國電吉林龍華蛟河熱電廠位于吉林省蛟河市南部，目前電廠裝機規(guī)模為3×75t/h循環(huán)流化床鍋爐，配置2臺12MW凝汽汽輪機。1#、2#機組配置濟(jì)南鍋爐廠生產(chǎn)的YG-75/3.82-M1型循環(huán)流化床鍋爐，于2001年12月投產(chǎn)；3#機組配置太原鍋爐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的TG-75/3.82-M23型循環(huán)流化床鍋爐，于2007年11月投產(chǎn)。鍋爐經(jīng)過10a多的運行，燃燒過程中現(xiàn)存在以下問題：a)3臺鍋爐均達(dá)不到設(shè)計出力，在實際運行過程中，鍋爐最大出力僅為60t/h～62t/h；b)3臺鍋爐運行中都出現(xiàn)高床溫及運行溫差大現(xiàn)象，僅在60t/h～62t/h出力下床溫就高達(dá)980℃及溫差200℃以上，導(dǎo)致NO_x排放濃度為596mg/Nm³，造成嚴(yán)重超標(biāo)。

針對以上問題，公司成立項目研發(fā)團(tuán)隊，采取低氮+燃燒優(yōu)化改造技術(shù)對該廠3臺鍋爐進(jìn)行了改造，達(dá)到了鍋爐低氮和燃燒優(yōu)化的最終要求。

1鍋爐燃燒過程中存在問題分析

針對CFB（循環(huán)流化床鍋爐）鍋爐運行后燃燒過程中普遍存在的一些情況及對該廠進(jìn)行前期收資和考察并與現(xiàn)場專業(yè)人員充分交流后掌握的一些情況，總結(jié)出3臺鍋爐存在的問題分析如下。

1．1鍋爐出力不夠問題分析

蛟河熱電廠3臺CFB鍋爐原設(shè)計煤質(zhì)為褐煤，適宜燃燒煤種包括煙煤、貧煤、無煙煤，其低位發(fā)熱量為14200kJ/kg，全水分為6.5%，收到基硫為0.39%，入爐煤粒粒徑為0mm～8mm；而實際入廠煤以火車煤為主，煤源較多，煤質(zhì)變化范圍較大，其低位發(fā)熱量為13139kJ/kg，全水分為10.4%，收到基硫為0.6%，入爐煤粒粒徑為15mm～20mm。分析得知鍋爐實際運行時主要以低熱值、高水分、大粒徑燃煤為主。一般情況下，當(dāng)煤的發(fā)熱量越低、水分越高、粒徑越粗時，為了保證鍋爐原有的設(shè)計出力，電廠運行人員就不得不增加入爐煤量，這樣就導(dǎo)致耗煤量增加，床溫升高，煤在爐膛底部沉積，爐膛結(jié)焦可能性增加，威脅鍋爐安全運行，因此又不得不通過減少入爐煤來解決，最終導(dǎo)致鍋爐帶不上負(fù)荷，出力不足。

旋風(fēng)分離器是CFB鍋爐灰循環(huán)的一個核心部件，其入口煙速和導(dǎo)流特征直接影響著分離器的收塵效率，決定了灰循環(huán)倍率，不僅影響燃盡，降低燃料的利用率，還影響傳熱和脫硝效果。分離器入口煙道處喉口位置的煙氣流速一般控制在24m/s～28m/s范圍內(nèi)，而從收資情況看，3臺分離器喉口煙氣流速均為22m/s，煙速偏低，分離效果太差。因此可以適當(dāng)提高分離器入口的煙氣流速，使其增速后能顯著改善分離器灰塵捕集效率，對抑制床溫和提高蒸發(fā)能力均能產(chǎn)生直接推動作用，從而避免鍋爐設(shè)計出力不足問題發(fā)生。

由于CFB鍋爐的燃燒系統(tǒng)不僅包含主燃燒區(qū)燃燒室、整個爐膛區(qū)域、旋風(fēng)分離器區(qū)域，還包括返料風(fēng)室、返料斜腿等這幾部分組成。當(dāng)返料風(fēng)室出現(xiàn)問題就會出現(xiàn)流化不暢，返料腿出現(xiàn)問題就會產(chǎn)生返料不暢，甚至發(fā)生燃燒室內(nèi)煙氣反串等情況發(fā)生，從而破壞整個物料循環(huán)系統(tǒng)，打破爐膛內(nèi)物料平衡和熱平衡，床溫升高，負(fù)荷降低。

1．2NOx超標(biāo)問題分析

NO_x超標(biāo)主要與爐膛中心區(qū)缺氧及床溫分布不均，床溫異常，一二次風(fēng)配風(fēng)方式，爐膛出口、返料溫度與床溫差值過大，床溫與一次風(fēng)的配合等因素有關(guān)。

1.2.1爐膛中心區(qū)缺氧及床溫分布不均

CFB鍋爐爐內(nèi)普遍存在著爐膛中心區(qū)氧量分布不均和床溫分布不均及局部高溫現(xiàn)象。由于CFB鍋爐固有的結(jié)構(gòu)特點，熱空氣在爐膛燃燒區(qū)容易產(chǎn)生“煙囪效應(yīng)。根據(jù)NOx的生成機理，此時熱力型的NOx在局部富氧和高溫條件下大量產(chǎn)生。

CFB鍋爐往往由于流化不均勻，會導(dǎo)致床溫偏差。其原因主要在于煤粉粒徑分布不均，流化程度偏差，一、二次風(fēng)配比不合適，返料系統(tǒng)不完善等。同時流化不均也會造成局部高溫點，使得熱力型NOx急劇增加。

1.2.2床溫異常

對于CFB鍋爐來說，控制床溫是CFB鍋爐低氮燃燒的關(guān)鍵之一。從理論上來講，860℃～875℃是CFB鍋爐最佳低氮燃燒溫度。但實際運行中仍然存在問題，如顆粒粗大或顆粒過細(xì)，布風(fēng)板、風(fēng)帽和靜壓室設(shè)計缺陷等，導(dǎo)致床溫偏高或偏低。如床溫過高，則會造成爐膛水冷壁等部位結(jié)焦加劇和NOx過量生成。而床溫太低，則又會導(dǎo)致鍋爐啟動困難或熄火及燃料燃燒不充分等問題產(chǎn)生。

1.2.3一二次風(fēng)配風(fēng)方式

蛟河熱電廠3臺循環(huán)流化床鍋爐原設(shè)計一二次風(fēng)配比為6:4，一次風(fēng)率過大，二次風(fēng)率過小。典型的一次風(fēng)與二次風(fēng)的比例一般按照4:6或5:5配置比較普遍。對于任何一種鍋爐，二次風(fēng)是整個爐內(nèi)燃燒過程的主旋律，因此在低氮分級燃燒方案中一般都是采取減小一次風(fēng)在總風(fēng)量中的占比，保證二次風(fēng)占比更大。

這樣既可以保證燃料在爐膛下部主燃燒區(qū)適當(dāng)缺氧燃燒，達(dá)到低氮燃燒效果；同時未燃盡燃料隨煙氣在爐膛內(nèi)上升區(qū)域在二次風(fēng)的作用下進(jìn)一步燃燒，達(dá)到燃料燃盡效果，形成了低氮與燃燒優(yōu)化的完美結(jié)合。同時從該廠二次風(fēng)的布風(fēng)方式看，二次風(fēng)噴口數(shù)量共21個，分3層布置，均在拐點以下密相區(qū)，布局不合理，二次風(fēng)射流穿透性差，氧化性氣氛濃厚，起不到低氮分級燃燒的效果。

1.2.4爐膛出口返料溫度與床溫差值過大

事實上，多數(shù)CFB鍋爐在實際運行時，由于各種原因，其爐膛出口溫度明顯比床溫低很多，甚至溫差高達(dá)200℃以上。于是，為了確保達(dá)到鍋爐設(shè)計負(fù)荷，鍋爐運行人員通常采取高床溫運行的方式，這樣就導(dǎo)致NOx的排放濃度增加。

蛟河熱電廠3臺循環(huán)流化床鍋爐爐膛出口溫度均明顯比床溫低好多，最多達(dá)到250℃左右，因此電廠不斷加煤，床溫最高達(dá)到1030℃以上。對CFB鍋爐來說，這個溫度是很不正常的，從而也導(dǎo)致NOx排放達(dá)到將近600mg/Nm³，產(chǎn)生嚴(yán)重超標(biāo)。

1.2.5床溫與一次風(fēng)的配合

保證一次風(fēng)在總風(fēng)量中的合理占比及較好的流化效果，這樣才能使CFB鍋爐正常運行，也是保證低氮分級燃燒能否更好實施的關(guān)鍵一步。一般情況下，當(dāng)爐型結(jié)構(gòu)和一、二次風(fēng)設(shè)計一旦確定，運行床溫也就基本確定。但由于目前國內(nèi)大多數(shù)鍋爐，煤種來源不確定，煤質(zhì)變化較大，這樣鍋爐的運行床溫及料層的流化狀況也會發(fā)生相應(yīng)的變化。因此這個時候如果不根據(jù)床溫的變化對一次風(fēng)進(jìn)行調(diào)整，同時在必要的時候不對水冷床上布風(fēng)板及風(fēng)帽等進(jìn)行改造的話，很難達(dá)到低氮排放的效果。

2改造方案

根據(jù)現(xiàn)場了解的信息和資料，本次低氮燃燒優(yōu)化改造的主要范圍如下：a)增加爐內(nèi)受熱面，包括增加水冷屏和過熱器的受熱面積，降低床溫，提高鍋爐帶負(fù)荷能力；b)對輸碎煤系統(tǒng)進(jìn)行改造，保證入爐煤滿足設(shè)計要求；c)采用ROFA對原鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造；d)增設(shè)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)；e)分離器入口煙道改造；f)返料裝置優(yōu)化，包括更換返料風(fēng)機、返料床改造；g)水冷床布風(fēng)板及風(fēng)帽改造；h)給煤口及播煤風(fēng)優(yōu)化改造。

2．1受熱面改造

根據(jù)熱力計算對應(yīng)地增加鍋爐受熱面，所用材質(zhì)與現(xiàn)役鍋爐對應(yīng)部分相同，為20號無縫鋼管，并做好防磨處理，確保汽溫、蒸發(fā)量、排煙溫度等基本傳熱性能達(dá)到性能要求。

原鍋爐設(shè)計床溫為800℃～950℃，實際運行床溫偏高，高的床溫增加了NOx的生成，因此經(jīng)過熱力計算在爐膛頂部增設(shè)2片水冷屏，并同時增加過熱器受熱面，提高鍋爐的蒸發(fā)能力，通過增加爐內(nèi)受熱面及對二次風(fēng)合理布局共同實現(xiàn)CFB鍋爐爐內(nèi)煙溫和床溫最佳工況，達(dá)到低負(fù)荷溫度不低、高負(fù)荷溫度不高的最佳低氮燃燒優(yōu)化效果。受熱面改造主要內(nèi)容包括：

a）如圖1所示對水冷屏進(jìn)行改造。每臺爐增加2套進(jìn)口集箱1、2套水冷屏2、2套出口集箱3、2套焊接吊桿裝置4、2套焊接吊桿裝置5、2套水冷屏吊梁6、2套水冷屏導(dǎo)汽管7。圖1中23100mm和18450mm標(biāo)高位置為水冷屏各段之間的安裝焊縫。

b)如圖2所示對高溫過熱器從改造切割位置進(jìn)行改造。每臺爐增加1套材質(zhì)為15CrMoG、管徑Φ38mm×5mm的管子1，6套定位板2，1套管夾3。

2．2輸碎煤系統(tǒng)的改造

蛟河熱電上煤系統(tǒng)只有一級碎煤而沒有篩分裝置，入爐煤粗大顆粒非常多。在實際運行中，為了提高蒸發(fā)量和避免床溫超限，必須用到很大的一次風(fēng)量，導(dǎo)致煙氣中NOx排放濃度大幅增加。

因此，本次低氮燃燒優(yōu)化改造過程中對輸碎煤系統(tǒng)進(jìn)行了改造，具體改造方案如下：因皮帶間沒有設(shè)立原煤篩分裝置的足夠空間，因此將原二段HSZ-50環(huán)錘式破碎機更換為四齒輥式破碎機，處理能力不小于120t/h，以保證入爐煤顆粒度滿足CFB爐型0mm～8mm要求，上煤能力滿足3臺鍋爐滿負(fù)荷連續(xù)運行要求。

改造后，合理的煤顆粒粒徑如下：a)煙煤的入爐煤質(zhì)要求。該CFB鍋爐理想入爐煤平均粒徑d50為1.7mm～1.9mm，寬篩分粒徑分布為0mm～8mm，通常情況下，5mm以上顆粒最好控制在4%～5%以下、而200μm以下的顆粒盡量控制在14%～15%以下，另外兩種極端情況下的顆粒百分比之和需控制在22%～24%以下為宜；b)褐煤的入爐煤質(zhì)要求。物料顆粒應(yīng)滿足0mm～8mm，平均粒徑d50為1.8mm～2.0mm，5mm～8mm大顆粒粒徑份額≤5%，0μm～200μm粒徑份額≤25%，其余中間粒徑份額≥70%。

2．3采用ROFA對二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造

本次改造采用ROFA對二次風(fēng)進(jìn)行空氣分級，保證二次風(fēng)穿透力的情況下，增強密相區(qū)還原性氣氛，降低NO_x的排放。具體改造方案如下：

將原有布置于密相區(qū)的二次風(fēng)3層噴口布置，改為上下共2層布置，同時上層布置于稀相區(qū)，下層布置于過渡區(qū)，既保證了鍋爐的穩(wěn)定充分燃燒，又保證了空氣分級燃燒的效果。設(shè)計二次風(fēng)量占鍋爐總風(fēng)量的50%，其中上層二次風(fēng)風(fēng)量占鍋爐總風(fēng)量25%，下層二次風(fēng)風(fēng)量占鍋爐總風(fēng)量25%。二次風(fēng)噴口采用本公司專利產(chǎn)品ROFA集成噴射箱，同時通過集成噴射箱內(nèi)不對稱設(shè)計的噴口將熱二次風(fēng)高速噴射到爐膛，使熱二次風(fēng)在鍋爐上部空間產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)渦流并在爐內(nèi)形成分級燃燒，這樣不僅提高了鍋爐的燃燒效果，同時也達(dá)到脫硝的目的。改造后的布置圖見圖3和圖4。

2．4增設(shè)煙氣再循環(huán)煙氣

再循環(huán)技術(shù)就是從鍋爐尾部煙道引入煙氣充當(dāng)一次風(fēng)的角色，通過管道等設(shè)備將其輸送到爐膛適當(dāng)部位參與燃燒。由于其含O2量比較低，相當(dāng)于變相減小了一次風(fēng)占比，保證物料在密相區(qū)處于還原性氣氛下燃燒，從而有效降低床溫。而煙氣再循環(huán)如果配合二次風(fēng)分級，則可使二次風(fēng)在爐膛內(nèi)分級燃燒效果更明顯，達(dá)到更進(jìn)一步低氮排放的目的。

國電吉林龍華蛟河熱電廠3臺75t/h鍋爐一次風(fēng)量占總風(fēng)量的60%，二次風(fēng)占總風(fēng)量的40%，一次風(fēng)量較大。本次改造在爐膛出口氧量一定的情況下，不降低一次風(fēng)量、保證床料正常流化的基礎(chǔ)上，降低一次風(fēng)中的氧量份額、增加二次風(fēng)總量。由于底部一次風(fēng)中的含氧量減少，抑制了密相區(qū)的燃燒強度，同時由于二次風(fēng)噴口分層布置，增大了密相區(qū)還原氣氛，抑制了NOx的生成。

2．5分離器入口煙道改造

本方案對分離器入口煙道進(jìn)行優(yōu)化改造，以保證足夠的分離效率，抑制床溫，降低NOx排放濃度。鍋爐原分離器喉口尺寸為850mm×2400mm，喉口處流速約22m/s?，F(xiàn)對分離器喉口處煙道進(jìn)行改造，將原寬度850mm改為700mm，使喉口處煙氣流速加速到28m/s，提高分離器入口煙氣流速，從而提高分離器分離效率。

2．6返料系統(tǒng)優(yōu)化改造

鍋爐原返料器前后布風(fēng)板共用一個風(fēng)室，這就造成兩者風(fēng)量基本相同。為了保證旋風(fēng)分離器立管下灰的通暢性，根據(jù)實際需要，后者風(fēng)量應(yīng)小于前者所需風(fēng)量。因此，本方案對原返料風(fēng)室進(jìn)行改造，以保證整個返料系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。具體改造措施如下：a)返料風(fēng)機采用羅茨風(fēng)機替換原返料風(fēng)機，每臺爐各新設(shè)2臺羅茨風(fēng)機（壓頭H=19.6kPa，風(fēng)量Q=15.28m3/min），1用1備；b)拆除原有返料床的布風(fēng)板，對原有返料床進(jìn)行整改，布置29個/排×2排=58個風(fēng)帽；c)對返料風(fēng)室和風(fēng)帽進(jìn)行改造，加強返料的流態(tài)化。

2．7水冷床布風(fēng)板及風(fēng)帽改造

開孔率是流化床鍋爐設(shè)計的一個重要參數(shù)，水冷床布風(fēng)板上所形成的壓力降與設(shè)置在其上風(fēng)帽的開孔率平方成反比，通常來講，如開孔率越高，則布風(fēng)板上所產(chǎn)生的阻力就會越小。當(dāng)布風(fēng)板阻力太小時，則會使得氣流通過時產(chǎn)生較小的壓降，這樣就會出現(xiàn)以下兩種情況：a)當(dāng)氣流通過床層局部物料較稀、阻力較小的區(qū)域時，則會產(chǎn)生局部位置處的床層物料“吹空”現(xiàn)象；b)當(dāng)氣流通過物料較密、阻力較大的區(qū)域時，則會造成床層物料“壓實”現(xiàn)象[5-6]。這兩種情況的出現(xiàn)就造成了物料流化效果較差從而導(dǎo)致鍋爐啟動困難或爐膛內(nèi)床溫部分區(qū)域溫度較高，最終影響到鍋爐負(fù)荷無法達(dá)到設(shè)計要求。

針對以上這些情況，此次改造采取了一些具體的改造措施，具體改造內(nèi)容如下：a)流化風(fēng)進(jìn)入水冷風(fēng)室的方式維持不變；b)水冷床風(fēng)帽進(jìn)行重新布置，更換新型鐘罩式風(fēng)帽，補焊中間的鰭片鋼板；c)根據(jù)現(xiàn)有水冷床尺寸調(diào)整間距，進(jìn)行開孔布置風(fēng)帽。

2．8給煤口及播煤風(fēng)優(yōu)化改造

CFB鍋爐給煤口設(shè)計對爐內(nèi)煤顆粒的燃盡度起到至關(guān)重要的作用，它將影響鍋爐的飛灰可燃物的含量、爐渣可燃物的含量和床溫等參數(shù)。根據(jù)國內(nèi)、外主流流化床鍋爐給煤系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，給煤口的高低取決于布風(fēng)板的面積大小。

本次改造方案中，根據(jù)二次風(fēng)口布置情況重新設(shè)計給煤口高度，并對播煤風(fēng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，完善播煤風(fēng)增量、冷一次風(fēng)源引入及噴口托底播煤風(fēng)優(yōu)化改進(jìn)確保入爐煤播煤效果良好，在確保燃盡效果的前提下，降低燃料中NOx的生成量。

a)調(diào)整原有給煤口高度，調(diào)整后給煤口標(biāo)高距離布風(fēng)板約2m；b)對原有給煤口進(jìn)行盲堵，再在膜式壁新開給煤口，并重新澆筑；c)原有鍋爐的播煤風(fēng)位于兩處，一處位于給煤機出口直管段至垂直落煤段拐點處，一處位于落煤管至落煤口之間。本次改造引入冷一次風(fēng)源，在落煤口底部水平增加一路播煤風(fēng)。

3改造后鍋爐運行效果

a)鍋爐出力由原來60t/h～62t/h達(dá)到75t/h，滿足設(shè)計出力；b)在鍋爐50%～100%BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況范圍內(nèi)，NOx最終排放濃度一般穩(wěn)定在150mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2）以下，達(dá)到了NOx排放要求；c)爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在850℃～900℃，爐膛出口、返料溫度與床溫差值在50℃以內(nèi)；d)煙氣停留時間延長約15%左右，提高換熱效率，保證燃燒更加充分；e)二次風(fēng)剛性加強、主燃區(qū)空氣動力場組織改善，結(jié)焦情況改善。

4結(jié)語

通過國電吉林龍華蛟河熱電廠3臺75t/hCFB鍋爐低氮燃燒優(yōu)化項目的改造及運行。本次改造不僅達(dá)到了國家脫硝排放的環(huán)保要求和實現(xiàn)了鍋爐燃燒效率的進(jìn)一步提高；同時還減輕了爐內(nèi)結(jié)焦情況，降低了煙氣中飛灰含碳量和底渣含碳量，為以后的工程開展奠定了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。盡管鍋爐低氮燃燒優(yōu)化是一個復(fù)雜的爐內(nèi)燃燒過程，但隨著理論研究和實踐的不斷深入和國家對節(jié)能減排工作的重視和支持，低氮燃燒優(yōu)化改造技術(shù)在接下來幾年，將會迎來一個更好的發(fā)展契機。

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