任庚坡

上海市節(jié)能中心

0 引言

我國工業(yè)鍋爐80%以上為燃煤鍋爐，年消耗標(biāo)煤超6 億t，其中容量在20 t/h 以下的鍋爐約占80%，大部分為傳統(tǒng)鏈條爐排鍋爐［1］。傳統(tǒng)的燃煤鏈條爐排鍋爐普遍存在運行效率低，污染物排放高等問題。目前在我國北方地區(qū)，冬季采暖季中，常用燃煤鏈條鍋爐作為基礎(chǔ)性熱源使用［2］。隨著社會對污染物深度減排與低碳能效提升的需求，許多使用鏈條爐的企業(yè)面臨技術(shù)升級的需要。

工業(yè)層燃鍋爐通常初始燃燒排放的NOx 濃度在400～800 mg/m3［3］。在機(jī)組的氣體污染物排放監(jiān)控方面，部分重點地區(qū)要求燃煤35 t/h 以上層燃鍋爐，實現(xiàn)超低排放要求，即粉塵≤10 mg/m3,SOx≤35 mg/m3, NOx≤50 mg/m3［4］。在鏈條爐的NOx減排技術(shù)中，常用的有深度空氣分級［5］、煙氣再循環(huán)［6-7］、SNCR［8］、SCR［5］、層燃改室燃［9］等技術(shù)。

同時，層燃鍋爐的能效提升也是重要的工藝研究目標(biāo)。盡可能減低污染物減排的運行成本消耗，提高鍋爐燃燒效率，是工業(yè)鍋爐有效提升綠色低碳品質(zhì)的關(guān)鍵。層燃鍋爐中爐渣含碳量高，帶來的機(jī)械不完全燃燒損失往往是效率中最大的損失項，可達(dá)15%～20%以上［10］。煙氣循環(huán)使用也能有效減少煙氣總量，有效降低排煙熱損失［11］。不過，將煙氣循環(huán)輸入一次風(fēng)室，也會讓爐渣含碳量升高，甚至未燃盡的碳含量占到25%～44%［12］，會直接降低燃燒效率。

本文對某46 MW 燃煤鏈條鍋爐，開展了煙氣循環(huán)技術(shù)的升級改造。改造后，有效降低NOx 排放；同時也有益于降低SNCR 尿素溶液用量，實現(xiàn)了爐渣含碳量的降低。該技術(shù)兼顧實現(xiàn)了降低污染物控制運行成本，提高了鍋爐燃燒效率，有著重要的工業(yè)借鑒意義。

1 升級的煙氣循環(huán)脫硝改造工藝

本文對46 MW 層燃鍋爐進(jìn)行了脫硝改造。該鍋爐的額定熱功率為46 MW，雙鍋筒設(shè)計。出水壓力為1.6 MPa，設(shè)計效率82.50%。試驗中煤炭的工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 燃燒煤質(zhì)的工業(yè)分析數(shù)據(jù)

對層燃鍋爐的脫硝改造試驗中，主要采用了煙氣循環(huán)工藝、SNCR 工藝。鍋爐改造前NOx 的排放數(shù)據(jù)為420 mg/m3（考慮工業(yè)鍋爐爐型，使用9% O2折算）。改造試驗的工況有三個（見表2）。改造工況1，將循環(huán)煙氣輸送到爐底的一次風(fēng)中，通過改變層燃爐底部一次風(fēng)的含氧濃度，來降低NOx 污染物。改造工況2，將循環(huán)煙氣輸送到爐內(nèi)的喉口、燃燒室側(cè)壁中，通過創(chuàng)造爐內(nèi)的還原性氣氛，來降低NOx 排放。改造工況3，在改造工況2 的基礎(chǔ)上，增加了SNCR 的尿素噴射。SNCR 噴槍設(shè)計在喉口上部約1 m 位置，充分利用了煙氣循環(huán)對SNCR的影響。改造試驗工況見表2。

表2 改造試驗工況

2 循環(huán)煙氣進(jìn)入爐內(nèi)不同位置的影響

對兩種不同的煙氣循環(huán)脫硝改造工藝進(jìn)行了對比。圖1 是工況1 試驗條件下，煙氣的NOx 排放與O2濃度數(shù)據(jù)。圖2 是工況1 與工況2 的對比，比較了煙氣中的NOx與O2的濃度數(shù)據(jù)。

圖1 改造工藝1運行后對鍋爐出口煙氣參數(shù)的影響

圖2 改造工況1與工況2運行后對鍋爐出口煙氣參數(shù)影響

在工況1 下，NOx排放濃度降低14.7%～23.5%的比例，證明了爐底通入煙氣是有脫硝意義的。在試驗進(jìn)行過程中，觀察了O2濃度的變化，從8%降低到5.5%。O2濃度的降低是煙氣循環(huán)穩(wěn)定后，因為系統(tǒng)中有更多的煙氣占比，形成了對煙氣O2濃度的下降。

在工況1 下，對排入到渣坑的大渣進(jìn)行取樣。改造前，大渣的含碳量為8%，經(jīng)過工況1 的工藝改造，大渣含碳量提升到16%。大渣的含碳量提高，樣品顏色呈現(xiàn)灰黑色。這一點與文獻(xiàn)［10］和［12］的敘述一致。由此可見，利用煙氣循環(huán)降低一次風(fēng)含氧濃度，以降低NOx，技術(shù)雖然有效，但是代價較大，直接降低了未燃盡固體含量，降低了整體的鍋爐效率。

圖2為改造工況1 與2 的對比。可見，NOx 排放濃度都有效降低，特別是較低的26～32 MW 負(fù)荷下，脫硝率有27.3%。工況2 脫硝的效果與工況1是相同。另外，對比煙氣中O2濃度的數(shù)據(jù)，與工況1不同，改造工況2 與改造前的O2濃度相同，O2濃度未降低。在改造設(shè)計中，將約15%的煙氣返回輸送到爐內(nèi)，并沒有更改一次風(fēng)空氣的量，所以經(jīng)過爐排的O2量并沒有差異。雖然也有煙氣循環(huán)操作，但是整體的O2濃度沒有明顯的降低。脫硝是利用煙氣循環(huán)在爐內(nèi)創(chuàng)造了還原性氣氛，與工況1 的機(jī)理不同。

對于大渣含碳量，工況2 下取樣的測試數(shù)據(jù)為7.8%，與改造前并沒有太多差異。由此可見，工況2比工況1更能保證鍋爐效率，是推薦的改造工藝。

3 煙氣循環(huán)改造后對爐內(nèi)溫度場的影響

對脫硝工藝2 的爐內(nèi)溫度場與組分場的影響進(jìn)行了討論（詳見圖3 與圖4）。圖3 為滿負(fù)荷下，改造前（即關(guān)閉煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)）與改造工況2 的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。圖3 中的數(shù)據(jù)，是位置基于喉口（縱高4 m），從爐排到爐頂?shù)牟煌叨忍幉杉??？梢?，改造前，爐內(nèi)煙氣溫度較高的位置在6 m附近，即喉口上方約2 m 的位置。該位置煙氣溫度較高（1 120 ℃），源于爐內(nèi)未燃盡的燃料（可燃?xì)怏w與炭黑）與O2接觸后的燃燒行為。改成了工況2后，會發(fā)現(xiàn)從爐排上自2～6 m 的位置，煙氣溫度都達(dá)到了1 150 ℃。圖4 是把喉口前后兩個位置的四個量都進(jìn)行了測試對比，包括NOx 濃度、CO 濃度、O2濃度、煙氣溫度。可見，在改造前，后拱附近的O2濃度為12.6%，增加煙氣循環(huán)后讓喉口位置的氣流進(jìn)行了充分混合，使后拱附近的O2濃度降低到7.4%。因為更多的O2在充分混合中，與CO反應(yīng)與燃燒。改造前，前拱附近的高濃度CO(2 238 ppm),改造后趨于零，前拱附近痕跡的CO 量是140 ppm。正是因為煙氣的充分混合，讓燃燒溫度有提升，前拱附近煙氣溫度到了1 099 ℃，后拱煙氣溫度高到了771 ℃。同時，考慮爐內(nèi)的煙氣循環(huán)作用，讓喉口處的NOx也有降低，從改造前的334～373 mg/m3降低到218～225 mg/m3, 實現(xiàn)了有效的脫硝效果。

圖3 滿負(fù)荷工況爐內(nèi)不同縱高處煙氣溫度的變化

圖4 煙氣循環(huán)改造后滿負(fù)荷工況在喉口附近的各量變化

4 煙氣循環(huán)與SNCR協(xié)同作用的影響

由于喉口附近的煙氣溫度有效的提升，考慮讓SNCR 噴槍位置下移，即安置在喉口上方。SNCR的工作溫度窗口為850～1 100 ℃，期望噴入的尿素溶液霧滴可以在較高溫度下，并且有更多的反應(yīng)停留時間。本文把工況2煙氣循環(huán)工藝不使用和使用的情況，進(jìn)行了對比（見表3）。

表3 煙氣循環(huán)與SNCR 協(xié)同作用的效果

將NOx 降低到98.4～107.3 mg/m3，兩個工況的噴尿素量是不同的。單獨使用SNCR 整體脫硝效率為69.3%，使用煙氣循環(huán)與SNCR 協(xié)同的脫硝效率為71.9%。特別是計算使用的尿素量（干粉），改造前為1.51 t/d。使用煙氣循環(huán)與SNCR 協(xié)同，使用尿素量是1.19 t/d。由此可見，尿素使用量減少了21.1%。

在實現(xiàn)同等煙氣脫硝效果的同時，新技術(shù)能夠降低大渣的含碳量，也降低尿素用量，是經(jīng)濟(jì)、低碳、高效的污染物減排模式，是一種節(jié)能的技術(shù)。

5 結(jié)論

本文在46 MW 的層燃燃煤鍋爐中，通過現(xiàn)場工藝改造與試驗。討論了三種脫硝技術(shù)工藝的差異。研究結(jié)果如下：

1）采用煙氣循環(huán)進(jìn)入爐底一次風(fēng)的技術(shù)（工藝1），可以有效降低NOx。但是，該技術(shù)的不足是讓大渣含碳量提升，降低了鍋爐效率。

2）采用煙氣循環(huán)進(jìn)入爐內(nèi)（工藝2），營造還原性氣氛，實現(xiàn)NOx 的有效降低。試驗發(fā)現(xiàn)，脫硝效果能夠與循環(huán)煙氣進(jìn)入爐底的脫硝效果保持一致，不同的是煙氣中的O2濃度沒有降低。

3）讓煙氣循環(huán)進(jìn)入爐內(nèi)，可以讓喉口附近的煙氣充分混合，使?fàn)t內(nèi)溫度有效提升。該溫度對SNCR 噴射很有利，也使尿素溶液霧滴可以在爐內(nèi)有更多的停留時間。工藝技術(shù)2 與SNCR 協(xié)同（工藝3），可以實現(xiàn)尿素用量減少，并且爐內(nèi)綜合的脫硝效率達(dá)到71.9%。