国家的环保要求日益严格，目前江苏华美热电有限公司的CFB锅炉NOx排放已达到超低排放要求，但为此大量增加了脱硝成本的投入，特别是还原剂尿素的用量，为了为公司节能减排创造效益，最好的方法就是从NOx排放源头上解决问题。只有减少NOx的生成，才能降低尿素的用量，因此需要对NOx生成原理、NOx中氮元素的来源进行研究，以达到减少NOx排放，减少尿素用量为目的的研究。
一、对CFB锅炉氮氧化物（NOX）生成原理的研究
NOx的生成主要分为热力型、燃料型、快速型NOx，煤燃烧主要由热力型NOx和燃料型NOx两部分组成，前者由参与燃烧的空气中所含的N2生成，后者由燃料本身的氮元素生成；快速型NOx是由空气中的氮与燃料中的碳氢化合物发生反应生成的NOx，快速型NOx量很少。试验研究验证，在1200℃以下，热力型NOx生产量很少，但随着温度的上升，热力型NOx生成量迅速增加。
三种NOx形成的贡献率
1200℃以下，热力氮可忽略不计；1500℃以上热力氮急剧上升；1600℃以上，热力氮占主导地位。
热力型NOx是指空气中的N2与O2在高温条件下反应生成的NOx。其生成机理是由原苏联科学家捷里道维奇（Zeldovich）提出来的。按照这一机理，高温下氧原子撞击氮分子，发生链式反应：
O＋N2→NO＋N…………………………………………………（a）
N＋O2→NO＋O…………………………………………………（b）
在富燃料下，还存在氮原子与OH基的反应：
N＋OH→NO＋H………………………………………………（c）
CFB锅炉的燃烧温度通常在850℃~950℃，热力型NOx的量很少，热力型NOx的生成与温度成指数关系。温度上升，热力型NOx将剧烈上升。
减少热力型NOx生成的方法主要有：
●降低燃烧温度和防止局部高温区的产生；
●降低氧气浓度；
●缩短烟气在高温区的停留时间。
燃料型NOx是指燃料中的氮（N）在600℃以上氧化而成的，生成量的多少取决于燃烧发生的气氛。燃料中的氮化物经热分解后生成HCN、NH3等中间产物，在缺氧还原性气氛时，这些中间产物很容易再结合生成N2，反之，中间产物会逐步氧化生成NO。
抑制燃料型NOx生成的方法主要有：
●选用含氮N量较少的燃料；
●组织燃料过浓燃烧以降低局部氧气浓度；
●降低氧气浓度（减小过量空气系数）。
快速型NOx是先通过燃料产生的CH、CH2、CH3等烃离子基团撞击空气中的N2分子，生成中间产物HCN、N和CN等，再进一步被氧化生成NOx（1971年弗尼摩尔（Fenimore）提出）。
减少快速型NOx生成的方法：
在恰当的燃烧位置提供足够的氧气量，抑制空气中N2和CH、CH2和C2等基团的反应，CFB锅炉设计即分级高效送风，抑制以下化学反应的进行：
CH+N2---HCN+N
CH2+N2---HCN+NH
C2+N2---2CN
二、循环流化床（CFB）锅炉低温燃烧、分级高效送风、分段燃烧，锅炉燃料粒度技术的研究
首先，CFB锅炉采用循环低温燃烧技术，炉膛温度一般850~950℃，炉内温度水平较低，热力型和快速型NOx生成量很少。其次，CFB锅炉燃烧所需的空气分为炉底一次风（起流化床料作用），播煤风（播撒燃料），二次风（分层送入）多路进入炉膛，起到组织燃料，防止过浓燃烧，局部氧气聚集，减少NOx生产。
减少燃料型NOx的生成方面，研究表明：一般的CFB锅炉在布风板附近NOx浓度达到最大值，然后沿高度方向逐渐下降，在密相区界面一定距离后，下降速度减慢，最后稳定在NO的排放浓度。这是由于在床层底部给料集中，空气与燃料分配不均，并且燃烧也不够强烈，造成底部气流具有较高的氧浓度，致使NOx大量生成。沿着床层高度，由于分级燃烧，且乳化相和气泡相的分割作用，再加上强烈的流化燃烧状态，使密相区处于欠氧状态，NOx生成量少。另一方面，流化床内含有的大量的NH3、CO、H2等，通过以上的反应方程，也使已生成的NO发生分解反应。
本项目只要在分级高效送风、分段燃烧、燃料粒度设计方面进行控制，对于减少燃料型NOX可以发挥显著的作用。
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三、降低锅炉出口NOx排放方案的确定
本项目选用煤的挥发份32~37%，氮（N）0.61~0.81%，属于中等分挥发，中等氮含量燃料。华美电厂在试生产阶段就重视降低NOx生成量，进行了高效二次风技术研究与试验，并通过试生产阶段进行大量的炉内温度场控制等试验技术措施，控制锅炉出口NOx排放。
(1)采用高效二次风系统
高效二次风系统是一种先进的炉内分级、降低NOX、去除SO2、优化炉内燃烧的技术，通过改变锅炉炉膛燃烧场的方法，在锅炉效率不受影响，甚至稍有提高的情况下，减少石灰石消耗或提高CFB锅炉的脱硫效率、降低现有NOX排放。
高效二次风将上二次风布置在炉膛的稀相区，锅炉密相区均为欠氧环境（风量控制在理论空气量以下，接近于煤气发生器），抑制NOx的氛围区域相对于常规二次风系统更广。同时，高效二次风在锅炉炉膛上部区间内产生强烈的扰动，能对锅炉喷射区域及影响区域内的整个物料流化反应场进行重新分配，不但能有效去除烟囱效应（三角形贫氧区），增大锅炉的有效反应空间，同时因气流的高速穿透也增加了煤颗粒及石灰石颗粒在炉内的滞留时间，改善了碳颗粒与石灰石颗粒在炉内的化学反应条件，使下部欠氧环境下不能充分反应燃烧的物料强化了反应和燃烧。因此通过该技术及一系列锅炉系统、辅助系统的改进，优化调整，能使锅炉的燃烬程度得到提高，降低现有NOx排放20％～50％左右，并使脱硫效率明显增加。同时在不增加运行费用的情况下，使锅炉运行的经济性、环保性达到预期目的。
通过高效二次风技术，华美电厂可以实现以下效果和目标：
●通过再次分配锅炉的部分燃烧空气来实现炉膛分级燃烧
●减少炉膛横截面上的温度偏差
●炉膛横截面上燃烧产物的分布更加均匀(例如，O2，CO，NO，CO2和SO2)
●增加未燃烬物在炉膛内的停留时间
●消除锅炉炉膛中心的贫氧三角区，增加燃料/空气，SO2/空气的混合、接触和反应。
这些效果带来以下显著的的优点：
●更高的NOx去除率
●减少烟气中的未燃烬物
●减少所需的过量空气，这也增加了锅炉的整体效率和进一步的NOx去除
●同工况下在Ca/S比不变的前提下减少了SO2的排放，降低现有NOx排放20％～50％左右
在实际运行试验后，大部分效果和目标均在项目上得到了验证，如NOx原始排放的有效降低（与预测值减少至少>30%），减少了炉膛横截面上的温度偏差，床温更加均匀，且炉膛横截面上燃烧产物的分布也更加均匀。
（2）准确合理的炉膛温度控制，为实现超低NOx排放打下基础
在项目设计过程中，华美热电公司就开始对低氮燃烧技术提前布局，向锅炉提出相应的设计要求，东方锅炉通过精确的设计计算，准确合理设计炉膛温度，在炉膛内设置多片水冷隔墙及后墙附加受热面（首次在运用），使得炉膛温度884℃且更加均匀，处在有效抑制NOX生成的温度区间。同时炉膛内受热面布置和给煤、送风协调统一，保证炉膛温度场均匀，防止局部出现富煤区域、富氧区域，防止局部过度燃烧产生高温区。
（3）先进的炉膛下部形状，强化下部炉膛还原性燃烧气氛
本项目锅炉设计期间，华美电厂进行大量调研，最终确定通过大收缩比例的下部炉膛结构，减小布风的板面积，炉底一次风率仅占锅炉总风量的37%，一次风率减少，布风板区域氧气浓度降低，初始的NOx生成浓度下降；
（4）较低的过量空气系数，降低NOx生成量
过量空气系数也是影响NOx和N2O排放浓度的重要因素，研究表明，过量空气系数小于1.0时，氮氧化物排放浓度并不大，随着过量空气系数增加，氮氧化物的排放浓度明显增加。本项目350MW超临界CFB锅炉炉膛高达50米，燃料的燃尽时间可以得到保证，因此在本项目锅炉设计选择了一个相对较低的过量空气系数，从而控制NOx的排放水平。
（5）合理燃煤粒度把控，电厂良好的燃料管理，有助于超低NOx排放
CFB锅炉炉膛内大量的循环物料由煤颗粒和循环灰颗粒构成，这些循环物料构成抑制NOX生成和还原NOX的载体，炉膛内大量的焦炭颗粒表面是还原NO的反应接触表面。合理的燃料粒度把控，不仅能够提高燃烧效率，还能够创造大量的NO还原反应面积。华美电厂良好的燃料管理，也有助于超低NOx排放。
（5）炉内脱硫和炉外脱硫有机结合，降低过量Ca/S对NOX的影响
CFB锅炉中，为了降低燃烧过程产生的SO2浓度，通常采用往炉膛中加入石灰石作为脱硫剂的方法脱硫，对降低SO2的排放量起到了重要作用。但是，运行数据也表明，在CFB锅炉中加入石灰石通常会影响烟气中的NOx和N2O的排放浓度。下图为CFB锅炉电厂在不加入石灰石脱硫和加入石灰石脱硫时，NO和NO2排放浓度的对比，该结果表明，加入石灰石脱硫以后，NO和NO2的排放浓度都有一定程度的增加。
这主要是因为CaO会促进NH3的生成，而且促进NH3氧化生成NO。因此降低过量Ca/S对NOX的影响，是降低NOx的排放的措施之一。本项目通过炉内脱硫和炉外脱硫有机结合方式设计的，炉膛内选择较中等脱硫效率，降低Ca/S比，减少脱硫对NOX的影响，在实际运行中，炉外湿法脱硫能达到超低排放的情况下，不需投运炉内脱硫系统。
江苏华美热电公司通过大量的低氮燃烧技术研究与试验，在炉膛温度控制，分级高效送风、分段燃烧，燃料粒度等方面采取相应控制，可以使锅炉氮氧化物（NOX）排放水平大大优于以往CFB锅炉。锅炉在燃烧校核煤种的情况下，脱硝SNCR不需要投尿素溶液也可达到50mg/Nm3；在煤种变化及负荷急剧变化的情况下，少量的投用尿素溶液可达到50mg/Nm3以下，实现锅炉机组超低排放要求。
作者简介
石涛（1979-11），男，汉族，籍贯：江苏省徐州市，当前职务：环保工程师，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：环保技术研究与应用。
论文作者:石涛,侯先华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/29
标签：炉膛论文; 锅炉论文; 燃料论文; 浓度论文; 热力论文; 高效论文; 石灰石论文; 《电力设备》2018年第23期论文;