节能型CFB锅炉低NOx排放研究

田 雨

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

氮氧化物(NOx)是造成雾霾天气的主要原因之一，其具有不同程度的毒性，可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。近年来，我国NOx排放总量不断上升，并有不断加重的趋势[1]。一直以来，火电经济性优势明显，是我国主力电源，但是电站锅炉作为火力电站的三大主机设备之一，其NOx排放量较大，是NOx的主要排放源。为了降低NOx排放，循环流化床(CFB)锅炉作为商业应用最成功的清洁锅炉之一，在我国劣质煤利用领域大规模推广。然而，目前随着我国节能减排工作的日益深入，《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)对CFB锅炉有了更严格的标准。因此，研究如何控制CFB锅炉NOx的排放，具有迫切的现实意义。

本文通过对NOx生成与还原机理的阐释，探讨了节能型CFB锅炉技术对NOx排放的影响。

1 CFB锅炉NOx生成与控制机理

1.1 NOx生成机理及主要类型

燃煤锅炉生成的NOx主要由NO、NO2、N2O等组成。电厂燃煤生成NOx主要包括热力型、燃料型和快速型3种途径。其中，快速型NOx一般只在CH1基团浓度较高且较为贫氧的环境中生成，由于循环流化床锅炉的燃烧情况达不到快速型NOx的生成条件，故在以燃料煤燃烧设备中，生成的NOx主要有热力型、燃料型。具体而言，当1 500 K

图1 锅炉炉内NOx的生成量与温度关系

由图1可知，当最高温度Tmax<1 500 K时，以燃料NOx为主。作为一种高效低污染的洁净煤燃烧技术，由于CFB锅炉炉膛温度在850 ℃～900 ℃(Tmax<1 500 K)，温度较低，故也几乎没有热力型NOx生成。因此，CFB锅炉中生成的NOx主要为燃料型NOx。

1.2 影响NOx生成及还原的主要因素

燃料型NOx的生成机理非常复杂，与煤种特性、煤的结构、燃料中的氮、燃烧条件等因素有关。NOx生成过程主要集中在CFB锅炉密相区，随烟气沿CFB炉膛高度方向向上流动，质量浓度呈下降趋势。CFB锅炉中燃料型NOx生成路径示意图如第190页图2所示。

对于CFB锅炉生产的NOx而言，已有研究表明，炉内高体积分数的CO和未燃尽焦炭都对其有显著的还原作用。同时，CO和NOx在焦炭表面的气固异相反应是NOx还原的最重要反应。由以上分析可知，温度和氧化还原气氛是影响CFB锅炉中NOx控制的最主要因素。如，当锅炉温度控制在900 ℃，且煤种含氮量低时，NOx可达标排放。

图2 CFB锅炉中燃料型NOx生成路径示意图

2 节能型CFB锅炉技术

CFB锅炉具有煤种适应性好、负荷调节性能优良、NOx排放低等优势。然而，随着我国节能减排理念的进一步深入，面对新的NOx国家排放标准，CFB锅炉机组既面临着超低排放，且要兼顾超低能耗。现主要以低床压降节能型CFB锅炉技术为例，分析节能型CFB锅炉技术对NOx排放的影响。

根据流态化理论，炉膛内流态可视为不同粒径颗粒流态的叠加，由细颗粒和粗大颗粒流动构成。其中，由参与外循环的细颗粒构成的快速床为有效床料，其是CFB锅炉满负荷运行的必要条件。由无法参与循环的粗大颗粒在炉膛底部形成的鼓泡床为无效床料，其对传热贡献很小，且增大了底部受热面的磨损和风机功耗；同时，二次风的穿透效果也受到底部粗颗粒的制约。综上所述，虽然CFB锅炉具有宽筛分的给煤粒径，床料粒径分布也较宽，但适当减少粗颗粒所占份额，有利于提高燃烧效率。

节能型低床压降CFB锅炉技术通过优化给煤粒径，尽量压缩无效床料比例，而尽可能增加形成快速床流动的有效床料比例，使得炉膛内燃烧热量的分配更趋合理[2]。同时，通过优化给煤口布置，增加二次风扰动效果，改进炉膛上部气固混合，进而提高锅炉燃烧效率。也就是说，节能型CFB锅炉技术核心是提高有效床料份额来实现流态重构，以避免多余存料量引起的不必要的风机能耗和受热面磨损；其具体表现为降低床存量和改变配风比例，以有效解决原有CFB锅炉用电率偏高和燃烧效率不足的问题[3]。

3 节能型CFB锅炉技术对NOx生成的影响

节能型低床压降CFB锅炉技术在保证大颗粒燃尽的前提下，降低底部密相区的悬浮质量浓度，满足炉膛上部传热性能要求，避免底部出现超温。同时，二次风口处物料质量浓度降低，提高二次风比例及穿透能力，减少贫氧区的范围，提高锅炉燃烧效率。其中，炉膛温度是NOx生成的最重要因素之一，氧化还原气氛对NOx的生成起到抑制作用，因此，以下从这两个方面探讨节能型CFB锅炉技术NOx生成与控制。

3.1 节能型CFB锅炉技术对床温的影响

相关研究显示，炉膛温度越高NOx排放越高。然而，CFB锅炉具有一定的反应条件，故也不能为了降低NOx的排放而一味地低炉膛温度，炉膛设计温度需要综合考虑传热和燃烧效率的要求。

总体而言，为满足满负荷的传热要求，同时尽量降低飞灰和底渣含碳量，需根据锅炉物料平衡所能达到的传热系数，满足飞灰燃尽需要的温度，来设计受热面的布置。具体的，采用流态重构技术合理优化床料质量，使得尽管炉内床料总存量降低，但上部悬浮物料质量浓度却得以提高，从而在较低温度下依然满足满负荷的热量传递；通过优化二次风的穿透深度和扩散能力，使其具备在较低温度下依然维持较高燃烧效率的条件。同时，上部悬浮质量浓度增加，促进了颗粒团的生成，而颗粒团由于其具有相对较大的直径及质量，其宏观运行可以强化上下颗粒返混，有效避免底部超温。

为了探讨节能型CFB锅炉技术对床温的影响，某电厂分别采用原有技术和节能型CFB锅炉机组在满负荷工况下运行，两种技术在不同炉膛高度下炉膛温度与炉膛压力值如图3所示。

图3 原有技术及节能技术锅炉床层温度与床层压力关系

由图3可知，对于炉膛温度而言，原有技术炉膛温度曲线具有较大的波动，具体表现为在炉膛高度为0 m～5 m时，随着炉膛高度的不断增高，炉膛温度不断上升；在5 m～25 m时，随着炉膛高度的不断增高，又逐渐下降。而相对而言，节能型CFB锅炉技术的炉膛温度曲线更为平缓，原因可能是，节能型锅炉机组炉膛内上部悬浮质量浓度明显较高，炉膛上部传热系数增加，加之颗粒团的形成强化了颗粒内部混合，从而使底部温度显著下降，炉膛上下温度更加均匀。对于炉膛压力而言，也是节能型CFB锅炉技术的炉膛压力曲线相对更为平缓。同时，据统计，该厂节能型CFB锅炉技术改善了气体在炉膛内的扩散和混合，进而强化燃烧，使得CFB锅炉能在较低床温下高效、稳定运行，进而使得NOx平均排放质量浓度更低。

3.2 节能型CFB锅炉技术对氧化还原气氛的影响

国内外大多数学者的研究表明，在相同CFB实验台中，细颗粒煤燃烧的NOx生成量要低于粗颗粒煤。原因可能是，通过优化给煤粒径，细颗粒的增加将导致上部燃烧份额增多，而上部焦炭颗粒对NOx具有还原作用。英国Leeds大学Gibbs教授的研究显示，提高二次风比例后，炉膛出口NOx排放水平下降。原因可能是，一次风比例降低，原有密相区还原性气氛可保持；同时，二次风口位置提高或只全开上二次风口，可改善炉膛内氧气分布的均匀性，同时，二次风口的上移致使下部还原气氛的空间增大；而且，密相区流化风速减小，延长了挥发分析出后在还原性气氛下的停留时间，而这些均对NOx的生成起到抑制作用。二次风份额对NOx排放的影响如图4所示。

由图4a)可知，随着二次风比例的逐渐增大，锅炉出口NOx的排放量影响逐渐降低；由图4b)可知，相同炉膛高度下，高二次风份额NOx的排放量更低。同时，此电厂经节能改造后的5#炉，与原来相比，具有更低的NOx排放量。

4 结论

通过以上探讨可得如下结论：1) CFB锅炉中生成的NOx主要为燃料型NOx；2) 温度和氧化还原气氛是影响CFB锅炉中NOx控制的最主要因素，且低温和还原性气氛更有利于NOx的控制；3) 节能型CFB锅炉技术可实现相对较低和较均匀的炉膛温度，进而使得NOx平均排放质量浓度更低；4) 节能型CFB锅炉技术可保持更久及更大范围的还原性气氛，具有更低的NOx排放量。

图4 二次风份额对NOx排放的影响