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              節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐低氮氧化物排放的分析

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              摘 要: 摘 要:隨著新的燃煤電站鍋爐氮氧化物(NOx)排放標(biāo)準(zhǔn)的制定,循環(huán)流化床(CFB)鍋爐 NOx 排放控制越發(fā)受到重視.清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù),因其有效解決了原有 CFB 鍋爐廠用電率高、爐膛磨損嚴(yán)重、燃燒效率偏低等問(wèn)題,已得到一定規(guī)模的推廣應(yīng)用.

                摘 要:隨著新的燃煤電站鍋爐氮氧化物(NOx)排放標(biāo)準(zhǔn)的制定,循環(huán)流化床(CFB)鍋爐 NOx 排放控制越發(fā)受到重視.清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù),因其有效解決了原有 CFB 鍋爐廠用電率高、爐膛磨損嚴(yán)重、燃燒效率偏低等問(wèn)題,已得到一定規(guī)模的推廣應(yīng)用.同時(shí), 該技術(shù)在 NOx超低排放方面也存在一定潛在優(yōu)勢(shì).為此,本文根據(jù) CFB 鍋爐中 NOx 生成規(guī)律及節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù)基本理論,結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù),從床層溫度控制和氧化還原氣氛調(diào)整等角度,論證了該技術(shù)在強(qiáng)化 CFB 鍋爐 NOx低排放性能上具有一定的優(yōu)勢(shì).

              節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐低氮氧化物排放的分析

                關(guān)鍵詞:氮氧化物;節(jié)能型循環(huán)流化床;床層溫度;氧化還原氣氛

                隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,氮氧化物 (NOx)作為主要的大氣污染物受到了越來(lái)越嚴(yán)格的管控.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)2010年NOx總排放量為1,852.4 萬(wàn)噸,其中包括燃煤電站鍋爐在內(nèi)的工業(yè) NOx 排放占 79.1%,成為 NOx 的主要排放源[1].國(guó)家環(huán)保局最新修訂了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011),要求新建電廠需達(dá)到 100,mg/m3 的排放標(biāo)準(zhǔn)(以 NO2 計(jì),折算為干基、氧氣體積分?jǐn)?shù) 6%).因此,如何控制燃煤電站鍋爐使其 NOx 排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義.

                循環(huán)流化床(CFB)鍋爐作為目前商業(yè)化應(yīng)用最成功的清潔煤燃燒技術(shù)之一,具有煤種適應(yīng)性好、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能優(yōu)良、灰渣便于綜合利用等優(yōu)勢(shì),因此得以在我國(guó)劣質(zhì)煤利用領(lǐng)域大規(guī)模推廣[2].同時(shí),CFB 鍋爐由于燃燒溫度低、爐內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)等特點(diǎn),具有 NOx 排放低的先天優(yōu)勢(shì),但面對(duì)新的 NOx 國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)大部分 CFB 鍋爐機(jī)組都無(wú)法達(dá)標(biāo).其中既有煤種特性導(dǎo)致的,也有鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行有問(wèn)題或鍋爐帶病運(yùn)行導(dǎo)致的,例如,由于系統(tǒng)物料平衡出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致循環(huán)流率不足,爐膛溫度超溫等.因此實(shí)現(xiàn) CFB 鍋爐的 NOx 超低排放,首先要解決部分機(jī)組的帶病運(yùn)行問(wèn)題.清華大學(xué)通過(guò)大量總結(jié)國(guó)內(nèi)外 CFB 鍋爐的運(yùn)行、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合理論分析,提出了基于流態(tài)重構(gòu)的低床壓降節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù)路線,經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),可顯著改善鍋爐爐內(nèi)燃燒、磨損狀況,降低了廠用電率,提高設(shè)備可用性,大大增強(qiáng)了 CFB 鍋爐的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3].同時(shí),經(jīng)工業(yè)實(shí)踐檢驗(yàn),節(jié)能型 CFB 鍋爐在 NOx 排放上同樣具有一定優(yōu)勢(shì).然而,相關(guān)研究的開(kāi)展還很不充分,在當(dāng)前 NOx嚴(yán)格限排的背景下,該問(wèn)題的研究勢(shì)在必行.

                本文通過(guò)對(duì) NOx 生成機(jī)理及低床壓降節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù)的闡釋,結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),分析了節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù)對(duì) NOx 排放的影響,從而論證了該技術(shù)在強(qiáng)化 CFB 鍋爐低 NOx 排放特性上具有一定優(yōu)勢(shì).

                1 CFB鍋爐 NOx生成機(jī)理簡(jiǎn)述

                自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái),針對(duì) CFB 鍋爐內(nèi) NOx 的生成機(jī)理,許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了不少有益的結(jié)論.

                在燃煤鍋爐產(chǎn)生的 NOx 中,NO 具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,占整個(gè)NOx生成量的比例超過(guò)90%[4].宏觀而言,燃煤過(guò)程中 NOx 的生成途徑主要有熱力型、燃料型和快速型 3 種.由于 CFB 鍋爐燃燒溫度較低(通常小于 1,000,℃),不具備熱力型 NOx 生成的高溫條件(約 1,300, ℃),因此幾乎沒(méi)有熱力型 NOx 生成,這也是 CFB 鍋爐原始 NOx 排放水平偏低的主要原因.而快速型 NOx 一般只在 CHi 基團(tuán)濃度較高且較為貧氧的環(huán)境中生成.因此,CFB 鍋爐中生成的 NOx 主要為煤中所含氮元素經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)化而來(lái)的燃料型 NOx [5].

                煤中氮含量一般在 0.5%~3%,主要以芳香型的吡咯、吡啶和季氮等形式存在.煤顆粒在被投入爐膛后,隨即在高溫下發(fā)生脫揮發(fā)分過(guò)程,60%~80% 的含氮化合物隨揮發(fā)分析出,稱之為揮發(fā)分氮,而存留在焦炭中的部分稱為焦炭氮.揮發(fā)分氮在高溫環(huán)境中的化學(xué)活性很高,迅速分解為NH3、HCN 等小分子化合物,并在O2 存在條件下,經(jīng)NH2、NH、NCO 等基團(tuán)被氧化為N2、NO、N2O 等.同時(shí),生成的 NO 也會(huì)被 NH3 等中間產(chǎn)物、半焦等重新還原為 N2,因此最終的 NO 生成量取決于正逆反應(yīng)相減后的凈生成量[6].

                焦炭氮也會(huì)被氧化生成 NO,但焦炭由于自身還原性而產(chǎn)生的抑制作用也不容忽視.圖 1 為 CFB 鍋爐中燃料型 NOx生成路徑示意[7].

                NOx 生成過(guò)程主要集中在 CFB 鍋爐密相區(qū),尤其是在給煤口附近.NOx 隨煙氣沿 CFB 爐膛高度方向向上流動(dòng),直至爐膛出口,質(zhì)量濃度沿高度呈下降趨勢(shì).一方面,二次風(fēng)的加入稀釋了 NOx 質(zhì)量濃度;同時(shí),爐內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)的 CO 和未燃盡焦炭都對(duì) NOx 起到顯著的還原作用.國(guó)內(nèi) CFB 鍋爐多燃用無(wú)煙煤、石油焦、貧煤等低反應(yīng)活性燃料,單位時(shí)間燃燒速率低,因此需要更多的反應(yīng)表面,造成物料中碳存量較高,所以爐膛內(nèi)還原性較強(qiáng)[8],爐膛出口CO 體積分?jǐn)?shù)可達(dá) 10,000,×10-6[9].已有研究表明,CO 和 NOx 在焦炭表面發(fā)生的氣固異相反應(yīng)是 NOx 還原的最重要反應(yīng)[7],該結(jié)論已在小型熱態(tài) CFB 試驗(yàn)臺(tái)上得以驗(yàn)證[10-12].

                綜上所述,溫度和氧化還原氣氛是影響 CFB 鍋爐中 NOx 生成及還原的最主要因素.通過(guò)調(diào)整 CFB 鍋爐的運(yùn)行狀態(tài),改變以上各因素,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐NOx 排放的控制.當(dāng)CFB 鍋爐溫度控制在 900,℃,且當(dāng)煤種含氮量不高時(shí)(如低于0.7%),可自然實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,見(jiàn)圖 2[13].

                2 節(jié)能型 CFB鍋爐技術(shù)對(duì) NOx生成的影響

                2.1 節(jié)能型 CFB鍋爐技術(shù)簡(jiǎn)介

                CFB 鍋爐具有寬篩分的給煤粒徑,一般在 0~ 10,mm,因此爐膛內(nèi)床料也具有較寬的粒徑分布.根據(jù)流態(tài)化理論,爐膛內(nèi)流態(tài)可視為不同粒徑顆粒流態(tài)的疊加,由無(wú)法參與循環(huán)的粗大顆粒在爐膛底部形成的鼓泡床流動(dòng)以及參與外循環(huán)的細(xì)顆粒構(gòu)成的快速床流動(dòng)組成[14],如圖 3 所示[15].

                因此,CFB 鍋爐的床料可定性分為兩類(lèi),即參與外部循環(huán)的有效床 料和無(wú) 法參與循環(huán)的無(wú)效床料.有效床料量決定了爐膛內(nèi)和循環(huán)回路中的燃燒分配和受熱面布置,是 CFB 鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行的必要條件;而作為無(wú)效床料的粗顆粒,對(duì)傳熱貢獻(xiàn)很小,且加劇了底部受熱面的磨損,增大了風(fēng)機(jī)功耗.現(xiàn)有部分 CFB 鍋爐運(yùn)行中廠用電率偏高和水冷壁磨損嚴(yán)重的弊端很大程度上源于此.同時(shí),二次風(fēng)的穿透效果也受到底部粗顆粒的制約,因此,適當(dāng)減少粗顆粒所占份額,對(duì)于降低風(fēng)機(jī)壓頭、改善磨損和提高燃燒效率都是有益的.

                節(jié)能型低床壓降 CFB 鍋爐技術(shù)通過(guò)優(yōu)化給煤粒徑,在保證大顆粒燃盡的前提下,盡量壓縮無(wú)效床料比例,從而降低底部密相區(qū)的懸浮質(zhì)量濃度,而盡可能增加形成快速床流動(dòng)的有效床料比例,滿足爐膛上部傳熱性能要求,使得爐膛內(nèi)燃燒熱量的分配更趨合理,避免底部出現(xiàn)超溫.同時(shí),二次風(fēng)口處物料質(zhì)量濃度降低,通過(guò)優(yōu)化給煤口布置,增加二次風(fēng)擾動(dòng)效果,提高二次風(fēng)比例及穿透能力,改進(jìn)爐膛上部氣固混合,減少貧氧區(qū)的范圍,提高鍋爐燃燒效率.爐膛底部懸浮質(zhì)量濃度降低,也可以減輕受熱面的磨損,提高鍋爐機(jī)組的可用率.當(dāng)然,采用該技術(shù)的前提是,CFB 鍋爐的分離器效率和外循環(huán)回路必須能滿足基本的物料平衡要求,否則需要對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行改造[16].

                綜上所述,節(jié)能型CFB鍋爐技術(shù)路線的核心是通過(guò)提高有效床料份額實(shí)現(xiàn)流態(tài)重構(gòu),具體表現(xiàn)為床存量降低和配風(fēng)比例變化,爐膛上部維持快速床流化狀態(tài),避免多余存料量引起的不必要的風(fēng)機(jī)能耗和受熱面磨損,從而有效解決了原有CFB鍋爐廠用電率偏高和燃燒效率不足的問(wèn)題.實(shí)踐證明,采用該技術(shù)的 CFB鍋爐機(jī)組廠用電率可以從7%~8%降至4%~5%,鍋爐的檢修周期延長(zhǎng),機(jī)組可用率達(dá)到 99.9%[15,17].

                2.2 節(jié)能型 CFB鍋爐技術(shù)對(duì)床溫的影響

                爐膛溫度是 NOx 生成的最重要因素之一,溫度越高 NOx 排放越高.爐膛設(shè)計(jì)溫度的選取需要綜合考慮傳熱和燃燒效率的要求,因此不能選擇得過(guò)低.為滿足滿負(fù)荷的傳熱要求,需要根據(jù)鍋爐物料平衡所能達(dá)到的傳熱系數(shù)(主要由物料懸浮質(zhì)量濃度決定),滿足飛灰燃盡需要的溫度,來(lái)設(shè)計(jì)受熱面的布置,以盡量降低飛灰和底渣含碳量.采用流態(tài)重構(gòu)技術(shù)合理優(yōu)化床料質(zhì)量,優(yōu)化二次風(fēng)的穿透深度和擴(kuò)散能力,使得爐膛內(nèi)燃燒效率提高,因此具備了在較低溫度下依然維持較高燃燒效率的條件;通過(guò)優(yōu)化床料質(zhì)量,盡管爐內(nèi)床料總存量降低,平均顆粒懸浮質(zhì)量濃度下降,但上部懸浮物料質(zhì)量濃度卻得以提高,上部區(qū)域受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大,從而在較低溫度下依然滿足滿負(fù)荷的熱量傳遞.同時(shí),上部懸浮質(zhì)量濃度增加,促進(jìn)了顆粒團(tuán)的生成,顆粒團(tuán)在爐膛內(nèi)的宏觀運(yùn)行強(qiáng)化了上下顆粒返混,因此爐膛內(nèi)溫度均勻性提高,可以有效避免底部超溫.

                國(guó)內(nèi)北方某電廠同時(shí)配備了采用原有技術(shù)和節(jié)能型技術(shù)的 220,t/h 高壓 CFB 鍋爐機(jī)組.在滿負(fù)荷工況燃用相同煤種情況下,對(duì)于節(jié)能型鍋爐機(jī)組而言,盡管風(fēng)室風(fēng)壓要低于老技術(shù)機(jī)組,但爐膛內(nèi)上部懸浮質(zhì)量濃度明顯高于后者,很明顯形成了較高的循環(huán)流率,因此爐膛上部傳熱系數(shù)增加,爐膛內(nèi)物料分布趨于合理,顆粒團(tuán)的形成強(qiáng)化了顆粒內(nèi)部混合,使?fàn)t膛整體床溫,尤其是底部溫度顯著下降(低于 900,℃),爐膛上下溫度更加均勻,詳見(jiàn)圖 4.據(jù)統(tǒng)計(jì),該廠節(jié)能型技術(shù)鍋爐和原有技術(shù)鍋爐的 NOx 平均排放質(zhì)量濃度為 113,mg/m3 和 192,mg/m3 ,可見(jiàn)節(jié)能型技術(shù)在低 NOx排放上優(yōu)勢(shì)明顯.

                上述運(yùn)行證明,節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)通過(guò)優(yōu)化床料粒徑、二次風(fēng)布置方式和一二次風(fēng)配比等,改善氣體在爐膛內(nèi)的擴(kuò)散和混合,進(jìn)而強(qiáng)化燃燒,減輕了燃盡對(duì)高床溫的依賴,使得 CFB 鍋爐能在較低床溫下高效、穩(wěn)定運(yùn)行,從而具備了在較低溫度下同時(shí)滿足傳熱和燃燒的能力.綜上所述,從 NOx 生成的溫度因素考慮,基于流態(tài)重構(gòu)的節(jié)能型 CFB 鍋爐具有先天的優(yōu)勢(shì).

                2.3 節(jié)能型 CFB鍋爐技術(shù)對(duì)氧化還原氣氛的影響

                通過(guò)優(yōu)化給煤粒徑,爐膛底部處于鼓泡床狀態(tài)的粗大顆粒份額顯著減少,細(xì)顆粒的增加將導(dǎo)致上部燃燒份額的增多,分級(jí)送風(fēng)配比也將相應(yīng)地調(diào)整,即一次風(fēng)比例降低,二次風(fēng)比例增加.而且,為了提高燃燒效率,二次風(fēng)口位置提高或只全開(kāi)上二次風(fēng)口,增強(qiáng)了單股二次風(fēng)的噴射動(dòng)量,改善爐膛內(nèi)氧氣分布的均勻性.

                由于底部一次風(fēng)的減少,原有的密相區(qū)還原性氣氛得以保持,同時(shí)二次風(fēng)口的上移致使下部還原氣氛的空間增大,均對(duì) NOx 的生成起到抑制作用.而且,密相區(qū)流化風(fēng)速減小,氣體及煤顆粒在此區(qū)域的停留時(shí)間增加,亦即延長(zhǎng)了揮發(fā)分析出后在還原性氣氛下的停留時(shí)間,揮發(fā)分氮盡管可以分解為 NH3、HCN 等小分子化合物,在還原性氣氛下將錯(cuò)失了最佳生成 NOx 的機(jī)會(huì).在二次風(fēng)口以上,由于稀相區(qū)物料懸浮質(zhì)量濃度的增加及燃燒份額的提高,未燃盡碳濃度增加,對(duì) NOx 的還原效果將增加[18].Deigo 等[11]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在相同 CFB 實(shí)驗(yàn)臺(tái)中,細(xì)顆粒煤燃燒的 NOx 生成量要低于粗顆粒煤,作者對(duì)此現(xiàn)象的解釋仍然是上部焦炭顆粒對(duì) NOx的還原作用.

                英國(guó) Leeds 大學(xué)的 Gibbs 教授課題組利用帶外置換熱床的熱態(tài) CFB 實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了一二次風(fēng)配比及二次風(fēng)口高度對(duì) NOx 生成的影響.結(jié)果表明,提高二次風(fēng)比例后,爐膛出口 NOx 排放水平下降,且密相區(qū)原始 NOx 生成量的差異明顯,如圖 5 所示.從 NOx 生成環(huán)境氣氛的角度,筆者認(rèn)為二次風(fēng)比例調(diào)整后對(duì)密相區(qū)還原性的改變較為顯著.而提高二次風(fēng)口位置時(shí),NOx 在爐膛中下部質(zhì)量濃度變化不大,而在出口處略有降低[10-11].Zhao 等[19]也利用 150,kWth 小型CFB 實(shí)驗(yàn)臺(tái),探討了包括一二次風(fēng)配比、二次風(fēng)注入位置等因素對(duì)爐膛內(nèi)氧化還原氣氛的影響,進(jìn)而考察對(duì) NOx 排放的影響,也得到了與以上類(lèi)似的結(jié)論.他們還考察了 NO 生成沿爐膛橫向的分布規(guī)律,進(jìn)一步證實(shí)了NOx生成對(duì)氧化性氣氛的依賴性[12].

                已有的小型 CFB 熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析表明,重構(gòu)后的 CFB 鍋爐流態(tài)以及對(duì)配風(fēng)作出的相應(yīng)調(diào)整,有利于減少 NOx的初始生成量并促進(jìn)其還原.

                對(duì)于工業(yè)實(shí)踐,以浙江嵊州某熱電廠兩臺(tái) CFB 鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)為例,見(jiàn)表 1.經(jīng)節(jié)能改造后的 5#爐與未經(jīng)改造的 4#爐相比,在燃用相同燃料時(shí)(均為印尼煙煤摻混石油焦),床溫明顯偏低,且爐內(nèi)燃燒狀況組織較好.同時(shí),當(dāng) 5#爐負(fù)荷降低后,相應(yīng)減小鍋爐風(fēng)量,爐膛內(nèi)氧濃度的降低導(dǎo)致 NOx 排放的大幅度下降,說(shuō)明該燃料的 NOx 排放特性與爐膛內(nèi)氧化氣氛程度高度相關(guān),經(jīng)改造后的 5#爐具有更大的 NOx 調(diào)節(jié)裕度.

                3 結(jié) 語(yǔ)

                根據(jù) CFB 鍋爐中 NOx 生成規(guī)律及節(jié)能型 CFB 鍋爐技術(shù)基本理論,結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù),從床溫控制和氧化還原氣氛調(diào)整等角度,證明節(jié)能型 CFB 鍋爐可有效解決超溫現(xiàn)象、維持鍋爐低床溫運(yùn)行并改善爐膛內(nèi)氧化還原氣氛分布狀況,使得該技術(shù)在強(qiáng)化 CFB 鍋爐 NOx低排放性能上具有一定的優(yōu)勢(shì).該技術(shù)還需要在已投運(yùn)節(jié)能型 CFB 鍋爐上進(jìn)一步加以驗(yàn)證,并拓寬煤種的適應(yīng)性.——論文作者:李競(jìng)岌 1 ,楊海瑞 1 ,呂俊復(fù) 1 ,張建春 2 ,曹培慶 3 ,趙勇綱 3 ,白 楊 3

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