低速循环流化床锅炉超净排放改造工艺应用研究

李瑞华，王 帅，李 庆

（中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710000）

低速循环流化床锅炉分离器及返料道与锅炉炉膛成一体，与常规循环流化床外置式旋风分离器有明显区别，又称为内循环流化床锅炉[1]。低速循环流化床锅炉国内从上世纪80年代开始研究，最早是为了解决低热值劣质煤和化肥厂造气炉渣的燃烧问题，也是循环流化床锅炉的主要流派之一[2-3]，具有燃料适应性强、负荷调整范围大、结构紧凑和低投资的优势。该炉型分离器是由膜式水冷壁和浇注料组成，因炉膛尺寸结构限制和运行膨胀等问题，限制了其向大型化、高参数化方向发展，应用集中在中小型工业锅炉领域，包括供热、化工、石化等行业[4-5]。

低速循环流化床锅炉炉膛截面积相对较大，设计烟气流速低（小于3 m/s），受热面磨损小。分离器采用卧式水冷分离器，布置于锅炉炉膛上部空间，“S”型膜式水冷壁将锅炉炉膛左右分割为燃烧室和分离返料系统。携带循环灰的高温烟气进入炉膛顶部变截面区域后流速增大，进入分离器筒体内。在离心力的作用下大部分颗粒通过贴壁的回料道再次返回炉膛密相区，烟气进入尾部受热面放热。受容量小和应用领域等多种因素，目前对于该炉型的研究报道较少。由于烟气停留时间较短，超低排放改造路线对小型循环流化床锅炉的适应性还有待进一步研究[6-8]。在部分环保约束条件较严格区域，污染物排放浓度已要求适度优于超低排放限值。基于低速循环流化床锅炉实际运行特点，开展超净排放改造工艺应用研究，对于该型锅炉设计和大量在役锅炉的后续改造具有指导意义。

1 研究对象

1.1 项目概况

某城市集中供热公司现有4台低速循环流化床燃煤热水锅炉（如图1所示），单炉膛、双锅筒横置、复合循环、全钢架π型布置，分别于2014年和2015年投入运行。设计额定热功率36 MW，出水压力1.6 MPa，回水温度70℃，出水温度130℃，锅炉设计效率为86.1%，排烟温度145℃，锅炉燃用煤质分析见表1。旋风分离器采用卧式水冷分离器，由三片膜式水冷壁组成，烟气中循环灰经返料道由松动风送入炉膛密相区。分离后的烟气从旋风分离器出口自上至下通过U形烟道转弯后，冲刷对流管束，进入光管省煤器，省煤器分两级布置，烟气冲刷省煤器后进入管式空气预热器，最后经布袋除尘器由引风机送入脱硫系统至烟囱。

表1 煤质分析

图1 低速循环流化床结构示意图

改造前锅炉采用SNCR脱硝工艺，尿素溶液作为还原剂。除尘器采用长袋低压脉冲布袋式除尘器，除尘器与脱硫塔之间布置有引风机，每台锅炉设置一台，共4台。单台引风机风量为147 000 m3/h，风压为6 900 Pa。脱硫系统采用湿法脱硫工艺，石灰作为还原剂，两台锅炉共用一台脱硫塔，经处理后的烟气由烟囱排放到大气中。改造前污染物排放执行标准为颗粒物≤30 mg/m3、SO2≤200 mg/m3、NOx≤200 mg/m3（基准氧9%）。按当地最新要求，颗粒物≤5 mg/m3、SO2≤25 mg/m3、NOx≤30 mg/m3（基准氧6%）。与原排放浓度要求相比，新要求低于现行国家超低排放要求，且排放指标由原基准氧含量9%提升至6%，对于小型燃煤锅炉而言要求更加严格[8-10]。

1.2 改造前运行情况

（1）炉膛上下温差大

从锅炉历史运行数据（见表2）来看，锅炉炉膛上下温差大，床温偏高，床温与分离器处烟温相差近100℃，与锅炉设计值917℃相比偏高约40℃。省煤器进口烟温运行过程多低于330℃（设计值为330℃），偏低20℃。锅炉排烟温度设计值为145℃，实际运行过程中某些时刻高达177℃，烟温过高会对布袋除尘器的安全运行造成威胁。受热面温度偏离设计值，引起锅炉热效率下降，供热煤耗增加，影响锅炉的经济运行。

表2 锅炉运行过程受热面温度

（2）出力不足，受热面积灰严重

经过几年的运行，锅炉后期出现出力不足的问题，最大出力为33 MW，锅炉最大供热能力受限。如图2所示，改造前锅炉尾部省煤器和烟道积灰问题较为严重，经过一个采暖季运行，部分区域积灰厚度超过10 cm，管式空预器存在堵灰和腐蚀情况。

图2 锅炉改造前受热面积灰实拍图

（3）脱硫脱硝及除尘系统

从运行数据来看，系统污染物浓度均控制在排放浓度要求内，NOx排放浓度基本控制在170 mg/m3以下，但运行过程中存在SNCR尿素溶液过量的问题，造成尾部空预器堵灰比较严重。除尘器管架磨损严重，箱体内积灰问题严重，除尘效果不佳，主要依靠脱硫塔来实现降尘，这也造成石膏品质差和石膏脱水系统经常故障。

1.3 原因分析

循环流化床锅炉最主要的特征就是灰循环，循环物料将炉膛底部的热量带至炉膛上部，维持炉膛整体温度平衡，两者相差越小证明循环灰系统运行越好[11-12]。本项目中锅炉床温偏高，与分离器处温度相差近100℃，反应出炉内物料循环不畅，物料循环量低于设计值。存在的原因可能有：

①旋风分离器分离效果下降，可能存在浇注料脱落等问题。

②锅炉设计存在不足，旋风分离器的分离效果不理想。

③运行中锅炉负荷偏低，烟气量低于设计值，烟气流速偏小，惯性分离效果不佳。

④返料道和松动风出现问题，可能存在返料道堵塞不畅，松动风风量调节运行存在不足。

分离效果不佳造成大量灰颗粒进入尾部烟道，同时因未加装吹灰器造成尾部受热面积灰严重。受漏风严重、受热面积灰和除尘器堵塞等多方面因素，整个烟气流程系统阻力大幅增加，造成引风机出力不足，运行过程中引风机进口挡板全开，仍不能维持炉膛负压，只能通过降负荷减小烟气流量来维持锅炉的正常运行。

2 改造工艺及应用研究

2.1 工艺方案

（1）锅炉部分

锅炉本体改造围绕恢复最大出力和保证SCR脱硝反应温度两方面进行，优化风帽布风、增加二次风口和炉膛埋管数量、增加炉膛上部前后水冷壁受热面，进而降低床温和下部温度，使炉膛温度大体均匀且温度适中，炉膛氧量均匀且高效利用，SNCR脱硝效果得到进一步提升。为确保对流管束出口SCR脱硝温度在320℃以上和留出空间布置催化剂，将原有光管两级省煤器更换为一级螺旋翅片管省煤器。SCR反应器处四周炉墙拆除，扩大截面积、降低烟气流速，反应器与炉墙接口处加装补偿器。空预器采用大管径管式空预器，管径由Φ50 mm×3 mm增大到Φ60 mm×2 mm，材质由20号钢更换为耐腐蚀更好的考登钢。为保证循环灰分离效果，旋风分离器处浇注料进行恢复调整并适当减小缩口，确保烟气流速在合适的范围内。在脱硝催化剂和省煤器前增加声波吹灰器（每层3套），改善尾部受热面积灰情况。

（2）脱硝部分

NOx由200 mg/m3（基准氧9%）降低至30 mg/m3（基准氧6%），仅靠炉内SNCR尿素溶液脱硝难以实现，因此选择采用SNCR+SCR联合脱硝工艺。外置式SCR脱硝（2+1层）虽能保证脱硝效果，但需增加从锅炉引出和送回烟道，新增SCR反应器支架和设备基础，而厂区位于市中心，布局紧凑，现有场地难以布置。为此，经综合比较，决定将SCR反应器布置在炉内尾部受热面，两级省煤器压缩为一级高效省煤器，为催化剂布置留出空间。因锅炉尾部空间狭小，即使更换高效省煤器后也难以为SCR反应器预留充足空间。因此SCR脱硝工艺不设喷氨格栅和尿素制氨系统，利用炉内SNCR尿素溶液分解后过量的氨来做为SCR反应的还原剂。同时考虑到锅炉每年仅运行一个供暖季，与燃煤发电锅炉年运行小时数有所不同，催化剂采用两层，不设备用层，热力公司可根据催化剂使用情况利用非采暖季进行更换。采用该方案后，与外置式SCR脱硝反应器相比，系统布置整体简单紧凑，烟气阻力小，单台锅炉节省投资约400万。

（3）除尘部分

采用高效布袋除尘器+管束式除雾器+湿式电除尘联合工艺。当地超净排放新要求下颗粒物排放浓度要控制在5 mg/m3以内，且厂区两台锅炉共用一座脱硫塔，因供热锅炉启停数量是根据热负荷进行调整，所以对于脱硫塔而言烟气量在某些时段存在减半的情况，这会使得脱硫塔除雾器的效果大打折扣，为此在脱硫塔出口竖直烟道上加装湿电除尘器。原有除尘器堵塞、破损严重，除支架基础外全部更换，增加气布比、更换为PPS+PTFE乳液浸渍滤袋的布袋除尘器，确保布袋除尘器出口颗粒物在10 mg/m3以下，整体颗粒物脱出效果在5 mg/m3以下。

（4）脱硫部分

脱硫系统对原有石灰—湿法脱硫工艺进行改造，按新的超净排放指标进行校核计算，对塔本体和基础根据强度核算情况进行加固。提高液气比，增加浆液池容量，抬高原烟道入口高度。单座塔内布置5层喷淋层，一层托盘，一级板式+管束式除雾器，更换了石膏脱水系统。

2.2 技术参数

（1）系统阻力

改造后增加了脱硝催化剂和湿电除尘器，省煤器和脱硫塔也进行了改造，系统阻力变化见表3。省煤器由两级光管省煤器改为一级螺旋翅片管省煤器，阻力增加38 Pa。脱硝和湿电除尘器分别增加600 Pa和350 Pa，考虑20%风压裕量后系统阻力约为8 000 Pa。原有引风机阻力为6 900 Pa，已不能满足改造后运行要求，进行更换。

表3 改造前后系统阻力

（2）主要设计参数

根据基础参数进行设计计算，考虑当地重污染天气条件下排放浓度要进一步降低，系统设计时适当提高裕量（见表4）。脱硝SNCR+SCR联合脱硝设计效率93.4%，除尘效率99.99%，脱硫效率98.22%。

表4 设计参数

2.3 改造后运行分析

经过一个采暖季的运行，改造效果良好，锅炉出力恢复到设计值，受热面温度分布达到设计要求。如图3所示，锅炉投运后床温有所降低，基本在880～930℃之间，床温与分离器处温差在60℃左右，床温与分离器处温度随负荷的变化基本一致。虽在尾部受热面和催化剂前增加了吹灰器，但积灰问题并无明显改善，运行前期积灰不明显，后期停炉检修时发现仍然存在一定厚度的积灰。污染物排放运行值优于设计，颗粒物排放浓度基本在3 mg/m3附近，SO2浓度在10 mg/m3以内，NOx浓度在15 mg/m3以内。

3 结论

（1）低速循环流化床锅炉因其特殊的结构，导致卧式水冷分离器分离效果不佳，运行一定时间后，出现返料不畅和受热面积灰严重问题，通过调整分离器收缩口和增设吹灰器能有所缓解，但效果不明显。

（2）低速循环流化床锅炉通过扩大截面和调整尾部受热面，采用SNCR+SCR尿素溶液联合脱硝工艺能够将NOx控制在20 mg/m3以内。

（3）超净排放要求比超低排放更加苛刻，“布袋除尘器+管束式除雾器+湿电除尘器”工艺能够保证机组在全负荷工况内颗粒物小于5 mg/m3。脱硫系统采用湿法脱硫工艺，通过调整液气比来控制最终的排放浓度。