關于中溫分離循環流化床鍋爐低氮燃燒技術的探討

【摘 要】中溫分離循環流化床鍋爐由于旋風分離器布置在過熱器以后，其適合脫銷的溫度范圍在分離器前不能滿足，只能設置在爐膛出口甚至在爐膛上部，單純通過SNCR技術進行脫銷改造，脫銷效率很難滿足NOx排放在100 mg/Nm3以下。本文所提出的高效低氮燃燒技術結合SNCR，有效地解決了這一問題的核心內容。

【關鍵詞】CFB；低氮；高效燃燒；二次風；煙氣再循環 一次風率；循環返料系統

我廠規模為3爐3機，裝機容量為1×12MW+2×15MW，3臺蒸發量為75t/h的煤泥循環流化床鍋爐，3臺抽汽式汽輪發電機組。電廠目前氮氧化物排放濃度在200-420mg/m3左右，并隨著鍋爐燃燒負荷的變化有所波動，最高可達540mg/m3。由于我廠鍋爐是中溫分離循環流化床鍋爐，旋風分離器布置在過熱器以后，其適合脫銷的溫度范圍在分離器前不能滿足，只能設置在爐膛出口甚至在爐膛上部，單純通過SNCR技術進行脫銷改造，脫銷效率很難滿足NOx排放在100mg/Nm3以下。為達到Nox 低于100mg/Nm3的標準要求，計劃采用低氮燃燒+SNCR脫硝工藝，實現煙氣達標排放。

1.CFB鍋爐NOx生成機理

自20世紀80年代以來，針對CFB鍋爐內NOx的生成機理，許多學者進行了大量的研究并取得了不少有益的結論。在燃煤鍋爐產生的NOx中，NO具有更高的熱力學穩定性，占整個NOx生成量的比例超過90 %。宏觀而言，燃煤過程中NOx的生成途徑主要有熱力型、燃料型和快速型3種.由于CFB鍋爐燃燒溫度較低（通常小于1000℃） ，不具備熱力型NOx生成的高溫條件（約1300℃） ，因此幾乎沒有熱力型NOx生成，這也是CFB鍋爐原始NOx排放水平偏低的主要原因。而快速型NOx一般只在CHi基團濃度較高且較為貧氧的環境中生成。因此， CFB鍋爐中生成的NOx主要為煤中所含氮元素經復雜的化學過程轉化而來的燃料型NOx。

煤中氮含量一般在0.5%～3%，主要以芳香型的吡咯、吡啶和季氮等形式存 在。煤顆粒在被投入爐膛后，隨即在高溫下發生脫揮發分過程，60%～80%的含氮化合物隨揮發分析出，稱之為揮發分氮，而存留在焦炭中的部分稱為焦炭氮。揮發分氮在高溫環境中的化學活性很高，迅速分解為NH3、HCN等小分子化合物，并在O2存在條件下，經NH2、NH、NCO等基團被氧化為N2、NO、N2O等。同時，生成的NO也會被NH3等中間產物、半焦等重新還原為N2，因此最終的NO生成量取決于正逆反應相減后的凈生成量。焦炭氮也會被氧化生成NO，但焦炭 由于自身還原性而產生的抑制作用也不容忽視。

NOx生成過程主要集中在CFB鍋爐密相區，尤其是在給煤口附近。 NOx隨煙氣沿CFB爐膛高度方向向上流動，直至爐膛出口，質量濃度沿高度呈下降趨 勢。 一方面，二次風的加入稀釋了NOx質量濃度；同時，爐內高體積分數的CO和未燃盡焦炭都對NOx起到顯著的還原作用。國內CFB鍋爐多燃用無煙煤、 石油焦、貧煤等低反應活性燃料，單位時間燃燒速率低，因此需要更多的反應表面， 造成物料中碳存量較高，所以爐膛內還原性較強，爐膛出口CO體積分數可達10 000。已有研究表明，CO和 NOx在焦炭表面發生的氣固異相反應是NOx還原的最重要反應，該結論已在小型熱態CFB試驗臺上得以驗證 。

綜上所述，溫度和氧化還原氣氛是影響CFB鍋爐中NOx生成及還原的最主要因素。通過調整CFB鍋爐的運行狀態，改變以上各因素，就可以實現對鍋爐 NOx排放的控制。當CFB鍋爐溫度控制在900℃，且當煤種含氮量不高時（如低于0.7%），可自然實現達標排放。

2.我廠三臺鍋爐目前存在的問題

2.1一次風風率過高

循環流化床鍋爐的一般特征是一、二次風的配比因不同形式的CFB鍋爐的設計工況不同，一般一次風率為50-60%之間，一次風經空預器預熱后進入風室，經布風板、風帽進入爐密相區，保證燃燒需要，為減少NOx生成，密相區的實際過量空氣系數為1%左右，在運行中，使密相區主要出于還原性氣氛。二次風的作用是調節床壓，保證燃燒完全提供氧氣。三臺鍋爐中，負荷在54%-60%之間時，一次風風率高達80-90%之間。一次風率較高，使密相區的過量空氣系數過高，床溫偏高，從而使NOx大量生成。

2.2分離器分離效率較低

從前期與電廠人員的交流中得到CFB鍋爐旋風分離器的分離效率低下，返料量下降，返料對于床料的冷卻能力降低，從而導致原有的熱平衡打破，造成流化床的床溫較高，為降低床溫，需要加大風量，從而進一步導致過量空氣系數增大，能耗上升。

2.3爐膛中心區缺氧

三臺CFB鍋爐存在著爐膛中心區缺氧的問題，究其原因除了高密度物料顆粒群對二次風射流的阻擋作用外，也存在貼壁流垂直下瀉覆蓋水冷壁、每個層面顆粒水平移動不夠均勻、各轉彎變化區域渦流干擾和垂直上移速度的不均勻影響。這種中心區缺氧會降低燃料燃盡效果和脫硫劑化學反應的效率，直接導致De-NOx爐內過程的優化受到限制，不能有效實現低溫燃燒時的高效低氮。

2.4床溫不均勻性

由于三臺鍋爐的燃料為煤泥，煤泥的加入點集中在鍋爐上部，造成新鮮燃料和分布相對集中、從而會導致床溫偏差偏差較大。事實上，整個床面上各個床溫測點偏差較大是普遍存在的一個CFB鍋爐共有問題，一般的CFB爐子床溫偏差都在70℃以上，最大的可以達到150℃以上，這也造成了物料燃盡和石灰石脫硫，以及低氮燃燒的困難。

床溫的不均勻性，肯定會造成局部溫度峰值。局部超高床溫是產生NOx急劇增加的元兇，其生成能力是合理床溫下的數倍甚至數量級增加。

3.針對以上的具體分析，我廠制定如下低氮燃燒技改措施

3.1二次風的合理分級

原鍋爐無二次風機，不能滿足低氮燃燒對二次風量的要求。二次風直接從一次風管路接出來后通到二次風噴嘴。二次風管徑也偏小，需更換。為便于控制，在每個二次風管道上設置手動調節門，根據鍋爐燃燒情況，調整調節門開度，達到二次風的最佳合理分配。上層二次風管高度不變，但進風方式及管徑需調整，以便在鍋爐密相區形成一個還原性的區域，減少NOx的生成。

3.2二次風入口端直管段的確定

為了形成良好的二次風進入爐內的射流噴射效果，保持基本射程而不被擴散，要求二次風入口端的直管段至少為二次風管內徑的6～8倍以上，原來不足的要設法予以延長，可以在直管段前設置大彎曲半徑的彎管，達到基本直管段要求。因此，本次改造一方面將二次風主管道向鍋爐前、后方向稍加挪移，同時采用同徑彎管的方式，以達到二次風對爐膛內煙氣的良好撓動。

3.3 二次風噴口、射流水平角度和調節閥門的選擇

為了不妨礙二次風形成直線型非擴散射流，采用直管段直接插入爐墻上的二次風噴口中。在選材時，與高溫物料接觸的這一小段金屬管件，必須選用耐磨抗高溫金屬材質。每個二次風分風道，選用手動調節風門。為進一步增加二次風在爐膛內的穿透性，提高燃燒效率，適當減少二次風入爐射流的水平夾角。

3.4 尾氣再循環

在控制燃煤顆粒度的條件下，降低鍋爐一次風的風量。同時為了有效減小鍋爐一次風含氧量，又滿足鍋爐一次風流化風量需求，將引風機出口凈煙氣送入鍋爐一次風機入口，充當鍋爐一次風。以有效降低一次風含氧量，增加風量分配調節裕度。更好抑制氮氧化物的生成。

通過對鍋爐低氮燃燒改造，經過不斷摸索，調整回燃風及二次風的投入量在合適范圍，1#、2#爐未進行改造，通過濟寧市在線監測數據表明，三臺鍋爐NOX濃度綜合排放濃度在200mg/Nm3左右，多數時段實現低于200mg/Nm3.低于未改造前200-420mg/Nm3左右，從而表明3#爐低氮燃燒改造效果明顯，再進一步通過SNCR技術進行脫銷改造，實現NOX濃度排放在100mg/Nm3以下，完全可以實現。