大型高效煤粉工業(yè)鍋爐超低排放工程應(yīng)用
裴連軍1 黃鸞2 尚慶雨3 高少東4 韓崇剛5
（1.天津能源投資集團(tuán)有限公司, 天津 300100；2.天津市熱電設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300204；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司節(jié)能工程技術(shù)研究分院，北京 100013；4.天津能源投資集團(tuán)技術(shù)中心,天津 300204； 5.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）
摘 要：以天津華苑5×58MW煤粉鍋爐項(xiàng)目為例，介紹了大型高效煤粉工業(yè)鍋爐的工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)及配套煙氣治理技術(shù)和設(shè)施。經(jīng)測(cè)試，鍋爐平均熱效率93.32%；經(jīng)檢測(cè)，煙塵≤3.75mg/m3、SO2≤15mg/m3、NOx≤84mg/m3；經(jīng)核算，該鍋爐每年運(yùn)行成本降低1440萬元。天津華苑5×58MW煤粉鍋爐項(xiàng)目運(yùn)行參數(shù)驗(yàn)證了該大型高效煤粉工業(yè)鍋爐具有節(jié)能環(huán)保效果，并由此工程項(xiàng)目對(duì)工業(yè)鍋爐得到如下結(jié)論和建議：1、相比傳統(tǒng)的鏈條鍋爐，煤粉工業(yè)鍋爐的節(jié)能效率至少提高10%；2、采用分級(jí)低氮燃燒技術(shù)的煤粉工業(yè)鍋爐從源頭上降低了氮氧化物的排放，結(jié)合SNCR和SCR脫硝技術(shù)能達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。3、過濾式除塵+濕電除塵技術(shù)使此系統(tǒng)的煙塵排放低于3.75mg/m3；石膏濕法脫硫技術(shù)使SO2排放低于15mg/m3。該項(xiàng)目節(jié)能減排效益顯著，達(dá)到了煤炭清潔利用的目的，為天津地區(qū)乃至京津冀地區(qū)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、破解能源供應(yīng)瓶頸尋找了一條很好的出路。
關(guān)鍵詞：高效煤粉鍋爐系統(tǒng)；煙氣治理；節(jié)能環(huán)保；熱效率
隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，我國(guó)中東部地區(qū)大氣復(fù)合污染的態(tài)勢(shì)日益嚴(yán)峻，突出表現(xiàn)為京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等城市重度霧霾現(xiàn)象頻發(fā)。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，中國(guó)（含港澳臺(tái)地區(qū)）工業(yè)燃煤總量占世界總消費(fèi)量的 50%以上 [1-4] ，工業(yè)燃煤排放的污染物占霧霾來源和成因的30%～40%?；鹆Πl(fā)電用煤占工業(yè)燃煤總量的50%以上[5]，工業(yè)鍋爐約為20%。目前全國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐總數(shù)近60萬臺(tái)[6]，占現(xiàn)役工業(yè)鍋爐總數(shù)的85%[7-8] 且每年以1.5% 左右的速度增長(zhǎng)。
要污染物之一，大氣中 67%的氮氧化物由煤燃燒所產(chǎn)生[9]。氮氧化物與全球變暖、酸雨及臭氧層的破壞有直接關(guān)系。氮氧化物作為主要的細(xì)顆粒物的前驅(qū)物，也是形成灰霾的二次顆粒物的主要來源[10, 11]。工業(yè)鍋爐煙氣治理落后、治理難度大、監(jiān)管困難，其排放造成的污染已經(jīng)超過了電站鍋爐。為了使大氣污染狀況得到改善，提高燃煤工業(yè)鍋爐的燃燒效率以及降低污染物的排放迫在眉梢[12]！
為解決燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)存在的這些問題，國(guó)內(nèi)各界曾先后通過自主開發(fā)及國(guó)際合作，開展了大量燃煤工業(yè)鍋爐優(yōu)化升級(jí)等方面的工作，掌握了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。近年來已成功研發(fā)出中小型煤粉燃燒技術(shù)系統(tǒng)[13-15]，全程優(yōu)化配風(fēng)及運(yùn)行自動(dòng)診斷技術(shù)、燃煤工業(yè)鍋爐煙氣除塵、脫硫一體化等技術(shù)。不僅提高了燃煤工業(yè)鍋爐的燃燒效率，又從源頭上減少了污染物的排放。
為緩解天津市燃?xì)夤?yīng)壓力，有效解決供熱負(fù)荷熱源不足的問題，天津市政府組織工信委及能源集團(tuán)專題調(diào)研、論證，確定華苑5×58MW煤粉供熱鍋爐為天津市煤炭清潔利用試點(diǎn)項(xiàng)目。本文將以天津華苑5×58MW煤粉鍋爐項(xiàng)目為例，介紹了大型高效煤粉工業(yè)鍋爐的工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)及配套煙氣治理技術(shù)和設(shè)施。
新建5臺(tái)58MW煤粉鍋爐房由天津市熱電設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)，鍋爐系統(tǒng)采用了煤科院煤粉燃燒技術(shù)系統(tǒng)，其中供料單元為最新的“星鳥”耦合文丘里供料器，燃燒單元核心是中心逆噴雙錐低氮燃燒器。煙氣治理采用布袋除塵與濕電除塵相結(jié)合，脫硝同時(shí)采用了選擇性催化還原（SCR）+選擇性非催化還原（SNCR），脫硫采用石灰石膏濕法脫硫。
圖 1 天津華苑5×58MW煤粉鍋爐房全景圖
煤粉工業(yè)鍋爐一般是由煤粉儲(chǔ)存系統(tǒng) 、供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、煙氣污染物聯(lián)合脫除系統(tǒng)、粉煤灰存儲(chǔ)系統(tǒng)、點(diǎn)火油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)10 個(gè)子系統(tǒng)組成。煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)采用以下工藝流程：制備好的煤粉通過氣力輸送輸送至煤粉塔暫時(shí)儲(chǔ)存，塔內(nèi)煤粉按需進(jìn)入中間計(jì)量倉后由供料器及風(fēng)粉混合管道送入煤粉燃燒器，燃燒器和鍋爐爐膛構(gòu)成燃燒系統(tǒng)。燃燒換熱后的煙氣進(jìn)入脫硝裝置后再進(jìn)入布袋除塵器。除塵器排出的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)引至脫硫裝置進(jìn)行脫硫后進(jìn)入濕電除塵，再由煙囪排至大氣，布袋收集的飛灰密閉排出，集中處理。鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行由點(diǎn)火程序控制器和上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共同完成。高效煤粉鍋爐系統(tǒng)總工藝流程圖如圖2所示。
圖 2 高效煤粉鍋爐系統(tǒng)工藝流程圖
煤粉儲(chǔ)存的關(guān)鍵裝置是煤粉塔，為了防止靜置煤粉在壓實(shí)的情況下結(jié)壁或起拱架橋，根據(jù)煤粉的流動(dòng)特性，在煤粉塔下部設(shè)計(jì)半錐角小于20°的錐斗[16]，并在錐斗壁面增設(shè)流化裝置?？紤]煤粉的安全性，煤粉塔結(jié)構(gòu)設(shè)有靜電接地、防爆門泄爆、傳感器監(jiān)控及惰性氣體保護(hù)等裝置及措施。運(yùn)行過程中，若罐內(nèi)溫度快速升高并報(bào)警，應(yīng)立即啟動(dòng)惰性氣體保護(hù)裝置，即先從塔體底部注入N2，再從頂部注入CO2，覆蓋在煤粉表面，隔絕空氣。
供料器是煤粉鍋爐中最為重要的設(shè)備，供料不穩(wěn)定，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓波動(dòng)較大，膜式壁震動(dòng)，噴灰等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生爐膛爆燃事故。為了保證鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，供料偏差不得超過±３％。此項(xiàng)目采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司最先研發(fā)的“星鳥”耦合文丘里供料器，隨著對(duì)煤粉流動(dòng)特性以及文丘里輸送特向認(rèn)識(shí)的不斷深入，供料器從螺旋結(jié)構(gòu)形式升級(jí)為“星鳥”耦合文丘里供料器，具備二次活化、均勻連續(xù)喂料以及引射流混合發(fā)送的特點(diǎn)。煤粉經(jīng)過頂部星型卸料
閥周期性地卸入到中間緩沖倉，中間緩沖倉錐斗壁面多點(diǎn)通氣，使煤粉吸氣快速活化，流動(dòng)性顯著增強(qiáng)。密度分布均一的煤粉流，依靠重力經(jīng)錐斗出口進(jìn)入“星鳥”耦合文丘里閥組。閥組連續(xù)均勻排出的煤粉落入高速引射流混合器組件，與一次風(fēng)瞬間完成散射混合，形成高濃度風(fēng)粉流。風(fēng)粉流依靠一次風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)力，經(jīng)風(fēng)粉管道源源不斷濃相送出，進(jìn)入下游燃燒器。采用“星鳥”耦合文丘里供料器供料穩(wěn)定，供料偏差為±１％，燃燒穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓波動(dòng)較小。
煤粉燃燒器是煤粉鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。煤粉氣流的著火過程、爐膛中的空氣動(dòng)力和燃燒工況，主要由燃燒器的結(jié)構(gòu)和爐膛的布置方式?jīng)Q定。因此，燃燒器的性能對(duì)煤粉燃燒設(shè)備運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起到主要的作用。此項(xiàng)目采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司專利產(chǎn)品低氮煤粉燃燒器。借鑒Dr.schoppe燃燒器的燃燒組織原理設(shè)計(jì)的中心逆噴雙錐燃燒器（圖4）在煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器領(lǐng)域取得突破。相比其他旋流式燃
燒器，此燃燒器沒有單獨(dú)設(shè)立回流室，僅靠組織流場(chǎng)形成回流區(qū)，體積小，且在回流區(qū)內(nèi)，煤粉快速升溫至1000 ℃，形成了高溫空氣燃燒。結(jié)合濃相送粉技術(shù)，燃燒器同時(shí)具備迅速點(diǎn)火、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬，火焰穩(wěn)定和低氮的優(yōu)點(diǎn)，為鍋爐安全可靠的運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。
圖4 中心逆噴雙錐燃燒器
鍋爐本體，首先是“鍋”和“爐”的有機(jī)結(jié)合體。“鍋”的作用主要涉及工質(zhì)( 如水) 循環(huán)動(dòng)力和換熱的問題，在這里主要討論“爐”。“爐”主要是指穩(wěn)燃室和爐膛，其作用涉及煤粉是否能夠及時(shí)點(diǎn)燃、燃燒穩(wěn)定性及燃盡率問題。煤粉工業(yè)鍋爐本體結(jié)構(gòu)主要有WNS 臥式異型爐膛水火管鍋殼形式及DZS（單鍋筒縱置式）、DHS（單鍋筒橫置式）三種結(jié)構(gòu)形式。相比鏈條爐排鍋爐及循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)煤粉工業(yè)鍋爐本體主要考慮以下3 個(gè)因素: ①爐膛容積熱負(fù)荷qv；爐膛容積熱負(fù)荷表明在單位爐膛容積內(nèi)每小時(shí)燃料燃燒所釋放的熱量，是設(shè)計(jì)爐膛時(shí)需選用的一個(gè)重要的熱力參數(shù)。qv反映爐膛容積的大小，還反映燃料在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，直接影響爐內(nèi)的溫度水平；取高值，爐膛容積減小，爐內(nèi)溫度水平高；取低值，可以防止水冷壁結(jié)焦；qv選取的原則為燃料的燃盡條件和煙氣的冷卻條件。②煤粉火炬的幾何形態(tài)，火炬的形態(tài)決定了爐膛的三維尺寸，應(yīng)保證擴(kuò)展后的火焰任何時(shí)候不與輻射受熱面接觸，同時(shí)保證高溫?zé)煔庵翣t膛出口時(shí)溫度應(yīng)比灰的變形溫度低50℃，防止尾部的對(duì)流受熱面結(jié)焦。③鍋爐的支吊方式，這一因素對(duì)中高參數(shù)蒸汽鍋爐尤為重
要，支吊結(jié)構(gòu)不合理，容易引起鍋筒、水冷壁管及集箱等受壓部件膨脹不均、焊縫開裂及鍋爐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題。本項(xiàng)目5臺(tái)58MW煤粉鍋爐充分考慮以上因素，選用爐膛采用DHS 全膜式壁爐膛，其為全立式結(jié)構(gòu)，雙燃燒器垂直頂置，火焰下噴；對(duì)流受熱面采用煙火管結(jié)構(gòu)，為增加傳熱，煙火管采用螺紋煙管鍋殼結(jié)構(gòu)。徹底消除了鍋爐本體氣密性差、運(yùn)行環(huán)境惡劣、爐膛結(jié)渣、停爐頻繁等問題。
此項(xiàng)目配備的煤粉制備系統(tǒng)需要高溫?zé)煔?，為?jié)省耗煤量和控制煤粉制備的氧含量，該項(xiàng)目采用120 ℃煙氣與熱風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行混合使混合后的煙氣達(dá)到280 ℃對(duì)煤粉制備系統(tǒng)進(jìn)行烘干。鍋爐尾氣的利用一是充分利用了120 ℃的排放煙氣節(jié)約了能源，通過計(jì)算每臺(tái)磨一個(gè)采暖季能節(jié)省約49萬元。（一臺(tái)磨機(jī)需要煙氣量8.8萬Nm3/h，每臺(tái)磨每小時(shí)節(jié)能56.36kJ/ Nm3*8.8萬Nm3=4960MJ，折0.2t煤粉，合0.2*850=170元/小時(shí)）兩臺(tái)磨機(jī)每采暖季節(jié)省98萬。二是通過尾氣的利用提高了安全保護(hù)同時(shí)節(jié)省了氮?dú)饬康闹苽?，保證了制粉系統(tǒng)煙氣的含氧量在安全的范圍內(nèi)，確保了制粉系統(tǒng)的安全可靠。
鍋爐測(cè)控系統(tǒng)由傳感器儀表系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。測(cè)控系統(tǒng)的具體功能包括點(diǎn)火、熄火保護(hù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與整理，故障報(bào)警與分析診斷，過程狀態(tài)控制與調(diào)整等。該項(xiàng)目鍋爐控制方式采用上位集控/柜體盤面就地，兩種方式可轉(zhuǎn)換。鍋爐正常運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)，使用集控自動(dòng)方式，設(shè)備按工藝要求的順序和流程由中央控制臺(tái)控制、聯(lián)鎖保護(hù)；可在中央控制臺(tái)操作各設(shè)備，有互鎖和聯(lián)動(dòng)關(guān)系；就地時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)操作可啟停設(shè)備。鍋爐測(cè)控系統(tǒng)采用分散控制、集中管理方式。本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上分為設(shè)備控制層和中央監(jiān)控層?？刂茖硬捎肈CS作為控制站，各控制站之間以及控制站與中央監(jiān)控層操作站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)總線構(gòu)成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)。DCS系統(tǒng)包含：數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）等。這些子系統(tǒng)實(shí)對(duì)鍋爐裝置及其輔助系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。
計(jì)算機(jī)和控制柜盤均可實(shí)現(xiàn)對(duì)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)，燃油泵及給水泵、出渣機(jī)及鍋爐各進(jìn)出口電動(dòng)閥等設(shè)備的啟/?？刂啤⑥D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和安全連鎖；同時(shí)設(shè)有各輔機(jī)動(dòng)力柜的現(xiàn)場(chǎng)控制操作，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)操作和計(jì)算機(jī)操作的二級(jí)聯(lián)控；鍋爐控制采用工業(yè)
控制計(jì)算機(jī)、DCS控制器，和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“一對(duì)一”型，即每個(gè)控制站獨(dú)立控制一臺(tái)鍋爐，另一臺(tái)鍋爐不工作時(shí)其控制站及相關(guān)一次表能獨(dú)自斷電。對(duì)鍋爐房各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控并配備一套獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供暖系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)的有效監(jiān)控及鍋爐安全可靠、平穩(wěn)高效的運(yùn)行。
采用雙除塵：低溫受熱面出來的煙氣首先通過布袋除塵器，布袋除塵的除塵效率在99.8%以上。布袋除塵后的煙氣通過濕法脫硫后進(jìn)入濕式靜電除塵，可高效捕集PM2.5顆粒，同時(shí)解決脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的石膏雨、SO3氣溶膠等問題，濕電除塵后的煙氣粉塵含量小于5mg/m3。采用低氮燃燒與脫硝相結(jié)合：低氮燃燒技術(shù)，NOx初始排放低于300mg/m3；選擇性非催化還原SNCR（爐內(nèi)脫硝），選擇性催化還原SCR（爐外脫硝）NOx最終排放低于50mg/m3。采用石灰石膏法脫硫：按照本工程二氧化硫排放濃度要求，脫硫效率不小于98.4％，脫硫噴嘴采用國(guó)際領(lǐng)先水平的氮化硅脫硫噴嘴，霧化效果好，使用壽命長(zhǎng)（使用壽命10年以上）。
本試點(diǎn)工程于2016年1月上旬陸續(xù)交付使用，已運(yùn)行2個(gè)月，截止目前累計(jì)運(yùn)行約600 h以上，總體運(yùn)行情況良好。抽查其中兩臺(tái)鍋爐，經(jīng)北京市煤炭節(jié)約辦公室節(jié)能監(jiān)測(cè)中心對(duì)系統(tǒng)熱工性能測(cè)試結(jié)果表明：4#鍋爐當(dāng)煤用收到基低位發(fā)熱量為27.86MJ/Kg煤粉時(shí)，鍋爐出力為57.36MW ,鍋爐排煙溫度112.30 ℃、排煙處空氣過剩系數(shù)1.23、飛灰可燃基含量12.50%、鍋爐系統(tǒng)正平衡效率93.88%、反平衡效率92.76%、平均效率93.32%，見表1。5#鍋爐當(dāng)煤用收到基低位發(fā)熱量為29.25MJ/Kg煤粉時(shí)，鍋爐出力為58.94MW ,鍋爐排煙溫度118.74 ℃、排煙處空氣過剩系數(shù)1.17、飛灰可燃基含量5.39%、鍋爐系統(tǒng)正平衡效率92.76%、反平衡效率93.92%、平均效率93.34%，見表2。
表1：4#爐試驗(yàn)結(jié)果匯總
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