大型循環流化床鍋爐NOx超低排放技術的對比研究

劉明

摘要：循環流化床鍋爐燃燒溫度低，床溫區間范圍小，一次風率變化范圍有限等，燃燒調整手段和影響因素少，在低氮燃燒改造中，只要抓住布風板改造和分離器提效改造兩個重點，實現NOx超低排放是比較容易的。四臺鍋爐及改造方案的對比研究表明：使布風板布風均勻，對不同煤種確定合適的一次風率，提高分離器入口煙氣流速，確定適合的中心筒尺寸，從而提高分離器效率，使床溫可控，是CFB（循環流化床）鍋爐低氮燃燒改造的關鍵。

關鍵詞：循環流化床;NOx;超低排放;外置床;旋風分離器

中圖分類號：TK01? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

循環流化床（CFB）鍋爐燃燒與煤粉鍋爐燃燒生成NOx的機理是相同的，由于流化床鍋爐的燃燒溫度較煤粉爐低得多，因此，熱力型NOx的生成量幾乎沒有;同時，由于飛灰的再循環，未燃盡顆粒的停留時間很長，鍋爐燃燒的過量空氣系數較低時也能收到較好的燃盡效果，因此，有利于降低燃料型NOx生成。盡管CFB鍋爐在低NOx燃燒方面具有先天優勢，但床溫控制水平、一次風量大小、循環灰量、二次風布置等因素仍對流化床鍋爐的NOx生成有著重大影響，甚至決定改造的成敗。本文對幾個CFB鍋爐的設計與改造方案和效果進行對比分析，以期明確流化床低氮改造的技術關鍵。

1? 研究對象簡介

本文研究對象為四臺300MW等級CFB鍋爐，以下分別稱為鍋爐A、B、C、D。鍋爐A、B為東方鍋爐廠設計制造，其中鍋爐B為超臨界鍋爐;鍋爐C和D分別為上海鍋爐廠和哈爾濱鍋爐廠設計制造，其中鍋爐C為超臨界鍋爐，鍋爐D布置有外置床換熱器，爐膛整體高度較低。四臺鍋爐均設計燃用煙煤，且大多摻燒煤泥。

四臺鍋爐代表了三大鍋爐廠300MW級鍋爐的主流技術，在運行中鍋爐出力和蒸汽參數正常，灰渣含碳量相差不大。表1列出了各臺鍋爐的主要設計特點和運行實績。

上述四臺鍋爐，除鍋爐B為新機組，在鍋爐設計階段進行了低氮燃燒設計外，其余鍋爐均進行了改造。鍋爐A在運行中摻燒煤泥的量較大，煤的熱值波動范圍大，但床溫控制很低，負荷降低時床溫隨著降低，低于200 MW后，床溫約800 ℃，因此，NOx生成濃度小;鍋爐C經歷過一次不成功的低氮改造，大量減少了鍋爐一次風量，實測一次風率降低至36%，導致床溫較高，脫硝前NOx濃度升高;鍋爐D未經低氮改造，燃燒劣質煙煤并摻燒煤泥，對鍋爐進行摸底試驗表明，實際鍋爐一次風率50%～55%，床溫可控，但風帽磨損嚴重，布風均勻性較差，二次風口燒損和返料現象突出，旋風分離器效率偏低。

對于流化床鍋爐來說，布風均勻性是基本要求，四臺鍋爐基本上實現了均勻布風的條件，鍋爐D的風帽風孔磨損很均勻，說明一次風速也是均勻的。

由表1數據可知，影響流化床鍋爐NOx生成的主要是床溫和一次風率，而一次風率對床溫有直接影響。鍋爐A摻煤泥量大，床溫很低，NOx濃度就低;鍋爐C的一次風率過低，床溫偏高，結果NOx的生成濃度也高。

2? 各爐改造方案及效果

表2列出了四臺鍋爐低氮改造方案及配套脫硝改造主要內容。對于流化床鍋爐來說，低氮燃燒改造必改的內容是布風板，同時旋風分離器是流化床區別于煤粉爐的主要部件，其效率高低對床溫影響很大，一般也必須改造。鍋爐A、B僅進行了選擇性非催化還原（SNCR）改造，由于布風設計良好，一次風率控制適當，床溫水平適中，因此，取得了很好的NOx控制效果，在沒有選擇性催化還原技術（SCR）改造甚至SNCR不投入的情況下，均可實現超低排放。

鍋爐B采用了類似煤粉鍋爐分離燃盡風的理念，設計了分級風，實際上是否是分級風起到了降低NOx的效果是有爭議的。鍋爐C對燃盡風系統有過改造，但并不成功，后拆除;陜北某電廠采用類似燃盡風改造方案，投運后效果不明顯。二次風分級布置從流化床鍋爐低氮燃燒原理來說，并不一定適用，且有影響物料傳遞的風險。從本次對比的鍋爐A和鍋爐B來看，同為東鍋300MW容量鍋爐，有和無二次風分級設計，從低氮效果來看無差別。

旋風分離器是CFB的關鍵設備，分離效率的高低決定了飛灰含碳量和爐效，因為返料經冷卻降溫，返料量的多少對調節床溫效果顯著，因此，CFB必須保持分離器的高效率。通行的做法是實測鍋爐煙氣量，核算分離器進口流速，滿負荷分離器進口流速不低于25 m/s，靶區做好防磨。鍋爐D還將中心筒加長了500 mm，使分離器效率得到提高。圖1是分離器進口風道改造示意圖。

鍋爐C的布風板采用的是大床結構，風帽總數為2 334個。大床結構的布風板較易形成布風不均的問題，一般通過不均勻風孔設計或部分風管節流的辦法達到均勻布風的效果。鍋爐改造整體更換了全部風帽，對于布風板邊緣區的10孔風帽，更換為9孔風帽;其他區域的12孔風帽更換為10孔風帽。對于中部區域風量和風壓相對集中的區域，采取了在風管下端增加φ30mm圓鋼以降低風管流通截面積的方案。風帽改造后，鍋爐布風的均勻性大大改善，床溫分布更均勻。但鍋爐C的風孔數量的變更并不成功，因為風孔由12個降低至10個，節流比例約16.7 %，風孔由10個降低至9個，節流比例10 %，按風帽數量加權平均統計，本次風帽改造布風板節流一次風約15%，實際布風板阻力增加0.2 kPa，一次風率約36%，一次風量降低使床層冷卻變差，床溫平均升高50 ℃以上。

鍋爐A、B的布風板設計較為獨特，不易復制。在一次風率相差不大的情況下，適當封堵部分風帽是較好辦法。鍋爐D即是在實測一次風率55%左右，適當降低至50 %即可滿足低氮燃燒條件，因此按圖2進行了局部封堵（外圈風帽封堵3/4周，其他風帽更換外帽），外周風帽封堵后須對側壁澆注料進行適當修補。

因為布風板改造不很成功，爐膛出口NOx濃度高，鍋爐C采用了SNCR和外置SCR的脫硝改造方案，鍋爐D同樣進行了SCR改造，不過布置為煙道型。鍋爐C和D的改造略為保守，實際上絕大多數CFB鍋爐均可以通過燃燒改造和配合SNCR達到超低排放的要求。

如表2所述，因為鍋爐D的一次風機風壓和風量裕量超大，同時二次風壓頭低，二次風噴口返料和燒損較重，因此針對性地進行了一次風向二次風的轉移改造，增加了調節風門、膨脹節、支吊架等設備，提高二次風壓和風量，提高二次風的風速和穿透力，降低飛灰和NOx都是有利的，該方案在存在類似條件的鍋爐上可供借鑒，見圖3。

3? 流化床鍋爐NOx超低排放改造影響因素分析

影響CFB鍋爐NOx生成濃度的因素主要是燃燒溫度、燃料的粒徑、過量空氣系數和一、二次風率。因為燃燒條件因素，流化床的溫度均在1 000 ℃以下，因此熱力型NOx可以忽略，主要是控制燃料型NOx的生成。

燃煤顆粒較細可加強爐內傳熱，使爐內熱量分配更趨合理，保證爐內溫度場均勻，避免密相區出現局部超溫現象;燃煤顆粒越細，燃燒速率提高，O2的加速消耗有利于CO的生成，碳粒表面還原氣氛增強，有效抑制NOx生成;同時顆粒變細反應表面積增大，焦炭對NOx的還原能力增強;顆粒較細，燃燒反應時間提前，相應延長NOx分解還原時間。

貧氧條件可有效抑制NOx的生成，過量空氣系數增加，NOx生成增加。貧氧燃燒條件下，燃燒中間產物中的含N基團易向N2轉化，同時未燃盡C與還原性氣體抑制含N基團的氧化反應，從而抑制NOx生成;而富氧燃燒條件下，燃燒中間產物中的含N基團容易氧化生成NOx。

一次風率減小，密相區為貧氧還原性氣氛，可抑制NOx生成，同時，密相區流化風速減小，氣體及燃煤顆粒停留時間延長，同樣抑制NOx生成;提高二次風率，二次風速提高，穿透能力增強，稀相區氣固混合加強，有利于降低飛灰含碳量，保證降氮的同時鍋爐效率不受影響。對于CFB鍋爐建議一次風率保持45 %左右，二次風率55 %左右。

上述因素中，煤粉粒徑和過量空氣系數是鍋爐燃燒調整范圍內的內容。流化床鍋爐一經設計定型，可調整的手段和范圍是很小的，燃料粒徑直接影響飛灰、底渣含碳量，粒徑過細則循環次數少，過粗則難于燃盡。因此考慮到燃料制備的電量消耗，對于不同煤種，燃料粒徑一般是固定的。過量空氣系數也可以調整，在平衡鍋爐排煙損失、未完全燃燒損失和NOx排放濃度后，不同負荷下也存在一個最佳值。

布風板布風均勻性、一次風率的大小和床層溫度水平，實質上影響的是床溫及其均勻性。布風不均就不可能使床層溫度均勻，甚至可能造成流化不暢或局部結焦;一次風率高，有的燃料在床層內燃燒充分，則床溫升高，如煙煤;劣質煤或較差燃料，一次風率高則將床溫過度冷卻。一次風率低，燃料燃燒放熱得不到充分冷卻，床溫也會升高，如上面的鍋爐C。因此無論對流化床鍋爐的燃燒還是降低NOx，都要求適宜的一次風率。

CFB鍋爐調節床溫的另一重要手段是返料量，大型循環床鍋爐均對分離器返料采取了冷卻手段，因此，返料灰的溫度低，調節返料量即可以調節床溫。流化床內的燃燒溫度通常為850～1 000 ℃，溫度過高，則床層有結焦風險，NOx的生成量也大增;溫度過低，如低于850 ℃，尤其低于800 ℃，燃料氮中的N2O大量增加。N2O具有很強的破壞臭氧層的能力，同時溫室效應也遠遠強于CO2，因此，床溫絕不可以降低。從清潔燃燒的角度，流化床燃燒的床溫溫度最好控制在850～950 ℃。目前許多CFB鍋爐在超低排放改造中取消了爐內噴鈣脫硫，這對降低N2O的生成也是非常不利的，因為含鈣氧化物是抑制N2O生成的催化劑，取消了燃燒脫硫，則更應該嚴格控制床溫。鍋爐A運行床溫偏低，雖然NO生成量少，卻是應該盡量避免的。

根據第2節的介紹，CFB鍋爐低氮燃燒改造的主要手段是布風板均勻性改造、布風板阻力和一次風率調整、二次風噴口布置改造、分離器提效改造，其中二次風口布置和分級改造的效果不顯著，甚至有失敗的案例;鍋爐D采用的一次風向二次風轉移的改造特別適用于該爐一次風機壓頭裕量與流量裕量特別大的場合，不具有普遍性。因此，從控制床溫和一次風率的角度來看，布風板改造和分離器提效是CFB鍋爐改造的重點。

布風板的布風均勻是最基本的要求，布風板適當的阻力是布風均勻與穩定流化的需要，對于不同煤種，控制適宜的一次風率則是控制床溫和污染物生成的基礎，最后，分離器提效則對床溫控制與提高燃燒經濟性均是有利的。

因此，CFB鍋爐燃燒改造的關鍵在于布風板改造和分離器提效改造，上述鍋爐D的改造總體符合上述要求，根據布風板特點制定適合的改造方案，同時根據輔機設備特點，進行了一次風向二次風轉移補風，改造是成功的。

4? 結論

CFB鍋爐由于其燃燒溫度低、床溫區間范圍小、一次風率變化范圍有限等特點，在低氮燃燒改造中，只要抓住布風板改造和分離器提效改造兩個重點，達到理想的NOx控制水平是較易實現的。使布風板布風均勻，對不同煤種確定合適的一次風率，提高分離器入口煙氣流速，確定適合的中心筒尺寸，從而提高分離器效率，使床溫可控;同時，在鍋爐運行中注意調整過量空氣系數和控制合適的燃料粒徑，CFB鍋爐可達到低氮燃燒狀態。本文舉例的四臺鍋爐，改造方案大同小異，但均不同程度地實現了鍋爐降低NOx排放濃度的效果。證明了抓住關鍵因素或主要矛盾，實現CFB鍋爐低氮燃燒事半功倍。

（責任編輯：張? 瓊）

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