引言
生物质循环流化床锅炉由于燃用物理化学性质不同的多种生物质原料尤其是高钾氯含量的农林废弃物，通常设计及运行温度都控制在中温水平[1]，因此早期生物质循环流化床锅炉一般通过燃烧组织就可满足氮氧化物的排放要求。随着日益严格的氮氧化物排放要求，早期建设的生物质循环流化床锅炉一般都难以满足目前的排放要求，需要进行低氮排放的改造或优化。
某生物质电厂两台220t/h大型生物质高温高压循环流化床锅炉自建设投运以来运行稳定，氮氧化物排放浓度可控制在150mg/Nm3左右。近年来由于生物质原料含水量高，严重偏离设计燃料要求，氮氧化物排放浓度有所提高，为了降低氮氧化物排放采取了低氧燃烧组织措施，虽然可将烟气氮氧化物控制在100mg/Nm3左右，但出现了氮氧化物排放浓度波动大以及烟气一氧化碳浓度高降低燃烧效率[2]等问题。本文针对该问题，同时进一步降低氮氧化物排放浓度，开展了锅炉低氮排放改造方案研究，通过有机集成调整二次风口位置、布置燃烬风、增设SNCR和SCR脱硝装置等措施，有望实现锅炉的低氮排放。
1. 锅炉概况
某生物质电厂的循环流化床锅炉型号为HX220/9.8-Ⅳ1。锅炉为单锅筒、自然循环水管锅炉,半露天布置。炉膛四周为膜式水冷壁。锅炉采用先集中下降管后再分散进水冷壁下集箱。为实现高钾氯农林废物类生物质的稳定燃烧利用，锅炉采取将旋风分离器布置在高温过热器之后的中温分离结构模式。燃烧空气分一次风和二次风, 采用分段送风形式。一次风经水冷风室及布风板送入炉膛, 约占总风量55%。二次风口设计在炉膛密相区上部分三层送入炉膛，约占总风量45%。尾部烟道分别采用包墙管、管吊管等方式布置低温过热器、省煤器及一、二次风空气预热器。
锅炉燃料主要为甘蔗叶、树皮及木材边角料等。设计燃料水份含量为19%左右。
2.运行存在的主要问题及分析
目前，电厂两台220t/h高温高压循环流化床生物质锅炉存在氮氧化物排放浓度波动大及锅炉效率偏低等问题。通过对现有锅炉结构及运行状况进行分析得以下几点重要诱因：
（1）实际入炉混合燃料含水量为40-45%左右，导致燃料着火热量需求大幅增加，锅炉密相区温度降低，减少了密相区燃烧份额和放热量；燃料水份的增加使密相区上部挥发分析出区域水蒸气分压大幅增加，降低了挥发分燃烧速率，增加了挥发分燃尽的难度，导致局部区域氧气存在过量的情况，促进了氮氧化物的生成[3]。
（2）根据热态运行测试数据，在目前采用炉膛低氧燃烧控制氮氧化物排放的措施情况下，炉膛出口烟气氧含量控制在1-2%，低的过量空气系数能够让炉膛内大部分区域处于缺氧的还原性气氛，从而可以将锅炉的氮氧化物排放浓度压制在100mg/Nm3左右，但是带来的弊端是排烟中CO的浓度严重偏高，由此导致的锅炉化学不完全燃烧损失高达5%左右，而且飞灰含碳量也明显升高，从而大幅度降低了锅炉效率。
（3）在低炉膛出口氧浓度的运行模式下，一旦入炉燃料特性或燃料量发生波动，即使是小的波动，都将直接导致炉膛出口的氮氧化物和一氧化碳浓度的波动明显[4]。
3.低氮排放改造方案
依据上述原因分析，提出了依据燃料特性优化分级燃烧配风系统达到制氮氧化物生成的目的，同时通过在分离器入口设置燃尽风以将低氧燃烧及燃尽适当解耦方式以提高燃烧效率。另外，设置SNCR及SCR等措施以进一步脱除烟气中氮氧化物满足排放要求。
3.1二次风系统改造
原设计中锅炉在布风板以上4.6米和5.6米的高度上前后墙分两层布置了17个直径200mm的二次风口，分别为前墙上排4，下排3个；后墙上下排各5个。锅炉炉膛设计中采用大长宽比设计，前后墙间距为5.5米，较小的前后墙间距有利于前后墙对冲布置的二次风有足够的刚性穿透整个炉膛截面积。
进入炉膛的燃料在密相区受热热解释放出挥发分。析出的挥发分一部分在密相区发生缺氧燃烧，另一部分则在二次风给入部位燃烧并在附近炉膛空间内继续燃烧直至燃尽。这种分级供风燃烧的模式即兼顾了燃烧效率，也能在炉膛下部维持较稳定的还原性气氛区域，有利于燃烧过程随着热解和半焦燃烧过程释放的氮氧化物前驱体被还原为氮气，从而降低氮氧化物的排放。但是由于实际燃料含水量大幅增加高、热值显著降低的客观情况，燃料进入炉膛后析出挥发分的过程被延迟、挥发分中水蒸气比例高导致可燃性降低以及水分蒸发吸热导致的局部温度降低等因素使原本位于二次风给入位置处的挥发分燃尽区域显著沿烟气流动方向向炉膛上部延伸，现有位置喷入的二次风无法让挥发分燃尽，导致局部区域氧气存在过量的情况。
为了改变上述情况，需要对现有的二次风口位置进行改造。在炉膛标高15-16米附近的前后墙上开新的二次风口，该高度由原料入炉水分析出所需时间结合烟气截面流速估算得到，具体位置可在该范围内根据刚性梁和平台布置灵活确定。锅炉前后墙各新开5个二次风口，采用对冲布置，开口口径与原二次风口一致。具体位置如图1所示。
图1 二次风位置改造方案
结合燃烧类似燃料同类电厂经验，可望在该方案实施后实现尾部烟道烟气中氧含量3.5%情况下，氮氧化物折算排放浓度降低到80mg/Nm3，此时烟气中CO应该能降低到1000ppm以下，相应的锅炉效率提升可以在4-5%以上（绝对值），从而带来巨大的经济收益。
3.2旋风分离器进口段布置燃烬风
炉膛低氧浓度的运行模式下，使得氮氧化物控制的低氧燃烧气氛要求和可燃物燃尽所需较高氧气氛的需求相互矛盾，同时由于燃料特性及给料的波动难以避免，因此导致烟气中CO排放浓度较高且波动较大的现象难以避免。
鉴于该情况，调整锅炉配风运行模式为：炉膛内仍采用低氧甚至微缺氧燃烧模式，以降低燃料中氮被直接氧化成氮氧化物，过量空气系数控制在1.0左右。同时在两个旋风分离器入口增加二次风配风，在该处将燃烧风量的过量空气系数提高到1.15甚至更高，即保持旋风分离器内及分离器出口区域内始终有较高的富余氧量，利用旋风分离器内强烈的扰动增加燃尽风中O2和CO的混合，以充分燃尽烟气中的可燃一氧化碳和少量可燃固体炭，从而将炉内低氧燃烧控制氮氧化物和一氧化碳等可燃物的燃尽分区域实现，解决目前锅炉排烟中一氧化碳浓度高且波动大的问题，并有效降低飞灰含碳量。
基于该模式，沿每个分离器入口高度方向布置三个内径为150mm的二次风口，以15度倾斜角度沿烟气流向送入烟道（参见图2）。同时，为了避免分离器出口烟气温度过高导致低温过热器积灰严重现象，可通过增加转向室入口凝渣管受热面面积的方案适当降低烟气温度。运行时依据烟气含氧量、温度分布为控制依据。
图2 燃尽风布置图
采用本方案的核心收益是在氮氧化物排放浓度维持80-110mg/Nm3的基础上将进一步降低烟中的CO浓度降低。
3.3 SNCR改造方案
经过二次风改造和燃尽风改造后，在正常的过量空气系数情况下可实现挥发分基本燃尽，同时将锅炉氮氧化物排放浓度较稳定地降低到100mg/Nm3以下。如果需要进一步降低氮氧化物排放指标（甚至达到超低排放的要求），则需要采用进一步的低氮改造措施。其中，SNCR是目前采用较多的一种炉内低氮措施。由于生物质锅炉燃烧温度低，SNCR方法中喷入的氨水反应率不高，脱硝效率一般只有40-50%。但对于本锅炉，采用SNCR方案相对来说改造工作量较小，投资较小，虽然其效率稍低[5]，但有望实现氮氧化物排放浓度低于50mg/Nm3，达到超低排放的效果。依据现有锅炉方案，结合燃烬风的布置方案，为避免喷入氨水被氧化的可能性，同时分离器出口温度高于分离器内部有利于非催化选择性还原氮氧化物的效果，采用了在分离器出口管布置喷氨点的SNCR布置方案。布置方案参见图3。
图3 SNCR喷氨点布置图
3.4 SCR改造方案
SCR（选择性催化还原法）是燃煤电厂常用的烟气脱硝技术。随着催化剂技术的发展，目前生物质电厂普遍担心的炉内碱金属物质对催化剂活性的毒害问题已经解决，先期采用SCR技术的生物质电厂在半年多的实际运行过程中未发现脱硝催化剂显著失活的情况[6]。采用SCR技术的优势是可以实现70-80%的脱硝效率，但通常需要设置两级脱硝层，建设成本及运行成本较高。
鉴于在采取炉内燃烧组织优化及SNCR等措施情况下，可大幅降低SCR要求，即利用SNCR喷氨点的同时通过设置单级SCR脱硝催化装置可满足脱硝效率要求，从而降低SCR脱硝装置的建设及运行成本。
依据目前尾部烟道温度分布，SCR布置位置比较合适的布置位置是省煤器最后一级管箱之前，该区域烟气温度在300℃左右，适宜布置SCR脱硝装置，如图4所示。由于锅炉设计时未预留布置SCR的空间，因此需要调整现有尾部受热面布置方式以留出空间。
图4 SCR装置布置图
4结论
针对某生物质电厂现有220t/h大型高温高压生物质循环流化床锅炉低氮排放要求，依据目前锅炉运行情况分析了其在氮氧化物排放和经济安全运行等方面存在的问题，并提出了炉内燃烧组织及炉后烟气脱硝相结合的改造方案和优化措施：
（1）依据燃料燃烧特性，调整二次风口位置优化二次风配风系统以达到分级燃烧抑制氮氧化物形成的效果。
（2）设置分离器入口布置燃烬风，以实现炉内低氧燃烧控制氮氧化物生成量的同时，保证生物质的高效燃烧。
（3）分离器出口设置SNCR脱硝措施，发挥SNCR低建设及运行成本的优势，降低烟气中氮氧化物浓度；
（4）在炉内低氮燃烧改造结合SNCR脱硝基础上，设置单级SCR脱硝措施，将烟气排放降低到50mg/Nm3以下，从而实现锅炉高效较低成本的低氮排放运行。
参考文献：
[1]胡南,谭雪梅,刘世杰,等.循环流化床生物质直燃发电技术研究进展[J].洁净煤技术:2022，28（3）：32-40.
[2]宋景慧，谭巍.220t/h生物质循环流化床锅炉性能优化试验研究[J]锅炉技术,2015,46(2):34-38．
[3]聂虎.生物质燃烧污染物排放特性研究[D].浙江大学,2010.
[4]柏继松,余春江,李廉明,等. 生物质循环流化床燃烧污染物的排放特性[J]. 化工进展, 2010,29:116-119.
[5]杜显超,谭月,杨超英,等.生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展[J].2021,41(5):37-39.
[6] 蔡宏伟.SCR脱硝技术在生物质流化床锅炉中的应用[J].2021,(6):33-35.
