淺談循環流化床鍋爐如何降低氮氧化物排放

楊永恒

（山西西山熱電有限責任公司，山西太原 030022）

0 引言

火力發電是我國目前主要的發電方式，煤的燃燒會直接造成嚴重的環境污染。在我國環保要求日益嚴格下，根據文獻[1]，可知山西省單機30萬kW及以上燃煤發電機組煙氣超低排放分別執行標準Ⅰ、Ⅱ。超低排放標準Ⅰ：常規燃煤發電機組達到天然氣燃氣輪機排放標準，氮氧化物50 mg/Nm3、二氧化硫35 mg/Nm3、煙塵5 mg/Nm3。超低排放標準Ⅱ：低熱值煤發電機組基本達到天然氣燃氣輪機排放標準，氮氧化物50 mg/Nm3、二氧化硫35 mg/Nm3、煙塵10 mg/Nm3。氮氧化物主要來自燃料在燃燒過程中產生的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。氮氧化物排放到大氣中的含量和存在的時間達到一定程度后對環境生態平衡產生嚴重的危害，氮氧化物與空氣中的水結合以后會轉化成硝酸和硝酸鹽。遇到降雨就會形成酸雨；它與其它污染物在一定條件下能產生光化學煙霧污染[2]。循環流化床鍋爐就是應這種需求發展起來燃燒效率高污染排放物少的新型燃燒設備[3]。循環流化床鍋爐中氮氧化物的生成量與爐膛的溫度、燃燒區域氧氣的含量和燃料在燃燒區域停留時間有直接的關系。燃燒溫度越高，密相區氧氣含量越高，燃燒停留時間越長，燃燒所生成的氮氧化物量就越多。對于從燃料入手來降低氮氧化物，還沒有找到有效的控制方法。因此，要控制或降低氮氧化物的產生，必須先從改善燃燒方法和改進燃燒設備開始。

1 循環流化床鍋爐存在的問題及原因分析

1.1 床溫高的問題

床溫是指循環流化床鍋爐密相區燃料燃燒溫度。床溫是直接反映爐內燃燒狀況的重要參數之一，床溫的控制直接影響鍋爐的燃燒效率和燃燒工況。

循環流化床鍋爐設計床溫應控制在850～950℃之間。但在實際運行中床溫普遍高于930℃。從鍋爐燃燒經濟角度考慮，床溫高燃料入爐著火快，爐渣、飛灰含碳量低；但從環保角度考慮，高溫燃燒會生成更多的氮氧化物。

1.2 鍋爐爐內溫度偏差大

（1）分離器效率偏低，造成鍋爐新加燃料燃燒在密相區燃燒釋放的熱量無足夠的返料灰來充分冷卻，引起鍋爐的床溫偏高而不能繼續增加負荷；

（2）爐膛布風流化裝置采用單一類型風帽，未充分考慮到布風板上部物料阻力不均的實際情況，一次流化風的布風均勻性和流化質量欠佳，密相區燃燒份額偏大而引起床溫偏高而不能繼續增加負荷；

（3）燃煤顆粒度控制不好，大顆粒偏多，會導致渣多灰少，造成鍋爐新加燃料燃燒在密相區燃燒釋放的熱量無足夠的返料灰來充分冷卻，引起鍋爐的床溫偏高而不能繼續增加負荷，同時爐膛上部溫度偏低[4]。

前后墻二次風設計不合理，缺少對床料的擾動，導致較細的床料不能順利上升，降低了爐內物料的傳熱傳質能力，而不能繼續增加負荷。

2 床溫過高的控制措施

通過分析，針對循環流化床鍋爐正常運行床溫過高的情況制定控制措施：

（1）科學合理的受熱面設計，爐內燃燒溫度控制在850～920℃之間；

（2）計算精準的空氣分級燃燒設計，創造最合理的爐內氧氣濃度分布；

（3）性能優良的布風裝置，以利于床層溫度均勻；

（4）性能優良的分離和返料裝置，以利于爐內各段溫度場均勻；

（5）合理的燃煤顆粒度寬篩分分布，把煤的顆粒度控制在0～8 mm范圍內。

3 改進措施和效果

通過技術論證采取下面4個改造措施，得到比較明顯效果。

3.1 布風板阻力、風帽、凸臺的選用

選取合適的布風板阻力，選用高效低氮專用風帽，設置低氮凸臺。現在的中小型循環流化床鍋爐的布風板阻力選擇偏小，一般為1 200～1 800 Pa。另外，大多數的循環流化床鍋爐都采用單一的鐘罩式風帽或蘑菇式風帽，沒有考慮到布風板上部的物料濃度有較大的差別。較小的布風板阻力和單一的風帽布置會造成床料局部流化不良，床溫和氧量分布不均，這也是造成NOX偏高的重要因素。根據核算，鍋爐的布風板面積偏大，若把一次風量降低到低氮燃燒所需的風量，則會導致布風板上部至落煤口這一段的煙速偏低。為解決這個問題，需在爐膛前后墻靠近布風板的一段區域設計砌筑低氮專用凸臺，來保證良好的物料流化和低氮性能。

3.2 設計二次風系統

采用優化的分級燃燒技術，重新設計二次風系統。

（1）改變二次風口高度，使密相區形成缺氧燃燒區域；有效抑制揮發分析出燃燒時生成的NOX，同時保證已生成的燃料型NOX在20～50 ms內被固定C和CO充分還原成N2。

（2）重新調整二次風噴嘴在橫向的分布，二次風在前后墻爐膛高度方向分成一層，采用高動能噴嘴，使噴口速度提高到70 m/s以上，增加二次風的動量，保證二次風噴口以上區域的氧量均勻分布，避免出現局部富氧區而引起NOx的生成量增加，同時保證飛灰的燃盡度[5]。

（3）調整一二次比例50%∶50%。

3.3 旋風分離器提效改造

提高分離器效率，達到平抑床溫、提高爐膛出口溫度、控制鍋爐效率：

（1）結合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運行負荷狀態，對旋風分離器中心筒進行重新設計并更換，采用偏心、縮徑設計，并縮短分離器的插入深度，增加分離器效率，增加循環灰量[6]。

（2）結合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運行負荷狀態，對旋風分離器進口煙道進行重新設計并改變進口位置(將爐膛中間進風改為兩側進風，并重新設計寬高比，進口采用耐磨可塑料)，調高煙氣的貼壁率，增加分離器效率，增加循環灰量。

（3）結合鍋爐燃用煤種、鍋爐的運行負荷狀態，采用耐磨可塑料對旋風分離器內部形狀重新設計，四角由方形改為近似圓形，增加內部氣流的旋轉行程，從而增加分離器效率，增加循環灰量[7]。

3.4 降低床溫

降低床溫保證汽溫實現氮氧化物超低排放。為控制床溫實現低溫分級多層燃燒，爐內增加受熱面起到滿足帶負荷能力，同時起到控制床溫減少氮氧化物產生的作用。

4 小結

對循環流化床鍋爐進一步降低氮氧化物排放進行分析和改造，并通過運行證明改造后的鍋爐有效減少氮氧化物生成。