超临界CFB锅炉NOX排放分析及优化

汪瑞平

(陕西能源麟北发电有限公司 陕西 宝鸡 722300)

一、前言

NOX是煤炭燃烧产生的主要大气污染物之一,其对人体、动植物有损害作用,是形成酸雨、酸雾的主要原因之一[1]。2014年发改能源[2014]2039号文对火电机组的节能减排提出了严格的要求，要求新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3[2]。2015年环发[2015]164号《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》要求到2020年，全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放，这一系列的环保文件的颁布表明了，火力发电厂污染物排放减排工作迫在眉睫，同时各燃煤电厂在大气污染防治方面也面临着严峻考验。

二、CFB锅炉SNCR脱硝原理

CFB锅炉一直以燃烧低热值煤和低的NOX排放而著称，CFB锅炉脱硝基本采用SNCR脱硝技术，具有投资少、改造工程量小、运行维护成本低、容易联合其他脱硝技术同时使用等特点。

SNCR(选择性非催化还原)，其基本原理是在没有催化剂的情况下，向850℃～1100℃炉膛中喷入还原剂氨或尿素，还原剂“有选择性”地与烟气中的NOX反应并生成无毒、无污染的N2和H2O。

用尿素作还原剂时其反应可表示为:

H2NCONH2→NH3+CONH

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

2NO+2CONH+1/2O2→2N2+2CO2+H2O

350MW超临界CFB锅炉已投入运行四十余台，脱硝系统布置采用SNCR+SCR(预留)的方式，一方面是通过设计优化进一步挖掘CFB锅炉的低NOX排放的潜能，另一方面SCR(预留)为了能满足日益严峻的环保排放要求[3]。

三、CFB锅炉NOX生成机理

煤燃烧过程中产生的NOX主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，这两者统称为NOX，此外还有少量的一氧化二氮(N2O)产生。煤燃烧过程中，生成的NOX途径有：

1.热力型NOX：空气中氮气在高温下氧化而生成的NOX，热力型NOX的生成仅在温度高于1500℃时才变得显著[1]。CFB锅炉运行温度范围(850～950℃),因此生成的热力型NOX<10%，故一般不予考虑。

2.燃料型NOX：它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而成的NOX，约占60%-80%以上[1]。

3.快速型NOX：主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的N2发生反应，形成的CN和HCN继续氧化而生成的NOx。快速型NOX所占比例不到5%。

CFB锅炉床温一般都控制在850～950℃左右，热力型NOX和快速型NOX的产生量基本可以忽略不计，主要是燃料型NOX，根据煤种的不同，燃料型NOX产生量在50至500mg/Nm3之间。

四、超临界CFB锅炉NOX排放影响因素

煤燃烧过程中NOX的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。

1.燃料特性。煤种不同，煤中挥发分、氮含量、水分以及灰分均有不同程度的差异，这些差异很大程度上导致了NOX生成量的不同，其中挥发分和含氮量对NOX生成影响最为显著。研究表明[4]，煤粉在燃烧过程中生成的NOX以燃料型NOX为主，而在燃料型NOX中，挥发分氮生成的NOX占60%-80%，所以挥发分的含量是影响NOX生成的一个重要因素，挥发分含量高，氮的释放量就大，产生的NOX体积分数就高。

2.过量空气系数。随着过量空气系数α的增加，着火区中氧浓度增加氧化气氛增强，加速了挥发分HCN、NHi与自由基O、OH、O2等的氧化反应利于挥发分NOX的生成；反之，当过量空气系数α减小时氧浓度减小，氧化气氛较弱挥发分N不易转化为NOX从而使NOX生成量降低。研究表明，当过量空气系数α>1的条件下燃料挥发分越高则NOX的生成量越多，当过量空气系数α<1时，挥发分虽高NOX生成的量并不多，主要原因是挥发分迅速燃烧，使局部氧量减少，转化率会急剧下降，不利于NOX的生成[5]。通过减小过量空气系数α，就可以减小NOX的转化率降低NOX生成量，但是炉内氧浓度过低会造成CO浓度和飞灰含碳量急剧增加，从而大大增加化学和机械未完全燃烧热损失。所以必须兼顾燃烧效率和NOX排放最少的要求下寻求一个最佳的过量空气系数α。[5]

3.燃烧温度的影响。SNCR工艺的温度控制至关重要，若温度过低，NH3的反应不完全，容易造成NH3逃逸量增加，运行数据表明循环流化床锅炉旋风分离器入口温度降至800℃左右，氨逃逸可达到5ppm，温度降至780℃，氨逃逸可达到8ppm；而温度过高，NH3则容易被氧化为NO，抵消了NH3的脱硝效果，所以温度过高或过低都会导致还原剂损失和NOX脱除率下降。

五、350MW超临界CFB锅炉SNCR设计上的优化

1.350MW超临界CFB锅炉对床温的设计优化。

(1)增加水冷壁受热面，在炉膛内前后墙增加水冷蒸发屏，锅炉满负荷床温平均值可以控制在880℃～920℃。(2)减小旋风分离器入口截面积，增加分离器入口烟气流速，提高分离器效率，增加锅炉的循环倍率。(3)采用分区布风技术，使得布风更加均匀。(4)采用导热系数更高的耐火材料。

2.采用高效二次风技术，提高分级燃烧效率。

350MW超临界锅炉采用高效二次风，下二次风距布风板2.5m，上下二次风之间间距7.5m，增大了炉膛下部还原性气氛的空间，同时上二次高度的提高，二次风穿透能力相对增强，可以进一步降低过量空气系数，实现低氧量运行。

3.提高石灰石的利用率，减小石灰石用量。

(1)选择合理的石灰石粒径。(2)选择合理的石灰石送入位置，超临界流化床锅炉石灰石喷口设计在返料腿，脱硫效率大大提高。(3)提高旋风分离器分离效率，使SNCR的流场、浓度场更加均匀，同时石灰石用量大幅降低。(4)提高炉内脱硫设备的可靠性和自动化程度。

4.脱硫、脱硝、除尘一体化，协同控制。超临界CFB锅炉一般采用炉内+炉外半干法脱硫，脱硝采用SNCR，除尘采用电袋除尘器，脱硫、脱硝、除尘三个系统相互影响、相互制约，必须采用三者一体化，协同控制，达到最优控制。

六、结论

根据300MW亚临界CFB锅炉的运行及超低排放中存在的问题，对350MW超临界CFB锅炉在设计上进行大幅度的优化，350MW超临界循环流化床锅炉通过分级燃烧优化技术,控制燃烧温度,调整配风方式,优化燃烧过程,采用脱硫、脱硝、除尘一体化控制，有效降低了NOX的排放浓度,实现NOX的宽负荷超低排放。