節能型CFB鍋爐低NOx排放研究

田 雨

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

氮氧化物(NOx)是造成霧霾天氣的主要原因之一，其具有不同程度的毒性，可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病。近年來，我國NOx排放總量不斷上升，并有不斷加重的趨勢[1]。一直以來，火電經濟性優勢明顯，是我國主力電源，但是電站鍋爐作為火力電站的三大主機設備之一，其NOx排放量較大，是NOx的主要排放源。為了降低NOx排放，循環流化床(CFB)鍋爐作為商業應用最成功的清潔鍋爐之一，在我國劣質煤利用領域大規模推廣。然而，目前隨著我國節能減排工作的日益深入，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)對CFB鍋爐有了更嚴格的標準。因此，研究如何控制CFB鍋爐NOx的排放，具有迫切的現實意義。

本文通過對NOx生成與還原機理的闡釋，探討了節能型CFB鍋爐技術對NOx排放的影響。

1 CFB鍋爐NOx生成與控制機理

1.1 NOx生成機理及主要類型

燃煤鍋爐生成的NOx主要由NO、NO2、N2O等組成。電廠燃煤生成NOx主要包括熱力型、燃料型和快速型3種途徑。其中，快速型NOx一般只在CH1基團濃度較高且較為貧氧的環境中生成，由于循環流化床鍋爐的燃燒情況達不到快速型NOx的生成條件，故在以燃料煤燃燒設備中，生成的NOx主要有熱力型、燃料型。具體而言，當1 500 K

圖1 鍋爐爐內NOx的生成量與溫度關系

由圖1可知，當最高溫度Tmax<1 500 K時，以燃料NOx為主。作為一種高效低污染的潔凈煤燃燒技術，由于CFB鍋爐爐膛溫度在850 ℃～900 ℃(Tmax<1 500 K)，溫度較低，故也幾乎沒有熱力型NOx生成。因此，CFB鍋爐中生成的NOx主要為燃料型NOx。

1.2 影響NOx生成及還原的主要因素

燃料型NOx的生成機理非常復雜，與煤種特性、煤的結構、燃料中的氮、燃燒條件等因素有關。NOx生成過程主要集中在CFB鍋爐密相區，隨煙氣沿CFB爐膛高度方向向上流動，質量濃度呈下降趨勢。CFB鍋爐中燃料型NOx生成路徑示意圖如第190頁圖2所示。

對于CFB鍋爐生產的NOx而言，已有研究表明，爐內高體積分數的CO和未燃盡焦炭都對其有顯著的還原作用。同時，CO和NOx在焦炭表面的氣固異相反應是NOx還原的最重要反應。由以上分析可知，溫度和氧化還原氣氛是影響CFB鍋爐中NOx控制的最主要因素。如，當鍋爐溫度控制在900 ℃，且煤種含氮量低時，NOx可達標排放。

圖2 CFB鍋爐中燃料型NOx生成路徑示意圖

2 節能型CFB鍋爐技術

CFB鍋爐具有煤種適應性好、負荷調節性能優良、NOx排放低等優勢。然而，隨著我國節能減排理念的進一步深入，面對新的NOx國家排放標準，CFB鍋爐機組既面臨著超低排放，且要兼顧超低能耗。現主要以低床壓降節能型CFB鍋爐技術為例，分析節能型CFB鍋爐技術對NOx排放的影響。

根據流態化理論，爐膛內流態可視為不同粒徑顆粒流態的疊加，由細顆粒和粗大顆粒流動構成。其中，由參與外循環的細顆粒構成的快速床為有效床料，其是CFB鍋爐滿負荷運行的必要條件。由無法參與循環的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床為無效床料，其對傳熱貢獻很小，且增大了底部受熱面的磨損和風機功耗；同時，二次風的穿透效果也受到底部粗顆粒的制約。綜上所述，雖然CFB鍋爐具有寬篩分的給煤粒徑，床料粒徑分布也較寬，但適當減少粗顆粒所占份額，有利于提高燃燒效率。

節能型低床壓降CFB鍋爐技術通過優化給煤粒徑，盡量壓縮無效床料比例，而盡可能增加形成快速床流動的有效床料比例，使得爐膛內燃燒熱量的分配更趨合理[2]。同時，通過優化給煤口布置，增加二次風擾動效果，改進爐膛上部氣固混合，進而提高鍋爐燃燒效率。也就是說，節能型CFB鍋爐技術核心是提高有效床料份額來實現流態重構，以避免多余存料量引起的不必要的風機能耗和受熱面磨損；其具體表現為降低床存量和改變配風比例，以有效解決原有CFB鍋爐用電率偏高和燃燒效率不足的問題[3]。

3 節能型CFB鍋爐技術對NOx生成的影響

節能型低床壓降CFB鍋爐技術在保證大顆粒燃盡的前提下，降低底部密相區的懸浮質量濃度，滿足爐膛上部傳熱性能要求，避免底部出現超溫。同時，二次風口處物料質量濃度降低，提高二次風比例及穿透能力，減少貧氧區的范圍，提高鍋爐燃燒效率。其中，爐膛溫度是NOx生成的最重要因素之一，氧化還原氣氛對NOx的生成起到抑制作用，因此，以下從這兩個方面探討節能型CFB鍋爐技術NOx生成與控制。

3.1 節能型CFB鍋爐技術對床溫的影響

相關研究顯示，爐膛溫度越高NOx排放越高。然而，CFB鍋爐具有一定的反應條件，故也不能為了降低NOx的排放而一味地低爐膛溫度，爐膛設計溫度需要綜合考慮傳熱和燃燒效率的要求。

總體而言，為滿足滿負荷的傳熱要求，同時盡量降低飛灰和底渣含碳量，需根據鍋爐物料平衡所能達到的傳熱系數，滿足飛灰燃盡需要的溫度，來設計受熱面的布置。具體的，采用流態重構技術合理優化床料質量，使得盡管爐內床料總存量降低，但上部懸浮物料質量濃度卻得以提高，從而在較低溫度下依然滿足滿負荷的熱量傳遞；通過優化二次風的穿透深度和擴散能力，使其具備在較低溫度下依然維持較高燃燒效率的條件。同時，上部懸浮質量濃度增加，促進了顆粒團的生成，而顆粒團由于其具有相對較大的直徑及質量，其宏觀運行可以強化上下顆粒返混，有效避免底部超溫。

為了探討節能型CFB鍋爐技術對床溫的影響，某電廠分別采用原有技術和節能型CFB鍋爐機組在滿負荷工況下運行，兩種技術在不同爐膛高度下爐膛溫度與爐膛壓力值如圖3所示。

圖3 原有技術及節能技術鍋爐床層溫度與床層壓力關系

由圖3可知，對于爐膛溫度而言，原有技術爐膛溫度曲線具有較大的波動，具體表現為在爐膛高度為0 m～5 m時，隨著爐膛高度的不斷增高，爐膛溫度不斷上升；在5 m～25 m時，隨著爐膛高度的不斷增高，又逐漸下降。而相對而言，節能型CFB鍋爐技術的爐膛溫度曲線更為平緩，原因可能是，節能型鍋爐機組爐膛內上部懸浮質量濃度明顯較高，爐膛上部傳熱系數增加，加之顆粒團的形成強化了顆粒內部混合，從而使底部溫度顯著下降，爐膛上下溫度更加均勻。對于爐膛壓力而言，也是節能型CFB鍋爐技術的爐膛壓力曲線相對更為平緩。同時，據統計，該廠節能型CFB鍋爐技術改善了氣體在爐膛內的擴散和混合，進而強化燃燒，使得CFB鍋爐能在較低床溫下高效、穩定運行，進而使得NOx平均排放質量濃度更低。

3.2 節能型CFB鍋爐技術對氧化還原氣氛的影響

國內外大多數學者的研究表明，在相同CFB實驗臺中，細顆粒煤燃燒的NOx生成量要低于粗顆粒煤。原因可能是，通過優化給煤粒徑，細顆粒的增加將導致上部燃燒份額增多，而上部焦炭顆粒對NOx具有還原作用。英國Leeds大學Gibbs教授的研究顯示，提高二次風比例后，爐膛出口NOx排放水平下降。原因可能是，一次風比例降低，原有密相區還原性氣氛可保持；同時，二次風口位置提高或只全開上二次風口，可改善爐膛內氧氣分布的均勻性，同時，二次風口的上移致使下部還原氣氛的空間增大；而且，密相區流化風速減小，延長了揮發分析出后在還原性氣氛下的停留時間，而這些均對NOx的生成起到抑制作用。二次風份額對NOx排放的影響如圖4所示。

由圖4a)可知，隨著二次風比例的逐漸增大，鍋爐出口NOx的排放量影響逐漸降低；由圖4b)可知，相同爐膛高度下，高二次風份額NOx的排放量更低。同時，此電廠經節能改造后的5#爐，與原來相比，具有更低的NOx排放量。

4 結論

通過以上探討可得如下結論：1) CFB鍋爐中生成的NOx主要為燃料型NOx；2) 溫度和氧化還原氣氛是影響CFB鍋爐中NOx控制的最主要因素，且低溫和還原性氣氛更有利于NOx的控制；3) 節能型CFB鍋爐技術可實現相對較低和較均勻的爐膛溫度，進而使得NOx平均排放質量濃度更低；4) 節能型CFB鍋爐技術可保持更久及更大范圍的還原性氣氛，具有更低的NOx排放量。

圖4 二次風份額對NOx排放的影響