循環流化床鍋爐低氮燃燒研究與應用

李靈靈

摘 要：通過對中溫分離循環流化床鍋爐燃燒結構調整、系統優化控制的研究與應用，使煙氣NOx得到有效控制，對循環流化床鍋爐如何抑制NOx的生成和排放具有重要指導意義及可觀的應用前景。

關鍵詞：CFB 鍋爐專家系統 低氮燃燒 NOx

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（c）-0011-01

唐山三友熱電有限公司位于唐山南堡經濟技術開發區內，所屬區域是以鹽化工工業為主的化工城區，現有人口約3.5萬人，已有相應的商業服務網點、文化、郵政、銀行、教育、醫療、交通設施，是南堡地區的政治、經濟、科學、教育中心。氮氧化物（NOx）是形成大氣污染的一大因素，也是導致酸雨.化學煙霧的關鍵因素。對于所屬地區的經濟.身體健康都會造成很大的傷害。

唐山三友熱電有限責任公司具有240 t/h中溫分離循環流化床鍋爐三臺，采用二運一備生產運行方式，年耗標煤約50萬t，年NOx排放約1300 t。鍋爐投運以來，采用手操DCS控制調節，不能很好的適應工況變化，燃燒系統不能滿足低氮燃燒要求，NOx排放量300 mg/Nm3以上，對周邊環境影響較大。

為解決循環流化床鍋爐抑制NOx生成的方法，針對本公司中溫分離循環流化床鍋爐特性、實際運行工況及設備結構，結合流化床鍋爐專家系統控制策略，在1-3#鍋爐經行研發和燃燒優化試驗，并取得滿意效果，NOx生成得到抑制，排放指標達到100mg/Nm3以下。

1 鍋爐結構及參數

CFB鍋爐型號為XD-240/9.8-M中溫分離、高溫高壓自然循環鍋爐。鍋爐機組采用二臺稱重給煤機由前側送入后墻與返料混合后進入爐內燃燒，一次風系統采用一臺離心風機經二級空預器送入一次風室，二次風系統采用一臺離心風機經二級空預器送入前后墻上下二次風系統。

2 鍋爐燃燒特性分析

NOx主要通過三種路徑形成：熱力型、快速性、燃料型。

熱力氮氧化物的形成主要取決與燃燒溫度，并隨燃燒區域溫度的增加，NOx隨之增加。快速性氮氧化物的形成主要是空氣中的氮和燃用氣體燃料中CH、HCN結合快速生成NOx.燃料型氮氧化物是煤燃燒時產生NOx主要來源，約占75%～90%，即揮發份氮和焦炭氮，在煤燃燒初期，揮發份大量析出，氮的化合物迅速被進入的大量氧氣氧化，生成HCN等中間產物。然后，進一步轉化為NO，這個區域NO濃度最高，NQ的形成主要取決與燃料與空氣比，揮發份氮路徑生成的NOx約占75%。

3 鍋爐燃燒NOx抑制優化實驗

2012年，隨國家環保鍋爐煙氣排放標準的提高，公司組織對流化床鍋爐進行初步氮氧化物抑制試驗。實驗主要依據：降低密相區風量、控制密相區床溫，增加稀相區風量與風速、降低稀相區溫度場，引用鍋爐專家系統優化控制策略。

中溫分離循環流化床鍋爐，相對高溫分離循環流化床鍋爐返料溫度低450 ℃，返料量采用變頻調節，對密相區床溫得到有效控制，為降低一次風量，使燃料著火密相區形成富煤貧氧燃燒，抑制NOx生成創造了條件。為保證流化床鍋爐良好流化條件，對原破碎系統篩板易變性、漏煤、粒度不均問題，重新設計篩板孔徑和支撐部位結構，保證破碎顆粒均勻度在10%以內。

原冷態流化風量試驗在渣層800 mm，流化風量130000 Nm3/h，鍋爐床壓5.0 kPa、風室壓力13 kPa；技術開發組，針對原煤顆粒粒度規劃與管控，降低渣層600 mm，冷態流化風量降至100000 Nm3/h，保證給煤均勻，流化正常。鍋爐運行燃燒調整，采用手動DCS調節，尾部煙氣NOx跟蹤測量；在鍋爐氧量、負壓、給煤、風量、床溫控制調解中，對鍋爐煙氣NOx的生成影響較大，變化幅度寬。隨著一次風量降低NOx隨之下降，當一次風量降低110000 m3/h時，N基團與O2反應機會得到控制，有效降低NOx生成量，NOx得到較好抑制。

如何控制稀相區燃燒環境，改善NOx的抑制手段，我們把二次風分為下二次風和上二次風（三次風），下二次風口布置在床面4 m高區域，前后墻對沖，是密相區和稀相區結合點。上二次風（三次風）口布置在下二次風4.5 m高區域，前后墻對沖，是燃盡階段的主要供給風量。上下二次風風口采用小噴嘴沿爐墻寬度水平多孔布置形式，將二次風提到一個很高的速度，使得二次風具有很強的穿透能力，與高溫煙氣充分混合，均衡區域溫度場，控制燃燒區域溫度，有效抑制NOx生成。

根據循環流化床鍋爐燃料燃燒機理，床面一次風流化區和下二次風區作為主燃燒區，是燃煤加熱、揮發分析出、分級破碎、著火燃燒的主要區域，為使揮發分氮的轉化得到抑制，改變燃煤和空氣比，在降低一次風量的同時，減少下二次風份額，實驗表明效果可行。上二次風區（三次風）在稀相區很高的溫度下進行高氧濃度/貧燃料燃燒，容易產生大量NOx。主要抑制手段通過增大上二次風風量與風速、拆除稀相區上部位區域1 m水冷壁耐磨磚，降低稀相區燃燒溫度場至850℃，來改變N、O反應機理條件，而達到較少NOx生成。經過分區調整實驗，在確定一次流化風量100000 m3/h，下二次風與上二次風（三次風）風量分配比為1∶1.6，并實施總二次風量氧量調節控制模式。

鍋爐原使用北京中昊ABB的DCS系統，該系統除給水、主汽溫度外，始終未實現鍋爐全方位自動調節的組態。經過調研和開發，采用WYDE2000循環流化床鍋爐專家系統實施燃燒節能自動控制實驗，消除人工操作造成的滯后性、不精確性和不穩定性，降低噸汽標煤耗煤量，實現節能減排。蒸汽母管壓力調節與給煤調節；床溫自動控制；氧量及二、三次風自動控制；爐膛負壓自動控制；床壓排渣自動控制。通過單爐出口壓力調節8.8 MPa，達到均勻控制給煤量，實現鍋爐運行穩定，協調總壓力調節，有效抑制NOx的生成和波動。當多臺爐同時運行，母管壓力協調程序可以調節鍋爐之間的負荷關系。通過強制單爐狀態斷開母管壓力協調，實現單爐獨立控制。

4 結語

唐山三友熱電有限責任公司，通過中溫分離循環流化床鍋爐實施燃燒系統技術開發和鍋爐專家自動控制系統引用優化控制，已實現三臺循環流化床鍋爐低氮燃燒狀態下無故障連續運行。目前，三臺循環流化床鍋爐煙氣NOx排放均控制在100 mg/Nm3內，改善了當地的大氣環境質量，對循環流化床鍋爐如何抑制NOx的生成具有可觀的應用前景。

參考文獻

[1] 楊建華.循環流化床鍋爐設備及運行[M].中國電力出版社，2010.

[2] 趙紅倫，張燕飛.循環流化床鍋爐高效低氮燃燒一體化技術[OL].

[3] XD-240/9.8-M鍋爐設計說明書[S].唐山信得鍋爐有限公司.