基于反應溫度控制的低氮燃燒調整技術研究與應用

施 斌，但振宇，牟克慧，李 楠，趙鵬勃，孫獻斌

(1.國家電投集團江西電力有限公司 分宜發電廠，江西 分宜 336607;2.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

選擇性非催化還原反應(SNCR)脫硝廣泛應用于循環流化床(CFB)鍋爐，由于旋風分離器對還原劑顆粒的充分擾動，SNCR脫硝效率最高約80%。影響SNCR脫硝效率的關鍵因素為反應溫度，已有研究表明[1-3]，SNCR反應的溫度窗口為800～1 150 ℃，該因素是導致目前多數CFB鍋爐啟動階段NOx排放超標的直接原因。入爐煤揮發分、灰分等參數偏離設計值、深度調峰運行同樣導致分離器溫度偏移而使SNCR反應效率降低，尤其是入爐煤灰分低于20%時，鍋爐負荷略降低，從而導致分離器溫度明顯下降，造成氨氮比大幅增加，甚至SNCR反應終止。

國內CFB鍋爐NOx超低排放技術研究主要在2方面:① 通過對鍋爐進行深度空氣分級燃燒改造、優化布風板阻力、提效分離器、增加煙氣再循環(FGR)等手段降低NOx原始生成；② 利用數值模擬提高還原劑擴散效果，通過增加反應表面積提高SNCR反應效率。陳建軍等[4-5]通過提高二次風入射高度、增加受熱面、增加FGR等手段降低密相區溫度，在額定負荷下使NOx質量濃度降至50 mg/m3以下，張向宇等[6]通過監測全爐膛溫度場分布，根據SNCR反應區溫度窗口優化還原劑噴入位置，提高了脫硝效率；李競岌等[7]通過降低無效顆粒占比，重構爐內流態控制床層溫度和氧化還原氛圍，使某220 t/h CFB 鍋爐NOx原始質量濃度由192 mg/m3降至113 mg/m3。前人研究多側重于鍋爐改造以降低NOx原始排放量，鮮見控制分離器溫度以適應高效脫硝溫度窗口相關報道。筆者通過實爐試驗，分析煙氣再循環、一次風率、上下二次風比率等關鍵運行參數對分離器溫度的影響，利用控制分離器溫度，使SNCR始終處于高效反應狀態下，實現NOx超低排放、節約氨水用量，為相關人員提供參考。

1 研究對象

某電廠鍋爐型號為YG-130/9.8-M，單爐膛，自然循環，全懸吊結構，全鋼架π型布置。爐膛采用膜式水冷壁、絕熱式旋風分離器，尾部豎井煙道布置兩級3組對流過熱器，過熱器下方布置3組省煤器及一、二次風各3組空氣預熱器。鍋爐設置10%煙氣量的FGR系統，從引風機出口送至一次風機入口。三層二次風口距離布風板高度分別為3 600、2 626 和1 626 mm。鍋爐采用SNCR脫硝方式，以2臺絕熱式旋風分離器為反應器。鍋爐常用燃料為煙煤，同時摻入5%干污泥，入爐燃料分析見表1。

表1 入爐燃料工業分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuel

2 研究方法

2.1 分離器溫度控制機理

SNCR反應復雜，盧志民[8]通過敏感性分析，將MILLER等[9]、ZABETTA等[10]提出的基元反應簡化為14步，可較好預測NO、NH3濃度隨溫度的變化規律。反應式為：

(1)

(2)

NH3/NO反應進行的關鍵連鎖因子OH-的生成速率與溫度密切相關，當達到一定溫度，NH2離子與NO開始產生OH-，此時脫硝效率較低，隨著溫度升高，OH-大量生成，NH3和NO反應快速進行，式(1)、式(2)占據主導地位，脫硝效率提高，當反應器溫度繼續升高，NH2離子與OH-氧化反應速率加快，生成NO，反應式為

(3)

溫度上升過程中，式(3)中NOx生成量逐漸抵消式(1)、式(2)NO還原量，脫硝效率先升高后降低。因此，對于脫硝效率而言，反應溫度存在一個高效點稱為高效反應溫度點Topt。LUCAS等[11]，王林偉等[12]通過不同試驗裝置分別發現Topt為952和900 ℃；李明磊[13]利用Fluent軟件通過兩步簡化機理發現Topt為925 ℃。

2.2 分離器溫度控制方法

燃用低揮發分煤種的CFB鍋爐絕熱式旋風分離器出口溫度普遍高于進口溫度[14]，揮發分20%的分離器溫升Tsep,r在20 ℃左右，揮發分10%時Tsep,r可達80 ℃左右，Tsep,r的存在說明煙氣中固體顆粒在分離器內可以進一步燃燒，Tsep，r越大，顆粒進入分離器前未燃盡物質含量越高。正常情況下，鍋爐的燃燒調整力求降低Tsep，r，減小燃燒的不完全損失，提高鍋爐效率。韓奎華等[15]采用鍋爐燃燒模擬裝置燃燒石油氣，發現在800～1 150 ℃，SNCR反應效率相差懸殊，反應效率70%以上時的溫度反應區間只有150 ℃左右，SNCR反應溫度窗口如圖1所示。分離器出口溫度隨負荷過度降低會導致SNCR反應效率降低，還原劑耗量成倍增加，ARTUR等[16]在1臺966 MWthCFB鍋爐燃燒調整試驗，結果顯示Topt在720～790 ℃。Topt隨燃燒設備、還原劑類型、運行工況的不同而不同。通過試驗確定Topt，并在不同負荷下將Topt始終控制在高效反應區間內，可大幅降低脫硝運行成本。

圖1 SNCR反應溫度窗口Fig.1 SNCR temperature window

基于分離器溫度控制的SNCR脫硝技術，利用燃料的后燃特性，控制燃料燃燒時間，實現分離器溫度控制。高負荷下，爐內循環物料充足，分離器入口溫度通過上升的循環物料可輕易達到反應溫度窗口，此時應保證物料在爐膛內充分燃燒，降低分離器內燃燒份額，降低Tsep,r，防止分離器溫度超過SNCR溫度窗口上限；低負荷情況下，爐膛輸入熱量減少，攜帶熱量的循環物料量減少，使分離溫度降低，此時應控制燃料燃燒延遲，提高分離器內燃燒份額，提高Tsep,r，防止分離器溫度低于溫度窗口下限，從而實現低負荷SNCR高效脫硝。

3 分離器溫度影響因素

3.1 FGR對分離器溫度的影響

研究表明，FGR對高床溫有明顯的改善作用。胡滿銀等[17]通過數值模擬發現投入FGR時，爐內平均溫度和最大溫度均明顯降低；陳建軍等[4]對某130 t/h CFB鍋爐實爐改造，發現10%煙氣量的FGR可以降低床溫30～50 ℃，ARTUR[18]在1臺1 296 t/h的CFB鍋爐試驗發現，FGR可以均衡爐膛縱向溫度，上述現象均由燃料后燃現象導致，燃料充分燃燒的必要條件是O2充足，FGR通過將8% O2的煙氣送入爐膛替代部分21% O2的一次風，爐膛截面風速不變而O2降低，由于燃料爐內停留時間沒有改變，O2降低必然引起燃燒延遲，床層溫度降低。對130 t/h CFB鍋爐的FGR(按10%煙氣量設計)進行了性能試驗，FGR對床溫、分離器入口和出口溫度影響如圖2所示。由圖2(a)、圖2(b) 可知，隨著FGR投入，由于物料燃燒逐漸延遲，3個工況床層溫度、分離器入口溫度顯著降低，且各工況降幅較一致,床層溫度均降低40 ℃左右，爐膛上部溫度(分離器入口處)130 t/h負荷降低40 ℃，90和70 t/h負荷降低20 ℃，爐膛上部溫度的降幅隨負荷的降低逐漸減小，FGR對爐膛縱向溫差的調節在較低負荷下更加明顯。隨后燃程度加深，Tsep,r逐漸增大，Tsep逐漸升高。由圖2(c)可知，130 t/h負荷分離器溫度提高30 ℃，90 t/h負荷提高40 ℃，70 t/h負荷提高70 ℃，隨負荷降低，FGR對Tsep的調控能力增強，這是由于負荷降低后，爐膛溫度隨之降低，物料不完全燃燒顆粒增加，分離器內部燃燒份額增加，當采用絕熱式旋風分離器時，分離器溫度明顯上升。

圖2 FGR對床溫、分離器入口和出口溫度影響Fig.2 Effect of FGR on bed temperature,separator inlet and outlet temperature

3.2 二次風對分離器溫度的影響

對上、下二次風比例進行試驗，結果如圖3所示。工況1保持中、下層風門開啟，上層風門關閉，逐漸開啟上層風門，通過適當關閉下層風門的方式控制二次風總量不變。結果表明，上層風門開啟可提高分離器出口溫度30 ℃左右。工況2保持上、中層風門開啟，下層風門關閉，逐漸開啟下層風門，通過適當關閉上層風門的方式控制二次風總量不變。結果表明，下層風門開啟可降低分離器出口溫度28 ℃左右。李楠等[19]研究表明，通過調節上、下二次風比例，可改變二次風整體入射高度，從而改變密相區高度。密相區高度降低，未燃盡的燃料顆粒提前接觸二次風，燃燒提前發生，Tsep降低；密相區高度增加，未燃盡顆粒燃燒推遲，Tsep升高。孫紹增等[20]通過搭設冷態試驗臺研究了二次風入射高度對爐內物料濃度軸向分布影響，發現二次風高度提高后，密相區在爐內作用范圍增大，稀相區作用范圍相應減小，爐內高濃度區域向上延伸。王正陽等[21]系統研究了二次風分布對CFB 鍋爐爐內氣固混合及燃燒的影響，認為降低中、下層二次風量可以抑制密相區燃燒，上層二次風量的增加使二次風射流的穿透性增強，加強了稀相區燃燒，從而提高Tsep。筆者認為這3種觀點一致，由于試驗前后爐膛截面風速不變，對密相區燃燒的抑制或濃度、范圍的增加，必然導致密相區未燃盡的顆粒增加，增加的未燃盡顆粒進入稀相區燃燒[22-25]，提高Tsep。

圖3 二次風對分離器出口溫度影響Fig.3 Effect of secondary air on separator outlet temperature

3.3 一次風對分離器溫度的影響

在4.5%、3.5%氧量下研究一次風率對Tsep的影響，如圖4所示。維持鍋爐氧量4.5%，減小二次風量，增加一次風量，使一次風率由0.52提高至0.59，Tsep由835 ℃降低至817 ℃；維持鍋爐氧量3.5%，一次風率由0.56提高至0.64，Tsep由855 ℃降低至820 ℃。2種試驗工況下，Tsep均隨一次風率的提高而降低。這是因為總風量不變時，相較低一次風率，較高的一次風率為密相區燃燒的初期提供了更多O2，使高一次風率下的燃燒提前，分離器內物料燃盡率提高，放熱量降低，Tsep降低。

圖4 一次風對分離器出口溫度影響Fig.4 Effect of primary air on separator outlet temperature

4.5%氧量下，Tsep調節幅度為18 ℃；3.5%氧量下，Tsep調節幅度為35 ℃，低氧量下，一次風率對Tsep調節范圍更大，這是由于低氧量下爐膛出口物料未燃盡碳含量更高，這在試驗得到驗證，如圖4所示，未燃盡的碳導致低氧量下Tsep整體處于較高水平。未燃盡碳所含的潛在熱量可由一次風率控制，故低氧量下Tsep的控制更加靈活。

4 分離器溫度控制的應用

利用溫度測量組件檢測分離器出口溫度Tsep，計算分離器的實際溫升速率Tsep，sj，將檢測到的Tsep與Topt(Topt，min～Topt，max)，Tsep，sj與分離器預設溫升Tsep，ys進行比較：① 當Tsep>Topt，max或Tsep，sj>Tsep，ys時，邏輯控制組件生成分離器溫度高信號或分離器溫升速率高信號，向上二次風門發出關小指令，向下二次風門發出開大指令，向FGR發送減小出力指令，使Tsep降低到Topt范圍內；② 當檢測到Tsep

基于分離器溫度控制的低氮燃燒調整發現，研究對象的Topt為850 ℃。研究對象額定負荷130 t/h，負荷在80～110 t/h，分離器溫度較低，SNCR脫硝效率低甚至不反應，導致NOx排放超標或氨氮比過高，通過控制分離器溫度可實現低負荷SNCR反應重啟，NOx排放明顯降低，保證全廠總排口NOx超低標準，避免低負荷NOx超標。同時，鍋爐110～130 t/h負荷，質量分數20%氨水耗量約350 kg/h，經分離器溫度精準控制在(850±5) ℃后，質量分數20%氨水可控制在200 kg/h以下，節約氨水費用約280萬元/a。全年低負荷運行時間按2 000 h估算，2臺爐每年可多收益超低排放電價補貼50萬元左右。

5 結 論

1)SNCR反應的溫度窗口存在一個最高效反應溫度點Topt，Topt隨燃燒設備、還原劑類型、運行工況變化而不同。可通過燃燒調整試驗確定Topt，后將分離器溫度精準控制在Topt附近以獲得較高的SNCR反應效率。

2)煙氣再循環系統對Tsep具有調節作用，由于低負荷爐內未燃盡顆粒的增加，隨負荷降低，煙氣再循環對Tsep的調節能力增強。

3)上、下二次風比例對Tsep同樣起調節作用，通過切換上、下層二次風門，可控制分離器出口溫度。

4)分離器溫度隨一次風率的提高而降低，且氧量較低時，一次風率對分離器溫度的調節更加靈活。

5)實爐應用表明，通過分離器溫度控制，在高負荷時優化SNCR反應效率，降低脫硝運行成本；低負荷時可將停止的SNCR反應重啟，實現NOx達標排放。