摘要：根據國家環(huán)保政策及對燃煤電廠污染物實施超低排放的要求，在充分發(fā)揮CFB鍋爐清潔燃燒技術優(yōu)勢的基礎上，基于循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物產生機理，依托SNCR技術，通過配煤摻燒，優(yōu)化燃燒方式，實現循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物排放低于50mg/Nm3的目標。

關鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐(CFB)、氮氧化物、環(huán)保指標、超低排放。

引言

按照GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的規(guī)定，自2014年7月1日起火力發(fā)電鍋爐對于氮氧化物(NOx)的排放將全面執(zhí)行低于100mg/Nm3的新標準。2015年12月份，《國家發(fā)展改革委環(huán)境保護部國家能源局關于實行燃煤電廠超低排放電價支持政策有關問題的通知》[發(fā)改價格〔2015〕2835號]明確要求，火電機組NOx排放標準達到50mg/Nm3以下(河北省地方標準(DB13/2209—2015)《燃煤電廠大氣污染物排放標準》中煤粉爐超低排放標準)，方可享受超低排放電價補貼。

目前大多數循環(huán)流化床(CFB)鍋爐的NOx排放不能直接達標，且原有的煙氣脫硝技術對NOx的脫除率有限，使得CFB鍋爐的環(huán)保優(yōu)勢不再突出。因此，如何發(fā)揮CFB自身優(yōu)勢，在燃燒過程中通過技術手段最大限度減少NOx排放顯得尤為重要，從環(huán)保政策和運行經濟性兩方面考慮，促進企業(yè)對進一步降低CFB鍋爐NOx排放，實現超低排放的研究動力。

一、燃煤鍋爐NOx產生基理

煤燃燒過程中產生的NOx主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，這兩者統(tǒng)稱為NOx，此外還有少量的氧化二氮(N2O)產生。

在煤燃燒過程中NOx的生成量和排放量與煤燃燒方式、特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件關系密切。在煤燃燒過程中，生成的NOx途徑有：

(一)、熱力型NOx(ThermalNOx)：它是空氣中氮氣在高溫下氧化而生成的NOx，在溫度足夠高時，可占20%，

(二)、燃料型NOx(FuelNOx)：它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而成的NOx，60%~80%以上

(三)、快速型NOx(PromptNOx)：它是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成的NOx。在循環(huán)流化床鍋爐中，一方面，氮在燃燒過程中被不斷氧化生成NOx，另一方面在還原性氣氛中NOx也會被不斷還原生成N2，因此，影響氧化、還原反應的所有因素都將影響到NOx的濃度。

(一)燃料特性

燃料型NOX的生成機理非常復雜，在一般的燃燒條件下，燃料中的氮有機化合物首先熱分解成氰化氫(HCN)、氨(NH3)和CN等中間產物，它們隨揮發(fā)分一起從燃料中析出，稱之為揮發(fā)份N。揮發(fā)份N析出后仍殘留在焦碳中的氮化合物，稱之為焦碳N。在通常的煤燃燒溫度下，燃料型NOX的60~80%來自揮發(fā)份;由焦碳N所生成的NOX占到20%~40%。

(二)、過量空氣系數

在一定程度上可限制反應區(qū)內的氧濃度，因而，對熱力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定的控制作用，采用這種方法可使NOx排放量降低15%~20%，但是CO濃度會增加，燃燒效率會下降。

采用一次風、二次風分級配風，可有效地降低NOx的排放量。一般情況下，二次風從床上一定距離送入，隨著一次風量的減少、二次風量的增加，N被氧化的速度下降，NOx排放量也隨之下降，并在某一風量分配下達到最小值。

(三)、燃燒溫度


燃燒溫度對NOx的排放量的影響已取得共識，即隨著爐內燃燒溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此，可以通過降低床溫來控制NOx的排放量。但是，床溫的降低會帶來兩個不利的后果，一個是爐內CO濃度將增加，不完全燃燒熱損失增大，從而使得燃燒效率下降;另一個是不利于N2O分解，從而使得N2O的排放濃度增加。

由圖1分析可知，CFB鍋爐床溫和爐膛溫度一般都控制在850~950度左右，熱力型NOx和快速型NOx的產生量基本可以忽略不計。主要是燃料型NOx，根據煤種的不同，燃料型NOx產生量在50至500mg/Nm3之間。

(四)、脫硫劑

在CFB鍋爐中，加入的脫硫劑為石灰石，其直接目的是降低SO2的排放量，同時對NOx的排放量也會產生明顯的影響，使NO上升。脫硫劑的影響主要體現在兩個方面，一個是富余CaO作為強催化劑會強化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加;另一個是富余的CaO和CaS作為催化劑會強化CO還原NO的反應過程。一般情況下，CaO對燃料NOx生成NO的貢獻大于其對還原性氣體還原NO的貢獻，從而使得NOx排放量增加。

二、CFB鍋爐在NOx控制上的有效嘗試

CFB鍋爐是最近二十年里發(fā)展起來的一種新型燃燒技術，它的主要特點在于燃料及脫硫劑經多次循環(huán)、反復地進行低溫燃燒和脫硫反應，爐內湍流運動強烈。它不但能達到90%的脫硫效率和與煤粉爐相近的燃燒效率，而且具有燃料適應性廣、負荷調節(jié)性能好、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點。

某電廠DG450/9.81-1型單汽包、自然循環(huán)、半露天布置CFB鍋爐，為當時國產首臺最大容量CFB鍋爐。設計燃用山西晉中貧煤。2014年7月1日前執(zhí)行NOx排放標準為650mg/Nm3。2014年7月1日按照《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)執(zhí)行NOx排放標準為200mg/Nm3?？紤]到電廠處于重點地區(qū)市域范圍，于2014年實施了環(huán)保改造，執(zhí)行NOx排放標準為100mg/Nm3。并針對NOx排放控制進行了以下嘗試。

(一)、SNCR改造

考慮CFB鍋爐采用低氮燃燒技術，燃燒溫度較低，二次風分級給入，爐膛下部缺氧燃燒，存在缺氧還原區(qū)域，能有效抑制原始NOx生成。因此，2014年選擇投資及運行費用相對較低，無二次污染的SNCR脫硝技術路線進行改造。在鍋爐爐膛出口與旋風分離器入口之間水平段煙道處，左右兩側各設計安裝6支出力為0.5t/h噴槍，向爐內直接噴射5%的尿素溶液做為還原劑，達到脫除NOx的目的。也就是在不使用催化劑的條件下，在鍋爐爐膛出口(旋風分離器入口)煙溫800～1000℃區(qū)域噴入還原劑(5%的尿素溶液)，使NOx還原為水和氮氣。SNCR脫硝效率一般在50~70%，由于尿素溶液噴入后在流化床鍋爐旋風分離器中和煙氣充分混合，充分發(fā)生還原反應，所以在CFB鍋爐上，SNCR脫硝效率高于煤粉爐，可以達到80%。氨逃逸一般不大于5ppm。

脫硝系統(tǒng)具有鍋爐40～100%負荷范圍調節(jié)控制的模式，以對應不同鍋爐負荷條件下的煙氣量及溫度變化。鍋爐在不同負荷時反應劑噴射量，由流體力學模型、動力學模型及物料平衡的計算獲得，并通過前饋控制參數(鍋爐負荷和蒸汽生產率、爐內及催化劑的溫度)以及反饋控制參數(煙囪出口的NOx)來進行連續(xù)不斷的調整，以達到要求的NOx控制值。控制邏輯見圖2：


(二)、調整配煤結構

根據環(huán)保年報統(tǒng)計，2014年以前，在未采取任何措施的情況下，燃用煤種較雜，包括煙煤、貧煤、褐煤、無煙煤等均有摻燒。NOx排放最高為351mg/Nm3，最低126mg/Nm3。雖然排放遠低于當時的排放限值，但遠高于超低排放的限值(50mg/Nm3)。


隨著煤炭市場變化，因無煙煤在煤粉爐中NOx排放及飛灰可燃物高等原因，價格走低。從揮發(fā)分對NOx的影響角度考慮，2014年7月，開始對流化床鍋爐進行了摻燒無煙煤的嘗試。


2014年12月3日環(huán)境監(jiān)測站對在役2臺鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)停運和正常運行時兩個工況進行了測試，結果如下：


通過大幅度增加無煙煤摻燒比例，NOx排放數值由200~300mg/Nm3降低到100~150mg/Nm3。從測試數據可以看出，摻燒無煙煤可有效地控制、降低NOx產生、排放。在CFB鍋爐上摻燒低揮發(fā)分煤種，可以大幅減少NOx產生量，節(jié)省尿素用量達70%以上。

為保證配煤降低NOx技術措施常態(tài)化，建立健全了完整的配煤摻燒體系，從采購，運輸，入廠，堆煤，上煤，入爐等各個環(huán)節(jié)嚴格限制入爐煤煤質的各項指標，在安全穩(wěn)定運行范圍內，并可根據需要實時調整配煤方案，以滿足環(huán)保指標要求。保證了入爐煤煤質，就確保了機組運行的穩(wěn)定，也就保證了環(huán)保指標的穩(wěn)定達標排放。

(三)、運行優(yōu)化調整

為改善大氣質量，政府要求燃煤電廠在2015年年底前達到超低排放標準，即NOx進一步控制在50mg/Nm3以下。為此，在SNCR技術和配煤摻燒的基礎上，不斷摸索降低NOx的技術方案。

1、根據NOx產生機理，通過燃燒調整，控制氧量維持在較低的范圍內(氧量設計4%);現控制在3~4%左右，具有進一步采用低氧燃燒，挖掘CFB鍋爐的低氮燃燒潛力。

2、試燒無煙煤初期，為保證燃燒穩(wěn)定性、充分性，床溫一般維持在940~960℃。通過不斷的探索、總結，調整床壓和鍋爐配風，現控制床溫在850~920℃，減少NOx生成。

3、摻燒無煙煤后，原設計SNCR系統(tǒng)的出力裕量較大，通過增加還原劑尿素溶液噴入量，提升脫硝效率，使NOx排放進一步降低。

據脫硝系統(tǒng)運行日報統(tǒng)計，SNCR系統(tǒng)的尿素溶液流量在2015年12月15日之前為40~70kg/h，平均50kg/h，15日之后增大至150~317kg/h，平均220kg/h。


2015年12月15號后，通過對煤質、燃燒和SNCR等相關參數進行調整，NOx排放濃度大幅度下降，達到40mg/Nm3以下。SO2排放濃度在20mg/Nm3以下，顆粒物排放濃度在10mg/Nm3以下，滿足燃煤電廠超低排放標準(SO2≤35mg/Nm3煙塵≤10mg/Nm3NOX≤50mg/Nm3)。并于2016年1月份通過了市監(jiān)測站超低排放驗收監(jiān)測，3月份通過了主管環(huán)保部門驗收和省級環(huán)保部門的驗收，確認了環(huán)保指標能夠長期穩(wěn)定達標排放。

三、控制NOx的成效分析

通過深入研究NOx在CFB鍋爐中的產生機理，挖掘CFB鍋爐低氮燃燒技術潛力，采用相對技術簡單、投資較低的SNCR技術進行改造。充分研究配煤摻燒技術，建立健全了完整了配煤方案。通過配煤、摻燒無煙煤、燃燒優(yōu)化等技術措施，有效降低了NOx的排放濃度，實現了機組超低排放，并且長期穩(wěn)定達標。

結束語

隨著環(huán)保形勢越來越嚴峻，NOx排放的危害越來越受到重視，目前超低排放政策已將NOx排放指標降低到了50mg/Nm3以下，而CFB鍋爐固有的低氮燃燒技術也需在NOx控制方面進一步挖掘潛力。希望通過筆者對CFB鍋爐NOx控制技術的淺顯研究能為廣大CFB鍋爐用戶提供一點借鑒，或能起到拋磚引玉的效果。