循環流化床鍋爐低氮燃燒的技術改造實踐

洪建輝

1 設計及運行條件

根據鍋爐原有設計及運行條件，本次改造針對75 t/h中溫中壓循環流化床鍋爐(46600-0-0) 低氮燃燒而實施。

1.1 鍋爐基礎數據及運行參數

鍋爐的運行數據見表1。

表1 鍋爐運行參數

1.2 改造目標

改造后鍋爐運行目標參數見表2。

表2 改造后鍋爐運行參數

2 氮氧化物的產生機理及脫氮技術原理

2.1 氮氧化物的產生機理

在氮氧化物中，NO 占90% 以上，二氧化氮占5%～10%，產生機理一般分為三種。

2.1.1 熱力型

燃燒時，空氣中氮在高溫下氧化產生，生成過程是一個不分支連鎖反應。生成機理可用捷里多維奇(Zeldovich) 反應式表示。[1-3]

隨著反應溫度的升高，反應速率按指數規律。當溫度＜1 500℃時，NO 的生成量很少，當溫度＞1 500℃時，溫度每增加100℃，反應速率增大6～7 倍。

熱力型氮氧化物生成機理（Zeldovich 反應式）

在高溫下總生成式為：

2.1.2 瞬時反應型( 快速型)

快速型NOx是1971年Fenimore通過實驗發現的。當碳氫化合物燃料燃燒在燃料過濃時，在反應區附近會快速生成NOx。

由于燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH 自由基可以和空氣中氮氣反應生成HCN 和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成，其形成時間只需要60 ms，所生成的與爐膛壓力0.5 次方成正比，與溫度的關系不大。

上述兩種氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要來源。

2.1.3 燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600%、800℃時就會生成燃料型，它在煤粉燃燒NOx產物中占60%～80%。

在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機化合物熱裂解產生N、CN、HCN 和中間產物基團，然后再氧化成NOx。[4-6]由于煤的燃燒過程由揮發份燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，而燃料型的形成也由氣相氮的氧化（揮發份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，燃料中氮分解為揮發分N 和焦炭N，見圖1。

圖1 燃料中氮分解為揮發分N 和焦炭N

2.2 脫氮技術原理

對于沒有脫硝設備和脫硝燃燒器的循環流化床鍋爐來說，也可以采用低氮燃燒技術來減少NOx的生成機會。

2.2.1 燃料型NOx

在燃用揮發分較高的煙煤時，燃料型NOx含量較多，快速型NOx極少。燃料型NOx是空氣中的氧與煤中氮元素熱解產物發生反應生成NOx，燃料中氮并非全部轉變為NOx，它存在一個轉換率，降低此轉換率，控制NOx排放總量，可采取：（1）減少燃燒的過量空氣系數；（2）控制燃料與空氣的前期混合；（3）提高入爐的局部燃料質量濃度。

2.2.2 熱力型NOx

熱力型NOx是燃燒時空氣中的N2和O2在高溫下生成的NOx，產生的主要條件是：（1）高的燃燒溫度使氮分子游離增強化學活性；（2）高氧質量濃度。要減少熱力型NOx的生成，可采取：（1）減少燃燒最高溫度區域范圍；（2）降低鍋爐燃燒的峰值溫度；（3）降低燃燒的過量空氣系數和局部氧質量濃度。

2.3 采取的措施

在保證鍋爐燃燒安全、穩定的前提下，可以采取以下措施來減少氮氧化物的生成。

2.3.1 低過量空氣燃燒

使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行，隨著煙氣中氧含量的減少，可以抑制NOx的生成。這是一種簡單的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如要爐內氧質量分數過低(3% 以下)，會增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，使鍋爐燃燒效率下降。因此，在鍋爐運行時，應選取合理的過量空氣系數。

2.3.2 空氣分級送入爐膛

基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成，采用倒三角的配風方式，具體有以下階段。

2.3.2.1 預燃階段

將從一次風室供入爐膛的空氣量減少，相當于理論空氣量的80%，使燃料先在缺氧、富燃料燃燒條件下燃燒。此時，密相區內過量空氣系數α＜1，因而降低了燃燒區內的燃燒速度和溫度水平。因此，不但延遲了燃燒過程，降底了爐膛密相區的溫度，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應率，抑制了NOx在這一燃燒過程中的生成量。

2.3.2.2 燃燼階段

為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣通過布置在密相區中上部及過渡區的專門二次風噴口送入爐膛，與密相區下部在 “貧氧燃燒” 條件下所產生的煙氣混合，在α＞1 的條件下完成全部燃燒過程。

這一方法彌補了簡單的低過量空氣燃燒的缺點。在密相區內的過量空氣系數越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產物越多，導致燃燒效率降低、引起結渣和腐蝕的可能性越大。因此，為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經濟性和可靠性，必須正確組織空氣分級燃燒。

3 循環流化床低氮燃燒改造工藝

3.1 前期技術分析

通過對75 t/h 中溫中壓循環流化床鍋爐(46600-0-0) 運行工況和結構的了解、檢測及對燃煤資料的分析，得出結果：鍋爐燃燒不合理，一、二次風沒有做到合理分配，爐膛溫度偏高，使得鍋爐出口NOx含量偏高。

3.2 技改措施和工藝要求

針對以上的具體分析，特別提出了低氮燃燒技改措施和基本原理性工藝要求。

3.2.1 控制供煤系統的燃煤顆粒度

保證鍋爐入口燃煤粒度控制在8 mm 以下，以降低鍋爐一次風用量（煤粉粒徑控制不在本次改造范圍）。

3.2.2 二次風的合理分級

原鍋爐設有三層二次風入口風管，該布置形式雖然可以滿足鍋爐對二次風量的要求，但二次風對爐膛內煙氣的擾動作用較差，不利于燃料在爐膛內的充分燃燒。另外，由于二次風管布置位置不合理，角度、風速選取也有誤差，不利于爐膛內燃料的分級燃燒和分層給風，對控制NOx的生成方面也很不利。

為了更好地進行分級配風，減少NOx的生成，對原鍋爐二次風管位置、風速、角度進行全面調整，以達到控制NOx的目的。

除了考慮高度方向的分級，還要求對水平方向進行分級，以達到爐膛氧量分配均勻的目標。水平方向的二次風分級主要通過適當調整兩側和中間風管管徑的辦法來實現。

對于設計的傳統二次風母管前后聯絡風箱，這部分風箱一般都需要適當擴大，以滿足二次風特殊送風比例關系的要求，否則會影響靜壓風箱或者等壓風箱二次風分配原理，不利于二次風取風點的均勻性。

3.2.3 二次風入口端直管段的確定

為了形成良好的二次風進入爐內的射流噴射效果，保持基本射程而不被擴散，需對二次風入口噴嘴進行改造，以提高二次風對爐膛內煙氣的擾動性。

每個二次風分風道，選用手動調節風門。為了增加二次風在爐膛內的穿透性，提高燃燒效率，適當調整二次風入爐射流的水平夾角。

3.2.4 尾氣再循環

在控制燃煤顆粒度的條件下，降低鍋爐一次風的風量。同時為了有效減小鍋爐一次風含氧量，又滿足鍋爐一次風流化風量需求，本方案設計從引風機出口接管道至鍋爐一次風機入口，充當鍋爐一次風，以有效降低一次風含氧量，增加風量分配調節裕度。

3.2.5 增設水冷屏

在爐膛內增設水冷屏，水冷屏布置在爐膛的中上部，可以吸收爐膛熱量，降低床溫及返料溫度。

4 4# 爐改造前后數據比較

4# 爐改造前后相關參數對比見表3，具體運行畫面見圖2。

表3 改造前后相關參數對比

圖2 4# 爐改造前后運行畫面

通過對上述內容的改造優化，改造后鍋爐帶負荷能力強，脫硫效率提高，氮氧化物降低。燃料粒度保證在0～10 mm，蒸發量81.99 t/h 時，鍋爐出口NOx降至190 mg/Nm3以內，達到了預定目標。與此同時，通過在爐膛出口位置配置脫硝系統（SNCR），使得氮氧化物的排放質量濃度遠遠低于50 mg/Nm3，達到國家的排放標準。

5 結語

減少排放的氮氧化物的量，從而減少對大氣的污染，已成為對大氣環境保護的重要方式，鍋爐低氮燃燒的成功實施為燃煤鍋爐降低氮氧化物的生成指明了方向，起到了積極的作用。