有效改善CFB鍋爐燃燒過程低氮特性加入煙氣再循環(huán)，努力降低NOx排放值，設(shè)法達(dá)到國(guó)家對(duì)燃煤爐的NOx排放標(biāo)準(zhǔn);煙氣再循環(huán)是其中一種低氮燃燒技術(shù)，通過控制循環(huán)煙氣量及分級(jí)送風(fēng)，達(dá)到低氮與高效燃燒有效地降低了NOx的生成，保障排放環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：熱力型NOx 煙氣再循環(huán) 分級(jí)送風(fēng)

一、概述

我國(guó)循環(huán)流化床技術(shù)發(fā)展情況，目前我國(guó)有案可查的循環(huán)流化床鍋爐(簡(jiǎn)稱CFB鍋爐)已達(dá)4000余臺(tái)，其中80%以上為中小型CFB發(fā)電機(jī)組或?qū)Ｓ霉I(yè)鍋爐，多達(dá)3500臺(tái)左右，內(nèi)420t/h以上蒸發(fā)量的大型CFB鍋爐平均NOx排放指標(biāo)為230mg/Nm3左右;240t/h中小型蒸發(fā)量的中小型鍋爐NOx煙氣排放更高一些，而平均為300mg/Nm3。未達(dá)到國(guó)家現(xiàn)階段NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，有效改善CFB鍋爐燃燒過程低氮特性加入煙氣再循環(huán)，努力降低NOx排放值，必要時(shí)也可加裝爐內(nèi)噴氨SNCR裝置，設(shè)法達(dá)到國(guó)家對(duì)燃煤爐的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，就成為不可回避的問題了。

二、NOx的生成、危害

化石燃料燃燒產(chǎn)物是重要的大氣環(huán)境污染源之一。其中氮氧化物是燃燒過程中排放的污染物之一。氮氧化物、氧化硫和固體顆粒排放物能產(chǎn)生酸雨、降低能見度和影響人類健康。氮氧化物是指一氧化氮、二氧化氮、以及少量的氧化二氮。燃燒任何化石燃料、由于溫度高氧氣的存在以及空氣和燃料中的氮、都會(huì)產(chǎn)生一定量的NOx。燃燒過程中排放出來(lái)的NOx約90%是NO，5%到10%是N02，l%是N20。煙氣排出煙囪后其中的NO最終在大氣中被氧化成二氧化氮。在電廠煙囪排氣中經(jīng)?？吹降募t棕色即是二氧化氮。在大氣中二氧化氮經(jīng)過一系列反應(yīng)形成二次污染物。二氧化氮與太陽(yáng)光和碳?xì)鋱F(tuán)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧和酸雨的成分【1】。

氮氧化物NOx主要是通過三種路經(jīng)形成的：熱力型、快速型、及燃料氮【2、3】。

熱力型或Zeldovich型氮氧化物是通過下列基本反應(yīng)形成的：

O+N2→NO+N(1—1)

N+02→NO+O(1—2)

N+OH→NO+H(1—3)

傳統(tǒng)的保證充分燃燒的條件(高溫、足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間、高湍流度或混合)都是增加熱力型氮氧化物的因素。因此，需要在有效燃燒及控制氮氧化物的生成之間尋找一個(gè)最佳點(diǎn)。降低熱力型NOx可以通過對(duì)燃燒系統(tǒng)修改來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過控制燃料與空氣的混合來(lái)控制燃燒速度，從而降低燃燒最高溫度點(diǎn)的溫度以此來(lái)降低熱力型NOx的形成。通過分級(jí)燃燒即先加入部分燃燒空氣，使燃料在完全燃燒之前先進(jìn)行部分冷卻然后在逐步加入剩余的燃燒空氣亦可有效降低熱力型NOx的產(chǎn)生。采用煙氣再循環(huán)可有效地降低最高溫度區(qū)域的溫度，從而減少熱力型NOx的產(chǎn)生。燃料型NOx是煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx的主要來(lái)源。研究燃料型NOx的生產(chǎn)和破壞機(jī)理，對(duì)于如何有效地在燃燒過程中控制NOx的排放具有重要的意義。煤燃燒時(shí)約75%至90%的NOx是燃料型NOx。

三、煙氣再循環(huán)技術(shù)理論

高溫低氧燃燒技術(shù)(HTAC)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型燃燒技術(shù)。由于這項(xiàng)技術(shù)突出的節(jié)能與環(huán)保優(yōu)勢(shì)，在許多國(guó)家得到了廣泛的重視，到1995年，已經(jīng)有800多套工業(yè)爐采用該技術(shù)進(jìn)行改造【4-6】。煙氣再循環(huán)是其中一種低氮燃燒技術(shù)，即從鍋爐尾部煙道抽取一部分低溫?zé)煔?主要成分N2，O2和CO2)返回爐內(nèi)，參與輔助燃燒和流場(chǎng)整合。抽取的煙氣通過與煙氣的混合后送入爐內(nèi)。煙氣再循環(huán)的效果不僅與燃燒種類有關(guān)，還與再循環(huán)煙氣量有關(guān)。循環(huán)煙氣量一般以煙氣循環(huán)率β來(lái)表示，即煙氣再循環(huán)量與燃燒設(shè)備鍋爐排煙總量之比。煙氣再循環(huán)技術(shù)，其核心在于利用煙氣所具有的低溫低氧特點(diǎn)，將部分煙氣再次噴入爐膛合適部位，降低爐膛內(nèi)局部溫度以及形成局部還原性氣氛，從而抑制NOx的生成。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)煙氣再循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究取得了不少成果。華北電力大學(xué)的胡滿銀【7】研究發(fā)現(xiàn)，煙氣再循環(huán)技術(shù)可以降低爐膛內(nèi)平均溫度，從而降低NOx的生成量;內(nèi)蒙古科技大學(xué)的趙增武【8】通過研究煙氣再循環(huán)對(duì)高溫燃燒及其NOx排放特性影響。發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)有效的降低了助燃空氣中的氧含量，降低了火焰局部高溫，有效的抑制了熱力型NOx的生成。

燃燒氣氛中O2/CO2體積比對(duì)NOx.生成量以及NO/NOx比率都有明顯的影響,當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時(shí),NOx的排放量隨O2/CO2體積比的變化情況【9】(見下圖)。


四、煙氣再循環(huán)在天?？崭蹮犭姀S應(yīng)用

天?？崭蹮犭姀S為4臺(tái)75t/h差速循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)燃燒過程存在的問題均勻性由于流態(tài)化過程的復(fù)雜性、新鮮燃料投入主床而回料灰的分布相對(duì)集中投入前后埋管受熱面副床上，造成主副床料層顆粒的不均勻性、物料流化程度的偏差和一、二次風(fēng)分配的不均勻性，直接導(dǎo)致了床溫的偏差。事實(shí)上整個(gè)床面上主副床各個(gè)床溫測(cè)點(diǎn)偏差較大是普遍存在的一個(gè)鍋爐共有問題，一般鍋爐的床溫偏差都在70℃左右，差速循環(huán)流化床改造前最大的可以達(dá)到150℃以上(附照片)，這也造成了物料燃盡，以及低氮燃燒的困難。床溫的不均勻性，肯定會(huì)造成局部溫度峰值。主床局部超高床溫是產(chǎn)生NOx急劇增加的元兇，其生成能力是合理床溫下的數(shù)倍甚至數(shù)量級(jí)增加?？刂埔粋€(gè)合適的床溫變化范圍，是解決低氮燃燒的關(guān)鍵因素之一。而在改造前運(yùn)行中鍋爐低過后氧量偏高(負(fù)荷30%低過后氧量12%，負(fù)荷55%—100%低過后氧量5%——8%)。理論上，860～875℃的床溫控制范圍絕對(duì)是大家都能接受的CFB最佳低氮脫硝溫度，而對(duì)于現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中，主床控制平均床溫為890～920℃，副床控制平均床溫為750℃。這種溫度差的增加，會(huì)影響整個(gè)物料循環(huán)和流態(tài)化過程的低溫燃燒效果，也能夠?qū)е旅摿蚪档实南陆怠６物L(fēng)應(yīng)用方式又有別于一般循環(huán)流化床鍋爐，二次風(fēng)主要是保障副床物料流動(dòng)及埋管換熱(埋管即為主要換熱面，膜式水冷壁70%包裹在澆注料內(nèi)只有爐膛出口漏出部分換熱面)，所以分級(jí)送風(fēng)的控制，既可以強(qiáng)化氧化區(qū)燃盡和還原區(qū)低氧分段燃燒效果，也抑制溫度及溫差水平，達(dá)到低氮與高效燃燒的過程統(tǒng)一。煙氣再循環(huán)投入可控制分段送風(fēng)投入的所需氧氣保障燃燒，又可以控制爐膛出口過剰空氣量。


改造方式：空港熱電廠現(xiàn)將四臺(tái)鍋爐加裝管徑為800mm煙氣在循環(huán)管路一套，煙氣引出點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前煙道上方，煙氣接入點(diǎn)為一二次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)道處，接入及引出處均有電動(dòng)蝶閥控制，并在一次風(fēng)進(jìn)口，二次風(fēng)進(jìn)口加裝電動(dòng)百葉窗擋板，通過吸入循環(huán)煙氣控制降低入爐空氣氧量，達(dá)到爐出口過?？諝饨档?，平均促使煙氣NOx排放值下降到要求范圍;分級(jí)送風(fēng)控制主副床溫度及溫差水平，達(dá)到低氮與高效燃燒。(附照片注：風(fēng)機(jī)入口新加閥門為煙氣再循環(huán)閥門)


現(xiàn)通過為期半年的調(diào)試試驗(yàn)，通過在不同負(fù)荷段控制一二次風(fēng)內(nèi)的循環(huán)煙氣量及配比，以控制主副床溫度及爐膛出口氧量，具體負(fù)荷段試驗(yàn)據(jù)及控制如下表：


現(xiàn)在鍋爐負(fù)荷在80%以上時(shí)(注：由于入爐煤灰分控制在≤15%，造成料層積攢困難因此以鍋爐負(fù)荷80%以上為例)，通過煙氣再循環(huán)，再利用分段送風(fēng)控制氧量主床溫度平均935℃，副床溫度平均870℃，溫差平均保持在60℃左右，較有效的控制了主床溫度及密相區(qū)的實(shí)際過量空氣系數(shù)，在運(yùn)行中，使密相區(qū)主要處于還原性氣氛。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過控制循環(huán)煙氣量與吸入空氣混合，有效的降低入爐空氣氧量，達(dá)到控制爐出口過?？諝饨档?，在分級(jí)送風(fēng)階段通過控制主副床風(fēng)量氧量，使主副床溫度及溫差水平，達(dá)到低氮與高效燃燒有效地降低了NOx的生成平均各爐比未投入煙氣再循環(huán)前NOx平均折標(biāo)后降低180mg/Nm3，效果較明顯。再通過SCR及SNCR的投入就能保障排放環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)。