循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒研究與應(yīng)用

李靈靈

摘 要：通過對中溫分離循環(huán)流化床鍋爐燃燒結(jié)構(gòu)調(diào)整、系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究與應(yīng)用，使煙氣NOx得到有效控制，對循環(huán)流化床鍋爐如何抑制NOx的生成和排放具有重要指導(dǎo)意義及可觀的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CFB 鍋爐專家系統(tǒng) 低氮燃燒 NOx

中圖分類號：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0011-01

唐山三友熱電有限公司位于唐山南堡經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，所屬區(qū)域是以鹽化工工業(yè)為主的化工城區(qū)，現(xiàn)有人口約3.5萬人，已有相應(yīng)的商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)、文化、郵政、銀行、教育、醫(yī)療、交通設(shè)施，是南堡地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、教育中心。氮氧化物（NOx）是形成大氣污染的一大因素，也是導(dǎo)致酸雨.化學(xué)煙霧的關(guān)鍵因素。對于所屬地區(qū)的經(jīng)濟(jì).身體健康都會造成很大的傷害。

唐山三友熱電有限責(zé)任公司具有240 t/h中溫分離循環(huán)流化床鍋爐三臺，采用二運(yùn)一備生產(chǎn)運(yùn)行方式，年耗標(biāo)煤約50萬t，年NOx排放約1300 t。鍋爐投運(yùn)以來，采用手操DCS控制調(diào)節(jié)，不能很好的適應(yīng)工況變化，燃燒系統(tǒng)不能滿足低氮燃燒要求，NOx排放量300 mg/Nm3以上，對周邊環(huán)境影響較大。

為解決循環(huán)流化床鍋爐抑制NOx生成的方法，針對本公司中溫分離循環(huán)流化床鍋爐特性、實(shí)際運(yùn)行工況及設(shè)備結(jié)構(gòu)，結(jié)合流化床鍋爐專家系統(tǒng)控制策略，在1-3#鍋爐經(jīng)行研發(fā)和燃燒優(yōu)化試驗(yàn)，并取得滿意效果，NOx生成得到抑制，排放指標(biāo)達(dá)到100mg/Nm3以下。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)及參數(shù)

CFB鍋爐型號為XD-240/9.8-M中溫分離、高溫高壓自然循環(huán)鍋爐。鍋爐機(jī)組采用二臺稱重給煤機(jī)由前側(cè)送入后墻與返料混合后進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，一次風(fēng)系統(tǒng)采用一臺離心風(fēng)機(jī)經(jīng)二級空預(yù)器送入一次風(fēng)室，二次風(fēng)系統(tǒng)采用一臺離心風(fēng)機(jī)經(jīng)二級空預(yù)器送入前后墻上下二次風(fēng)系統(tǒng)。

2 鍋爐燃燒特性分析

NOx主要通過三種路徑形成：熱力型、快速性、燃料型。

熱力氮氧化物的形成主要取決與燃燒溫度，并隨燃燒區(qū)域溫度的增加，NOx隨之增加。快速性氮氧化物的形成主要是空氣中的氮和燃用氣體燃料中CH、HCN結(jié)合快速生成NOx.燃料型氮氧化物是煤燃燒時(shí)產(chǎn)生NOx主要來源，約占75%～90%，即揮發(fā)份氮和焦炭氮，在煤燃燒初期，揮發(fā)份大量析出，氮的化合物迅速被進(jìn)入的大量氧氣氧化，生成HCN等中間產(chǎn)物。然后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO，這個(gè)區(qū)域NO濃度最高，NQ的形成主要取決與燃料與空氣比，揮發(fā)份氮路徑生成的NOx約占75%。

3 鍋爐燃燒NOx抑制優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2012年，隨國家環(huán)保鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，公司組織對流化床鍋爐進(jìn)行初步氮氧化物抑制試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)：降低密相區(qū)風(fēng)量、控制密相區(qū)床溫，增加稀相區(qū)風(fēng)量與風(fēng)速、降低稀相區(qū)溫度場，引用鍋爐專家系統(tǒng)優(yōu)化控制策略。

中溫分離循環(huán)流化床鍋爐，相對高溫分離循環(huán)流化床鍋爐返料溫度低450 ℃，返料量采用變頻調(diào)節(jié)，對密相區(qū)床溫得到有效控制，為降低一次風(fēng)量，使燃料著火密相區(qū)形成富煤貧氧燃燒，抑制NOx生成創(chuàng)造了條件。為保證流化床鍋爐良好流化條件，對原破碎系統(tǒng)篩板易變性、漏煤、粒度不均問題，重新設(shè)計(jì)篩板孔徑和支撐部位結(jié)構(gòu)，保證破碎顆粒均勻度在10%以內(nèi)。

原冷態(tài)流化風(fēng)量試驗(yàn)在渣層800 mm，流化風(fēng)量130000 Nm3/h，鍋爐床壓5.0 kPa、風(fēng)室壓力13 kPa；技術(shù)開發(fā)組，針對原煤顆粒粒度規(guī)劃與管控，降低渣層600 mm，冷態(tài)流化風(fēng)量降至100000 Nm3/h，保證給煤均勻，流化正常。鍋爐運(yùn)行燃燒調(diào)整，采用手動DCS調(diào)節(jié)，尾部煙氣NOx跟蹤測量；在鍋爐氧量、負(fù)壓、給煤、風(fēng)量、床溫控制調(diào)解中，對鍋爐煙氣NOx的生成影響較大，變化幅度寬。隨著一次風(fēng)量降低NOx隨之下降，當(dāng)一次風(fēng)量降低110000 m3/h時(shí)，N基團(tuán)與O2反應(yīng)機(jī)會得到控制，有效降低NOx生成量，NOx得到較好抑制。

如何控制稀相區(qū)燃燒環(huán)境，改善NOx的抑制手段，我們把二次風(fēng)分為下二次風(fēng)和上二次風(fēng)（三次風(fēng)），下二次風(fēng)口布置在床面4 m高區(qū)域，前后墻對沖，是密相區(qū)和稀相區(qū)結(jié)合點(diǎn)。上二次風(fēng)（三次風(fēng)）口布置在下二次風(fēng)4.5 m高區(qū)域，前后墻對沖，是燃盡階段的主要供給風(fēng)量。上下二次風(fēng)風(fēng)口采用小噴嘴沿爐墻寬度水平多孔布置形式，將二次風(fēng)提到一個(gè)很高的速度，使得二次風(fēng)具有很強(qiáng)的穿透能力，與高溫?zé)煔獬浞只旌?，均衡區(qū)域溫度場，控制燃燒區(qū)域溫度，有效抑制NOx生成。

根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐燃料燃燒機(jī)理，床面一次風(fēng)流化區(qū)和下二次風(fēng)區(qū)作為主燃燒區(qū)，是燃煤加熱、揮發(fā)分析出、分級破碎、著火燃燒的主要區(qū)域，為使揮發(fā)分氮的轉(zhuǎn)化得到抑制，改變?nèi)济汉涂諝獗?，在降低一次風(fēng)量的同時(shí)，減少下二次風(fēng)份額，實(shí)驗(yàn)表明效果可行。上二次風(fēng)區(qū)（三次風(fēng)）在稀相區(qū)很高的溫度下進(jìn)行高氧濃度/貧燃料燃燒，容易產(chǎn)生大量NOx。主要抑制手段通過增大上二次風(fēng)風(fēng)量與風(fēng)速、拆除稀相區(qū)上部位區(qū)域1 m水冷壁耐磨磚，降低稀相區(qū)燃燒溫度場至850℃，來改變N、O反應(yīng)機(jī)理?xiàng)l件，而達(dá)到較少NOx生成。經(jīng)過分區(qū)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，在確定一次流化風(fēng)量100000 m3/h，下二次風(fēng)與上二次風(fēng)（三次風(fēng)）風(fēng)量分配比為1∶1.6，并實(shí)施總二次風(fēng)量氧量調(diào)節(jié)控制模式。

鍋爐原使用北京中昊ABB的DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)除給水、主汽溫度外，始終未實(shí)現(xiàn)鍋爐全方位自動調(diào)節(jié)的組態(tài)。經(jīng)過調(diào)研和開發(fā)，采用WYDE2000循環(huán)流化床鍋爐專家系統(tǒng)實(shí)施燃燒節(jié)能自動控制實(shí)驗(yàn)，消除人工操作造成的滯后性、不精確性和不穩(wěn)定性，降低噸汽標(biāo)煤耗煤量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。蒸汽母管壓力調(diào)節(jié)與給煤調(diào)節(jié)；床溫自動控制；氧量及二、三次風(fēng)自動控制；爐膛負(fù)壓自動控制；床壓排渣自動控制。通過單爐出口壓力調(diào)節(jié)8.8 MPa，達(dá)到均勻控制給煤量，實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)總壓力調(diào)節(jié)，有效抑制NOx的生成和波動。當(dāng)多臺爐同時(shí)運(yùn)行，母管壓力協(xié)調(diào)程序可以調(diào)節(jié)鍋爐之間的負(fù)荷關(guān)系。通過強(qiáng)制單爐狀態(tài)斷開母管壓力協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)單爐獨(dú)立控制。

4 結(jié)語

唐山三友熱電有限責(zé)任公司，通過中溫分離循環(huán)流化床鍋爐實(shí)施燃燒系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)和鍋爐專家自動控制系統(tǒng)引用優(yōu)化控制，已實(shí)現(xiàn)三臺循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒狀態(tài)下無故障連續(xù)運(yùn)行。目前，三臺循環(huán)流化床鍋爐煙氣NOx排放均控制在100 mg/Nm3內(nèi)，改善了當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境質(zhì)量，對循環(huán)流化床鍋爐如何抑制NOx的生成具有可觀的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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