李瑞華，王 帥，李 慶

（中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

低速循環(huán)流化床鍋爐分離器及返料道與鍋爐爐膛成一體，與常規(guī)循環(huán)流化床外置式旋風(fēng)分離器有明顯區(qū)別，又稱為內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐[1]。低速循環(huán)流化床鍋爐國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代開始研究，最早是為了解決低熱值劣質(zhì)煤和化肥廠造氣爐渣的燃燒問題，也是循環(huán)流化床鍋爐的主要流派之一[2-3]，具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)整范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊和低投資的優(yōu)勢(shì)。該爐型分離器是由膜式水冷壁和澆注料組成，因爐膛尺寸結(jié)構(gòu)限制和運(yùn)行膨脹等問題，限制了其向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，應(yīng)用集中在中小型工業(yè)鍋爐領(lǐng)域，包括供熱、化工、石化等行業(yè)[4-5]。

低速循環(huán)流化床鍋爐爐膛截面積相對(duì)較大，設(shè)計(jì)煙氣流速低（小于3 m/s），受熱面磨損小。分離器采用臥式水冷分離器，布置于鍋爐爐膛上部空間，“S”型膜式水冷壁將鍋爐爐膛左右分割為燃燒室和分離返料系統(tǒng)。攜帶循環(huán)灰的高溫?zé)煔膺M(jìn)入爐膛頂部變截面區(qū)域后流速增大，進(jìn)入分離器筒體內(nèi)。在離心力的作用下大部分顆粒通過貼壁的回料道再次返回爐膛密相區(qū)，煙氣進(jìn)入尾部受熱面放熱。受容量小和應(yīng)用領(lǐng)域等多種因素，目前對(duì)于該爐型的研究報(bào)道較少。由于煙氣停留時(shí)間較短，超低排放改造路線對(duì)小型循環(huán)流化床鍋爐的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究[6-8]。在部分環(huán)保約束條件較嚴(yán)格區(qū)域，污染物排放濃度已要求適度優(yōu)于超低排放限值?；诘退傺h(huán)流化床鍋爐實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，開展超凈排放改造工藝應(yīng)用研究，對(duì)于該型鍋爐設(shè)計(jì)和大量在役鍋爐的后續(xù)改造具有指導(dǎo)意義。

1 研究對(duì)象

1.1 項(xiàng)目概況

某城市集中供熱公司現(xiàn)有4臺(tái)低速循環(huán)流化床燃煤熱水鍋爐（如圖1所示），單爐膛、雙鍋筒橫置、復(fù)合循環(huán)、全鋼架π型布置，分別于2014年和2015年投入運(yùn)行。設(shè)計(jì)額定熱功率36 MW，出水壓力1.6 MPa，回水溫度70℃，出水溫度130℃，鍋爐設(shè)計(jì)效率為86.1%，排煙溫度145℃，鍋爐燃用煤質(zhì)分析見表1。旋風(fēng)分離器采用臥式水冷分離器，由三片膜式水冷壁組成，煙氣中循環(huán)灰經(jīng)返料道由松動(dòng)風(fēng)送入爐膛密相區(qū)。分離后的煙氣從旋風(fēng)分離器出口自上至下通過U形煙道轉(zhuǎn)彎后，沖刷對(duì)流管束，進(jìn)入光管省煤器，省煤器分兩級(jí)布置，煙氣沖刷省煤器后進(jìn)入管式空氣預(yù)熱器，最后經(jīng)布袋除塵器由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng)至煙囪。

表1 煤質(zhì)分析

圖1 低速循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)示意圖

改造前鍋爐采用SNCR脫硝工藝，尿素溶液作為還原劑。除塵器采用長(zhǎng)袋低壓脈沖布袋式除塵器，除塵器與脫硫塔之間布置有引風(fēng)機(jī)，每臺(tái)鍋爐設(shè)置一臺(tái)，共4臺(tái)。單臺(tái)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量為147 000 m3/h，風(fēng)壓為6 900 Pa。脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫工藝，石灰作為還原劑，兩臺(tái)鍋爐共用一臺(tái)脫硫塔，經(jīng)處理后的煙氣由煙囪排放到大氣中。改造前污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為顆粒物≤30 mg/m3、SO2≤200 mg/m3、NOx≤200 mg/m3（基準(zhǔn)氧9%）。按當(dāng)?shù)刈钚乱?，顆粒物≤5 mg/m3、SO2≤25 mg/m3、NOx≤30 mg/m3（基準(zhǔn)氧6%）。與原排放濃度要求相比，新要求低于現(xiàn)行國(guó)家超低排放要求，且排放指標(biāo)由原基準(zhǔn)氧含量9%提升至6%，對(duì)于小型燃煤鍋爐而言要求更加嚴(yán)格[8-10]。

1.2 改造前運(yùn)行情況

（1）爐膛上下溫差大

從鍋爐歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表2）來(lái)看，鍋爐爐膛上下溫差大，床溫偏高，床溫與分離器處煙溫相差近100℃，與鍋爐設(shè)計(jì)值917℃相比偏高約40℃。省煤器進(jìn)口煙溫運(yùn)行過程多低于330℃（設(shè)計(jì)值為330℃），偏低20℃。鍋爐排煙溫度設(shè)計(jì)值為145℃，實(shí)際運(yùn)行過程中某些時(shí)刻高達(dá)177℃，煙溫過高會(huì)對(duì)布袋除塵器的安全運(yùn)行造成威脅。受熱面溫度偏離設(shè)計(jì)值，引起鍋爐熱效率下降，供熱煤耗增加，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 鍋爐運(yùn)行過程受熱面溫度

（2）出力不足，受熱面積灰嚴(yán)重

經(jīng)過幾年的運(yùn)行，鍋爐后期出現(xiàn)出力不足的問題，最大出力為33 MW，鍋爐最大供熱能力受限。如圖2所示，改造前鍋爐尾部省煤器和煙道積灰問題較為嚴(yán)重，經(jīng)過一個(gè)采暖季運(yùn)行，部分區(qū)域積灰厚度超過10 cm，管式空預(yù)器存在堵灰和腐蝕情況。

圖2 鍋爐改造前受熱面積灰實(shí)拍圖

（3）脫硫脫硝及除塵系統(tǒng)

從運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，系統(tǒng)污染物濃度均控制在排放濃度要求內(nèi)，NOx排放濃度基本控制在170 mg/m3以下，但運(yùn)行過程中存在SNCR尿素溶液過量的問題，造成尾部空預(yù)器堵灰比較嚴(yán)重。除塵器管架磨損嚴(yán)重，箱體內(nèi)積灰問題嚴(yán)重，除塵效果不佳，主要依靠脫硫塔來(lái)實(shí)現(xiàn)降塵，這也造成石膏品質(zhì)差和石膏脫水系統(tǒng)經(jīng)常故障。

1.3 原因分析

循環(huán)流化床鍋爐最主要的特征就是灰循環(huán)，循環(huán)物料將爐膛底部的熱量帶至爐膛上部，維持爐膛整體溫度平衡，兩者相差越小證明循環(huán)灰系統(tǒng)運(yùn)行越好[11-12]。本項(xiàng)目中鍋爐床溫偏高，與分離器處溫度相差近100℃，反應(yīng)出爐內(nèi)物料循環(huán)不暢，物料循環(huán)量低于設(shè)計(jì)值。存在的原因可能有：

①旋風(fēng)分離器分離效果下降，可能存在澆注料脫落等問題。

②鍋爐設(shè)計(jì)存在不足，旋風(fēng)分離器的分離效果不理想。

③運(yùn)行中鍋爐負(fù)荷偏低，煙氣量低于設(shè)計(jì)值，煙氣流速偏小，慣性分離效果不佳。

④返料道和松動(dòng)風(fēng)出現(xiàn)問題，可能存在返料道堵塞不暢，松動(dòng)風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行存在不足。

分離效果不佳造成大量灰顆粒進(jìn)入尾部煙道，同時(shí)因未加裝吹灰器造成尾部受熱面積灰嚴(yán)重。受漏風(fēng)嚴(yán)重、受熱面積灰和除塵器堵塞等多方面因素，整個(gè)煙氣流程系統(tǒng)阻力大幅增加，造成引風(fēng)機(jī)出力不足，運(yùn)行過程中引風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板全開，仍不能維持爐膛負(fù)壓，只能通過降負(fù)荷減小煙氣流量來(lái)維持鍋爐的正常運(yùn)行。

2 改造工藝及應(yīng)用研究

2.1 工藝方案

（1）鍋爐部分

鍋爐本體改造圍繞恢復(fù)最大出力和保證SCR脫硝反應(yīng)溫度兩方面進(jìn)行，優(yōu)化風(fēng)帽布風(fēng)、增加二次風(fēng)口和爐膛埋管數(shù)量、增加爐膛上部前后水冷壁受熱面，進(jìn)而降低床溫和下部溫度，使?fàn)t膛溫度大體均勻且溫度適中，爐膛氧量均勻且高效利用，SNCR脫硝效果得到進(jìn)一步提升。為確保對(duì)流管束出口SCR脫硝溫度在320℃以上和留出空間布置催化劑，將原有光管兩級(jí)省煤器更換為一級(jí)螺旋翅片管省煤器。SCR反應(yīng)器處四周爐墻拆除，擴(kuò)大截面積、降低煙氣流速，反應(yīng)器與爐墻接口處加裝補(bǔ)償器。空預(yù)器采用大管徑管式空預(yù)器，管徑由Φ50 mm×3 mm增大到Φ60 mm×2 mm，材質(zhì)由20號(hào)鋼更換為耐腐蝕更好的考登鋼。為保證循環(huán)灰分離效果，旋風(fēng)分離器處澆注料進(jìn)行恢復(fù)調(diào)整并適當(dāng)減小縮口，確保煙氣流速在合適的范圍內(nèi)。在脫硝催化劑和省煤器前增加聲波吹灰器（每層3套），改善尾部受熱面積灰情況。

（2）脫硝部分

NOx由200 mg/m3（基準(zhǔn)氧9%）降低至30 mg/m3（基準(zhǔn)氧6%），僅靠爐內(nèi)SNCR尿素溶液脫硝難以實(shí)現(xiàn)，因此選擇采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝。外置式SCR脫硝（2+1層）雖能保證脫硝效果，但需增加從鍋爐引出和送回?zé)煹?，新增SCR反應(yīng)器支架和設(shè)備基礎(chǔ)，而廠區(qū)位于市中心，布局緊湊，現(xiàn)有場(chǎng)地難以布置。為此，經(jīng)綜合比較，決定將SCR反應(yīng)器布置在爐內(nèi)尾部受熱面，兩級(jí)省煤器壓縮為一級(jí)高效省煤器，為催化劑布置留出空間。因鍋爐尾部空間狹小，即使更換高效省煤器后也難以為SCR反應(yīng)器預(yù)留充足空間。因此SCR脫硝工藝不設(shè)噴氨格柵和尿素制氨系統(tǒng)，利用爐內(nèi)SNCR尿素溶液分解后過量的氨來(lái)做為SCR反應(yīng)的還原劑。同時(shí)考慮到鍋爐每年僅運(yùn)行一個(gè)供暖季，與燃煤發(fā)電鍋爐年運(yùn)行小時(shí)數(shù)有所不同，催化劑采用兩層，不設(shè)備用層，熱力公司可根據(jù)催化劑使用情況利用非采暖季進(jìn)行更換。采用該方案后，與外置式SCR脫硝反應(yīng)器相比，系統(tǒng)布置整體簡(jiǎn)單緊湊，煙氣阻力小，單臺(tái)鍋爐節(jié)省投資約400萬(wàn)。

（3）除塵部分

采用高效布袋除塵器+管束式除霧器+濕式電除塵聯(lián)合工藝。當(dāng)?shù)爻瑑襞欧判乱笙骂w粒物排放濃度要控制在5 mg/m3以內(nèi)，且廠區(qū)兩臺(tái)鍋爐共用一座脫硫塔，因供熱鍋爐啟停數(shù)量是根據(jù)熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，所以對(duì)于脫硫塔而言煙氣量在某些時(shí)段存在減半的情況，這會(huì)使得脫硫塔除霧器的效果大打折扣，為此在脫硫塔出口豎直煙道上加裝濕電除塵器。原有除塵器堵塞、破損嚴(yán)重，除支架基礎(chǔ)外全部更換，增加氣布比、更換為PPS+PTFE乳液浸漬濾袋的布袋除塵器，確保布袋除塵器出口顆粒物在10 mg/m3以下，整體顆粒物脫出效果在5 mg/m3以下。

（4）脫硫部分

脫硫系統(tǒng)對(duì)原有石灰—濕法脫硫工藝進(jìn)行改造，按新的超凈排放指標(biāo)進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)塔本體和基礎(chǔ)根據(jù)強(qiáng)度核算情況進(jìn)行加固。提高液氣比，增加漿液池容量，抬高原煙道入口高度。單座塔內(nèi)布置5層噴淋層，一層托盤，一級(jí)板式+管束式除霧器，更換了石膏脫水系統(tǒng)。

2.2 技術(shù)參數(shù)

（1）系統(tǒng)阻力

改造后增加了脫硝催化劑和濕電除塵器，省煤器和脫硫塔也進(jìn)行了改造，系統(tǒng)阻力變化見表3。省煤器由兩級(jí)光管省煤器改為一級(jí)螺旋翅片管省煤器，阻力增加38 Pa。脫硝和濕電除塵器分別增加600 Pa和350 Pa，考慮20%風(fēng)壓裕量后系統(tǒng)阻力約為8 000 Pa。原有引風(fēng)機(jī)阻力為6 900 Pa，已不能滿足改造后運(yùn)行要求，進(jìn)行更換。

表3 改造前后系統(tǒng)阻力

（2）主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮當(dāng)?shù)刂匚廴咎鞖鈼l件下排放濃度要進(jìn)一步降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)提高裕量（見表4）。脫硝SNCR+SCR聯(lián)合脫硝設(shè)計(jì)效率93.4%，除塵效率99.99%，脫硫效率98.22%。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 改造后運(yùn)行分析

經(jīng)過一個(gè)采暖季的運(yùn)行，改造效果良好，鍋爐出力恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，受熱面溫度分布達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖3所示，鍋爐投運(yùn)后床溫有所降低，基本在880～930℃之間，床溫與分離器處溫差在60℃左右，床溫與分離器處溫度隨負(fù)荷的變化基本一致。雖在尾部受熱面和催化劑前增加了吹灰器，但積灰問題并無(wú)明顯改善，運(yùn)行前期積灰不明顯，后期停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)仍然存在一定厚度的積灰。污染物排放運(yùn)行值優(yōu)于設(shè)計(jì)，顆粒物排放濃度基本在3 mg/m3附近，SO2濃度在10 mg/m3以內(nèi)，NOx濃度在15 mg/m3以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）低速循環(huán)流化床鍋爐因其特殊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致臥式水冷分離器分離效果不佳，運(yùn)行一定時(shí)間后，出現(xiàn)返料不暢和受熱面積灰嚴(yán)重問題，通過調(diào)整分離器收縮口和增設(shè)吹灰器能有所緩解，但效果不明顯。

（2）低速循環(huán)流化床鍋爐通過擴(kuò)大截面和調(diào)整尾部受熱面，采用SNCR+SCR尿素溶液聯(lián)合脫硝工藝能夠?qū)Ox控制在20 mg/m3以內(nèi)。

（3）超凈排放要求比超低排放更加苛刻，“布袋除塵器+管束式除霧器+濕電除塵器”工藝能夠保證機(jī)組在全負(fù)荷工況內(nèi)顆粒物小于5 mg/m3。脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫工藝，通過調(diào)整液氣比來(lái)控制最終的排放濃度。