循环流化床锅炉低氮燃烧的技术改造实践

洪建辉

1 设计及运行条件

根据锅炉原有设计及运行条件，本次改造针对75 t/h中温中压循环流化床锅炉(46600-0-0) 低氮燃烧而实施。

1.1 锅炉基础数据及运行参数

锅炉的运行数据见表1。

表1 锅炉运行参数

1.2 改造目标

改造后锅炉运行目标参数见表2。

表2 改造后锅炉运行参数

2 氮氧化物的产生机理及脱氮技术原理

2.1 氮氧化物的产生机理

在氮氧化物中，NO 占90% 以上，二氧化氮占5%～10%，产生机理一般分为三种。

2.1.1 热力型

燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，生成过程是一个不分支连锁反应。生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich) 反应式表示。[1-3]

随着反应温度的升高，反应速率按指数规律。当温度＜1 500℃时，NO 的生成量很少，当温度＞1 500℃时，温度每增加100℃，反应速率增大6～7 倍。

热力型氮氧化物生成机理（Zeldovich 反应式）

在高温下总生成式为：

2.1.2 瞬时反应型( 快速型)

快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的。当碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。

由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH 自由基可以和空气中氮气反应生成HCN 和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60 ms，所生成的与炉膛压力0.5 次方成正比，与温度的关系不大。

上述两种氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要来源。

2.1.3 燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600%、800℃时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占60%～80%。

在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN 和中间产物基团，然后再氧化成NOx。[4-6]由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，而燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成，燃料中氮分解为挥发分N 和焦炭N，见图1。

图1 燃料中氮分解为挥发分N 和焦炭N

2.2 脱氮技术原理

对于没有脱硝设备和脱硝燃烧器的循环流化床锅炉来说，也可以采用低氮燃烧技术来减少NOx的生成机会。

2.2.1 燃料型NOx

在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。燃料型NOx是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率，控制NOx排放总量，可采取：（1）减少燃烧的过量空气系数；（2）控制燃料与空气的前期混合；（3）提高入炉的局部燃料质量浓度。

2.2.2 热力型NOx

热力型NOx是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是：（1）高的燃烧温度使氮分子游离增强化学活性；（2）高氧质量浓度。要减少热力型NOx的生成，可采取：（1）减少燃烧最高温度区域范围；（2）降低锅炉燃烧的峰值温度；（3）降低燃烧的过量空气系数和局部氧质量浓度。

2.3 采取的措施

在保证锅炉燃烧安全、稳定的前提下，可以采取以下措施来减少氮氧化物的生成。

2.3.1 低过量空气燃烧

使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中氧含量的减少，可以抑制NOx的生成。这是一种简单的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如要炉内氧质量分数过低(3% 以下)，会增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，使锅炉燃烧效率下降。因此，在锅炉运行时，应选取合理的过量空气系数。

2.3.2 空气分级送入炉膛

基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成，采用倒三角的配风方式，具体有以下阶段。

2.3.2.1 预燃阶段

将从一次风室供入炉膛的空气量减少，相当于理论空气量的80%，使燃料先在缺氧、富燃料燃烧条件下燃烧。此时，密相区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此，不但延迟了燃烧过程，降底了炉膛密相区的温度，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧过程中的生成量。

2.3.2.2 燃烬阶段

为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气通过布置在密相区中上部及过渡区的专门二次风喷口送入炉膛，与密相区下部在 “贫氧燃烧” 条件下所产生的烟气混合，在α＞1 的条件下完成全部燃烧过程。

这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在密相区内的过量空气系数越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此，为保证既能减少NOx的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧。

3 循环流化床低氮燃烧改造工艺

3.1 前期技术分析

通过对75 t/h 中温中压循环流化床锅炉(46600-0-0) 运行工况和结构的了解、检测及对燃煤资料的分析，得出结果：锅炉燃烧不合理，一、二次风没有做到合理分配，炉膛温度偏高，使得锅炉出口NOx含量偏高。

3.2 技改措施和工艺要求

针对以上的具体分析，特别提出了低氮燃烧技改措施和基本原理性工艺要求。

3.2.1 控制供煤系统的燃煤颗粒度

保证锅炉入口燃煤粒度控制在8 mm 以下，以降低锅炉一次风用量（煤粉粒径控制不在本次改造范围）。

3.2.2 二次风的合理分级

原锅炉设有三层二次风入口风管，该布置形式虽然可以满足锅炉对二次风量的要求，但二次风对炉膛内烟气的扰动作用较差，不利于燃料在炉膛内的充分燃烧。另外，由于二次风管布置位置不合理，角度、风速选取也有误差，不利于炉膛内燃料的分级燃烧和分层给风，对控制NOx的生成方面也很不利。

为了更好地进行分级配风，减少NOx的生成，对原锅炉二次风管位置、风速、角度进行全面调整，以达到控制NOx的目的。

除了考虑高度方向的分级，还要求对水平方向进行分级，以达到炉膛氧量分配均匀的目标。水平方向的二次风分级主要通过适当调整两侧和中间风管管径的办法来实现。

对于设计的传统二次风母管前后联络风箱，这部分风箱一般都需要适当扩大，以满足二次风特殊送风比例关系的要求，否则会影响静压风箱或者等压风箱二次风分配原理，不利于二次风取风点的均匀性。

3.2.3 二次风入口端直管段的确定

为了形成良好的二次风进入炉内的射流喷射效果，保持基本射程而不被扩散，需对二次风入口喷嘴进行改造，以提高二次风对炉膛内烟气的扰动性。

每个二次风分风道，选用手动调节风门。为了增加二次风在炉膛内的穿透性，提高燃烧效率，适当调整二次风入炉射流的水平夹角。

3.2.4 尾气再循环

在控制燃煤颗粒度的条件下，降低锅炉一次风的风量。同时为了有效减小锅炉一次风含氧量，又满足锅炉一次风流化风量需求，本方案设计从引风机出口接管道至锅炉一次风机入口，充当锅炉一次风，以有效降低一次风含氧量，增加风量分配调节裕度。

3.2.5 增设水冷屏

在炉膛内增设水冷屏，水冷屏布置在炉膛的中上部，可以吸收炉膛热量，降低床温及返料温度。

4 4# 炉改造前后数据比较

4# 炉改造前后相关参数对比见表3，具体运行画面见图2。

表3 改造前后相关参数对比

图2 4# 炉改造前后运行画面

通过对上述内容的改造优化，改造后锅炉带负荷能力强，脱硫效率提高，氮氧化物降低。燃料粒度保证在0～10 mm，蒸发量81.99 t/h 时，锅炉出口NOx降至190 mg/Nm3以内，达到了预定目标。与此同时，通过在炉膛出口位置配置脱硝系统（SNCR），使得氮氧化物的排放质量浓度远远低于50 mg/Nm3，达到国家的排放标准。

5 结语

减少排放的氮氧化物的量，从而减少对大气的污染，已成为对大气环境保护的重要方式，锅炉低氮燃烧的成功实施为燃煤锅炉降低氮氧化物的生成指明了方向，起到了积极的作用。