淺談循環(huán)流化床鍋爐如何降低氮氧化物排放

楊永恒

（山西西山熱電有限責(zé)任公司，山西太原 030022）

0 引言

火力發(fā)電是我國(guó)目前主要的發(fā)電方式，煤的燃燒會(huì)直接造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。在我國(guó)環(huán)保要求日益嚴(yán)格下，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，可知山西省單機(jī)30萬(wàn)kW及以上燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣超低排放分別執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ、Ⅱ。超低排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ：常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組達(dá)到天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物50 mg/Nm3、二氧化硫35 mg/Nm3、煙塵5 mg/Nm3。超低排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ：低熱值煤發(fā)電機(jī)組基本達(dá)到天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物50 mg/Nm3、二氧化硫35 mg/Nm3、煙塵10 mg/Nm3。氮氧化物主要來(lái)自燃料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。氮氧化物排放到大氣中的含量和存在的時(shí)間達(dá)到一定程度后對(duì)環(huán)境生態(tài)平衡產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，氮氧化物與空氣中的水結(jié)合以后會(huì)轉(zhuǎn)化成硝酸和硝酸鹽。遇到降雨就會(huì)形成酸雨；它與其它污染物在一定條件下能產(chǎn)生光化學(xué)煙霧污染[2]。循環(huán)流化床鍋爐就是應(yīng)這種需求發(fā)展起來(lái)燃燒效率高污染排放物少的新型燃燒設(shè)備[3]。循環(huán)流化床鍋爐中氮氧化物的生成量與爐膛的溫度、燃燒區(qū)域氧氣的含量和燃料在燃燒區(qū)域停留時(shí)間有直接的關(guān)系。燃燒溫度越高，密相區(qū)氧氣含量越高，燃燒停留時(shí)間越長(zhǎng)，燃燒所生成的氮氧化物量就越多。對(duì)于從燃料入手來(lái)降低氮氧化物，還沒(méi)有找到有效的控制方法。因此，要控制或降低氮氧化物的產(chǎn)生，必須先從改善燃燒方法和改進(jìn)燃燒設(shè)備開(kāi)始。

1 循環(huán)流化床鍋爐存在的問(wèn)題及原因分析

1.1 床溫高的問(wèn)題

床溫是指循環(huán)流化床鍋爐密相區(qū)燃料燃燒溫度。床溫是直接反映爐內(nèi)燃燒狀況的重要參數(shù)之一，床溫的控制直接影響鍋爐的燃燒效率和燃燒工況。

循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)床溫應(yīng)控制在850～950℃之間。但在實(shí)際運(yùn)行中床溫普遍高于930℃。從鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)角度考慮，床溫高燃料入爐著火快，爐渣、飛灰含碳量低；但從環(huán)保角度考慮，高溫燃燒會(huì)生成更多的氮氧化物。

1.2 鍋爐爐內(nèi)溫度偏差大

（1）分離器效率偏低，造成鍋爐新加燃料燃燒在密相區(qū)燃燒釋放的熱量無(wú)足夠的返料灰來(lái)充分冷卻，引起鍋爐的床溫偏高而不能繼續(xù)增加負(fù)荷；

（2）爐膛布風(fēng)流化裝置采用單一類(lèi)型風(fēng)帽，未充分考慮到布風(fēng)板上部物料阻力不均的實(shí)際情況，一次流化風(fēng)的布風(fēng)均勻性和流化質(zhì)量欠佳，密相區(qū)燃燒份額偏大而引起床溫偏高而不能繼續(xù)增加負(fù)荷；

（3）燃煤顆粒度控制不好，大顆粒偏多，會(huì)導(dǎo)致渣多灰少，造成鍋爐新加燃料燃燒在密相區(qū)燃燒釋放的熱量無(wú)足夠的返料灰來(lái)充分冷卻，引起鍋爐的床溫偏高而不能繼續(xù)增加負(fù)荷，同時(shí)爐膛上部溫度偏低[4]。

前后墻二次風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，缺少對(duì)床料的擾動(dòng)，導(dǎo)致較細(xì)的床料不能順利上升，降低了爐內(nèi)物料的傳熱傳質(zhì)能力，而不能繼續(xù)增加負(fù)荷。

2 床溫過(guò)高的控制措施

通過(guò)分析，針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行床溫過(guò)高的情況制定控制措施：

（1）科學(xué)合理的受熱面設(shè)計(jì)，爐內(nèi)燃燒溫度控制在850～920℃之間；

（2）計(jì)算精準(zhǔn)的空氣分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)，創(chuàng)造最合理的爐內(nèi)氧氣濃度分布；

（3）性能優(yōu)良的布風(fēng)裝置，以利于床層溫度均勻；

（4）性能優(yōu)良的分離和返料裝置，以利于爐內(nèi)各段溫度場(chǎng)均勻；

（5）合理的燃煤顆粒度寬篩分分布，把煤的顆粒度控制在0～8 mm范圍內(nèi)。

3 改進(jìn)措施和效果

通過(guò)技術(shù)論證采取下面4個(gè)改造措施，得到比較明顯效果。

3.1 布風(fēng)板阻力、風(fēng)帽、凸臺(tái)的選用

選取合適的布風(fēng)板阻力，選用高效低氮專(zhuān)用風(fēng)帽，設(shè)置低氮凸臺(tái)。現(xiàn)在的中小型循環(huán)流化床鍋爐的布風(fēng)板阻力選擇偏小，一般為1 200～1 800 Pa。另外，大多數(shù)的循環(huán)流化床鍋爐都采用單一的鐘罩式風(fēng)帽或蘑菇式風(fēng)帽，沒(méi)有考慮到布風(fēng)板上部的物料濃度有較大的差別。較小的布風(fēng)板阻力和單一的風(fēng)帽布置會(huì)造成床料局部流化不良，床溫和氧量分布不均，這也是造成NOX偏高的重要因素。根據(jù)核算，鍋爐的布風(fēng)板面積偏大，若把一次風(fēng)量降低到低氮燃燒所需的風(fēng)量，則會(huì)導(dǎo)致布風(fēng)板上部至落煤口這一段的煙速偏低。為解決這個(gè)問(wèn)題，需在爐膛前后墻靠近布風(fēng)板的一段區(qū)域設(shè)計(jì)砌筑低氮專(zhuān)用凸臺(tái)，來(lái)保證良好的物料流化和低氮性能。

3.2 設(shè)計(jì)二次風(fēng)系統(tǒng)

采用優(yōu)化的分級(jí)燃燒技術(shù)，重新設(shè)計(jì)二次風(fēng)系統(tǒng)。

（1）改變二次風(fēng)口高度，使密相區(qū)形成缺氧燃燒區(qū)域；有效抑制揮發(fā)分析出燃燒時(shí)生成的NOX，同時(shí)保證已生成的燃料型NOX在20～50 ms內(nèi)被固定C和CO充分還原成N2。

（2）重新調(diào)整二次風(fēng)噴嘴在橫向的分布，二次風(fēng)在前后墻爐膛高度方向分成一層，采用高動(dòng)能?chē)娮欤箛娍谒俣忍岣叩?0 m/s以上，增加二次風(fēng)的動(dòng)量，保證二次風(fēng)噴口以上區(qū)域的氧量均勻分布，避免出現(xiàn)局部富氧區(qū)而引起NOx的生成量增加，同時(shí)保證飛灰的燃盡度[5]。

（3）調(diào)整一二次比例50%∶50%。

3.3 旋風(fēng)分離器提效改造

提高分離器效率，達(dá)到平抑床溫、提高爐膛出口溫度、控制鍋爐效率：

（1）結(jié)合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)旋風(fēng)分離器中心筒進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并更換，采用偏心、縮徑設(shè)計(jì)，并縮短分離器的插入深度，增加分離器效率，增加循環(huán)灰量[6]。

（2）結(jié)合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并改變進(jìn)口位置(將爐膛中間進(jìn)風(fēng)改為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，并重新設(shè)計(jì)寬高比，進(jìn)口采用耐磨可塑料)，調(diào)高煙氣的貼壁率，增加分離器效率，增加循環(huán)灰量。

（3）結(jié)合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)，采用耐磨可塑料對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部形狀重新設(shè)計(jì)，四角由方形改為近似圓形，增加內(nèi)部氣流的旋轉(zhuǎn)行程，從而增加分離器效率，增加循環(huán)灰量[7]。

3.4 降低床溫

降低床溫保證汽溫實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放。為控制床溫實(shí)現(xiàn)低溫分級(jí)多層燃燒，爐內(nèi)增加受熱面起到滿足帶負(fù)荷能力，同時(shí)起到控制床溫減少氮氧化物產(chǎn)生的作用。

4 小結(jié)

對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)一步降低氮氧化物排放進(jìn)行分析和改造，并通過(guò)運(yùn)行證明改造后的鍋爐有效減少氮氧化物生成。