随着国民经济发展对电力需求的增长和环保要求的提高,循环流化床(CFB)锅炉技术得到了迅速发展.国内已投运的不同容量等级循环流化床有上千台.循环流化床锅炉独特的燃烧方式使其可在不设置制粉系统的条件下实现燃料高效燃烧,同时在锅炉内完成烟气脱硝、脱硫过程,且烟气净化和脱除过程基本不影响锅炉内的流动、燃烧和传热过程,锅炉运行和控制管理较简单、稳定和相对独立,大大简化了系统.

本文分别对国内某锅炉厂已投运的300 MW、200 MW等级循环流化床锅炉NO_x排放特性进行分析和研究,得出NO_x排放量与锅炉负荷、空预器进口氧量、一二次风配风、二次风配风方式、燃料特性及脱硫剂之间的关系.

本文中锅炉为单汽包、自然循环的流化床锅炉,采用循环流化床燃烧方式.锅炉主要由一个膜式水冷壁炉膛、三台冷却式旋风分离器和一个由汽冷包墙包覆的尾部竖井(HRA)三部分组成.

锅炉共布置有八个给煤口,全部布置于炉前,在前墙水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置.炉膛底部是由水冷壁管弯制围成的水冷风室,水冷风室两侧布置有一次热风道,从风室两侧进风,采用回转式空预器或管式空预器.采用床上、床下联合点火方式.排渣口布置在炉膛后水冷壁下部,与滚筒式冷渣器对应.

炉膛与尾部竖井间布置有三台冷却式旋风分离器,其下部各布置一台“U”阀回料器,回料器为一分为二的结构,保证了沿炉膛深度方向上回料的均匀性;尾部采用双烟道结构,前烟道布置了三组低温再热器,后烟道布置了过热器.

氮的氧化物有亚硝酸、硝酸、N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅等,但构成大气污染和光化学烟雾的主要是NO和NO^[1]₂.NO为无色无臭气体,是在高温条件下由空气中的氮(或燃料中的氮)与氧反应生成.NO和血色素的亲和力很强,约为CO的数百倍至一千倍.NO是一种对人体健康影响很大、毒性极强的气体. NO₂为浓红褐色的气体,由NO氧化生成.NO₂对呼吸器官黏膜尤其对肺部有强烈的刺激作用,对大部分动物的最低致死质量浓度为200 mg·m^-3左右.

通常将流化床燃烧过程中生成的NO和NO₂称为NO_x,其中NO约占90%.按NO_x的生成机理一般分为温度型、快速温度型和燃料型NO_x.流化床燃烧温度为850~1 050℃,这大大限制了温度型NO_x的生成量.烟气中的NO_x主要来自于燃料型和快速温度型NO_x,因此,循环流化床锅炉的NO_x排放量与锅炉机组负荷、燃料特征、过量空气系数及配风方式有直接关系.

图 1分别为国华A电厂3号锅炉,B电厂3号、6号锅炉NO_x排放量和机组负荷的关系.由图 1可知,低负荷时锅炉燃烧强度较弱,床温和炉膛温度水平较低,能够较好地抑制NO_x的生成.

图 1

Fig. 1

图 1 NOx排放量和机组负荷的关系 Fig. 1 The relationship between the NOx emission and the unit load

研究^[2]表明,循环流化床燃烧方式下,过量空气对NO_x的生成有直接影响.图 2给出了宝丽华、准能、龙岩、顾桥等电厂锅炉空预器入口氧量和NO_x排放量的关系.燃用同一种燃料时,NO_x排放量一般随氧量增加而增加.在灰渣含碳量没有明显变化的前提下,将氧量总体维持在较低的水平有利于控制NO_x的排放.

图 2

Fig. 2

图 2 空预器入口氧量和NOx排放量的关系 Fig. 2 The relationship between the NOx emission and the oxygen at the entrance of air pre-heater

基于分级燃烧理论,分级布置的二次风在炉内能够营造出局部的还原性气氛,从而抑制燃料中的氮氧化,降低NO_x的生成.国内某300 MW锅炉一般设置两层二次风喷口,下层二次风距离布风板高度为1 000 mm左右,与给煤口高度相同,且前墙下层二次风喷口与给煤口交叉间隔布置;上层二次风距离布风板高度约为4 950 mm.

根据工程实践经验,二次风的布置对控制NO_x排放量有较大影响,尤其是燃用挥发分较高的燃料时,降低下层二次风的开度有利于降低NO_x的生成.图 3给出了上、下二次风开度和NO_x排放量的关系.

图 3

Fig. 3

图 3 上、下二次风开度和NOx排放的关系 Fig. 3 The relationship between the NOx emission and the opening degree of upper and lower secondary air

增加一次风量有利于合理控制炉膛温度,合理的二次风量有利于炉内的分级燃烧,促进炉内燃烧和控制NO_x排放量,因此,在工程应用中应合理分配一、二次风比,针对不同的燃料进行优化配置.图 4为宝丽华三期6号锅炉一次风率和NO_x排放量的关系,由图可知,300 MW负荷下一次风率增加有利于控制床温,提高密相区物料燃烬率,降低NO_x的排放.

图 4

Fig. 4

图 4 一次风率和NOx排放量的关系 Fig. 4 The relationship between the NOx emission and the primary air ratio

由于NO_x主要来自于燃料中的氮,因此,从总体上看,燃料氮含量越高,NO_x的排放量越高;同时,燃料中氮的存在形态不同,NO_x的排放量也不一样.一般来说,褐煤、页岩等燃料中的氮主要存在形态是胺,NO_x的排放量较多;烟煤、无烟煤等燃料中的氮主要存在形态是芳香环,NO_x的排放量较少.

工程研究^[3]表明,煤种特性如燃料折算氮含量、挥发分、水分、热值、灰分等都是影响NO_x排放量的关键因素.总体来说,折算氮含量较高的燃料,或挥发分、热值较高的烟煤和褐煤的NO_x排放量总体高于无烟煤、矸石、中煤等的NO_x排放量.

循环流化床中加入的脱硫剂为石灰石,主要目的是降低SO₂的排放量,同时,对NO_x的排放量也会产生明显的抑制作用,使NO上升.脱硫剂的作用主要体现在两个方面,一是富余的CaO作为强催化剂会加快燃料氮的氧化速度,使NO的生成率提高;另外富余的CaO和CaS作为催化剂会强化CO还原NO的反应过程.一般来说,前者要大于后者的贡献,从而使NO_x排放量增加.工程应用中,当SO₂排放量降低时,NO_x排放量会升高,石灰石给入量一般根据SO₂排放量进行适时调节,因此,工程上应综合考虑SO₂和NO_x的排放情况调整石灰石的给入量.

随着环保要求的不断提高,2014年我国将执行新的污染物排放指标,部分地区将严格执行NO_x排放值低于200 mg·Nm^-3,甚至低于100 mg·Nm^-3的排放标准.因此循环流化床燃烧方式有可能无法满足当地排放要求.

选择性非催化还原脱硝装置(SNCR)是利用氨或尿素作为还原剂,在不需要添加催化剂的条件下将NO_x还原为N₂的脱硝技术.SNCR系统简单,建设周期短,初期投资成本低,占地少,且无需新增反应器,系统阻力小,无SO₂/SO₃转化率的问题.SNCR工艺的温度控制至关重要,若温度过低,NH₃反应不完全,容易引起NH₃逃逸;温度过高,NH₃则容易被氧化为NO,抵消了NH₃的脱硝效果.此外,脱硝反应要求有一定的反应时间,最佳时间不低于0.5 s.因此,NO_x排放量较高的锅炉采用CFB+SNCR脱硝方案控制NO_x排放量,可满足环保要求,是一种较好的选择.

循环流化床锅炉NO_x排放量和燃料特性、一二次风配比、二次风配比、燃烧过量空气系数、炉内温度、脱硫剂等因素有关.在锅炉运行过程中,应合理调整燃烧工况,调整各区域的风量配比,以达到优化运行、减少污染物排放的效果.