yōu)化鍋爐裝置的各項(xiàng)工藝參數(shù)，進(jìn)而提高鍋爐的熱效率，以滿足整體生產(chǎn)系統(tǒng)的效能需求。

1 循環(huán)流化床鍋爐現(xiàn)狀

晉開(kāi)集團(tuán)二分公司熱電車間5臺(tái)鍋爐的型號(hào)為YG-240/9.81-M5，均為濟(jì)南鍋爐廠制造，鍋爐燃燒煤種為無(wú)煙煤，設(shè)計(jì)蒸發(fā)量為240 t/h，設(shè)計(jì)爐膛差壓1 000 Pa。改造前鍋爐運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造前鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)

該鍋爐是一種高壓、單汽包、單爐膛、自然循環(huán)的水管鍋爐，采用由膜式水冷壁、高溫旋風(fēng)分離器、返料器、流化床組成的循環(huán)燃燒系統(tǒng)，爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，過(guò)熱器分Ⅲ級(jí)布置，中間設(shè)Ⅱ級(jí)噴水減溫器，尾部設(shè)三級(jí)省煤器和一、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器。該鍋爐煤種適應(yīng)性好，可燃用煙煤、無(wú)煙煤、褐煤及高硫煤。

燃料燃燒主要在爐膛中完成，爐膛四周布置水冷壁，用于吸收燃料所產(chǎn)生的部分熱量，由煙氣帶出爐膛的固體顆粒通過(guò)返料裝置返回爐膛再循環(huán)燃燒。鍋爐一次風(fēng)經(jīng)加熱后送入鍋爐燃燒室下面的風(fēng)倉(cāng)中，通過(guò)布風(fēng)板的鐘罩式風(fēng)帽進(jìn)入爐膛；二次風(fēng)經(jīng)加熱后直接送入爐膛。煙氣及攜帶的固體顆粒離開(kāi)爐膛通過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道進(jìn)入旋風(fēng)分離器，在旋風(fēng)分離器中，粗顆粒從煙氣中分離出來(lái)，而煙氣則通過(guò)旋風(fēng)分離器頂部引出，分別經(jīng)過(guò)過(guò)熱器、省煤器將熱量傳遞給尾部受熱面管內(nèi)介質(zhì)后，煙氣通過(guò)空氣預(yù)熱器進(jìn)入除塵器去除細(xì)小顆粒，最后由引風(fēng)機(jī)抽出，經(jīng)煙囪排出大氣。

2 改造原因分析

2.1 隨著國(guó)家“雙碳”政策的推進(jìn)、環(huán)保政策收緊及公司高效綠色低碳發(fā)展的內(nèi)在要求，晉開(kāi)集團(tuán)作為開(kāi)封市具有強(qiáng)大社會(huì)關(guān)注度的龍頭企業(yè)，在節(jié)能減碳方面應(yīng)具有一定的示范效應(yīng)。

2.2 改造前，爐膛出口溫度一般在750℃左右（進(jìn)出口溫差約300℃），不能達(dá)到最佳溫度要求，造成氮氧化物控制難度大[1]。

2.3 循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒性能的關(guān)鍵因素之一是循環(huán)灰量[2]。當(dāng)前鍋爐的各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，鍋爐循環(huán)灰量較低，爐膛內(nèi)部缺乏足量的循環(huán)灰來(lái)蓄熱、傳熱，只有提升循環(huán)灰量，才能提升系統(tǒng)熱效能。

2.4 鍋爐已經(jīng)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，部分部件已出現(xiàn)老化、結(jié)構(gòu)受損等問(wèn)題，尤其是省煤器系統(tǒng)磨損悶堵、屏式過(guò)熱器過(guò)熱悶堵、水冷壁磨損補(bǔ)焊導(dǎo)熱變差等原因，導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)能下降、效率降低，蒸汽產(chǎn)出已降低至設(shè)計(jì)值的83%。

3 優(yōu)化改造方案

為提升鍋爐效率、實(shí)現(xiàn)氮氧化物的有效控制，晉開(kāi)集團(tuán)經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研、論證，提出了節(jié)能提效及低氮燃燒優(yōu)化改造，確立了分兩步走的技術(shù)改造方案：第一階段改造部分燃燒系統(tǒng)，第二階段改造汽水系統(tǒng)增加受熱面。

3.1 布風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)縮減床面，降低一次風(fēng)份額，控制床溫；在一次風(fēng)中引進(jìn)低溫甲醇洗廢氣，降低一次風(fēng)含氧量[3]；將同等材質(zhì)8個(gè)Φ13 mm孔徑的鐘罩式風(fēng)帽改造為8個(gè)Φ12 mm孔徑的內(nèi)嵌逆流風(fēng)帽。以上舉措可保證在鍋爐同等出力情況下，降低燃燒中心和燃燒溫度，避免過(guò)氧燃燒，從而促使NOx原始濃度的減少。

跟葉劍英一同入學(xué)的，還有幾位來(lái)自朝鮮半島的學(xué)員。其中最著名的是李范奭，這位1948年韓國(guó)獨(dú)立后擔(dān)任過(guò)韓國(guó)第一任內(nèi)閣總理兼國(guó)防部長(zhǎng)的革命家，到講武堂讀書時(shí)，還是一個(gè)17歲的青年。

3.1.1 大床優(yōu)化

縮減床面，在前、后墻適當(dāng)敷設(shè)耐火澆筑料以減小床面，進(jìn)而適應(yīng)一次風(fēng)份額的降低，控制床溫。大床改造示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 大床改造示意圖

3.1.2 風(fēng)帽改造

鍋爐原構(gòu)造中，采用969個(gè)材質(zhì)為ZG8Cr26Ni4-Mn3NRe、孔徑尺寸為Φ13 mm的鐘罩式風(fēng)帽進(jìn)行平行陣列布局。此次改造將此風(fēng)帽更換為957個(gè)內(nèi)嵌逆流風(fēng)帽（尺寸為Φ12 mm，風(fēng)帽及芯管材質(zhì)均為ZG4Cr26-Ni4Mn3NRe）。內(nèi)嵌逆流風(fēng)帽具有全程控制阻力、布風(fēng)均勻、防漏渣、防磨損、材質(zhì)抗熱態(tài)磨損性能高、可靠性高等特點(diǎn)。

3.2 中心筒優(yōu)化

中心筒是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵部件，在旋風(fēng)分離器中部起著導(dǎo)流的作用，將分離器內(nèi)較輕的細(xì)顆粒導(dǎo)出分離器，進(jìn)入尾部煙道，其運(yùn)行效果關(guān)系著循環(huán)倍率和鍋爐效率。原中心筒材質(zhì)為ZG8Cr26Ni4Mn3NRe、尺寸為Φ2 100 mm×3 800 mm，采用拉撐式布局結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)本體缺陷，導(dǎo)致分離效果差。鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，床溫及返料溫度偏高，也驗(yàn)證了分離器效率偏低、循環(huán)灰量少、爐膛差壓低等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)論證，將中心筒由拉撐結(jié)構(gòu)改為牛腿支撐式，且由06Cr25Ni20/δ10 mm耐熱鋼板卷制而成，尺寸為Φ2 100 mm×2 650 mm，采用上述改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，可防止本體變形。中心筒改造前后對(duì)比圖見(jiàn)圖2。

圖2 中心筒改造前后對(duì)比圖

3.3 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.3.1 當(dāng)前分離器進(jìn)口煙道對(duì)物料顆粒加速不利，分離器入口煙氣流速偏低，通過(guò)將分離器進(jìn)口煙道重新塑形，縮小分離器入口寬度，強(qiáng)化分離器入口氣流速度，同時(shí)配合中心筒偏心改造，提升煙氣流速，使煙氣和夾帶的物料在進(jìn)入旋風(fēng)分離器之前得到較大的動(dòng)量，更好地完成氣固分離，提升分離器分離效果。分離器進(jìn)口煙道改造前后對(duì)比圖見(jiàn)圖3。

圖3 分離器進(jìn)口煙道改造前后對(duì)比圖

3.3.2 煙氣脫硝采用選擇性非催化還原法，主要是將氨水經(jīng)爐膛上部南北兩側(cè)各4條噴槍噴入溫度為850℃左右的區(qū)域，使其發(fā)生還原反應(yīng)，脫除氮氧化物，生成氮?dú)饧八?。該還原法的關(guān)鍵在于溫度點(diǎn)的選取，一般認(rèn)為最理想的溫度范圍在820℃～1 000℃。為提高脫硝效率，公司決定采用雙流體形式新型氣泡霧化噴槍，提高噴射霧化角度和覆蓋角度；與此同時(shí)，提升空氣壓力及空氣量，進(jìn)而調(diào)節(jié)液氣比，改變氨水霧化最大粒徑和速度，達(dá)到霧化粒度為直徑60 μm～80 μm，以此來(lái)提升氨水的霧化效果。通過(guò)此改造，使氨水在介質(zhì)接觸過(guò)程中分布更均勻、參與度更廣、反應(yīng)更徹底，從而降低了NOx的排放量。

3.4 返料床改造

返料床的作用是將旋風(fēng)分離器分離出來(lái)的固體顆粒返回到鍋爐爐膛內(nèi)參與燃燒。原返料器隔板炭化變形嚴(yán)重，布風(fēng)板及風(fēng)帽損壞較多；分離器改造以后，分離效率提高，需要返回鍋爐爐膛的固體顆粒大幅提升，為了提高返料能力并延長(zhǎng)返料器組件的運(yùn)行周期，將原返料器隔板和布風(fēng)板全部拆除更新，返料風(fēng)帽更換為新型結(jié)構(gòu)。改造后的風(fēng)帽通過(guò)風(fēng)帽中間加風(fēng)帽柱、孔道變?yōu)樾笨撞⒃黾雍穸鹊却胧哂杏蔑L(fēng)量小、耐高溫、耐沖刷等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 三級(jí)省煤器優(yōu)化改造

循環(huán)流化床鍋爐原結(jié)構(gòu)采用的螺旋鰭片省煤器管徑Φ32 mm、管壁厚度4 mm，共178排，上下兩層管排布置。螺旋鰭片省煤器是將螺旋鰭片焊接在省煤器的管體上，大量的螺旋焊接會(huì)使管道發(fā)生形體變化，介質(zhì)在管體中流動(dòng)時(shí)易發(fā)生擾流、湍流等不正?，F(xiàn)象，對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生磨損；管道外部的螺旋鰭片安裝在煙氣通道中，煙氣攜帶的灰流在省煤器外部繞著螺旋鰭片反復(fù)改變沖刷磨損部位，造成省煤器管排運(yùn)行周期短。為此，將省煤器更換為H型鰭片省煤器，其管徑Φ32 mm、管壁厚度4 mm，共149排，每排增加一組水平U型組合，增大換熱面積。更換H型鰭片省煤器后，H型鰭片與管子垂直，把空間分為若干小的區(qū)域，對(duì)氣流有順向?qū)Я骱途髯饔?，既能增大換熱面積，又能對(duì)易沖刷部位準(zhǔn)確防護(hù)，與原螺旋鰭片省煤器相比，在使用壽命和換熱效果方面都有較大改善。

4 改造效果分析

4.1 改造前后工藝參數(shù)對(duì)比分析

同等蒸發(fā)量條件下，改造后鍋爐運(yùn)行的基礎(chǔ)工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 改造后鍋爐運(yùn)行工藝參數(shù)

對(duì)比表1、表2可知：改造后爐膛差壓提升、返料溫度增加，說(shuō)明爐膛上部稀相區(qū)循環(huán)灰量已提升；爐膛出口煙氣含氧體積分?jǐn)?shù)由10%左右降至8%左右，說(shuō)明鍋爐熱效率明顯提高；改造前爐膛內(nèi)部因循環(huán)灰量低、灰濃度不足導(dǎo)致的蓄熱、傳熱能力不足在改造中得到了有效改善，爐內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)更加趨向于系統(tǒng)設(shè)計(jì)值，更均衡、更科學(xué)。

4.2 環(huán)保效益

改造后，爐膛蓄熱能力增強(qiáng)，使出口溫度維持在800℃～860℃（上下溫差130℃左右），符合選擇性非催化還原法脫硝的理想反應(yīng)溫度，大大降低了脫硝反應(yīng)控制難度，具有一定的環(huán)保效益。改造前晉開(kāi)集團(tuán)二分公司鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度在90 mg/m3，改造后NOx排放質(zhì)量濃度低于50 mg/m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

晉開(kāi)集團(tuán)二分公司鍋爐節(jié)能提效及低氮燃燒優(yōu)化改造項(xiàng)目實(shí)施后，氮氧化物排放量明顯降低，鍋爐效率明顯提高。未來(lái)，公司仍將以節(jié)能降耗、減少排放為突破點(diǎn)、落實(shí)點(diǎn)，在各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)化、降低入爐煤的粒度、優(yōu)化改善煤質(zhì)、提高鍋爐效能等方面持續(xù)改進(jìn)，以提升循環(huán)流化床鍋爐的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益，將節(jié)能環(huán)保工作做到最佳，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。