循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒的技術(shù)改造實(shí)踐

洪建輝

1 設(shè)計及運(yùn)行條件

根據(jù)鍋爐原有設(shè)計及運(yùn)行條件，本次改造針對75 t/h中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐(46600-0-0) 低氮燃燒而實(shí)施。

1.1 鍋爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)

鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 鍋爐運(yùn)行參數(shù)

1.2 改造目標(biāo)

改造后鍋爐運(yùn)行目標(biāo)參數(shù)見表2。

表2 改造后鍋爐運(yùn)行參數(shù)

2 氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理及脫氮技術(shù)原理

2.1 氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理

在氮氧化物中，NO 占90% 以上，二氧化氮占5%～10%，產(chǎn)生機(jī)理一般分為三種。

2.1.1 熱力型

燃燒時，空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生，生成過程是一個不分支連鎖反應(yīng)。生成機(jī)理可用捷里多維奇(Zeldovich) 反應(yīng)式表示。[1-3]

隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律。當(dāng)溫度＜1 500℃時，NO 的生成量很少，當(dāng)溫度＞1 500℃時，溫度每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7 倍。

熱力型氮氧化物生成機(jī)理（Zeldovich 反應(yīng)式）

在高溫下總生成式為：

2.1.2 瞬時反應(yīng)型( 快速型)

快速型NOx是1971年Fenimore通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)碳?xì)浠衔锶剂先紵谌剂线^濃時，在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成NOx。

由于燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H 自由基可以和空氣中氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN 和N，再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的速度生成，其形成時間只需要60 ms，所生成的與爐膛壓力0.5 次方成正比，與溫度的關(guān)系不大。

上述兩種氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要來源。

2.1.3 燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600%、800℃時就會生成燃料型，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60%～80%。

在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN 和中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后再氧化成NOx。[4-6]由于煤的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，而燃料型的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，燃料中氮分解為揮發(fā)分N 和焦炭N，見圖1。

圖1 燃料中氮分解為揮發(fā)分N 和焦炭N

2.2 脫氮技術(shù)原理

對于沒有脫硝設(shè)備和脫硝燃燒器的循環(huán)流化床鍋爐來說，也可以采用低氮燃燒技術(shù)來減少NOx的生成機(jī)會。

2.2.1 燃料型NOx

在燃用揮發(fā)分較高的煙煤時，燃料型NOx含量較多，快速型NOx極少。燃料型NOx是空氣中的氧與煤中氮元素?zé)峤猱a(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成NOx，燃料中氮并非全部轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，它存在一個轉(zhuǎn)換率，降低此轉(zhuǎn)換率，控制NOx排放總量，可采?。海?）減少燃燒的過量空氣系數(shù)；（2）控制燃料與空氣的前期混合；（3）提高入爐的局部燃料質(zhì)量濃度。

2.2.2 熱力型NOx

熱力型NOx是燃燒時空氣中的N2和O2在高溫下生成的NOx，產(chǎn)生的主要條件是：（1）高的燃燒溫度使氮分子游離增強(qiáng)化學(xué)活性；（2）高氧質(zhì)量濃度。要減少熱力型NOx的生成，可采?。海?）減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍；（2）降低鍋爐燃燒的峰值溫度；（3）降低燃燒的過量空氣系數(shù)和局部氧質(zhì)量濃度。

2.3 采取的措施

在保證鍋爐燃燒安全、穩(wěn)定的前提下，可以采取以下措施來減少氮氧化物的生成。

2.3.1 低過量空氣燃燒

使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行，隨著煙氣中氧含量的減少，可以抑制NOx的生成。這是一種簡單的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如要爐內(nèi)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低(3% 以下)，會增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，使鍋爐燃燒效率下降。因此，在鍋爐運(yùn)行時，應(yīng)選取合理的過量空氣系數(shù)。

2.3.2 空氣分級送入爐膛

基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成，采用倒三角的配風(fēng)方式，具體有以下階段。

2.3.2.1 預(yù)燃階段

將從一次風(fēng)室供入爐膛的空氣量減少，相當(dāng)于理論空氣量的80%，使燃料先在缺氧、富燃料燃燒條件下燃燒。此時，密相區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)α＜1，因而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平。因此，不但延遲了燃燒過程，降底了爐膛密相區(qū)的溫度，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應(yīng)率，抑制了NOx在這一燃燒過程中的生成量。

2.3.2.2 燃燼階段

為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣通過布置在密相區(qū)中上部及過渡區(qū)的專門二次風(fēng)噴口送入爐膛，與密相區(qū)下部在 “貧氧燃燒” 條件下所產(chǎn)生的煙氣混合，在α＞1 的條件下完成全部燃燒過程。

這一方法彌補(bǔ)了簡單的低過量空氣燃燒的缺點(diǎn)。在密相區(qū)內(nèi)的過量空氣系數(shù)越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產(chǎn)物越多，導(dǎo)致燃燒效率降低、引起結(jié)渣和腐蝕的可能性越大。因此，為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，必須正確組織空氣分級燃燒。

3 循環(huán)流化床低氮燃燒改造工藝

3.1 前期技術(shù)分析

通過對75 t/h 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐(46600-0-0) 運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)的了解、檢測及對燃煤資料的分析，得出結(jié)果：鍋爐燃燒不合理，一、二次風(fēng)沒有做到合理分配，爐膛溫度偏高，使得鍋爐出口NOx含量偏高。

3.2 技改措施和工藝要求

針對以上的具體分析，特別提出了低氮燃燒技改措施和基本原理性工藝要求。

3.2.1 控制供煤系統(tǒng)的燃煤顆粒度

保證鍋爐入口燃煤粒度控制在8 mm 以下，以降低鍋爐一次風(fēng)用量（煤粉粒徑控制不在本次改造范圍）。

3.2.2 二次風(fēng)的合理分級

原鍋爐設(shè)有三層二次風(fēng)入口風(fēng)管，該布置形式雖然可以滿足鍋爐對二次風(fēng)量的要求，但二次風(fēng)對爐膛內(nèi)煙氣的擾動作用較差，不利于燃料在爐膛內(nèi)的充分燃燒。另外，由于二次風(fēng)管布置位置不合理，角度、風(fēng)速選取也有誤差，不利于爐膛內(nèi)燃料的分級燃燒和分層給風(fēng)，對控制NOx的生成方面也很不利。

為了更好地進(jìn)行分級配風(fēng)，減少NOx的生成，對原鍋爐二次風(fēng)管位置、風(fēng)速、角度進(jìn)行全面調(diào)整，以達(dá)到控制NOx的目的。

除了考慮高度方向的分級，還要求對水平方向進(jìn)行分級，以達(dá)到爐膛氧量分配均勻的目標(biāo)。水平方向的二次風(fēng)分級主要通過適當(dāng)調(diào)整兩側(cè)和中間風(fēng)管管徑的辦法來實(shí)現(xiàn)。

對于設(shè)計的傳統(tǒng)二次風(fēng)母管前后聯(lián)絡(luò)風(fēng)箱，這部分風(fēng)箱一般都需要適當(dāng)擴(kuò)大，以滿足二次風(fēng)特殊送風(fēng)比例關(guān)系的要求，否則會影響靜壓風(fēng)箱或者等壓風(fēng)箱二次風(fēng)分配原理，不利于二次風(fēng)取風(fēng)點(diǎn)的均勻性。

3.2.3 二次風(fēng)入口端直管段的確定

為了形成良好的二次風(fēng)進(jìn)入爐內(nèi)的射流噴射效果，保持基本射程而不被擴(kuò)散，需對二次風(fēng)入口噴嘴進(jìn)行改造，以提高二次風(fēng)對爐膛內(nèi)煙氣的擾動性。

每個二次風(fēng)分風(fēng)道，選用手動調(diào)節(jié)風(fēng)門。為了增加二次風(fēng)在爐膛內(nèi)的穿透性，提高燃燒效率，適當(dāng)調(diào)整二次風(fēng)入爐射流的水平夾角。

3.2.4 尾氣再循環(huán)

在控制燃煤顆粒度的條件下，降低鍋爐一次風(fēng)的風(fēng)量。同時為了有效減小鍋爐一次風(fēng)含氧量，又滿足鍋爐一次風(fēng)流化風(fēng)量需求，本方案設(shè)計從引風(fēng)機(jī)出口接管道至鍋爐一次風(fēng)機(jī)入口，充當(dāng)鍋爐一次風(fēng)，以有效降低一次風(fēng)含氧量，增加風(fēng)量分配調(diào)節(jié)裕度。

3.2.5 增設(shè)水冷屏

在爐膛內(nèi)增設(shè)水冷屏，水冷屏布置在爐膛的中上部，可以吸收爐膛熱量，降低床溫及返料溫度。

4 4# 爐改造前后數(shù)據(jù)比較

4# 爐改造前后相關(guān)參數(shù)對比見表3，具體運(yùn)行畫面見圖2。

表3 改造前后相關(guān)參數(shù)對比

圖2 4# 爐改造前后運(yùn)行畫面

通過對上述內(nèi)容的改造優(yōu)化，改造后鍋爐帶負(fù)荷能力強(qiáng)，脫硫效率提高，氮氧化物降低。燃料粒度保證在0～10 mm，蒸發(fā)量81.99 t/h 時，鍋爐出口NOx降至190 mg/Nm3以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。與此同時，通過在爐膛出口位置配置脫硝系統(tǒng)（SNCR），使得氮氧化物的排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50 mg/Nm3，達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

減少排放的氮氧化物的量，從而減少對大氣的污染，已成為對大氣環(huán)境保護(hù)的重要方式，鍋爐低氮燃燒的成功實(shí)施為燃煤鍋爐降低氮氧化物的生成指明了方向，起到了積極的作用。