發布時間：2022-01-08所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：隨著新的燃煤電站鍋爐氮氧化物(NOx)排放標準的制定，循環流化床(CFB)鍋爐 NOx 排放控制越發受到重視.清華大學開發的基于流態重構的節能型 CFB 鍋爐技術，因其有效解決了原有 CFB 鍋爐廠用電率高、爐膛磨損嚴重、燃燒效率偏低等問題，已得到一定規模的推廣應用.
摘 要：隨著新的燃煤電站鍋爐氮氧化物(NOx)排放標準的制定，循環流化床(CFB)鍋爐 NOx 排放控制越發受到重視.清華大學開發的基于流態重構的節能型 CFB 鍋爐技術，因其有效解決了原有 CFB 鍋爐廠用電率高、爐膛磨損嚴重、燃燒效率偏低等問題，已得到一定規模的推廣應用.同時， 該技術在 NOx超低排放方面也存在一定潛在優勢.為此，本文根據 CFB 鍋爐中 NOx 生成規律及節能型 CFB 鍋爐技術基本理論，結合已有實驗室及工業運行數據，從床層溫度控制和氧化還原氣氛調整等角度，論證了該技術在強化 CFB 鍋爐 NOx低排放性能上具有一定的優勢.
關鍵詞：氮氧化物;節能型循環流化床;床層溫度;氧化還原氣氛
隨著我國環境保護形勢的日益嚴峻，氮氧化物 (NOx)作為主要的大氣污染物受到了越來越嚴格的管控.據統計，我國2010年NOx總排放量為1,852.4 萬噸，其中包括燃煤電站鍋爐在內的工業 NOx 排放占 79.1%，成為 NOx 的主要排放源[1].國家環保局最新修訂了《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)，要求新建電廠需達到 100,mg/m3 的排放標準(以 NO2 計，折算為干基、氧氣體積分數 6%).因此，如何控制燃煤電站鍋爐使其 NOx 排放達到標準要求具有迫切的現實意義.
循環流化床(CFB)鍋爐作為目前商業化應用最成功的清潔煤燃燒技術之一，具有煤種適應性好、負荷調節性能優良、灰渣便于綜合利用等優勢，因此得以在我國劣質煤利用領域大規模推廣[2].同時，CFB 鍋爐由于燃燒溫度低、爐內還原性氣氛較強等特點，具有 NOx 排放低的先天優勢，但面對新的 NOx 國家排放標準，國內大部分 CFB 鍋爐機組都無法達標.其中既有煤種特性導致的，也有鍋爐設計及運行有問題或鍋爐帶病運行導致的，例如，由于系統物料平衡出現問題導致循環流率不足，爐膛溫度超溫等.因此實現 CFB 鍋爐的 NOx 超低排放，首先要解決部分機組的帶病運行問題.清華大學通過大量總結國內外 CFB 鍋爐的運行、設計經驗，并結合理論分析，提出了基于流態重構的低床壓降節能型 CFB 鍋爐技術路線，經實踐檢驗，可顯著改善鍋爐爐內燃燒、磨損狀況，降低了廠用電率，提高設備可用性，大大增強了 CFB 鍋爐的市場競爭力[3].同時，經工業實踐檢驗，節能型 CFB 鍋爐在 NOx 排放上同樣具有一定優勢.然而，相關研究的開展還很不充分，在當前 NOx嚴格限排的背景下，該問題的研究勢在必行.
本文通過對 NOx 生成機理及低床壓降節能型 CFB 鍋爐技術的闡釋，結合已有實驗數據與運行經驗，分析了節能型 CFB 鍋爐技術對 NOx 排放的影響，從而論證了該技術在強化 CFB 鍋爐低 NOx 排放特性上具有一定優勢.
1 CFB鍋爐 NOx生成機理簡述
自 20 世紀 80 年代以來，針對 CFB 鍋爐內 NOx 的生成機理，許多學者進行了大量的研究并取得了不少有益的結論.
在燃煤鍋爐產生的 NOx 中，NO 具有更高的熱力學穩定性，占整個NOx生成量的比例超過90%[4].宏觀而言，燃煤過程中 NOx 的生成途徑主要有熱力型、燃料型和快速型 3 種.由于 CFB 鍋爐燃燒溫度較低(通常小于 1,000,℃)，不具備熱力型 NOx 生成的高溫條件(約 1,300, ℃)，因此幾乎沒有熱力型 NOx 生成，這也是 CFB 鍋爐原始 NOx 排放水平偏低的主要原因.而快速型 NOx 一般只在 CHi 基團濃度較高且較為貧氧的環境中生成.因此，CFB 鍋爐中生成的 NOx 主要為煤中所含氮元素經復雜的化學過程轉化而來的燃料型 NOx [5].
煤中氮含量一般在 0.5%～3%，主要以芳香型的吡咯、吡啶和季氮等形式存在.煤顆粒在被投入爐膛后，隨即在高溫下發生脫揮發分過程，60%～80% 的含氮化合物隨揮發分析出，稱之為揮發分氮，而存留在焦炭中的部分稱為焦炭氮.揮發分氮在高溫環境中的化學活性很高，迅速分解為NH3、HCN 等小分子化合物，并在O2 存在條件下，經NH2、NH、NCO 等基團被氧化為N2、NO、N2O 等.同時，生成的 NO 也會被 NH3 等中間產物、半焦等重新還原為 N2，因此最終的 NO 生成量取決于正逆反應相減后的凈生成量[6].
焦炭氮也會被氧化生成 NO，但焦炭由于自身還原性而產生的抑制作用也不容忽視.圖 1 為 CFB 鍋爐中燃料型 NOx生成路徑示意[7].
NOx 生成過程主要集中在 CFB 鍋爐密相區，尤其是在給煤口附近.NOx 隨煙氣沿 CFB 爐膛高度方向向上流動，直至爐膛出口，質量濃度沿高度呈下降趨勢.一方面，二次風的加入稀釋了 NOx 質量濃度;同時，爐內高體積分數的 CO 和未燃盡焦炭都對 NOx 起到顯著的還原作用.國內 CFB 鍋爐多燃用無煙煤、石油焦、貧煤等低反應活性燃料，單位時間燃燒速率低，因此需要更多的反應表面，造成物料中碳存量較高，所以爐膛內還原性較強[8]，爐膛出口CO 體積分數可達 10,000,×10-6[9].已有研究表明，CO 和 NOx 在焦炭表面發生的氣固異相反應是 NOx 還原的最重要反應[7]，該結論已在小型熱態 CFB 試驗臺上得以驗證[10-12].
綜上所述，溫度和氧化還原氣氛是影響 CFB 鍋爐中 NOx 生成及還原的最主要因素.通過調整 CFB 鍋爐的運行狀態，改變以上各因素，就可以實現對鍋爐NOx 排放的控制.當CFB 鍋爐溫度控制在 900,℃，且當煤種含氮量不高時(如低于0.7%)，可自然實現達標排放，見圖 2[13].
2 節能型 CFB鍋爐技術對 NOx生成的影響
2.1 節能型 CFB鍋爐技術簡介
CFB 鍋爐具有寬篩分的給煤粒徑，一般在 0～ 10,mm，因此爐膛內床料也具有較寬的粒徑分布.根據流態化理論，爐膛內流態可視為不同粒徑顆粒流態的疊加，由無法參與循環的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床流動以及參與外循環的細顆粒構成的快速床流動組成[14]，如圖 3 所示[15].
因此，CFB 鍋爐的床料可定性分為兩類，即參與外部循環的有效床 料和無 法參與循環的無效床料.有效床料量決定了爐膛內和循環回路中的燃燒分配和受熱面布置，是 CFB 鍋爐滿負荷運行的必要條件;而作為無效床料的粗顆粒，對傳熱貢獻很小，且加劇了底部受熱面的磨損，增大了風機功耗.現有部分 CFB 鍋爐運行中廠用電率偏高和水冷壁磨損嚴重的弊端很大程度上源于此.同時，二次風的穿透效果也受到底部粗顆粒的制約，因此，適當減少粗顆粒所占份額，對于降低風機壓頭、改善磨損和提高燃燒效率都是有益的.
節能型低床壓降 CFB 鍋爐技術通過優化給煤粒徑，在保證大顆粒燃盡的前提下，盡量壓縮無效床料比例，從而降低底部密相區的懸浮質量濃度，而盡可能增加形成快速床流動的有效床料比例，滿足爐膛上部傳熱性能要求，使得爐膛內燃燒熱量的分配更趨合理，避免底部出現超溫.同時，二次風口處物料質量濃度降低，通過優化給煤口布置，增加二次風擾動效果，提高二次風比例及穿透能力，改進爐膛上部氣固混合，減少貧氧區的范圍，提高鍋爐燃燒效率.爐膛底部懸浮質量濃度降低，也可以減輕受熱面的磨損，提高鍋爐機組的可用率.當然，采用該技術的前提是，CFB 鍋爐的分離器效率和外循環回路必須能滿足基本的物料平衡要求，否則需要對相應的部件進行改造[16].
綜上所述，節能型CFB鍋爐技術路線的核心是通過提高有效床料份額實現流態重構，具體表現為床存量降低和配風比例變化，爐膛上部維持快速床流化狀態，避免多余存料量引起的不必要的風機能耗和受熱面磨損，從而有效解決了原有CFB鍋爐廠用電率偏高和燃燒效率不足的問題.實踐證明，采用該技術的 CFB鍋爐機組廠用電率可以從7%～8%降至4%～5%，鍋爐的檢修周期延長，機組可用率達到 99.9%[15,17].
2.2 節能型 CFB鍋爐技術對床溫的影響
爐膛溫度是 NOx 生成的最重要因素之一，溫度越高 NOx 排放越高.爐膛設計溫度的選取需要綜合考慮傳熱和燃燒效率的要求，因此不能選擇得過低.為滿足滿負荷的傳熱要求，需要根據鍋爐物料平衡所能達到的傳熱系數(主要由物料懸浮質量濃度決定)，滿足飛灰燃盡需要的溫度，來設計受熱面的布置，以盡量降低飛灰和底渣含碳量.采用流態重構技術合理優化床料質量，優化二次風的穿透深度和擴散能力，使得爐膛內燃燒效率提高，因此具備了在較低溫度下依然維持較高燃燒效率的條件;通過優化床料質量，盡管爐內床料總存量降低，平均顆粒懸浮質量濃度下降，但上部懸浮物料質量濃度卻得以提高，上部區域受熱面傳熱系數增大，從而在較低溫度下依然滿足滿負荷的熱量傳遞.同時，上部懸浮質量濃度增加，促進了顆粒團的生成，顆粒團在爐膛內的宏觀運行強化了上下顆粒返混，因此爐膛內溫度均勻性提高，可以有效避免底部超溫.
國內北方某電廠同時配備了采用原有技術和節能型技術的 220,t/h 高壓 CFB 鍋爐機組.在滿負荷工況燃用相同煤種情況下，對于節能型鍋爐機組而言，盡管風室風壓要低于老技術機組，但爐膛內上部懸浮質量濃度明顯高于后者，很明顯形成了較高的循環流率，因此爐膛上部傳熱系數增加，爐膛內物料分布趨于合理，顆粒團的形成強化了顆粒內部混合，使爐膛整體床溫，尤其是底部溫度顯著下降(低于 900,℃)，爐膛上下溫度更加均勻，詳見圖 4.據統計，該廠節能型技術鍋爐和原有技術鍋爐的 NOx 平均排放質量濃度為 113,mg/m3 和 192,mg/m3 ，可見節能型技術在低 NOx排放上優勢明顯.
上述運行證明，節能型循環流化床鍋爐技術通過優化床料粒徑、二次風布置方式和一二次風配比等，改善氣體在爐膛內的擴散和混合，進而強化燃燒，減輕了燃盡對高床溫的依賴，使得 CFB 鍋爐能在較低床溫下高效、穩定運行，從而具備了在較低溫度下同時滿足傳熱和燃燒的能力.綜上所述，從 NOx 生成的溫度因素考慮，基于流態重構的節能型 CFB 鍋爐具有先天的優勢.
2.3 節能型 CFB鍋爐技術對氧化還原氣氛的影響
通過優化給煤粒徑，爐膛底部處于鼓泡床狀態的粗大顆粒份額顯著減少，細顆粒的增加將導致上部燃燒份額的增多，分級送風配比也將相應地調整，即一次風比例降低，二次風比例增加.而且，為了提高燃燒效率，二次風口位置提高或只全開上二次風口，增強了單股二次風的噴射動量，改善爐膛內氧氣分布的均勻性.
由于底部一次風的減少，原有的密相區還原性氣氛得以保持，同時二次風口的上移致使下部還原氣氛的空間增大，均對 NOx 的生成起到抑制作用.而且，密相區流化風速減小，氣體及煤顆粒在此區域的停留時間增加，亦即延長了揮發分析出后在還原性氣氛下的停留時間，揮發分氮盡管可以分解為 NH3、HCN 等小分子化合物，在還原性氣氛下將錯失了最佳生成 NOx 的機會.在二次風口以上，由于稀相區物料懸浮質量濃度的增加及燃燒份額的提高，未燃盡碳濃度增加，對 NOx 的還原效果將增加[18].Deigo 等[11]在實驗中發現，在相同 CFB 實驗臺中，細顆粒煤燃燒的 NOx 生成量要低于粗顆粒煤，作者對此現象的解釋仍然是上部焦炭顆粒對 NOx的還原作用.
英國 Leeds 大學的 Gibbs 教授課題組利用帶外置換熱床的熱態 CFB 實驗臺，研究了一二次風配比及二次風口高度對 NOx 生成的影響.結果表明，提高二次風比例后，爐膛出口 NOx 排放水平下降，且密相區原始 NOx 生成量的差異明顯，如圖 5 所示.從 NOx 生成環境氣氛的角度，筆者認為二次風比例調整后對密相區還原性的改變較為顯著.而提高二次風口位置時，NOx 在爐膛中下部質量濃度變化不大，而在出口處略有降低[10-11].Zhao 等[19]也利用 150,kWth 小型CFB 實驗臺，探討了包括一二次風配比、二次風注入位置等因素對爐膛內氧化還原氣氛的影響，進而考察對 NOx 排放的影響，也得到了與以上類似的結論.他們還考察了 NO 生成沿爐膛橫向的分布規律，進一步證實了NOx生成對氧化性氣氛的依賴性[12].
已有的小型 CFB 熱態實驗結果及理論分析表明，重構后的 CFB 鍋爐流態以及對配風作出的相應調整，有利于減少 NOx的初始生成量并促進其還原.
對于工業實踐，以浙江嵊州某熱電廠兩臺 CFB 鍋爐運行數據為例，見表 1.經節能改造后的 5#爐與未經改造的 4#爐相比，在燃用相同燃料時(均為印尼煙煤摻混石油焦)，床溫明顯偏低，且爐內燃燒狀況組織較好.同時，當 5#爐負荷降低后，相應減小鍋爐風量，爐膛內氧濃度的降低導致 NOx 排放的大幅度下降，說明該燃料的 NOx 排放特性與爐膛內氧化氣氛程度高度相關，經改造后的 5#爐具有更大的 NOx 調節裕度.
3 結 語
根據 CFB 鍋爐中 NOx 生成規律及節能型 CFB 鍋爐技術基本理論，結合已有實驗室及工業運行數據，從床溫控制和氧化還原氣氛調整等角度，證明節能型 CFB 鍋爐可有效解決超溫現象、維持鍋爐低床溫運行并改善爐膛內氧化還原氣氛分布狀況，使得該技術在強化 CFB 鍋爐 NOx低排放性能上具有一定的優勢.該技術還需要在已投運節能型 CFB 鍋爐上進一步加以驗證，并拓寬煤種的適應性.——論文作者：李競岌 1 ，楊海瑞 1 ，呂俊復 1 ，張建春 2 ，曹培慶 3 ，趙勇綱 3 ，白 楊 3
參考文獻：
[1] 中華人民共和國環境保護部. 2010 年環境統計年報 [R]. 北京：中國環境科學出版社，2012. Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China. 2010 Annual Statistic Report on Environment in China [R]. Beijing：China Environmental Science Press，2012(in Chinese).
[2] 呂俊復，岳光溪，張建勝，等. 循環流化床鍋爐運行與檢修[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005. Lü Junfu，Yue Guangxi，Zhang Jiansheng，et al. Operation and Maintenance of Circulating Fluidized Bed Boiler [M]. Beijing：China Water & Power Press， 2005(in Chinese).
[3] 楊 石，楊海瑞，呂俊復，等. 新一代節能型循環流化床鍋爐燃燒技術[J]. 動力工程，2009，29(8)： 728-732. Yang Shi，Yang Hairui，Lü Junfu，et al. The new generation combustion technology for energy saving circulating fluidized bed boilers [J]. Journal of Power Engineering，2009，29(8)：728-732(in Chinese).
[4] 任 維，張建勝，姜孝國，等. 焦炭流化床燃燒條件下氧化亞氮生成途徑的實驗研究[J]. 環境科學學報， 2003，23(3)：408-410. Ren Wei，Zhang Jiansheng，Jiang Xiaoguo，et al. Experimental study on nitrous oxide formation during char combustion at fluidized bed combustion [J]. Acta Scientiae Circumstantiae，2003，23(3)：408-410(in Chinese).
[5] 侯祥松，李金平，張 海，等. 石灰石脫硫對循環流化床中 NOx 生成和排放的影響[J]. 電站系統工程， 2005，21(1)：5-7. Hou Xiangsong，Li Jinping，Zhang Hai，et al. Limestone effects on NOx formation & emission in CFB combustors [J]. Power System Engineering ， 2005 ， 21(1)：5-7(in Chinese).
[6] 張 磊，楊學民，謝建軍，等. 循環流化床燃煤過程 NOx 和 N2O 產生-控制研究進展[J]. 過程工程學報， 2006，6(6)：1004-1010. Zhang Lei，Yang Xuemin，Xie Jianjun，et al. Investigation progress on release and control of NOx and N2O during coal combustion in circulating fluidized bed combustor [J]. Chinese Journal of Process Engineering， 2006，6(6)：1004-1010(in Chinese).
[7] Armesto L，Boerrigter H，Bahillo A，et al. N2O emissions from fluidised bed combustion [J]. Fuel，2003， 82(15/16/17)：1845-1850.
[8] Åmand L E，Leckner B. Oxidation of volatile nitrogen compounds during combustion in circulating fluidized bed boilers [J]. Energy & Fuels，1991，5(6)：809- 815.
SCISSCIAHCI
