锅炉燃烧过程中存在问题、NOx超标问题分析

国电吉林龙华蛟河热电厂位于吉林省蛟河市南部，目前电厂装机规模为3×75t/h循环流化床锅炉，配置2台12MW凝汽汽轮机。1#、2#机组配置济南锅炉厂生产的YG-75/3.82-M1型循环流化床锅炉，于2001年12月投产；3#机组配置太原锅炉集团有限公司生产的TG-75/3.82-M23型循环流化床锅炉，于2007年11月投产。锅炉经过10a多的运行，燃烧过程中现存在以下问题：a)3台锅炉均达不到设计出力，在实际运行过程中，锅炉*大出力仅为60t/h～62t/h；b)3台锅炉运行中都出现高床温及运行温差大现象，仅在60t/h～62t/h出力下床温就高达980℃及温差200℃以上，导致NO_x排放浓度为596mg/Nm³，造成严重超标。

针对以上问题，公司成立项目研发团队，采取低氮+燃烧优化改造技术对该厂3台锅炉进行了改造，达到了锅炉低氮和燃烧优化的*终要求。

1锅炉燃烧过程中存在问题分析

针对CFB（循环流化床锅炉）锅炉运行后燃烧过程中普遍存在的一些情况及对该厂进行前期收资和考察并与现场*人员充分交流后掌握的一些情况，总结出3台锅炉存在的问题分析如下。

1．1锅炉出力不够问题分析

蛟河热电厂3台CFB锅炉原设计煤质为褐煤，适宜燃烧煤种包括烟煤、贫煤、无烟煤，其低位发热量为14200kJ/kg，全水分为6.5%，收到基硫为0.39%，入炉煤粒粒径为0mm～8mm；而实际入厂煤以火车煤为主，煤源较多，煤质变化范围较大，其低位发热量为13139kJ/kg，全水分为10.4%，收到基硫为0.6%，入炉煤粒粒径为15mm～20mm。分析得知锅炉实际运行时主要以低热值、高水分、大粒径燃煤为主。一般情况下，当煤的发热量越低、水分越高、粒径越粗时，为了保证锅炉原有的设计出力，电厂运行人员就不得不增加入炉煤量，这样就导致耗煤量增加，床温升高，煤在炉膛底部沉积，炉膛结焦可能性增加，威胁锅炉安全运行，因此又不得不通过减少入炉煤来解决，*终导致锅炉带不上负荷，出力不足。

旋风分离器是CFB锅炉灰循环的一个核心部件，其入口烟速和导流特征直接影响着分离器的收尘效率，决定了灰循环倍率，不仅影响燃尽，降低燃料的利用率，还影响传热和脱硝效果。分离器入口烟道处喉口位置的烟气流速一般控制在24m/s～28m/s范围内，而从收资情况看，3台分离器喉口烟气流速均为22m/s，烟速偏低，分离效果太差。因此可以适当提高分离器入口的烟气流速，使其增速后能显著改善分离器灰尘捕集效率，对抑制床温和提高蒸发能力均能产生直接推动作用，从而避免锅炉设计出力不足问题发生。

由于CFB锅炉的燃烧系统不仅包含主燃烧区燃烧室、整个炉膛区域、旋风分离器区域，还包括返料风室、返料斜腿等这几部分组成。当返料风室出现问题就会出现流化不畅，返料腿出现问题就会产生返料不畅，甚至发生燃烧室内烟气反串等情况发生，从而破坏整个物料循环系统，打破炉膛内物料平衡和热平衡，床温升高，负荷降低。

1．2NOx超标问题分析

NO_x超标主要与炉膛中心区缺氧及床温分布不均，床温异常，一二次风配风方式，炉膛出口、返料温度与床温差值过大，床温与一次风的配合等因素有关。

1.2.1炉膛中心区缺氧及床温分布不均

CFB锅炉炉内普遍存在着炉膛中心区氧量分布不均和床温分布不均及局部高温现象。由于CFB锅炉固有的结构特点，热空气在炉膛燃烧区容易产生“烟囱效应。根据NOx的生成机理，此时热力型的NOx在局部富氧和高温条件下大量产生。

CFB锅炉往往由于流化不均匀，会导致床温偏差。其原因主要在于煤粉粒径分布不均，流化程度偏差，一、二次风配比不合适，返料系统不完善等。同时流化不均也会造成局部高温点，使得热力型NOx急剧增加。

1.2.2床温异常

对于CFB锅炉来说，控制床温是CFB锅炉低氮燃烧的关键之一。从理论上来讲，860℃～875℃是CFB锅炉*佳低氮燃烧温度。但实际运行中仍然存在问题，如颗粒粗大或颗粒过细，布风板、风帽和静压室设计缺陷等，导致床温偏高或偏低。如床温过高，则会造成炉膛水冷壁等部位结焦加剧和NOx过量生成。而床温太低，则又会导致锅炉启动困难或熄火及燃料燃烧不充分等问题产生。

1.2.3一二次风配风方式

蛟河热电厂3台循环流化床锅炉原设计一二次风配比为6:4，一次风率过大，二次风率过小。典型的一次风与二次风的比例一般按照4:6或5:5配置比较普遍。对于任何一种锅炉，二次风是整个炉内燃烧过程的主旋律，因此在低氮分级燃烧方案中一般都是采取减小一次风在总风量中的占比，保证二次风占比更大。

这样既可以保证燃料在炉膛下部主燃烧区适当缺氧燃烧，达到低氮燃烧效果；同时未燃尽燃料随烟气在炉膛内上升区域在二次风的作用下进一步燃烧，达到燃料燃尽效果，形成了低氮与燃烧优化的完美结合。同时从该厂二次风的布风方式看，二次风喷口数量共21个，分3层布置，均在拐点以下密相区，布局不合理，二次风射流穿透性差，氧化性气氛浓厚，起不到低氮分级燃烧的效果。

1.2.4炉膛出口返料温度与床温差值过大

事实上，多数CFB锅炉在实际运行时，由于各种原因，其炉膛出口温度明显比床温低很多，甚至温差高达200℃以上。于是，为了确保达到锅炉设计负荷，锅炉运行人员通常采取高床温运行的方式，这样就导致NOx的排放浓度增加。

蛟河热电厂3台循环流化床锅炉炉膛出口温度均明显比床温低好多，*多达到250℃左右，因此电厂不断加煤，床温*高达到1030℃以上。对CFB锅炉来说，这个温度是很不正常的，从而也导致NOx排放达到将近600mg/Nm³，产生严重超标。

1.2.5床温与一次风的配合

保证一次风在总风量中的合理占比及较好的流化效果，这样才能使CFB锅炉正常运行，也是保证低氮分级燃烧能否更好实施的关键一步。一般情况下，当炉型结构和一、二次风设计一旦确定，运行床温也就基本确定。但由于目前国内大多数锅炉，煤种来源不确定，煤质变化较大，这样锅炉的运行床温及料层的流化状况也会发生相应的变化。因此这个时候如果不根据床温的变化对一次风进行调整，同时在必要的时候不对水冷床上布风板及风帽等进行改造的话，很难达到低氮排放的效果。

2改造方案

根据现场了解的信息和资料，本次低氮燃烧优化改造的主要范围如下：a)增加炉内受热面，包括增加水冷屏和过热器的受热面积，降低床温，提高锅炉带负荷能力；b)对输碎煤系统进行改造，保证入炉煤满足设计要求；c)采用ROFA对原锅炉二次风系统进行改造；d)增设烟气再循环系统；e)分离器入口烟道改造；f)返料装置优化，包括更换返料风机、返料床改造；g)水冷床布风板及风帽改造；h)给煤口及播煤风优化改造。

2．1受热面改造

根据热力计算对应地增加锅炉受热面，所用材质与现役锅炉对应部分相同，为20号无缝钢管，并做好防磨处理，确保汽温、蒸发量、排烟温度等基本传热性能达到性能要求。

原锅炉设计床温为800℃～950℃，实际运行床温偏高，高的床温增加了NOx的生成，因此经过热力计算在炉膛顶部增设2片水冷屏，并同时增加过热器受热面，提高锅炉的蒸发能力，通过增加炉内受热面及对二次风合理布局共同实现CFB锅炉炉内烟温和床温*佳工况，达到低负荷温度不低、高负荷温度不高的*佳低氮燃烧优化效果。受热面改造主要内容包括：

a）如图1所示对水冷屏进行改造。每台炉增加2套进口集箱1、2套水冷屏2、2套出口集箱3、2套焊接吊杆装置4、2套焊接吊杆装置5、2套水冷屏吊梁6、2套水冷屏导汽管7。图1中23100mm和18450mm标高位置为水冷屏各段之间的安装焊缝。

b)如图2所示对高温过热器从改造切割位置进行改造。每台炉增加1套材质为15CrMoG、管径Φ38mm×5mm的管子1，6套定位板2，1套管夹3。

2．2输碎煤系统的改造

蛟河热电上煤系统只有一级碎煤而没有筛分装置，入炉煤粗大颗粒非常多。在实际运行中，为了提高蒸发量和避免床温超限，必须用到很大的一次风量，导致烟气中NOx排放浓度大幅增加。

因此，本次低氮燃烧优化改造过程中对输碎煤系统进行了改造，具体改造方案如下：因皮带间没有设立原煤筛分装置的足够空间，因此将原二段HSZ-50环锤式破碎机更换为四齿辊式破碎机，处理能力不小于120t/h，以保证入炉煤颗粒度满足CFB炉型0mm～8mm要求，上煤能力满足3台锅炉满负荷连续运行要求。

改造后，合理的煤颗粒粒径如下：a)烟煤的入炉煤质要求。该CFB锅炉理想入炉煤平均粒径d50为1.7mm～1.9mm，宽筛分粒径分布为0mm～8mm，通常情况下，5mm以上颗粒*好控制在4%～5%以下、而200μm以下的颗粒尽量控制在14%～15%以下，另外两种极端情况下的颗粒百分比之和需控制在22%～24%以下为宜；b)褐煤的入炉煤质要求。物料颗粒应满足0mm～8mm，平均粒径d50为1.8mm～2.0mm，5mm～8mm大颗粒粒径份额≤5%，0μm～200μm粒径份额≤25%，其余中间粒径份额≥70%。

2．3采用ROFA对二次风系统进行改造

本次改造采用ROFA对二次风进行空气分级，保证二次风穿透力的情况下，增强密相区还原性气氛，降低NO_x的排放。具体改造方案如下：

将原有布置于密相区的二次风3层喷口布置，改为上下共2层布置，同时上层布置于稀相区，下层布置于过渡区，既保证了锅炉的稳定充分燃烧，又保证了空气分级燃烧的效果。设计二次风量占锅炉总风量的50%，其中上层二次风风量占锅炉总风量25%，下层二次风风量占锅炉总风量25%。二次风喷口采用本公司专利产品ROFA集成喷射箱，同时通过集成喷射箱内不对称设计的喷口将热二次风高速喷射到炉膛，使热二次风在锅炉上部空间产生强烈的旋转涡流并在炉内形成分级燃烧，这样不仅提高了锅炉的燃烧效果，同时也达到脱硝的目的。改造后的布置图见图3和图4。

2．4增设烟气再循环烟气

再循环技术就是从锅炉尾部烟道引入烟气充当一次风的角色，通过管道等设备将其输送到炉膛适当部位参与燃烧。由于其含O2量比较低，相当于变相减小了一次风占比，保证物料在密相区处于还原性气氛下燃烧，从而有效降低床温。而烟气再循环如果配合二次风分级，则可使二次风在炉膛内分级燃烧效果更明显，达到更进一步低氮排放的目的。

国电吉林龙华蛟河热电厂3台75t/h锅炉一次风量占总风量的60%，二次风占总风量的40%，一次风量较大。本次改造在炉膛出口氧量一定的情况下，不降低一次风量、保证床料正常流化的基础上，降低一次风中的氧量份额、增加二次风总量。由于底部一次风中的含氧量减少，抑制了密相区的燃烧强度，同时由于二次风喷口分层布置，增大了密相区还原气氛，抑制了NOx的生成。

2．5分离器入口烟道改造

本方案对分离器入口烟道进行优化改造，以保证足够的分离效率，抑制床温，降低NOx排放浓度。锅炉原分离器喉口尺寸为850mm×2400mm，喉口处流速约22m/s。现对分离器喉口处烟道进行改造，将原宽度850mm改为700mm，使喉口处烟气流速加速到28m/s，提高分离器入口烟气流速，从而提高分离器分离效率。

2．6返料系统优化改造

锅炉原返料器前后布风板共用一个风室，这就造成两者风量基本相同。为了保证旋风分离器立管下灰的通畅性，根据实际需要，后者风量应小于前者所需风量。因此，本方案对原返料风室进行改造，以保证整个返料系统处于*佳工作状态。具体改造措施如下：a)返料风机采用罗茨风机替换原返料风机，每台炉各新设2台罗茨风机（压头H=19.6kPa，风量Q=15.28m3/min），1用1备；b)拆除原有返料床的布风板，对原有返料床进行整改，布置29个/排×2排=58个风帽；c)对返料风室和风帽进行改造，加强返料的流态化。

2．7水冷床布风板及风帽改造

开孔率是流化床锅炉设计的一个重要参数，水冷床布风板上所形成的压力降与设置在其上风帽的开孔率平方成反比，通常来讲，如开孔率越高，则布风板上所产生的阻力就会越小。当布风板阻力太小时，则会使得气流通过时产生较小的压降，这样就会出现以下两种情况：a)当气流通过床层局部物料较稀、阻力较小的区域时，则会产生局部位置处的床层物料“吹空”现象；b)当气流通过物料较密、阻力较大的区域时，则会造成床层物料“压实”现象[5-6]。这两种情况的出现就造成了物料流化效果较差从而导致锅炉启动困难或炉膛内床温部分区域温度较高，*终影响到锅炉负荷无法达到设计要求。

针对以上这些情况，此次改造采取了一些具体的改造措施，具体改造内容如下：a)流化风进入水冷风室的方式维持不变；b)水冷床风帽进行重新布置，更换新型钟罩式风帽，补焊中间的鳍片钢板；c)根据现有水冷床尺寸调整间距，进行开孔布置风帽。

2．8给煤口及播煤风优化改造

CFB锅炉给煤口设计对炉内煤颗粒的燃尽度起到至关重要的作用，它将影响锅炉的飞灰可燃物的含量、炉渣可燃物的含量和床温等参数。根据国内、外主流流化床锅炉给煤系统的设计经验，给煤口的高低取决于布风板的面积大小。

本次改造方案中，根据二次风口布置情况重新设计给煤口高度，并对播煤风的结构进行设计优化，完善播煤风增量、冷一次风源引入及喷口托底播煤风优化改进确保入炉煤播煤效果良好，在确保燃尽效果的前提下，降低燃料中NOx的生成量。

a)调整原有给煤口高度，调整后给煤口标高距离布风板约2m；b)对原有给煤口进行盲堵，再在膜式壁新开给煤口，并重新浇筑；c)原有锅炉的播煤风位于两处，一处位于给煤机出口直管段至垂直落煤段拐点处，一处位于落煤管至落煤口之间。本次改造引入冷一次风源，在落煤口底部水平增加一路播煤风。

3改造后锅炉运行效果

a)锅炉出力由原来60t/h～62t/h达到75t/h，满足设计出力；b)在锅炉50%～100%BMCR（锅炉*大连续蒸发量）工况范围内，NOx*终排放浓度一般稳定在150mg/Nm3（标干，6%O2）以下，达到了NOx排放要求；c)炉内温度稳定在850℃～900℃，炉膛出口、返料温度与床温差值在50℃以内；d)烟气停留时间延长约15%左右，提高换热效率，保证燃烧更加充分；e)二次风刚性加强、主燃区空气动力场组织改善，结焦情况改善。

4结语

通过国电吉林龙华蛟河热电厂3台75t/hCFB锅炉低氮燃烧优化项目的改造及运行。本次改造不仅达到了国家脱硝排放的环保要求和实现了锅炉燃烧效率的进一步提高；同时还减轻了炉内结焦情况，降低了烟气中飞灰含碳量和底渣含碳量，为以后的工程开展奠定了一定的理论和实践基础。尽管锅炉低氮燃烧优化是一个复杂的炉内燃烧过程，但随着理论研究和实践的不断深入和国家对节能减排工作的重视和支持，低氮燃烧优化改造技术在接下来几年，将会迎来一个更好的发展契机。

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