大型循環(huán)流化床鍋爐NOx超低排放技術(shù)的對比研究

劉明

摘要：循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度低，床溫區(qū)間范圍小，一次風(fēng)率變化范圍有限等，燃燒調(diào)整手段和影響因素少，在低氮燃燒改造中，只要抓住布風(fēng)板改造和分離器提效改造兩個重點，實現(xiàn)NOx超低排放是比較容易的。四臺鍋爐及改造方案的對比研究表明：使布風(fēng)板布風(fēng)均勻，對不同煤種確定合適的一次風(fēng)率，提高分離器入口煙氣流速，確定適合的中心筒尺寸，從而提高分離器效率，使床溫可控，是CFB（循環(huán)流化床）鍋爐低氮燃燒改造的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床;NOx;超低排放;外置床;旋風(fēng)分離器

中圖分類號：TK01? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐燃燒與煤粉鍋爐燃燒生成NOx的機(jī)理是相同的，由于流化床鍋爐的燃燒溫度較煤粉爐低得多，因此，熱力型NOx的生成量幾乎沒有;同時，由于飛灰的再循環(huán)，未燃盡顆粒的停留時間很長，鍋爐燃燒的過量空氣系數(shù)較低時也能收到較好的燃盡效果，因此，有利于降低燃料型NOx生成。盡管CFB鍋爐在低NOx燃燒方面具有先天優(yōu)勢，但床溫控制水平、一次風(fēng)量大小、循環(huán)灰量、二次風(fēng)布置等因素仍對流化床鍋爐的NOx生成有著重大影響，甚至決定改造的成敗。本文對幾個CFB鍋爐的設(shè)計與改造方案和效果進(jìn)行對比分析，以期明確流化床低氮改造的技術(shù)關(guān)鍵。

1? 研究對象簡介

本文研究對象為四臺300MW等級CFB鍋爐，以下分別稱為鍋爐A、B、C、D。鍋爐A、B為東方鍋爐廠設(shè)計制造，其中鍋爐B為超臨界鍋爐;鍋爐C和D分別為上海鍋爐廠和哈爾濱鍋爐廠設(shè)計制造，其中鍋爐C為超臨界鍋爐，鍋爐D布置有外置床換熱器，爐膛整體高度較低。四臺鍋爐均設(shè)計燃用煙煤，且大多摻燒煤泥。

四臺鍋爐代表了三大鍋爐廠300MW級鍋爐的主流技術(shù)，在運行中鍋爐出力和蒸汽參數(shù)正常，灰渣含碳量相差不大。表1列出了各臺鍋爐的主要設(shè)計特點和運行實績。

上述四臺鍋爐，除鍋爐B為新機(jī)組，在鍋爐設(shè)計階段進(jìn)行了低氮燃燒設(shè)計外，其余鍋爐均進(jìn)行了改造。鍋爐A在運行中摻燒煤泥的量較大，煤的熱值波動范圍大，但床溫控制很低，負(fù)荷降低時床溫隨著降低，低于200 MW后，床溫約800 ℃，因此，NOx生成濃度小;鍋爐C經(jīng)歷過一次不成功的低氮改造，大量減少了鍋爐一次風(fēng)量，實測一次風(fēng)率降低至36%，導(dǎo)致床溫較高，脫硝前NOx濃度升高;鍋爐D未經(jīng)低氮改造，燃燒劣質(zhì)煙煤并摻燒煤泥，對鍋爐進(jìn)行摸底試驗表明，實際鍋爐一次風(fēng)率50%～55%，床溫可控，但風(fēng)帽磨損嚴(yán)重，布風(fēng)均勻性較差，二次風(fēng)口燒損和返料現(xiàn)象突出，旋風(fēng)分離器效率偏低。

對于流化床鍋爐來說，布風(fēng)均勻性是基本要求，四臺鍋爐基本上實現(xiàn)了均勻布風(fēng)的條件，鍋爐D的風(fēng)帽風(fēng)孔磨損很均勻，說明一次風(fēng)速也是均勻的。

由表1數(shù)據(jù)可知，影響流化床鍋爐NOx生成的主要是床溫和一次風(fēng)率，而一次風(fēng)率對床溫有直接影響。鍋爐A摻煤泥量大，床溫很低，NOx濃度就低;鍋爐C的一次風(fēng)率過低，床溫偏高，結(jié)果NOx的生成濃度也高。

2? 各爐改造方案及效果

表2列出了四臺鍋爐低氮改造方案及配套脫硝改造主要內(nèi)容。對于流化床鍋爐來說，低氮燃燒改造必改的內(nèi)容是布風(fēng)板，同時旋風(fēng)分離器是流化床區(qū)別于煤粉爐的主要部件，其效率高低對床溫影響很大，一般也必須改造。鍋爐A、B僅進(jìn)行了選擇性非催化還原（SNCR）改造，由于布風(fēng)設(shè)計良好，一次風(fēng)率控制適當(dāng)，床溫水平適中，因此，取得了很好的NOx控制效果，在沒有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）改造甚至SNCR不投入的情況下，均可實現(xiàn)超低排放。

鍋爐B采用了類似煤粉鍋爐分離燃盡風(fēng)的理念，設(shè)計了分級風(fēng)，實際上是否是分級風(fēng)起到了降低NOx的效果是有爭議的。鍋爐C對燃盡風(fēng)系統(tǒng)有過改造，但并不成功，后拆除;陜北某電廠采用類似燃盡風(fēng)改造方案，投運后效果不明顯。二次風(fēng)分級布置從流化床鍋爐低氮燃燒原理來說，并不一定適用，且有影響物料傳遞的風(fēng)險。從本次對比的鍋爐A和鍋爐B來看，同為東鍋300MW容量鍋爐，有和無二次風(fēng)分級設(shè)計，從低氮效果來看無差別。

旋風(fēng)分離器是CFB的關(guān)鍵設(shè)備，分離效率的高低決定了飛灰含碳量和爐效，因為返料經(jīng)冷卻降溫，返料量的多少對調(diào)節(jié)床溫效果顯著，因此，CFB必須保持分離器的高效率。通行的做法是實測鍋爐煙氣量，核算分離器進(jìn)口流速，滿負(fù)荷分離器進(jìn)口流速不低于25 m/s，靶區(qū)做好防磨。鍋爐D還將中心筒加長了500 mm，使分離器效率得到提高。圖1是分離器進(jìn)口風(fēng)道改造示意圖。

鍋爐C的布風(fēng)板采用的是大床結(jié)構(gòu)，風(fēng)帽總數(shù)為2 334個。大床結(jié)構(gòu)的布風(fēng)板較易形成布風(fēng)不均的問題，一般通過不均勻風(fēng)孔設(shè)計或部分風(fēng)管節(jié)流的辦法達(dá)到均勻布風(fēng)的效果。鍋爐改造整體更換了全部風(fēng)帽，對于布風(fēng)板邊緣區(qū)的10孔風(fēng)帽，更換為9孔風(fēng)帽;其他區(qū)域的12孔風(fēng)帽更換為10孔風(fēng)帽。對于中部區(qū)域風(fēng)量和風(fēng)壓相對集中的區(qū)域，采取了在風(fēng)管下端增加φ30mm圓鋼以降低風(fēng)管流通截面積的方案。風(fēng)帽改造后，鍋爐布風(fēng)的均勻性大大改善，床溫分布更均勻。但鍋爐C的風(fēng)孔數(shù)量的變更并不成功，因為風(fēng)孔由12個降低至10個，節(jié)流比例約16.7 %，風(fēng)孔由10個降低至9個，節(jié)流比例10 %，按風(fēng)帽數(shù)量加權(quán)平均統(tǒng)計，本次風(fēng)帽改造布風(fēng)板節(jié)流一次風(fēng)約15%，實際布風(fēng)板阻力增加0.2 kPa，一次風(fēng)率約36%，一次風(fēng)量降低使床層冷卻變差，床溫平均升高50 ℃以上。

鍋爐A、B的布風(fēng)板設(shè)計較為獨特，不易復(fù)制。在一次風(fēng)率相差不大的情況下，適當(dāng)封堵部分風(fēng)帽是較好辦法。鍋爐D即是在實測一次風(fēng)率55%左右，適當(dāng)降低至50 %即可滿足低氮燃燒條件，因此按圖2進(jìn)行了局部封堵（外圈風(fēng)帽封堵3/4周，其他風(fēng)帽更換外帽），外周風(fēng)帽封堵后須對側(cè)壁澆注料進(jìn)行適當(dāng)修補。

因為布風(fēng)板改造不很成功，爐膛出口NOx濃度高，鍋爐C采用了SNCR和外置SCR的脫硝改造方案，鍋爐D同樣進(jìn)行了SCR改造，不過布置為煙道型。鍋爐C和D的改造略為保守，實際上絕大多數(shù)CFB鍋爐均可以通過燃燒改造和配合SNCR達(dá)到超低排放的要求。

如表2所述，因為鍋爐D的一次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量裕量超大，同時二次風(fēng)壓頭低，二次風(fēng)噴口返料和燒損較重，因此針對性地進(jìn)行了一次風(fēng)向二次風(fēng)的轉(zhuǎn)移改造，增加了調(diào)節(jié)風(fēng)門、膨脹節(jié)、支吊架等設(shè)備，提高二次風(fēng)壓和風(fēng)量，提高二次風(fēng)的風(fēng)速和穿透力，降低飛灰和NOx都是有利的，該方案在存在類似條件的鍋爐上可供借鑒，見圖3。

3? 流化床鍋爐NOx超低排放改造影響因素分析

影響CFB鍋爐NOx生成濃度的因素主要是燃燒溫度、燃料的粒徑、過量空氣系數(shù)和一、二次風(fēng)率。因為燃燒條件因素，流化床的溫度均在1 000 ℃以下，因此熱力型NOx可以忽略，主要是控制燃料型NOx的生成。

燃煤顆粒較細(xì)可加強爐內(nèi)傳熱，使?fàn)t內(nèi)熱量分配更趨合理，保證爐內(nèi)溫度場均勻，避免密相區(qū)出現(xiàn)局部超溫現(xiàn)象;燃煤顆粒越細(xì)，燃燒速率提高，O2的加速消耗有利于CO的生成，碳粒表面還原氣氛增強，有效抑制NOx生成;同時顆粒變細(xì)反應(yīng)表面積增大，焦炭對NOx的還原能力增強;顆粒較細(xì)，燃燒反應(yīng)時間提前，相應(yīng)延長NOx分解還原時間。

貧氧條件可有效抑制NOx的生成，過量空氣系數(shù)增加，NOx生成增加。貧氧燃燒條件下，燃燒中間產(chǎn)物中的含N基團(tuán)易向N2轉(zhuǎn)化，同時未燃盡C與還原性氣體抑制含N基團(tuán)的氧化反應(yīng)，從而抑制NOx生成;而富氧燃燒條件下，燃燒中間產(chǎn)物中的含N基團(tuán)容易氧化生成NOx。

一次風(fēng)率減小，密相區(qū)為貧氧還原性氣氛，可抑制NOx生成，同時，密相區(qū)流化風(fēng)速減小，氣體及燃煤顆粒停留時間延長，同樣抑制NOx生成;提高二次風(fēng)率，二次風(fēng)速提高，穿透能力增強，稀相區(qū)氣固混合加強，有利于降低飛灰含碳量，保證降氮的同時鍋爐效率不受影響。對于CFB鍋爐建議一次風(fēng)率保持45 %左右，二次風(fēng)率55 %左右。

上述因素中，煤粉粒徑和過量空氣系數(shù)是鍋爐燃燒調(diào)整范圍內(nèi)的內(nèi)容。流化床鍋爐一經(jīng)設(shè)計定型，可調(diào)整的手段和范圍是很小的，燃料粒徑直接影響飛灰、底渣含碳量，粒徑過細(xì)則循環(huán)次數(shù)少，過粗則難于燃盡。因此考慮到燃料制備的電量消耗，對于不同煤種，燃料粒徑一般是固定的。過量空氣系數(shù)也可以調(diào)整，在平衡鍋爐排煙損失、未完全燃燒損失和NOx排放濃度后，不同負(fù)荷下也存在一個最佳值。

布風(fēng)板布風(fēng)均勻性、一次風(fēng)率的大小和床層溫度水平，實質(zhì)上影響的是床溫及其均勻性。布風(fēng)不均就不可能使床層溫度均勻，甚至可能造成流化不暢或局部結(jié)焦;一次風(fēng)率高，有的燃料在床層內(nèi)燃燒充分，則床溫升高，如煙煤;劣質(zhì)煤或較差燃料，一次風(fēng)率高則將床溫過度冷卻。一次風(fēng)率低，燃料燃燒放熱得不到充分冷卻，床溫也會升高，如上面的鍋爐C。因此無論對流化床鍋爐的燃燒還是降低NOx，都要求適宜的一次風(fēng)率。

CFB鍋爐調(diào)節(jié)床溫的另一重要手段是返料量，大型循環(huán)床鍋爐均對分離器返料采取了冷卻手段，因此，返料灰的溫度低，調(diào)節(jié)返料量即可以調(diào)節(jié)床溫。流化床內(nèi)的燃燒溫度通常為850～1 000 ℃，溫度過高，則床層有結(jié)焦風(fēng)險，NOx的生成量也大增;溫度過低，如低于850 ℃，尤其低于800 ℃，燃料氮中的N2O大量增加。N2O具有很強的破壞臭氧層的能力，同時溫室效應(yīng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于CO2，因此，床溫絕不可以降低。從清潔燃燒的角度，流化床燃燒的床溫溫度最好控制在850～950 ℃。目前許多CFB鍋爐在超低排放改造中取消了爐內(nèi)噴鈣脫硫，這對降低N2O的生成也是非常不利的，因為含鈣氧化物是抑制N2O生成的催化劑，取消了燃燒脫硫，則更應(yīng)該嚴(yán)格控制床溫。鍋爐A運行床溫偏低，雖然NO生成量少，卻是應(yīng)該盡量避免的。

根據(jù)第2節(jié)的介紹，CFB鍋爐低氮燃燒改造的主要手段是布風(fēng)板均勻性改造、布風(fēng)板阻力和一次風(fēng)率調(diào)整、二次風(fēng)噴口布置改造、分離器提效改造，其中二次風(fēng)口布置和分級改造的效果不顯著，甚至有失敗的案例;鍋爐D采用的一次風(fēng)向二次風(fēng)轉(zhuǎn)移的改造特別適用于該爐一次風(fēng)機(jī)壓頭裕量與流量裕量特別大的場合，不具有普遍性。因此，從控制床溫和一次風(fēng)率的角度來看，布風(fēng)板改造和分離器提效是CFB鍋爐改造的重點。

布風(fēng)板的布風(fēng)均勻是最基本的要求，布風(fēng)板適當(dāng)?shù)淖枇κ遣硷L(fēng)均勻與穩(wěn)定流化的需要，對于不同煤種，控制適宜的一次風(fēng)率則是控制床溫和污染物生成的基礎(chǔ)，最后，分離器提效則對床溫控制與提高燃燒經(jīng)濟(jì)性均是有利的。

因此，CFB鍋爐燃燒改造的關(guān)鍵在于布風(fēng)板改造和分離器提效改造，上述鍋爐D的改造總體符合上述要求，根據(jù)布風(fēng)板特點制定適合的改造方案，同時根據(jù)輔機(jī)設(shè)備特點，進(jìn)行了一次風(fēng)向二次風(fēng)轉(zhuǎn)移補風(fēng)，改造是成功的。

4? 結(jié)論

CFB鍋爐由于其燃燒溫度低、床溫區(qū)間范圍小、一次風(fēng)率變化范圍有限等特點，在低氮燃燒改造中，只要抓住布風(fēng)板改造和分離器提效改造兩個重點，達(dá)到理想的NOx控制水平是較易實現(xiàn)的。使布風(fēng)板布風(fēng)均勻，對不同煤種確定合適的一次風(fēng)率，提高分離器入口煙氣流速，確定適合的中心筒尺寸，從而提高分離器效率，使床溫可控;同時，在鍋爐運行中注意調(diào)整過量空氣系數(shù)和控制合適的燃料粒徑，CFB鍋爐可達(dá)到低氮燃燒狀態(tài)。本文舉例的四臺鍋爐，改造方案大同小異，但均不同程度地實現(xiàn)了鍋爐降低NOx排放濃度的效果。證明了抓住關(guān)鍵因素或主要矛盾，實現(xiàn)CFB鍋爐低氮燃燒事半功倍。

（責(zé)任編輯：張? 瓊）

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