摘要： 為響應國家號召,減少火電廠排放及污染,全國大部分燃煤機組已相繼開展超低排放改造工作.某電廠480t/h循環(huán)流化床鍋爐根據(jù)自身運行特點,采用了“爐內脫硫+SNCR+半干法”超低排放技術,脫硫效率及脫硝效率分別高于98.7%及82.4%,實現(xiàn)機組超低排放運行.通過燃燒調整及運行維護調試,機組投運的鈣硫比及氨氮比分別達到設計值(4、1.6),鍋爐實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行.經(jīng)理論分析及試驗佐證,若爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)高效運行,爐后半干法系統(tǒng)不需要投入消石灰,只需噴水增濕即可實現(xiàn)鍋爐SO2的超低排放,每年可節(jié)約環(huán)保投運成本224萬元/臺.

0前言

超低排放，是指火電廠燃煤鍋爐在發(fā)電運行、末端治理等過程中，采用多種污染物高效協(xié)同脫除集成系統(tǒng)技術，使其大氣污染物排放濃度基本符合燃氣機組排放限值，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度(基準含氧量6%)分別不超過5 mg/m3、35mg/m3、50 mg/m3。根據(jù)國務院下發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》通知，我國所有在運行的燃煤機組必須在2020年底前完成超低排放技術改造。在此之前，燃煤機組實行國家環(huán)保部《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度(基準含氧量6%)分別不超過30 mg/m3、200mg/m3、200 mg/m3。大型循環(huán)流化床鍋爐由于自身燃燒特點，一般采用爐內噴鈣脫硫+SNCR的技術路線。其中，爐內脫硫噴鈣受制于鍋爐燃燒工況，脫硫效率只能達到80%～90%，必須配套響應的半干法技術才可達到超低排放標準;而SNCR技術受噴槍霧化擴散等條件影響，脫硝效率約為70%～85%，若流化床鍋爐未進行低氮燃燒改造，也很難直接達到超低排放標準。本文將以阜新金山煤矸石熱電有限公司2號鍋爐為例，詳細介紹其采用的超低排放路線及應用效果。

1 超低排放系統(tǒng)

1.1鍋爐簡介

阜新金山煤矸石熱電有限公司建有4臺無錫華光鍋爐股份有限公司UG一480/13.7一M型超高壓自然循環(huán)流化床鍋爐，單鍋筒橫置式，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結構，全鋼架Ⅱ型布置。爐膛采用膜式水冷壁，鍋爐和煙道中間是絕熱式旋風分離器。旋風分離器與燃燒室之間，旋風分離器的料腿與返料裝置之間分別裝有耐高溫的膨脹節(jié)，以補償其脹差。循環(huán)流化床鍋爐焚燒溫度在700℃～900℃，主要設計參數(shù)見表1。

鍋爐超低排放環(huán)保設施配有1套石灰石爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)、1套SNCR尿素噴射脫硝系統(tǒng)、1套電除塵系統(tǒng)、1套爐后半干法脫硫系統(tǒng)。

1.2低氮燃燒配風系統(tǒng)

鍋爐原二次風系統(tǒng)分上下兩層，分管直徑咖325 mm×5 mm，噴嘴為咖250 mm×5 mm。上層布置12個，前后墻各6個;下層布置12個，前后墻各6個。上層二次風噴口距離布風板表面約4 850 mm，水平夾角30;下層二次風噴口距離布風板表面約2 250 mm，水平夾角30。。考慮兩層二次風布置較為接近，燃燒分層效果較差，因此距布風板表面約11 700 mm位置處增設一層12個二次風噴口，前后墻各6個。通過燃燒配風調整，控制鍋爐額度負荷下NOx原始排放由285 mg/m3降至≤255 mg/m3。

1.3 SNCR尿素噴射脫硝系統(tǒng)

鍋爐原SNCR脫硝系統(tǒng)采用了18支墻式雙流體短槍，液量為100～200 L/h，脫硝系統(tǒng)氨氮比設計值為1.8。噴槍在鍋爐爐膛氣力輸送區(qū)及水平煙道人口均有布置。尿素循環(huán)泵則采用2臺鍋爐1用1備的運行模式，即2臺鍋爐公用1套尿素輸送循環(huán)系統(tǒng)。原尿素噴射裝置在爐膛側因噴射距離短，脫硝效率低;在水平煙道側由于霧化效果差，無法對煙氣中的NOx進行深度脫除。另外，由于我國可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，燃煤機組需實現(xiàn)靈活性運行，而原公用輸送系統(tǒng)無法滿足鍋爐單元制運行的需求。

基于以上因素，改造后的SNCR脫硝系統(tǒng)采用了1臺爐尿素循環(huán)泵1用1備，即單臺爐單元制輸送系統(tǒng)。尿素噴槍更換為華能清潔能源研究院設計的大流量、高霧化、創(chuàng)新型噴槍，噴槍分2列間隔布置于分離器人口水平煙道兩側。

1.4爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)

原爐內脫硫系統(tǒng)石灰石粉庫布置在遠離爐膛位置，石灰石粉庫至爐前日用倉的輸送管線過長，距離約為300 m，輸送阻力高且管道容易堵塞。同時，爐內石灰石投入點在鍋爐前墻的上二次風口，投入點較高，并且石灰石風機壓力低，噴人爐內的石灰石穿透力弱，不能很好地與煙氣混合，造成脫硫效率降低。在最大出力情況下，只能將入口SO。濃度降至2 200 mg/m3左右，實際石灰石最大耗量約為4.5 t，僅為原設計出力的一半，爐內噴鈣效率僅為25%左右。改造后的爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)選擇在鍋爐廠房一側新建石灰石儲存?zhèn)}并加裝兩級緩沖輸送系統(tǒng)，石灰石粉分別通過鍋爐下二次風管及返料管輸送至爐膛前墻和后墻，見圖1。

改造后的爐內噴鈣輸送系統(tǒng)最大出力可達到15 t/h，脫硫效率可達90%，脫硫系統(tǒng)鈣硫比設計值為4。

1.5循環(huán)流化半干法脫硫系統(tǒng)

脫硫除塵島煙道系統(tǒng)包含原有電除塵器出口與脫硫塔的連接煙道、脫硫布袋除塵器與脫硫引風機的連接煙道、脫硫引風機返回原有引風機出口的連接煙道及清潔煙氣再循環(huán)煙道，見圖2。

脫硫塔是1個七孔文丘里空塔結構，主要由進口段、下部方圓節(jié)、給料段、文丘里段、錐形段、直管段、上部方圓節(jié)、頂部方形段和出口段組成。吸收塔文丘里段安裝有空氣斜槽用以導人消化后的石灰石粉，錐形段安裝有冷卻水噴嘴。從吸收塔出來的含有較多未被反應消石灰的脫硫灰，被氣流夾帶從吸收塔頂部側向出口排出，經(jīng)脫硫布袋除塵器進行氣固分離，從布袋除塵器4個灰斗排出的脫硫灰大部分通過物料循環(huán)調節(jié)閥調節(jié)后進入空氣斜槽，排放至吸收塔文丘里段前變徑段，循環(huán)流量調節(jié)閥主要是根據(jù)吸收塔的床層壓降信號進行開度調節(jié)的。設計工況下，脫硫效率≥90%，爐內正常脫硫時，保證出口SOz濃度<50 mg/Nm3;爐內脫硫停運時，入口SO：濃度為2 750mg/Nm3，保證裝置出口S02濃度<150 mg/Nm3。

爐后半干法脫硫系統(tǒng)由于循環(huán)硫化需要同時配套布袋除塵系統(tǒng)，未反應完全的吸收劑及經(jīng)前級除塵后的粉塵隨煙氣從吸收塔出口側向垂直向下進入布袋除塵器，利用布袋各個室壓力的自均衡性，使煙氣均勻分配到各除塵室，從濾袋外側進入內部，配合電廠原有的電除塵設施可完成除塵超低凈化過程。

2冷態(tài)試驗及氧量標定試驗

為保證調試數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，利用畢托管網(wǎng)格測壓方式對阜新金山煤矸石電廠2號爐左右一次風母管、左右二次風母管、左側上下二次風、松動風、返料風風量進行重新標定，給出了準確的修正系數(shù)。試驗單位測量了布風板在不同風量下的冷態(tài)空床(未裝床料)阻力，得出了冷態(tài)布風板的阻力特性曲線。根據(jù)冷態(tài)布風板阻力數(shù)據(jù)回歸出了布風板阻力特性計算公式，為熱態(tài)運行時利用風室壓力判斷爐內床料層厚度提供參考依據(jù)。鍋爐布風板阻力特性曲線見圖4。

圖4中包含2根曲線，下方的曲線是冷態(tài)試驗條件下測量的布風板阻力曲線，上方曲線是根據(jù)冷態(tài)試驗結果換算到熱態(tài)條件下(風溫221℃)的布風板阻力曲線。

經(jīng)回歸得到的布風板阻力計算公式見式(1)

排放標準，滿足系統(tǒng)設計要求。通過觀察對比鍋爐不同負荷下的運行數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，超低改造后阜新金山煤矸石電廠2號爐床溫隨負荷波動較小，但分離器人口煙溫即SNCR脫硝系統(tǒng)投入?yún)^(qū)域溫度隨負荷降低而快速下降。隨著負荷的上升，脫硝系統(tǒng)尿素投入量與脫硫系統(tǒng)石灰石投入量均逐漸增加。

對于鍋爐SNCR尿素噴射脫硝系統(tǒng)，為保證噴槍霧化效果，溶液壓力及空氣壓力必須依照設計壓力運行。因此，最終進入鍋爐的尿素溶液濃度是被動跟隨尿素投入量及尿素溶液壓力波動，以阜新金山煤矸石電廠運行數(shù)據(jù)為例，當負荷上升時，尿素溶液濃度可由4%增至13%。另外，當流化床鍋爐處于低負荷時，分離器人口煙溫較低，脫硝效率快速下降，為保證鍋爐維持超低排放標準，以阜新金山煤矸石電廠運行數(shù)據(jù)為例，鍋爐可增加床壓，降低鍋爐N0，的原始排放，最終實現(xiàn)30%負荷下超低排放運行。除此以外，鍋爐也可采用煙氣再循環(huán)、返料器改造、分離器改造等技術手段實現(xiàn)鍋爐脫硝超低排放運行，具體需參考鍋爐運行現(xiàn)狀。

對于鍋爐爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)，其需通過燃燒調整及系統(tǒng)優(yōu)化的方式實現(xiàn)爐內脫硫的高效運行。以阜新金山煤矸石電廠運行數(shù)據(jù)為例，通過燃燒調整，鍋爐在100 MW負荷以下時不需要投入爐后循環(huán)流化床半干法脫硫系統(tǒng)即可實現(xiàn)鍋爐SO2超低排放標準。當鍋爐處于滿負荷運行狀態(tài)(150 MW)時，鍋爐需維持低氮燃燒以降低Nn的原始排放節(jié)約尿素投入量，爐內脫硫處于欠氧氣氛運行，脫硫效率降低；阜新金山煤矸石電廠所用石灰石顆粒小于0.25 mm比例都在85%以上，顆粒嚴重偏細，細顆粒還沒有參加脫硫反應就已經(jīng)被煙氣攜帶出爐膛，造成脫硫劑利用率低。因此，高負荷狀態(tài)下，單依靠爐內脫硫系統(tǒng)無法實現(xiàn)鍋爐SO。的超低排放，需輔助配以循環(huán)流化床半干法脫硫系統(tǒng)。

石灰石粉經(jīng)過爐內煅燒可轉換為生石灰粉，后者因為粒徑偏細易被分離器分離送往鍋爐尾部煙道及機組電除塵系統(tǒng)。由于電除塵系統(tǒng)對于細灰狀的石灰石粉脫除效率較低，大量的生石灰粉最終會進入至爐后的半干法系統(tǒng)進行二次循環(huán)流化。生石灰粉在二次循環(huán)流化過程中經(jīng)噴水增濕可轉換為消石灰，最終成功脫除煙氣中的SO。。經(jīng)過燃燒調整試驗驗證，在滿負荷狀態(tài)，只需以8 t/h流量投入石灰石粉，最終即可鍋爐整體的超低排放運行。石灰石成本約100元/t，而生石灰成本約500元/t，以阜新金山煤矸石電廠半干法系統(tǒng)設計生石灰用量0.64 t/h計算，單臺爐每日可節(jié)約成本6 144元，年可節(jié)約成本約224萬元。

4 結語

通過“爐內脫硫+SNCR+半干法”組合式技術路線，大型循環(huán)流化床機組可達到超低排放標準，但技術改造需考慮鍋爐原有系統(tǒng)的優(yōu)缺點，以實現(xiàn)超低排放系統(tǒng)的經(jīng)濟高效運行。

(1)為提高脫硫效率，爐內噴鈣系統(tǒng)噴鈣點設計需考慮鍋爐密相區(qū)燃燒位置及鍋爐實際燃燒工況；受霧化噴射行程影響，SNCR脫硝系統(tǒng)噴槍位置以分離器人口水平煙道為宜。

(2)額定負荷狀態(tài)下，系統(tǒng)脫硫效率和脫銷效率分別為98.7%及82.4%，同時，鈣硫比和氨氮比也分別達到設計值(4及1.6)。

(3)SNCR尿素噴射脫硝系統(tǒng)以壓力及尿素用量作為主要調整標準而非溶液濃度；低負荷時由于分離器人口煙溫低而SNCR系統(tǒng)效率低，需輔助響應調整手段或技改措施方可實現(xiàn)NU的超低排放。

(4)爐內噴鈣脫硫系統(tǒng)無法實現(xiàn)全負荷段超低排放脫硫，必須輔助以半干法脫硫設施；若調整得當，鍋爐半干法脫硫系統(tǒng)不需投人生石灰即可達到超低排放標準，年可節(jié)約成本約224萬元。