循環流化床氮氧化物排放預測模型及優化控制研究

高明明，于浩洋，呂俊復，于孝宏，李文瑞，李存懷，魏 光

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2.清華大學 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；3.中國華電集團有限公司 天津分公司，天津 300203；4.華電國際電力股份有限公司 天津開發區分公司，天津 300270)

0 引 言

近年來，循環流化床鍋爐因具有污染物排放低等優勢而得到迅速發展[1]。據統計，我國現有CFB鍋爐總容量超過1億kW，位居全世界第一，超過全世界其他國家總和[2]。流化床系統是蓄能量大的熱源，能夠為新加入的冷燃料提供足夠的熱量，使其迅速加熱到著火溫度，只要保證床層溫度穩定，即可實現穩定運行。該技術對煤炭質量的要求較低，可以燃燒劣質煤甚至部分垃圾。與此同時，還可保持較高的燃燒效率，且床溫較低，不易生成氮氧化物，具有低排放的優勢[3]。隨著我國對環保愈發重視，循環流化床電廠的污染物排放指標越發嚴格，環保部門要求新建燃煤電廠的NOx與SO2的排放水平，需要達到燃氣輪機組的排放限值，對循環流化床的污染物控制帶來挑戰。在此背景下，設計循環流化床機組低排放控制策略成為當務之急。氮氧化物在爐內反應過程相對于SO2更為復雜，建立循環流化床氮氧化物控制模型的難度上升。許多電廠在實際運行中，爐內燃燒生成過量氮氧化物，導致SCR或SNCR脫硝壓力過大，致使氮氧化物排放超標，因此，設計基于循環流化床控制模型的爐內外氮氧化物綜合控制策略尤為重要。高建強[4]對NO與CO生成機理進行研究，建立了NO與CO生成物理模型，但模型較為復雜，無法直接應用在實際控制中；廖子昱[5]主要針對N2O的生成與控制進行研究，分析了各工況下N2O生成規律，提出了降低N2O的控制手段，對于NOx總量研究較少；劉慧敏[6]研究了富氧增壓下NOx的生成規律，但常規條件下循環流化床NOx的生成規律并沒有進行過多介紹。還有許多學者對爐內燃燒生成氮氧化物的生成類型、生成因素、影響因素等問題進行研究[7-12]，但鮮見應用于控制的控制機理模型。為此，筆者對CFB鍋爐NOx的生成機理進行研究，結合即燃碳模型與CO濃度預測模型，建立NOx濃度的預測機理模型，并以此為基礎，設計CFB低污染物排放控制策略，以期為循環流化床NOx排放研究提供指導。

1 CFB鍋爐NOx生成機理及影響因素

1.1 CFB中NOx生成機理

火電廠中煤在燃燒過程中生成的NOx主要包括熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx[7-8]。熱力型 NOx由高溫下空氣中的N2與O2發生氧化反應生成，特別是在1 300 ℃下反應顯著；快速型NOx是燃燒過程中，火焰中的CHi自由基團與N2反應生成中間產物HCN后，與其他基團發生氧化反應生成NOx；燃料型NOx是煤在燃燒過程中，含氮化合物在一定條件下被氧化生成NOx。一般情況下，CFB生成的NOx主要來自于燃料中的N，即生成的NOx為燃料型NOx。煤中N在爐內的形成過程復雜，圖1為煤中N在循環流化床鍋爐燃燒中的反應過程[9]。

圖1 CFB燃料型NOx的生成與還原過程Fig.1 Fuel NOx generation and reduction process in CFB boiler

揮發分中的HCN、NH3等含氮小分子物質與O2發生氧化反應，由于高溫下NO的熱穩定性遠高于NO2，因此，生成的NOx以NO為主，在化學反應式中以NO代替NOx。一般認為，揮發分中的含氮化合物發生均相反應，其反應路徑為式(1)～(4)[10]。

(1)

(2)

(3)

(4)

首先揮發分中的含一氮化合物與一空氣中的O等自由基反應生成NCO，NCO繼續氧化生成NO。同時，NCO與NHi基團反應生成NO。但式(1)、(2)反應生成的氮氧化物，會發生還原反應生成穩定的N2，反應過程結束。NO也可與NHi反應生成N2(式(3))。焦炭與NO的還原反應過程復雜，其中包括若干物理與化學反應，整體還原反應主要是NO與CO或CO2進行反應生成氮氣的過程。

煅燒石灰石對NOx的異相生成和還原均具有催化作用，而對NOx異相生成影響更大(式(4))，即CFB鍋爐NOx排放隨鈣硫摩爾比的升高而增大[11]。

1.2 NOx生成影響因素

1)煤種。煤質是影響循環流化床燃燒過程中生成NOx量的關鍵因素。據統計，最終 NOx排放與煤中的揮發分呈正相關[12-14]。

2)床溫。隨爐內床溫升高，NOx的生成反應減弱，同時還原反應增強，導致NOx生成量減少[15]。

3)過量空氣系數。O2濃度的增加使揮發分和焦炭中N的氧化速度加快，但還原效應減弱，因此造成總體 NOx排放增加[12-13]。

4)分級送風。NOx排放濃度隨二次風比例的提高而降低。

2 爐膛出口NOx濃度預測模型建立

2.1 CO濃度預測模型

在循環流化床內部，CO濃度影響NOx在焦炭表面還原反應的劇烈程度，且與NOx濃度直接相關，因此，建立精準的CO濃度預測模型對于NOx濃度預測模型的建立具有重要作用。

循環流化床燃燒過程中，CO和CO2同時生成，2者的平衡關系為

(5)

其中，φ為化學反應的機械因子，主要與溫度和粒徑等有關。該模型己應用于多個試驗[16-17]。直徑為dc的焦炭顆?？刹捎梦墨I[16]的計算方法。

焦炭顆粒的燃燒速率可表示為

rc=12πdc2kcC(O2)

(6)

其中，C(O2)為O2濃度；kc為燃燒速率常數，與床溫T有關，可根據經驗公式[4]計算，即

kc=0.513Texp(-9 160/T)

(7)

O2濃度可近似取平均值，由入爐風量qv決定。

C(O2)=k(O2)qv

(8)

式中，k(O2)為氧量與總風量的相關系數。

設定蓄積的焦炭總量均為由平均粒徑dc的焦炭顆粒組成，焦炭顆粒為微觀概念，在焦炭總量計算過程中，可采用爐內的即燃碳量[19]計算。本文將儲存大量能量并于爐膛中燃燒的碳稱為即燃碳，則即燃碳的總燃燒反應速率WRC(kg/s)為

(9)

其中，B為爐內的即燃炭量，kg；ρc為焦炭顆粒密度。根據質量守恒定律，在CFB鍋爐燃燒過程中，送入爐膛的燃料(包括煤顆粒、煤泥等)一部分即刻燃燒并釋放出熱量，另一部分積蓄在鍋爐的床料中，其中沒有燃燒完全的，作為損失存在于飛灰和底渣中。對該部分建立模型，可得

(10)

式中，Wc為給煤量，kg/s；Xc為燃料量的收到基碳質量分數，%；Rc為CFB爐內碳的燃燒反應速率，kg/s；WPZ為排渣流率，kg/s；Xc,p為底渣含碳量，%；WFL為飛灰流率，kg/s；Xc,f為飛灰含碳量，%。

即燃碳燃燒生成CO的速率YCO可表示為

(11)

將式(8)、(9)代入式(11)得

(12)

其中，qV為總風量。對式(12)進行整理可得

YCO(t)=K(CO)B(t)qV

(13)

式中，K(CO)為即燃碳燃燒生成CO速率模型系數。

即燃碳燃燒產生的 CO繼續反應生成CO2，其純氣相下的反應速率r(CO)計算式[14]為

(14)

式中，Tb為床溫，K；R為氣體常數(8.319 kJ/(mol·K))；P為大氣壓強，Pa；Y(H2O)為水蒸氣濃度;Y(CO)為CO的體積分數，與摩爾濃度轉換的計算方法可見文獻[4]。

對式(14)進行改進后，提出適用于循環流化床燃燒條件的 CO 燃燒速率計算方法[18]，即

(15)

式中,rc(CO)、Kcd、ε為改進的 CO 燃燒速率(mol/(m3·s))、當量直徑比(Kcd=1.7)、空隙率。

體積為V(m3)的燃燒室中，CO的消耗量R(CO)(kg/s)為

R(CO)=28rc(CO)V

(16)

爐膛出口CO量為單位時間內爐膛內生成的CO總量與爐內CO繼續反應生成CO2量之差，即

(17)

(18)

2.2 爐膛出口NOx預測模型

模型假設循環流化床內NOx的主要成分為NO，且NO的生成反應全部發生在密相區。燃料N生成NO的轉化率與煤中揮發分有關，其經驗式[4,16]為

λ(NO)=-2.841 2×10-4X3+0.013 64X2-
0.306 3X+15.756
X=hn-30.637

(19)

其中，λ(NO)為NO轉化率，%；hn為揮發分，%。在煤質穩定狀況下，λ(NO)、煤中N含量可視為常數。

t時刻生成的氮氧化物濃度，爐膛內NO的生成總量為

YNO(t)=mNλ(NO)k(CaO)ζF(t-τ)=k1F(t-τ)

(20)

其中，F(t)為給煤量，kg/s；k(CaO)為脫硫劑催化影響系數；mN為煤中N含量，%；τ為煤中揮發分燃燒生成NO的時間，s；ζ為一、二次風配比對NO生成的影響系數；k1為NO生成系數。生成NO的同時，在焦炭表面會發生還原反應，其速率計算公式[4]為

(21)

其中，Tc為焦炭表面溫度，K；Y(NO)為爐膛內NO濃度;Y(CO)為焦炭表面CO濃度。則NO的還原反應消耗量為

(22)

式中，R(NO)為參與還原反應的NO總量，kg/s。

將式(21)代入式(22)并進行簡化得

R(NO)=k2BY(NO)Y0.3(CO)

(23)

式中，k2為NO還原量計算系數；Y(CO)可由式(14)得到。

因此，t時刻煙氣中排放NO含量為煤顆粒燃燒生成NO量與即燃碳顆粒表面還原NO量之差，即

(24)

(25)

2.3 爐膛出口NOx預測模型仿真

在290 MW穩定工況下，改變給煤量，計算爐膛出口NOx濃度，結果如圖2所示?？芍?，計算值與試驗值平均誤差為5.76%，說明計算值有一定預測效果，可提前3～5 min計算出爐膛出口NOx濃度。

圖2 爐膛出口NOx濃度計算值與試驗值對比Fig.2 Comparison of calculated value and experimental value of NOx concentration at furnace outlet

3 CFB氮氧化物爐內外綜合排放控制

隨著國家環保標準越發嚴格，通過爐內低氮燃燒與SCR、SNCR相互配合，降低污染物排放，達到環保要求成為循環流化床發展的重要方向。

CFB鍋爐內NOx生成量降低的方式主要有控制床溫、分級送風等。床溫升高，導致CO濃度降低，且焦炭表面的NO異相還原反應減少，使NOx濃度升高[21]；通過調整一、二次風量[5-6,22]提升二次風比率，可形成較強的還原性氣氛，抑制NO的生成。循環流化床鍋爐NOx生成濃度較低，一般選用SNCR作為爐外脫硝設備。SNCR脫硝過程中，以氨為還原劑[23]，發生的還原反應有

(26)

(27)

SNCR脫硫效率在30%～50%，電廠實際操作中，脫硝過程中的噴氨量并未得到有效控制，造成氨逃逸或脫硝效果不佳。因此，在NOx預測模型基礎上，有必要設計爐內外NOx綜合控制策略。以爐膛出口NOx濃度預測模型為基礎設計的爐內外NOx綜合優化控制技術路線如圖3所示。該技術路線應用NOx濃度預測模型，對一、二次風量進行優化，同時作為SNCR噴氨量的前饋，對SNCR噴氨量進行優化，達到爐內低氮燃燒與爐外脫硝的綜合控制。

圖3 爐內外NOx綜合控制技術路線Fig.3 Technical route of comprehensive control of NOx inside and outside the furnace

3.1 基于NOx濃度預測模型的一、二次風量控制

通過風量、給煤量、CO濃度建立CFB爐膛出口NOx濃度預測模型。爐內一、二次風量配比不合理是導致SNCR脫硝控制效果不佳的原因之一。建立NOx濃度預測模型，可有效反映爐內的燃燒狀況、床溫和一、二次風量配比等，快速對機組進行調節。也可作為SNCR的前饋值對噴氨量進行快速修正，達到CFB機組NOx綜合優化排放的目的。

傳統的二次風控制策略，未考慮一、二次風量對于NOx污染物生成的影響，僅由鍋爐主控經過氧量校正后形成二次風量指令，直接作用于二次風機。圖4為優化后的二次風控制策略，將爐膛出口NOx濃度加入控制邏輯中，通過預測值與試驗值的偏差對二次風量指令進行修正，在預測值偏高時，適當增加二次風量，使爐內生成較強的還原性氣氛，有效抑制爐內NOx的生成。

圖4 二次風優化控制思路Fig.4 Secondary air optimization control idea

傳統的一次風量控制策略由鍋爐主控形成，主要考慮床溫、負荷等因素。為盡量降低爐內NOx生成量，在調整二次風量的同時，也要對一次風量進行修正。優化的一次風控制思路如圖5所示。

圖5 一次風優化控制思路Fig.5 Primary air optimization control idea

圖4將爐膛出口NOx濃度預測模型引入控制中，作為一次風指令的修正。若NOx預測值較高，則適當減少一次風量、增加二次風量，增強爐內的還原性氣氛，減少NOx生成。

3.2 基于NOx濃度預測模型的SNCR控制方案

爐內一、二次風量進行優化的同時，需根據NOx濃度預測模型，設計新的SNCR噴氨量優化控制方案。傳統的SNCR控制方式僅通過NOx的設定值與SNCR尾部測得的實際值做偏差后，利用PID控制，但負荷波動時，NOx排放常超標，控制效果不佳，因此電廠中的SNCR設備并未使用自動控制。

圖6為基于NOx濃度預測的SNCR控制方案，將NOx濃度預測模型作為SNCR的前饋，使SNCR提前調節噴氨量。爐膛出口煙溫對SNCR的脫硝效率有一定影響。爐膛出口煙溫低于900 ℃時，溫度越高，脫硫效率越高；高于900 ℃時，溫度越高，脫硝效率降低。即燃碳熱量信號反映爐內的熱量波動，當即燃碳熱量信號取微分后為正數時，即爐內熱量加速上升，且煙溫高于900 ℃時，脫硫效率偏低，需調節噴氨量。

圖6 基于NOx濃度預測的SNCR控制方案Fig.6 SNCR control scheme based on NOx concentration prediction

4 結 論

1)本文分析了循環流化床機組爐內NOx(主要為NO)與CO的生成與自還原反應動力學，并分析了CFB操作對NOx生成的影響因素，建立了CO生成模型與燃燒模型。

2)根據2個CO模型建立NOx的生成模型與還原模型，最終建立了循環流化床機組爐膛出口NOx濃度的預測模型。

3)根據模型提出了爐內外NOx綜合控制技術路線，通過爐膛出口NOx濃度預測模型對SNCR噴氨量與爐內一、二次風量優化提供指導，提出基于NOx預測模型的一、二次風量優化控制與SNCR優化控制思路，為CFB機組NOx低排放控制提供參考。