試析循環流化床鍋爐中NOx 的生成機理與排放控制

陸富敏

（廣西華磊新材料有限公司，廣西 百色 533000）

循環流化床鍋爐和普通鍋爐相比，具有良好爐內脫硫抑氮性能，被廣泛應用在放電中。近年來，我國環境保護形式愈發嚴峻，對污染氣體的排放提出更高的要求。循環流化床鍋爐在運行中，僅憑爐內低氮燃燒很難滿足NOx超低排放的要求，需要深入研究NOx的生成機理、影響因素、排放控制措施等，才能降低NOx污染排放量，緩減環境污染的壓力。基于此，開展循環流化床鍋爐中NOx的生成機理與排放控制的研究就顯得尤為必要。

1 循環流化床鍋爐工作原理

循環流化床鍋爐是一種基于循環流態化的原理組織煤燃燒設備，主要特征是可攜帶大量高溫固體顆粒物的循環燃耗，在具體運行中，固體顆粒充滿著整個爐膛。和傳統的煤粉灰爐相比，顆粒在循環流化床鍋爐燃燒室中的濃度，遠遠大于煤粉爐，而且顆粒和氣體之間的相對速度比較大。循環流化床鍋爐的燃燒和煙風流程示意圖如圖1 所示。

圖1 循環流化床鍋的燃燒和煙風流程示意圖

從圖1 中可以看出，預熱之后的一次風，經過風室由爐膛底部進入布風板送入，促使爐膛中的物料時刻處于快速流化狀態，燃料在充滿整個爐膛的惰件床料中進行燃燒，一些比較粒徑小，質量輕的顆粒在氣流的作用下飛出爐膛，再通過分離裝置進行收集，最后被排出鍋爐。

2 循環流化床鍋爐中NOx的生成機理

目前我國發電廠絕大多數循環流化床鍋爐的NOx排放標準都沒有達到直接排放需求，而且煙氣脫硝技術去除NOx的能力有限的，因此，循環流化床鍋爐的環保優勢已經不再明顯。基于此種情況，研究如何充分發揮循環流化床鍋爐的優勢，在使用過程中，通過一系列行之有效的措施和技術手段來降低NOx 的排放就顯得尤為必要。為達到這一目標，就需要立足環保政策，堅持運行經濟性的原則，來降低循環流化床鍋爐NOx的排放量，以實現超低排放。循環流化床鍋爐中燃燒的主要原料是煤，但煤在燃燒過程中，會形成大量的NOx，主要是NO 和NO2，還有少量的N2O。煤炭在循環流化床鍋爐中燃燒時，NOx的生成量及排放量和煤炭燃燒的方式密切相關，尤其是和燃燒溫度、過量空氣系數的等燃燒條件的關系最為密切。循環流化床鍋爐中生成NOx的主要途徑有三種，包括：熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx。

熱力形NOx的生成機理為：空氣中的氮氣在循環流化床鍋爐高溫下發生氧化，從而形成NOx，如果循環流化床鍋爐中的溫度足夠高，此種NOx的占比可達到20%左右。

燃料型NOx的生成機理為：煤炭中含有大量的氮化合物，在高溫、高壓的作用系，會發生熱分解，在被氧化之后，就會形成NOx，此種NOx的占比在60%～80%之間[1]。

快速型NOx的生成機理為：煤炭在循環流化床鍋爐中燃燒時，空氣中的氮和染料中的碳氫離子團，如CH等發生化學反應，形成NOx。

3 影響循環流化床鍋爐中NOx生成量的主要因素

通過上述分析可知，循環流化床鍋爐在運行中NOx的生成來源于兩個方面，其一氮在循環流化床鍋爐中燃燒會不斷被氧化成NOx。其二是還原性氣體中的NOx同樣會被不斷還原生成氮氣。所以，影響氧化、還原反應的各項因素，都會影響NOx的生成量和濃度。主要體現在以下幾個方面。

3.1 燃料的特性

循環流化床鍋爐在運行中，NOx的主要來自于燃料中的氮。因此，燃料中氮的含量越高，則經過高溫燃燒之后，釋放出來的NOx也就越多。

3.2 過量空氣系數

在循環流化床鍋爐運行中，如果風沒有分級，則降低過量空氣系數，會在一定程度上限制反應區的氧濃度。這一點對熱力型NOx和燃料型NOx的生成量都有很強的開展作用。通過控制過量空氣系數，可降低循環流化床鍋爐中NOx排放量15%～20%，但此時一氧化碳的濃度會顯著增加，燃燒效率會大幅度降低。

大量研究表明，在循環流化床鍋爐中采用分級送風方法，可將三分之一的燃燒空氣作為二次風送入密相區域上方一定的距離，則可以NOx的排放量控制到最低水平。當然這是視循環流化床鍋爐的結構來確定，不同結構的循環流化床鍋爐，會導致最佳的一次和二次風配比在此范圍中發生一定的變化。

3.3 燃燒溫度

燃燒溫度對循環流化床鍋爐NOx的排放量也有較大影響，隨著循環流化床鍋爐中燃燒溫度的不斷提升，NOx的排放量也會隨之增加。按照此種關系，通過降低床溫，就可以有效控制NOx的排放量。但床溫降低會對循環流化床鍋爐造成較大的不利影響，主要體現子啊兩個方面，其一是會都在循環流化床鍋爐中一氧化碳濃度增加，不完全燃燒損失量增加，降低燃燒效率；其二是會增加N2O 的分解難度，增加N2O 的排放量，不滿足環保的要求[2]。

3.4 脫硫劑

脫硫劑也是影響循環流化床鍋爐NOx生成量的主要因素，循環流化床鍋爐運行中，常用的脫硫劑是石灰石，主要作用是降低煤炭燃燒室二氧化硫的排放量，同時NOx的排放量會隨之增加，脫硫劑對循環流化床鍋爐中NOx生成量的影響主要體現在兩個方面，其一是富余的石灰石能夠作為強催化劑，來強化燃料中氮的氧化速度，增加NO 的生產速度。其二富余的石灰石還能和CaS 作為催化劑強化一氧化碳和一氧化氮的反應過程。多數情況下，石灰石對燃料氮氧化合物生產NO 的貢獻大于還原性氣體還原NO 的貢獻，這一也是導致循環流化床鍋爐運行中NOx排放量增加的主要原因。

4 循環流化床鍋爐運行中控制NOx的主要措施

在生態環保理念不斷深入人心的背景下，國家對各行各業的環保排放標準提出了更高的要求，如何行之有效的降低企業生產中污染氣體的排放量已經迫在眉睫，針對影響NOx生成的不同因素，循環流化床鍋爐在運行中，可通過一些措施加以控制[3]。

4.1 選擇科學合理的床溫

循環流化床鍋爐在運行中，合理降低床溫度，不但可以大幅度降低NOx的排放水平，而且還便于煙氣脫硫。但如果過大的降低床溫，雖然可以降低NOx的排放量，但會導致N2O 的排放量增加，而要求CO 的濃度也會隨之增加。影響循環流化床鍋爐的燃燒效率。因此，選擇床溫時，要綜合考慮多個方面，床溫控制在900℃～950℃之間效果最佳。

4.2 實現煙氣再循環

煙氣再循環技術已經被廣泛應用到循環流化床鍋爐中，主要機理是將引風機后部分煙氣引入爐膛再次參與燃燒，促使煙氣在循環流化床鍋爐中能夠被第二次利用，通過惰性氣體，先帶走一部分熱量，并降低循環流化床鍋爐中的氧氣濃度，以控制火焰溫度，降低燃燒速度，燃燒速度越低，NOx的生成量也就越低。隨著我國科學技術的飛速發展，煙氣再循環技術比較先進和成熟，回收利用率也比較高，每回收20%左右的煙氣。NOx的排放量可減少25%～30%。但循環流化床鍋爐的特性決定了，當煙氣回收率超過25%時會降低煙氣排放量，實際煙氣中的NOx排放量并沒有超標，但在環保檢測中，由于折標煙氣量減少會造成單位濃度增加，也是導致NOx檢測值頻繁超標的主要原因之一。因此，需要合理控制煙氣再循環量。

4.3 選擇性催化還原法

目前在循環流化床鍋爐運行中，選擇的還原劑多為20%濃度的氨水，在改造SCR 系統中，對NOx發生還原反應，而不是和其他氣體發生反應的還原劑來生產氮氣。因此，在日常控制管理中，比較注重霧化風量、氨水蒸發器溫度、按逃逸范圍等。通過嚴格控制氨水泵頻率調節可調整NOx的排放數值，保證循環流化床鍋爐排放的NOx水平，達到環保要求的程度和標準。

4.4 燃料分級燃燒

雖然目前很多循環流化床鍋爐都可以實現分級燃燒，但效果不是非常理想，因為，雖然分級燃燒可以開展NOx的排放量，但需要掌握循環流化床鍋爐燃燒環境的特征情況，來提升燃燒效率，降低NOx的排放量。燃料分級燃燒的主要機理是氮氧化合物的化學特征。比如：NOx和烴基再加上CO、氫氣、碳等，在特殊條件下，可生成氮氣。就循環流化床鍋爐的結構特性而言，主床可以作為一級燃燒區，導入大部分燃料，在充分燃燒時形成NOx，但受到煙氣流速較低的影響，仍然會有循環物料將剩下的少量燃料導入前后副床，可作為二級燃燒區，在不充分燃燒的情況下，可生成還原能力比較強的氣體。再將這兩股氣體混合促使二者充分反應形成氮氣，可大幅度提升效率，一次反應可將NOx的排放量降低50%左右，反應完成后還能起到良好的反饋作用，以抑制氮氧化合物生成。

5 結語

綜上所述，本文結合理論實踐，分析了循環流化床鍋爐中NOx的生成機理與排放控制，分析結果表明，循環流化床鍋爐在運行中，會受到很多因素的影響，生成大量的NOx，污染空氣。為響應國家提倡的綠色、環保政策。企業在使用循環流化床鍋爐時，需要結合其特征結構，從選擇科學合理的床溫、實現煙氣再循環、選擇性催化還原法、燃料分級燃燒等方面同時入手，可降低NOx排放水平，達到國家環境監測排放的標準。