大型循環(huán)流化床鍋爐NOx排放的研究

包立炯　宋剛

摘 要： 近年來循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)得到了迅速發(fā)展.基于由國內(nèi)某鍋爐廠生產(chǎn)并投運的大型循環(huán)流化床鍋爐的實際運行及試驗數(shù)據(jù)，對鍋爐的NOx排放特性進(jìn)行了分析和研究.分析了鍋爐的NOx排放量與鍋爐負(fù)荷，空預(yù)器進(jìn)口氧量，上、下二次風(fēng)配風(fēng)量及配風(fēng)方式，燃料特性及脫硫劑之間的關(guān)系.研究表明：鍋爐運行過程中應(yīng)合理調(diào)整燃燒工況，以優(yōu)化運行，減少污染物排放.研究為電廠循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)化和調(diào)整運行參數(shù)提供借鑒和參考，從而實現(xiàn)鍋爐NOx排放的環(huán)保達(dá)標(biāo).

關(guān)鍵詞： 循環(huán)流化床鍋爐； NOx排放； 環(huán)保

中圖分類號： TK 229.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力需求的增長和環(huán)保要求的提高，循環(huán)流化床（CFB）鍋爐技術(shù)得到了迅速發(fā)展.國內(nèi)已投運的不同容量等級循環(huán)流化床有上千臺.循環(huán)流化床鍋爐獨特的燃燒方式使其可在不設(shè)置制粉系統(tǒng)的條件下實現(xiàn)燃料高效燃燒，同時在鍋爐內(nèi)完成煙氣脫硝、脫硫過程，且煙氣凈化和脫除過程基本不影響鍋爐內(nèi)的流動、燃燒和傳熱過程，鍋爐運行和控制管理較簡單、穩(wěn)定和相對獨立，大大簡化了系統(tǒng).

本文分別對國內(nèi)某鍋爐廠已投運的300 MW、200 MW等級循環(huán)流化床鍋爐NOx排放特性進(jìn)行分析和研究，得出NOx排放量與鍋爐負(fù)荷、空預(yù)器進(jìn)口氧量、一二次風(fēng)配風(fēng)、二次風(fēng)配風(fēng)方式、燃料特性及脫硫劑之間的關(guān)系.

1 鍋爐整體布置特點

本文中鍋爐為單汽包、自然循環(huán)的流化床鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式.鍋爐主要由一個膜式水冷壁爐膛、三臺冷卻式旋風(fēng)分離器和一個由汽冷包墻包覆的尾部豎井（HRA）三部分組成.

鍋爐共布置有八個給煤口，全部布置于爐前，在前墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置.爐膛底部是由水冷壁管彎制圍成的水冷風(fēng)室，水冷風(fēng)室兩側(cè)布置有一次熱風(fēng)道，從風(fēng)室兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，采用回轉(zhuǎn)式空預(yù)器或管式空預(yù)器.采用床上、床下聯(lián)合點火方式.排渣口布置在爐膛后水冷壁下部，與滾筒式冷渣器對應(yīng).

爐膛與尾部豎井間布置有三臺冷卻式旋風(fēng)分離器，其下部各布置一臺“U”閥回料器，回料器為一分為二的結(jié)構(gòu)，保證了沿爐膛深度方向上回料的均勻性；尾部采用雙煙道結(jié)構(gòu)，前煙道布置了三組低溫再熱器，后煙道布置了過熱器.

2 鍋爐NOx排放及控制

氮的氧化物有亞硝酸、硝酸、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，但構(gòu)成大氣污染和光化學(xué)煙霧的主要是NO和NO[1]2.NO為無色無臭氣體，是在高溫條件下由空氣中的氮（或燃料中的氮）與氧反應(yīng)生成.NO和血色素的親和力很強(qiáng)，約為CO的數(shù)百倍至一千倍.NO是一種對人體健康影響很大、毒性極強(qiáng)的氣體.

NO2為濃紅褐色的氣體，由NO氧化生成.NO2對呼吸器官黏膜尤其對肺部有強(qiáng)烈的刺激作用，對大部分動物的最低致死質(zhì)量濃度為200 mg·m-3左右.

通常將流化床燃燒過程中生成的NO和NO2稱為NOx，其中NO約占90%.按NOx的生成機(jī)理一般分為溫度型、快速溫度型和燃料型NOx.流化床燃燒溫度為850～1 050℃，這大大限制了溫度型NOx的生成量.煙氣中的NOx主要來自于燃料型和快速溫度型NOx，因此，循環(huán)流化床鍋爐的NOx排放量與鍋爐機(jī)組負(fù)荷、燃料特征、過量空氣系數(shù)及配風(fēng)方式有直接關(guān)系.

2.1 NOx和機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系

圖1分別為國華A電廠3號鍋爐，B電廠3號、6號鍋爐NOx排放量和機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系.由圖1可知，低負(fù)荷時鍋爐燃燒強(qiáng)度較弱，床溫和爐膛溫度水平較低，能夠較好地抑制NOx的生成.

2.2 氧量對NOx的影響

研究[2]表明，循環(huán)流化床燃燒方式下，過量空氣對NOx的生成有直接影響.圖2給出了寶麗華、準(zhǔn)能、龍巖、顧橋等電廠鍋爐空預(yù)器入口氧量和NOx排放量的關(guān)系.燃用同一種燃料時，NOx排放量一般隨氧量增加而增加.在灰渣含碳量沒有明顯變化的前提下，將氧量總體維持在較低的水平有利于控制NOx的排放.

2.3 上、下二次風(fēng)分配對NOx的影響

基于分級燃燒理論，分級布置的二次風(fēng)在爐內(nèi)能夠營造出局部的還原性氣氛，從而抑制燃料中的氮氧化，降低NOx的生成.國內(nèi)某300 MW鍋爐一般設(shè)置兩層二次風(fēng)噴口，下層二次風(fēng)距離布風(fēng)板高度為1 000 mm左右，與給煤口高度相同，且前墻下層二次風(fēng)噴口與給煤口交叉間隔布置；上層二次風(fēng)距離布風(fēng)板高度約為4 950 mm.

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，二次風(fēng)的布置對控制NOx排放量有較大影響，尤其是燃用揮發(fā)分較高的燃料時，降低下層二次風(fēng)的開度有利于降低NOx的生成.圖3給出了上、下二次風(fēng)開度和NOx排放量的關(guān)系.

2.4 一、二次風(fēng)比對NOx的影響

增加一次風(fēng)量有利于合理控制爐膛溫度，合理的二次風(fēng)量有利于爐內(nèi)的分級燃燒，促進(jìn)爐內(nèi)燃燒和控制NOx排放量，因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)合理分配一、二次風(fēng)比，針對不同的燃料進(jìn)行優(yōu)化配置.圖4為寶麗華三期6號鍋爐一次風(fēng)率和NOx排放量的關(guān)系，由圖可知，300 MW負(fù)荷下一次風(fēng)率增加有利于控制床溫，提高密相區(qū)物料燃燼率，降低NOx的排放.

2.5 燃料特性對NOx的影響

由于NOx主要來自于燃料中的氮，因此，從總體上看，燃料氮含量越高，NOx的排放量越高；同時，燃料中氮的存在形態(tài)不同，NOx的排放量也不一樣.一般來說，褐煤、頁巖等燃料中的氮主要存在形態(tài)是胺，NOx的排放量較多；煙煤、無煙煤等燃料中的氮主要存在形態(tài)是芳香環(huán)，NOx的排放量較少.

工程研究[3]表明，煤種特性如燃料折算氮含量、揮發(fā)分、水分、熱值、灰分等都是影響NOx排放量的關(guān)鍵因素.總體來說，折算氮含量較高的燃料，或揮發(fā)分、熱值較高的煙煤和褐煤的NOx排放量總體高于無煙煤、矸石、中煤等的NOx排放量.

2.6 脫硫劑對NOx的影響

循環(huán)流化床中加入的脫硫劑為石灰石，主要目的是降低SO2的排放量，同時，對NOx的排放量也會產(chǎn)生明顯的抑制作用，使NO上升.脫硫劑的作用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是富余的CaO作為強(qiáng)催化劑會加快燃料氮的氧化速度，使NO的生成率提高；另外富余的CaO和CaS作為催化劑會強(qiáng)化CO還原NO的反應(yīng)過程.一般來說，前者要大于后者的貢獻(xiàn)，從而使NOx排放量增加.工程應(yīng)用中，當(dāng)SO2排放量降低時，NOx排放量會升高，石灰石給入量一般根據(jù)SO2排放量進(jìn)行適時調(diào)節(jié)，因此，工程上應(yīng)綜合考慮SO2和NOx的排放情況調(diào)整石灰石的給入量.

3 CFB鍋爐脫硝技術(shù)

隨著環(huán)保要求的不斷提高，2014年我國將執(zhí)行新的污染物排放指標(biāo)，部分地區(qū)將嚴(yán)格執(zhí)行NOx排放值低于200 mg·Nm-3，甚至低于100 mg·Nm-3的排放標(biāo)準(zhǔn).因此循環(huán)流化床燃燒方式有可能無法滿足當(dāng)?shù)嘏欧乓?

選擇性非催化還原脫硝裝置（SNCR）是利用氨或尿素作為還原劑，在不需要添加催化劑的條件下將NOx還原為N2的脫硝技術(shù).SNCR系統(tǒng)簡單，建設(shè)周期短，初期投資成本低，占地少，且無需新增反應(yīng)器，系統(tǒng)阻力小，無SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的問題.SNCR工藝的溫度控制至關(guān)重要，若溫度過低，NH3反應(yīng)不完全，容易引起NH3逃逸；溫度過高，NH3則容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫硝效果.此外，脫硝反應(yīng)要求有一定的反應(yīng)時間，最佳時間不低于0.5 s.因此，NOx排放量較高的鍋爐采用CFB+SNCR脫硝方案控制NOx排放量，可滿足環(huán)保要求，是一種較好的選擇.

4 結(jié) 論

循環(huán)流化床鍋爐NOx排放量和燃料特性、一二次風(fēng)配比、二次風(fēng)配比、燃燒過量空氣系數(shù)、爐內(nèi)溫度、脫硫劑等因素有關(guān).在鍋爐運行過程中，應(yīng)合理調(diào)整燃燒工況，調(diào)整各區(qū)域的風(fēng)量配比，以達(dá)到優(yōu)化運行、減少污染物排放的效果.

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐旭常，周力行.燃燒技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 高繼錄，張勇，蔣翀.600 MW超臨界鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗研究[J].東北電力技術(shù)，2011（12）：7-10.

[3] 岑可法.鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1987.