大型循环流化床锅炉NOx超低排放技术的对比研究

刘明

摘要：循环流化床锅炉燃烧温度低，床温区间范围小，一次风率变化范围有限等，燃烧调整手段和影响因素少，在低氮燃烧改造中，只要抓住布风板改造和分离器提效改造两个重点，实现NOx超低排放是比较容易的。四台锅炉及改造方案的对比研究表明：使布风板布风均匀，对不同煤种确定合适的一次风率，提高分离器入口烟气流速，确定适合的中心筒尺寸，从而提高分离器效率，使床温可控，是CFB（循环流化床）锅炉低氮燃烧改造的关键。

关键词：循环流化床;NOx;超低排放;外置床;旋风分离器

中图分类号：TK01                  文献标识码：A

循环流化床（CFB）锅炉燃烧与煤粉锅炉燃烧生成NOx的机理是相同的，由于流化床锅炉的燃烧温度较煤粉炉低得多，因此，热力型NOx的生成量几乎没有;同时，由于飞灰的再循环，未燃尽颗粒的停留时间很长，锅炉燃烧的过量空气系数较低时也能收到较好的燃尽效果，因此，有利于降低燃料型NOx生成。尽管CFB锅炉在低NOx燃烧方面具有先天优势，但床温控制水平、一次风量大小、循环灰量、二次风布置等因素仍对流化床锅炉的NOx生成有着重大影响，甚至决定改造的成败。本文对几个CFB锅炉的设计与改造方案和效果进行对比分析，以期明确流化床低氮改造的技术关键。

1  研究对象简介

本文研究对象为四台300MW等级CFB锅炉，以下分别称为锅炉A、B、C、D。锅炉A、B为东方锅炉厂设计制造，其中锅炉B为超临界锅炉;锅炉C和D分别为上海锅炉厂和哈尔滨锅炉厂设计制造，其中锅炉C为超临界锅炉，锅炉D布置有外置床换热器，炉膛整体高度较低。四台锅炉均设计燃用烟煤，且大多掺烧煤泥。

四台锅炉代表了三大锅炉厂300MW级锅炉的主流技术，在运行中锅炉出力和蒸汽参数正常，灰渣含碳量相差不大。表1列出了各台锅炉的主要设计特点和运行实绩。

上述四台锅炉，除锅炉B为新机组，在锅炉设计阶段进行了低氮燃烧设计外，其余锅炉均进行了改造。锅炉A在运行中掺烧煤泥的量较大，煤的热值波动范围大，但床温控制很低，负荷降低时床温随着降低，低于200 MW后，床温约800 ℃，因此，NOx生成浓度小;锅炉C经历过一次不成功的低氮改造，大量减少了锅炉一次风量，实测一次风率降低至36%，导致床温较高，脱硝前NOx浓度升高;锅炉D未经低氮改造，燃烧劣质烟煤并掺烧煤泥，对锅炉进行摸底试验表明，实际锅炉一次风率50%～55%，床温可控，但风帽磨损严重，布风均匀性较差，二次风口烧损和返料现象突出，旋风分离器效率偏低。

对于流化床锅炉来说，布风均匀性是基本要求，四台锅炉基本上实现了均匀布风的条件，锅炉D的风帽风孔磨损很均匀，说明一次风速也是均匀的。

由表1数据可知，影响流化床锅炉NOx生成的主要是床温和一次风率，而一次风率对床温有直接影响。锅炉A掺煤泥量大，床温很低，NOx浓度就低;锅炉C的一次风率过低，床温偏高，结果NOx的生成浓度也高。

2  各炉改造方案及效果

表2列出了四台锅炉低氮改造方案及配套脱硝改造主要内容。对于流化床锅炉来说，低氮燃烧改造必改的内容是布风板，同时旋风分离器是流化床区别于煤粉炉的主要部件，其效率高低对床温影响很大，一般也必须改造。锅炉A、B仅进行了选择性非催化还原（SNCR）改造，由于布风设计良好，一次风率控制适当，床温水平适中，因此，取得了很好的NOx控制效果，在没有选择性催化还原技术（SCR）改造甚至SNCR不投入的情况下，均可实现超低排放。

锅炉B采用了类似煤粉锅炉分离燃尽风的理念，设计了分级风，实际上是否是分级风起到了降低NOx的效果是有争议的。锅炉C对燃尽风系统有过改造，但并不成功，后拆除;陕北某电厂采用类似燃尽风改造方案，投运后效果不明显。二次风分级布置从流化床锅炉低氮燃烧原理来说，并不一定适用，且有影响物料传递的风险。从本次对比的锅炉A和锅炉B来看，同为东锅300MW容量锅炉，有和无二次风分级设计，从低氮效果来看无差别。

旋风分离器是CFB的关键设备，分离效率的高低决定了飞灰含碳量和炉效，因为返料经冷却降温，返料量的多少对调节床温效果显著，因此，CFB必须保持分离器的高效率。通行的做法是实测锅炉烟气量，核算分离器进口流速，满负荷分离器进口流速不低于25 m/s，靶区做好防磨。锅炉D还将中心筒加长了500 mm，使分离器效率得到提高。图1是分离器进口风道改造示意图。

锅炉C的布风板采用的是大床结构，风帽总数为2 334个。大床结构的布风板较易形成布风不均的问题，一般通过不均匀风孔设计或部分风管节流的办法达到均匀布风的效果。锅炉改造整体更换了全部风帽，对于布风板边缘区的10孔风帽，更换为9孔风帽;其他区域的12孔风帽更换为10孔风帽。对于中部区域风量和风压相对集中的区域，采取了在风管下端增加φ30mm圆钢以降低风管流通截面积的方案。风帽改造后，锅炉布风的均匀性大大改善，床温分布更均匀。但锅炉C的风孔数量的变更并不成功，因为风孔由12个降低至10个，节流比例约16.7 %，风孔由10个降低至9个，节流比例10 %，按风帽数量加权平均统计，本次风帽改造布风板节流一次风约15%，实际布风板阻力增加0.2 kPa，一次风率约36%，一次风量降低使床层冷却变差，床温平均升高50 ℃以上。

锅炉A、B的布风板设计较为独特，不易复制。在一次风率相差不大的情况下，适当封堵部分风帽是较好办法。锅炉D即是在实测一次风率55%左右，适当降低至50 %即可满足低氮燃烧条件，因此按图2进行了局部封堵（外圈风帽封堵3/4周，其他风帽更换外帽），外周风帽封堵后须对侧壁浇注料进行适当修补。

因为布风板改造不很成功，炉膛出口NOx浓度高，锅炉C采用了SNCR和外置SCR的脱硝改造方案，锅炉D同样进行了SCR改造，不过布置为烟道型。锅炉C和D的改造略为保守，实际上绝大多数CFB锅炉均可以通过燃燒改造和配合SNCR达到超低排放的要求。

如表2所述，因为锅炉D的一次风机风压和风量裕量超大，同时二次风压头低，二次风喷口返料和烧损较重，因此针对性地进行了一次风向二次风的转移改造，增加了调节风门、膨胀节、支吊架等设备，提高二次风压和风量，提高二次风的风速和穿透力，降低飞灰和NOx都是有利的，该方案在存在类似条件的锅炉上可供借鉴，见图3。

3  流化床锅炉NOx超低排放改造影响因素分析

影响CFB锅炉NOx生成浓度的因素主要是燃烧温度、燃料的粒径、过量空气系数和一、二次风率。因为燃烧条件因素，流化床的温度均在1 000 ℃以下，因此热力型NOx可以忽略，主要是控制燃料型NOx的生成。

燃煤颗粒较细可加强炉内传热，使炉内热量分配更趋合理，保证炉内温度场均匀，避免密相区出现局部超温现象;燃煤颗粒越细，燃烧速率提高，O2的加速消耗有利于CO的生成，碳粒表面还原气氛增强，有效抑制NOx生成;同时颗粒变细反应表面积增大，焦炭对NOx的还原能力增强;颗粒较细，燃烧反应时间提前，相应延长NOx分解还原时间。

贫氧条件可有效抑制NOx的生成，过量空气系数增加，NOx生成增加。贫氧燃烧条件下，燃烧中间产物中的含N基团易向N2转化，同时未燃尽C与还原性气体抑制含N基团的氧化反应，从而抑制NOx生成;而富氧燃烧条件下，燃烧中间产物中的含N基团容易氧化生成NOx。

一次风率减小，密相区为贫氧还原性气氛，可抑制NOx生成，同时，密相区流化风速减小，气体及燃煤颗粒停留时间延长，同样抑制NOx生成;提高二次风率，二次风速提高，穿透能力增强，稀相区气固混合加强，有利于降低飞灰含碳量，保证降氮的同时锅炉效率不受影响。对于CFB锅炉建议一次风率保持45 %左右，二次风率55 %左右。

上述因素中，煤粉粒径和过量空气系数是锅炉燃烧调整范围内的内容。流化床锅炉一经设计定型，可调整的手段和范围是很小的，燃料粒径直接影响飞灰、底渣含碳量，粒径过细则循环次数少，过粗则难于燃尽。因此考虑到燃料制备的电量消耗，对于不同煤种，燃料粒径一般是固定的。过量空气系数也可以调整，在平衡锅炉排烟损失、未完全燃烧损失和NOx排放浓度后，不同负荷下也存在一个最佳值。

布风板布风均匀性、一次风率的大小和床层温度水平，实质上影响的是床温及其均匀性。布风不均就不可能使床层温度均匀，甚至可能造成流化不畅或局部结焦;一次风率高，有的燃料在床层内燃烧充分，则床温升高，如烟煤;劣质煤或较差燃料，一次风率高则将床温过度冷却。一次风率低，燃料燃烧放热得不到充分冷却，床温也会升高，如上面的锅炉C。因此无论对流化床锅炉的燃烧还是降低NOx，都要求适宜的一次风率。

CFB锅炉调节床温的另一重要手段是返料量，大型循环床锅炉均对分离器返料采取了冷却手段，因此，返料灰的温度低，调节返料量即可以调节床温。流化床内的燃烧温度通常为850～1 000 ℃，温度过高，则床层有结焦风险，NOx的生成量也大增;温度过低，如低于850 ℃，尤其低于800 ℃，燃料氮中的N2O大量增加。N2O具有很强的破坏臭氧层的能力，同时温室效应也远远强于CO2，因此，床温绝不可以降低。从清洁燃烧的角度，流化床燃烧的床温温度最好控制在850～950 ℃。目前許多CFB锅炉在超低排放改造中取消了炉内喷钙脱硫，这对降低N2O的生成也是非常不利的，因为含钙氧化物是抑制N2O生成的催化剂，取消了燃烧脱硫，则更应该严格控制床温。锅炉A运行床温偏低，虽然NO生成量少，却是应该尽量避免的。

根据第2节的介绍，CFB锅炉低氮燃烧改造的主要手段是布风板均匀性改造、布风板阻力和一次风率调整、二次风喷口布置改造、分离器提效改造，其中二次风口布置和分级改造的效果不显著，甚至有失败的案例;锅炉D采用的一次风向二次风转移的改造特别适用于该炉一次风机压头裕量与流量裕量特别大的场合，不具有普遍性。因此，从控制床温和一次风率的角度来看，布风板改造和分离器提效是CFB锅炉改造的重点。

布风板的布风均匀是最基本的要求，布风板适当的阻力是布风均匀与稳定流化的需要，对于不同煤种，控制适宜的一次风率则是控制床温和污染物生成的基础，最后，分离器提效则对床温控制与提高燃烧经济性均是有利的。

因此，CFB锅炉燃烧改造的关键在于布风板改造和分离器提效改造，上述锅炉D的改造总体符合上述要求，根据布风板特点制定适合的改造方案，同时根据辅机设备特点，进行了一次风向二次风转移补风，改造是成功的。

4  结论

CFB锅炉由于其燃烧温度低、床温区间范围小、一次风率变化范围有限等特点，在低氮燃烧改造中，只要抓住布风板改造和分离器提效改造两个重点，达到理想的NOx控制水平是较易实现的。使布风板布风均匀，对不同煤种确定合适的一次风率，提高分离器入口烟气流速，确定适合的中心筒尺寸，从而提高分离器效率，使床温可控;同时，在锅炉运行中注意调整过量空气系数和控制合适的燃料粒径，CFB锅炉可达到低氮燃烧状态。本文举例的四台锅炉，改造方案大同小异，但均不同程度地实现了锅炉降低NOx排放浓度的效果。证明了抓住关键因素或主要矛盾，实现CFB锅炉低氮燃烧事半功倍。

（责任编辑：张  琼）

参考文献：

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