摘要：根據(jù)國(guó)家環(huán)保政策及對(duì)燃煤電廠污染物實(shí)施超低排放的要求，在充分發(fā)揮CFB鍋爐清潔燃燒技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，基于循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物產(chǎn)生機(jī)理，依托SNCR技術(shù)，通過(guò)配煤摻燒，優(yōu)化燃燒方式，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物排放低于50mg/Nm3的目標(biāo)。

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

引言

按照GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，自2014年7月1日起火力發(fā)電鍋爐對(duì)于氮氧化物(NOx)的排放將全面執(zhí)行低于100mg/Nm3的新標(biāo)準(zhǔn)。2015年12月份，《國(guó)家發(fā)展改革委環(huán)境保護(hù)部國(guó)家能源局關(guān)于實(shí)行燃煤電廠超低排放電價(jià)支持政策有關(guān)問(wèn)題的通知》[發(fā)改價(jià)格〔2015〕2835號(hào)]明確要求，火電機(jī)組NOx排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50mg/Nm3以下(河北省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB13/2209—2015)《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中煤粉爐超低排放標(biāo)準(zhǔn))，方可享受超低排放電價(jià)補(bǔ)貼。

目前大多數(shù)循環(huán)流化床(CFB)鍋爐的NOx排放不能直接達(dá)標(biāo)，且原有的煙氣脫硝技術(shù)對(duì)NOx的脫除率有限，使得CFB鍋爐的環(huán)保優(yōu)勢(shì)不再突出。因此，如何發(fā)揮CFB自身優(yōu)勢(shì)，在燃燒過(guò)程中通過(guò)技術(shù)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，促進(jìn)企業(yè)對(duì)進(jìn)一步降低CFB鍋爐NOx排放，實(shí)現(xiàn)超低排放的研究動(dòng)力。

一、燃煤鍋爐NOx產(chǎn)生基理

煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)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(chǎn)生。

在煤燃燒過(guò)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(guò)量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。在煤燃燒過(guò)程中，生成的NOx途徑有：

(一)、熱力型NOx(ThermalNOx)：它是空氣中氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox，在溫度足夠高時(shí)，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(guò)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(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成的NOx。在循環(huán)流化床鍋爐中，一方面，氮在燃燒過(guò)程中被不斷氧化生成NOx，另一方面在還原性氣氛中NOx也會(huì)被不斷還原生成N2，因此，影響氧化、還原反應(yīng)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(jī)理非常復(fù)雜，在一般的燃燒條件下，燃料中的氮有機(jī)化合物首先熱分解成氰化氫(HCN)、氨(NH3)和CN等中間產(chǎn)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(lái)自揮發(fā)份;由焦碳N所生成的NOX占到20%~40%。

(二)、過(guò)量空氣系數(shù)

在一定程度上可限制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氧濃度，因而，對(duì)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(huì)增加，燃燒效率會(huì)下降。

采用一次風(fēng)、二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)，可有效地降低NOx的排放量。一般情況下，二次風(fēng)從床上一定距離送入，隨著一次風(fēng)量的減少、二次風(fēng)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(fēng)量分配下達(dá)到最小值。

(三)、燃燒溫度


燃燒溫度對(duì)NOx的排放量的影響已取得共識(shí)，即隨著爐內(nèi)燃燒溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此，可以通過(guò)降低床溫來(lái)控制NOx的排放量。但是，床溫的降低會(huì)帶來(lái)兩個(gè)不利的后果，一個(gè)是爐內(nèi)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(gè)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(chǎn)生量基本可以忽略不計(jì)。主要是燃料型NOx，根據(jù)煤種的不同，燃料型NOx產(chǎn)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(shí)對(duì)NOx的排放量也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，使NO上升。脫硫劑的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是富余CaO作為強(qiáng)催化劑會(huì)強(qiáng)化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加;另一個(gè)是富余的CaO和CaS作為催化劑會(huì)強(qiáng)化CO還原NO的反應(yīng)過(guò)程。一般情況下，CaO對(duì)燃料NOx生成NO的貢獻(xiàn)大于其對(duì)還原性氣體還原NO的貢獻(xiàn)，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(lái)的一種新型燃燒技術(shù)，它的主要特點(diǎn)在于燃料及脫硫劑經(jīng)多次循環(huán)、反復(fù)地進(jìn)行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，爐內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。它不但能達(dá)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(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。

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(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)最大容量CFB鍋爐。設(shè)計(jì)燃用山西晉中貧煤。2014年7月1日前執(zhí)行NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為650mg/Nm3。2014年7月1日按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011)執(zhí)行NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為200mg/Nm3?？紤]到電廠處于重點(diǎn)地區(qū)市域范圍，于2014年實(shí)施了環(huán)保改造，執(zhí)行NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為100mg/Nm3。并針對(duì)NOx排放控制進(jìn)行了以下嘗試。

(一)、SNCR改造

考慮CFB鍋爐采用低氮燃燒技術(shù)，燃燒溫度較低，二次風(fēng)分級(jí)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(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，無(wú)二次污染的SNCR脫硝技術(shù)路線進(jìn)行改造。在鍋爐爐膛出口與旋風(fēng)分離器入口之間水平段煙道處，左右兩側(cè)各設(shè)計(jì)安裝6支出力為0.5t/h噴槍，向爐內(nèi)直接噴射5%的尿素溶液做為還原劑，達(dá)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(fēng)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?dú)?。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(fēng)分離器中和煙氣充分混合，充分發(fā)生還原反應(yīng)，所以在CFB鍋爐上，SNCR脫硝效率高于煤粉爐，可以達(dá)到80%。氨逃逸一般不大于5ppm。

脫硝系統(tǒng)具有鍋爐40～100%負(fù)荷范圍調(diào)節(jié)控制的模式，以對(duì)應(yīng)不同鍋爐負(fù)荷條件下的煙氣量及溫度變化。鍋爐在不同負(fù)荷時(shí)反應(yīng)劑噴射量，由流體力學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型及物料平衡的計(jì)算獲得，并通過(guò)前饋控制參數(shù)(鍋爐負(fù)荷和蒸汽生產(chǎn)率、爐內(nèi)及催化劑的溫度)以及反饋控制參數(shù)(煙囪出口的NOx)來(lái)進(jìn)行連續(xù)不斷的調(diào)整，以達(dá)到要求的NOx控制值。控制邏輯見(jiàn)圖2：


(二)、調(diào)整配煤結(jié)構(gòu)

根據(jù)環(huán)保年報(bào)統(tǒng)計(jì)，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(wú)煙煤等均有摻燒。NOx排放最高為351mg/Nm3，最低126mg/Nm3。雖然排放遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的排放限值，但遠(yuǎn)高于超低排放的限值(50mg/Nm3)。


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


2014年12月3日環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)在役2臺(tái)鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)停運(yùn)和正常運(yùn)行時(shí)兩個(gè)工況進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：


通過(guò)大幅度增加無(wú)煙煤摻燒比例，NOx排放數(shù)值由200~300mg/Nm3降低到100~150mg/Nm3。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，摻燒無(wú)煙煤可有效地控制、降低NOx產(chǎn)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(chǎn)生量，節(jié)省尿素用量達(dá)70%以上。

為保證配煤降低NOx技術(shù)措施常態(tài)化，建立健全了完整的配煤摻燒體系，從采購(gòu)，運(yùn)輸，入廠，堆煤，上煤，入爐等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格限制入爐煤煤質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，在安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，并可根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整配煤方案，以滿足環(huán)保指標(biāo)要求。保證了入爐煤煤質(zhì)，就確保了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定，也就保證了環(huán)保指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

(三)、運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

為改善大氣質(zhì)量，政府要求燃煤電廠在2015年年底前達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即NOx進(jìn)一步控制在50mg/Nm3以下。為此，在SNCR技術(shù)和配煤摻燒的基礎(chǔ)上，不斷摸索降低NOx的技術(shù)方案。

1、根據(jù)NOx產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)燃燒調(diào)整，控制氧量維持在較低的范圍內(nèi)(氧量設(shè)計(jì)4%);現(xiàn)控制在3~4%左右，具有進(jìn)一步采用低氧燃燒，挖掘CFB鍋爐的低氮燃燒潛力。

2、試燒無(wú)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(guò)不斷的探索、總結(jié)，調(diào)整床壓和鍋爐配風(fēng)，現(xiàn)控制床溫在850~920℃，減少NOx生成。

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

據(jù)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行日?qǐng)?bào)統(tǒng)計(jì)，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(hào)后，通過(guò)對(duì)煤質(zhì)、燃燒和SNCR等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，NOx排放濃度大幅度下降，達(dá)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(biāo)準(zhǔn)(SO2≤35mg/Nm3煙塵≤10mg/Nm3NOX≤50mg/Nm3)。并于2016年1月份通過(guò)了市監(jiān)測(cè)站超低排放驗(yàn)收監(jiān)測(cè)，3月份通過(guò)了主管環(huán)保部門(mén)驗(yàn)收和省級(jí)環(huán)保部門(mén)的驗(yàn)收，確認(rèn)了環(huán)保指標(biāo)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

三、控制NOx的成效分析

通過(guò)深入研究NOx在CFB鍋爐中的產(chǎn)生機(jī)理，挖掘CFB鍋爐低氮燃燒技術(shù)潛力，采用相對(duì)技術(shù)簡(jiǎn)單、投資較低的SNCR技術(shù)進(jìn)行改造。充分研究配煤摻燒技術(shù)，建立健全了完整了配煤方案。通過(guò)配煤、摻燒無(wú)煙煤、燃燒優(yōu)化等技術(shù)措施，有效降低了NOx的排放濃度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組超低排放，并且長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

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