摘要：在我国高速发展的过程中，我国的环境问题备受关注。日益严格的环保标准对循环流化床(circulatingfluidizedbed，CFB)锅炉NOx的原始排放提出更高的要求。在对CFB燃烧中NOx生成和还原过程深入理解的基础上，认为强化炉内不同区域的还原性气氛是进一步挖掘CFB燃烧NOx原始超低排放潜力的关键。根据床内气固流动特性与还原性气氛的关系，提出了一条低氮燃烧技术路线，其核心是通过提升循环系统的性能来提高床质量、增加循环量。将该技术进行了工程验证，实践表明，在同时满足飞灰中位径小于12μm、d90小于54μm、底渣平均直径小于200μm、稀相区的物料悬浮浓度高于5kg/m3时，仅通过燃烧控制，NOx原始排放显著降低，基本达到超低排放目标。这为循环流化床锅炉的NOx治理和低成本污染控制提供了一个更具竞争力的方向。
关键词：循环流化床；燃烧控制；相关问题
引言
化石能源的过量利用，对地球生态系统产生了潜在的威胁。地球上的生物质能资源非常丰富，每年通过光合作用产生的生物质约１７００亿吨。据统计，我国可开发的生物质能资源总量约为７亿吨标准煤，由于没有得到合理利用，出现了无组织野外焚烧、污染严重的现象，而广泛利用生物质资源可以减少化石能源的利用。因此，国家大力支持生物质的资源化利用。目前，生物质能的主要利用方式包括热解、液化、气化以及直接燃烧等，其中直燃发电具有显著的可行性和经济性，实现生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化。我国的生物质与欧洲的生物质有根本性的区别：欧洲的生物质主要是林业废弃物，以木质生物质为主；而中国是以农业废弃物，以秸秆为主。秸秆的性质不同于木质生物质：热值低，能量密度小；挥发分极高，挥发分析出温度低且析出迅速；水分含量高，最高可达６０％～７０％，变化大，春秋少，夏冬受雨雪影响；自身灰分少，但受收购条件影响，含土、石子等杂质较多；灰熔点较低，易出现结渣；含有一定量低沸点盐分，燃烧过程中形成盐蒸气，在烟气冷却过程中在对流受热面表面凝结，引发受热面粘污甚至烟道堵塞；受当地土壤和水质条件影响，含有一定量氯，氯燃烧后转化为氯化氢，导致受热面存在腐蚀的潜在可能。这些特点要求设计中需要特别的技术应对。当采用掺烧时，由于生物质资源的区域性，掺少比例一般较低，这些问题能够通过与煤的混合稀释，得到有效控制。
1燃烧玉米秸秆的ＣＦＢ锅炉设计思想
秸秆灰分的特殊性是纯燃秸秆ＣＦＢ锅炉设计需要特殊考虑的问题。秸秆燃烧挥发出来的盐蒸气在５００℃以上的烟气中存在，但烟气通过对流受热面的冷却时，由于受热面的温度比较低，盐蒸汽会逐渐冷凝在受热面表面，成为飞灰沉积后颗粒之间的黏结剂，形成类似于结焦的沾污，影响到受热面的传热。附着在受热面表面的灰层，诱发了垢下腐蚀，见图１。因此，控制受热面腐蚀的有效措施是充分利用ＣＦＢ炉膛中存在高浓度物料的特点，处于炉膛中的受热面始终受到循环物料的不断冲刷，能够有效抑制了炉内粘污问题。因而将壁温较高的受热面布置在炉膛，可以有效缓解高温受热面的结垢腐蚀问题，这是ＣＦＢ燃烧生物质所具有的独特优势。
由于生物质的灰熔点较低，为了避免结焦、影响正常流化，纯燃秸秆的ＣＦＢ锅炉床温不宜偏高，应严格控制在８５０℃以下。生物质的硫含量一般较低，即使不进行控制原始排放也能达到标准要求。但是生物质中的氯的含量较高，燃烧生成的ＨＣｌ不仅影响到受热面的腐蚀，而且影响到酸性气体的排放。因此设计中，应采取措施，如添加石灰石，对其进行控制。鉴于ＣＦＢ锅炉需要稳定的物料来源以满足物料循环的要求，石灰石的添加对生物质ＣＦＢ锅炉的物料平衡是有益的。而玉米秸秆不可避免地夹带大量的泥土砂石，这一方面降低了生物质燃料的热值；另一方面对于主循环回路的循环性能及结焦、粘污的改善也有积极意义。
2循环流化床锅炉内气固流动特性及其对还原性气氛的影响
2.1密相区
在CFB锅炉内，存在着鼓泡流动的下部密相区和大量颗粒团聚的上部稀相区。密相区鼓泡床由几乎不含颗粒的气泡相和近似处于最小流化状态的乳化相组成。当终端速度大于流化速度的大燃料颗粒进入炉膛后，下沉进入密相区，在乳化相中被加热，发生碎裂、热解、燃烧并形成局部的还原性气氛。燃料颗粒占密相区床料的比例很小，不足5%，乳化相中的气流速度接近床料颗粒对应的最小流化风速umf，超过umf的多余气体只能以气泡的形式穿越床层。umf和乳化相内向焦炭颗粒的传质系数kg均与床料的主颗粒粒径dp有关：
式中：μ为流化介质动力黏度，Pa⋅s；εmf为临界流化孔隙率；ρg为流化介质密度，kg/m3；ρp为床料密度，kg/m3；φs为颗粒球形度；Dg为气体扩散系数，m2/s；dchar为焦炭颗粒直径，m。由式可知，其他条件不变，床料粒度dp越小，最小流化风速umf越低，这将带来三方面影响：①乳化相中颗粒表面空气量减少，单位空间内O2含量降低；②由式可知，umf减小，传质系数kg降低，燃料获得O2的条件变差，这既使燃料氮向NOx的原始转化率降低，也明显增大了焦炭燃烧产生的CO等还原性气体的浓度；③床料变细导致颗粒对流换热热阻降低，颗粒表面温度趋近于床温，这也有助于降低密相区NOx的生成量。
2.2稀相区
稀相区内粒度较小的床料、焦炭颗粒、发生部分反应的脱硫剂等，与进入炉膛的终端速度小于流化速度的小燃料颗粒一起随气流上升。由于颗粒与壁面间的相互作用，壁面附近簇状或团状的颗粒聚团轴向速度较小，甚至逆主流向下流动；而在床层中心，从大聚团上剥离下来的颗粒以较高速度向上运动。床层上部整体呈现返混和内循环，气固两相间发生强烈的热质交换，保证了整个炉膛上部纵向及横向都具有十分均匀的温度场。与底部鼓泡床相比，上部快速床的典型特点是颗粒团聚，呈现聚团散式流态化。颗粒团内传质与传热规律可与密相区乳化相比拟，呈现贫氧的还原性气氛，从而抑制NOx的生成；而外部连续性气相中具有较好的氧气接触条件，燃料氮向NOx的转化率较高。另外，稀相区中具有催化活性的灰颗粒浓度较高。因此，促进颗粒团聚，提高颗粒团数量和聚团中的颗粒浓度，可显著改善燃料颗粒周围的还原性气氛。通常，稀相区内NOx还原速率略高于氧化生成速率。
结语
本文简要分析了循环流化床锅炉NOx生成和还原过程，认为强化CFB内不同区域的还原性气氛，促进NOx的还原是进一步降低NOx原始排放的关键。在此基础上，探究了床内气固流动特性与炉内还原性气氛的关系。提出了以提高床质量、增加循环量为核心的低氮燃烧技术路线，包括提高分离器效率、调整床存量、选择合适的床温和过量空气系数等工程实践措施。
参考文献
[1]张磊，杨学民，谢建军，等．循环流化床燃煤过程NOx和N2O产生-控制研究进展[J]．过程工程学报，2006，6(6)：1004-1010．
[2]李竞岌，杨欣华，杨海瑞，等．鼓泡床焦炭型氮氧化物生成的试验与模型研究[J]．煤炭学报，2016，41(6)：1546-1553．
论文作者:王翠竹1,杨富华2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/17
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