超臨界CFB鍋爐NOX排放分析及優化

汪瑞平

(陜西能源麟北發電有限公司 陜西 寶雞 722300)

一、前言

NOX是煤炭燃燒產生的主要大氣污染物之一,其對人體、動植物有損害作用,是形成酸雨、酸霧的主要原因之一[1]。2014年發改能源[2014]2039號文對火電機組的節能減排提出了嚴格的要求，要求新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3[2]。2015年環發[2015]164號《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》要求到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現超低排放，這一系列的環保文件的頒布表明了，火力發電廠污染物排放減排工作迫在眉睫，同時各燃煤電廠在大氣污染防治方面也面臨著嚴峻考驗。

二、CFB鍋爐SNCR脫硝原理

CFB鍋爐一直以燃燒低熱值煤和低的NOX排放而著稱，CFB鍋爐脫硝基本采用SNCR脫硝技術，具有投資少、改造工程量小、運行維護成本低、容易聯合其他脫硝技術同時使用等特點。

SNCR(選擇性非催化還原)，其基本原理是在沒有催化劑的情況下，向850℃～1100℃爐膛中噴入還原劑氨或尿素，還原劑“有選擇性”地與煙氣中的NOX反應并生成無毒、無污染的N2和H2O。

用尿素作還原劑時其反應可表示為:

H2NCONH2→NH3+CONH

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

2NO+2CONH+1/2O2→2N2+2CO2+H2O

350MW超臨界CFB鍋爐已投入運行四十余臺，脫硝系統布置采用SNCR+SCR(預留)的方式，一方面是通過設計優化進一步挖掘CFB鍋爐的低NOX排放的潛能，另一方面SCR(預留)為了能滿足日益嚴峻的環保排放要求[3]。

三、CFB鍋爐NOX生成機理

煤燃燒過程中產生的NOX主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，這兩者統稱為NOX，此外還有少量的一氧化二氮(N2O)產生。煤燃燒過程中，生成的NOX途徑有：

1.熱力型NOX：空氣中氮氣在高溫下氧化而生成的NOX，熱力型NOX的生成僅在溫度高于1500℃時才變得顯著[1]。CFB鍋爐運行溫度范圍(850～950℃),因此生成的熱力型NOX<10%，故一般不予考慮。

2.燃料型NOX：它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而成的NOX，約占60%-80%以上[1]。

3.快速型NOX：主要是指燃料中碳氫化合物在燃料濃度較高的區域燃燒時所產生的烴,與燃燒空氣中的N2發生反應，形成的CN和HCN繼續氧化而生成的NOx。快速型NOX所占比例不到5%。

CFB鍋爐床溫一般都控制在850～950℃左右，熱力型NOX和快速型NOX的產生量基本可以忽略不計，主要是燃料型NOX，根據煤種的不同，燃料型NOX產生量在50至500mg/Nm3之間。

四、超臨界CFB鍋爐NOX排放影響因素

煤燃燒過程中NOX的生成量和排放量與煤燃燒方式、特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件關系密切。

1.燃料特性。煤種不同，煤中揮發分、氮含量、水分以及灰分均有不同程度的差異，這些差異很大程度上導致了NOX生成量的不同，其中揮發分和含氮量對NOX生成影響最為顯著。研究表明[4]，煤粉在燃燒過程中生成的NOX以燃料型NOX為主，而在燃料型NOX中，揮發分氮生成的NOX占60%-80%，所以揮發分的含量是影響NOX生成的一個重要因素，揮發分含量高，氮的釋放量就大，產生的NOX體積分數就高。

2.過量空氣系數。隨著過量空氣系數α的增加，著火區中氧濃度增加氧化氣氛增強，加速了揮發分HCN、NHi與自由基O、OH、O2等的氧化反應利于揮發分NOX的生成；反之，當過量空氣系數α減小時氧濃度減小，氧化氣氛較弱揮發分N不易轉化為NOX從而使NOX生成量降低。研究表明，當過量空氣系數α>1的條件下燃料揮發分越高則NOX的生成量越多，當過量空氣系數α<1時，揮發分雖高NOX生成的量并不多，主要原因是揮發分迅速燃燒，使局部氧量減少，轉化率會急劇下降，不利于NOX的生成[5]。通過減小過量空氣系數α，就可以減小NOX的轉化率降低NOX生成量，但是爐內氧濃度過低會造成CO濃度和飛灰含碳量急劇增加，從而大大增加化學和機械未完全燃燒熱損失。所以必須兼顧燃燒效率和NOX排放最少的要求下尋求一個最佳的過量空氣系數α。[5]

3.燃燒溫度的影響。SNCR工藝的溫度控制至關重要，若溫度過低，NH3的反應不完全，容易造成NH3逃逸量增加，運行數據表明循環流化床鍋爐旋風分離器入口溫度降至800℃左右，氨逃逸可達到5ppm，溫度降至780℃，氨逃逸可達到8ppm；而溫度過高，NH3則容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫硝效果，所以溫度過高或過低都會導致還原劑損失和NOX脫除率下降。

五、350MW超臨界CFB鍋爐SNCR設計上的優化

1.350MW超臨界CFB鍋爐對床溫的設計優化。

(1)增加水冷壁受熱面，在爐膛內前后墻增加水冷蒸發屏，鍋爐滿負荷床溫平均值可以控制在880℃～920℃。(2)減小旋風分離器入口截面積，增加分離器入口煙氣流速，提高分離器效率，增加鍋爐的循環倍率。(3)采用分區布風技術，使得布風更加均勻。(4)采用導熱系數更高的耐火材料。

2.采用高效二次風技術，提高分級燃燒效率。

350MW超臨界鍋爐采用高效二次風，下二次風距布風板2.5m，上下二次風之間間距7.5m，增大了爐膛下部還原性氣氛的空間，同時上二次高度的提高，二次風穿透能力相對增強，可以進一步降低過量空氣系數，實現低氧量運行。

3.提高石灰石的利用率，減小石灰石用量。

(1)選擇合理的石灰石粒徑。(2)選擇合理的石灰石送入位置，超臨界流化床鍋爐石灰石噴口設計在返料腿，脫硫效率大大提高。(3)提高旋風分離器分離效率，使SNCR的流場、濃度場更加均勻，同時石灰石用量大幅降低。(4)提高爐內脫硫設備的可靠性和自動化程度。

4.脫硫、脫硝、除塵一體化，協同控制。超臨界CFB鍋爐一般采用爐內+爐外半干法脫硫，脫硝采用SNCR，除塵采用電袋除塵器，脫硫、脫硝、除塵三個系統相互影響、相互制約，必須采用三者一體化，協同控制，達到最優控制。

六、結論

根據300MW亞臨界CFB鍋爐的運行及超低排放中存在的問題，對350MW超臨界CFB鍋爐在設計上進行大幅度的優化，350MW超臨界循環流化床鍋爐通過分級燃燒優化技術,控制燃燒溫度,調整配風方式,優化燃燒過程,采用脫硫、脫硝、除塵一體化控制，有效降低了NOX的排放濃度,實現NOX的寬負荷超低排放。