洪建輝

1 設(shè)計及運行條件

根據(jù)鍋爐原有設(shè)計及運行條件，本次改造針對75 t/h中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐(46600-0-0) 低氮燃燒而實施。

1.1 鍋爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及運行參數(shù)

鍋爐的運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 鍋爐運行參數(shù)

1.2 改造目標

改造后鍋爐運行目標參數(shù)見表2。

表2 改造后鍋爐運行參數(shù)

2 氮氧化物的產(chǎn)生機理及脫氮技術(shù)原理

2.1 氮氧化物的產(chǎn)生機理

在氮氧化物中，NO 占90% 以上，二氧化氮占5%～10%，產(chǎn)生機理一般分為三種。

2.1.1 熱力型

燃燒時，空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生，生成過程是一個不分支連鎖反應(yīng)。生成機理可用捷里多維奇(Zeldovich) 反應(yīng)式表示。[1-3]

隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律。當(dāng)溫度＜1 500℃時，NO 的生成量很少，當(dāng)溫度＞1 500℃時，溫度每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7 倍。

熱力型氮氧化物生成機理（Zeldovich 反應(yīng)式）

在高溫下總生成式為：

2.1.2 瞬時反應(yīng)型( 快速型)

快速型NOx是1971年Fenimore通過實驗發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)碳氫化合物燃料燃燒在燃料過濃時，在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成NOx。

由于燃料揮發(fā)物中碳氫化合物高溫分解生成的CH 自由基可以和空氣中氮氣反應(yīng)生成HCN 和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成，其形成時間只需要60 ms，所生成的與爐膛壓力0.5 次方成正比，與溫度的關(guān)系不大。

上述兩種氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要來源。

2.1.3 燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600%、800℃時就會生成燃料型，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60%～80%。

在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN 和中間產(chǎn)物基團，然后再氧化成NOx。[4-6]由于煤的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，而燃料型的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，燃料中氮分解為揮發(fā)分N 和焦炭N，見圖1。

圖1 燃料中氮分解為揮發(fā)分N 和焦炭N

2.2 脫氮技術(shù)原理

對于沒有脫硝設(shè)備和脫硝燃燒器的循環(huán)流化床鍋爐來說，也可以采用低氮燃燒技術(shù)來減少NOx的生成機會。

2.2.1 燃料型NOx

在燃用揮發(fā)分較高的煙煤時，燃料型NOx含量較多，快速型NOx極少。燃料型NOx是空氣中的氧與煤中氮元素?zé)峤猱a(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成NOx，燃料中氮并非全部轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，它存在一個轉(zhuǎn)換率，降低此轉(zhuǎn)換率，控制NOx排放總量，可采?。海?）減少燃燒的過量空氣系數(shù)；（2）控制燃料與空氣的前期混合；（3）提高入爐的局部燃料質(zhì)量濃度。

2.2.2 熱力型NOx

熱力型NOx是燃燒時空氣中的N2和O2在高溫下生成的NOx，產(chǎn)生的主要條件是：（1）高的燃燒溫度使氮分子游離增強化學(xué)活性；（2）高氧質(zhì)量濃度。要減少熱力型NOx的生成，可采?。海?）減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍；（2）降低鍋爐燃燒的峰值溫度；（3）降低燃燒的過量空氣系數(shù)和局部氧質(zhì)量濃度。

2.3 采取的措施

在保證鍋爐燃燒安全、穩(wěn)定的前提下，可以采取以下措施來減少氮氧化物的生成。

2.3.1 低過量空氣燃燒

使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行，隨著煙氣中氧含量的減少，可以抑制NOx的生成。這是一種簡單的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如要爐內(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)過低(3% 以下)，會增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，使鍋爐燃燒效率下降。因此，在鍋爐運行時，應(yīng)選取合理的過量空氣系數(shù)。

2.3.2 空氣分級送入爐膛

基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成，采用倒三角的配風(fēng)方式，具體有以下階段。

2.3.2.1 預(yù)燃階段

將從一次風(fēng)室供入爐膛的空氣量減少，相當(dāng)于理論空氣量的80%，使燃料先在缺氧、富燃料燃燒條件下燃燒。此時，密相區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)α＜1，因而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平。因此，不但延遲了燃燒過程，降底了爐膛密相區(qū)的溫度，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應(yīng)率，抑制了NOx在這一燃燒過程中的生成量。

2.3.2.2 燃燼階段

為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣通過布置在密相區(qū)中上部及過渡區(qū)的專門二次風(fēng)噴口送入爐膛，與密相區(qū)下部在 “貧氧燃燒” 條件下所產(chǎn)生的煙氣混合，在α＞1 的條件下完成全部燃燒過程。

這一方法彌補了簡單的低過量空氣燃燒的缺點。在密相區(qū)內(nèi)的過量空氣系數(shù)越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產(chǎn)物越多，導(dǎo)致燃燒效率降低、引起結(jié)渣和腐蝕的可能性越大。因此，為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和可靠性，必須正確組織空氣分級燃燒。

3 循環(huán)流化床低氮燃燒改造工藝

3.1 前期技術(shù)分析

通過對75 t/h 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐(46600-0-0) 運行工況和結(jié)構(gòu)的了解、檢測及對燃煤資料的分析，得出結(jié)果：鍋爐燃燒不合理，一、二次風(fēng)沒有做到合理分配，爐膛溫度偏高，使得鍋爐出口NOx含量偏高。

3.2 技改措施和工藝要求

針對以上的具體分析，特別提出了低氮燃燒技改措施和基本原理性工藝要求。

3.2.1 控制供煤系統(tǒng)的燃煤顆粒度

保證鍋爐入口燃煤粒度控制在8 mm 以下，以降低鍋爐一次風(fēng)用量（煤粉粒徑控制不在本次改造范圍）。

3.2.2 二次風(fēng)的合理分級

原鍋爐設(shè)有三層二次風(fēng)入口風(fēng)管，該布置形式雖然可以滿足鍋爐對二次風(fēng)量的要求，但二次風(fēng)對爐膛內(nèi)煙氣的擾動作用較差，不利于燃料在爐膛內(nèi)的充分燃燒。另外，由于二次風(fēng)管布置位置不合理，角度、風(fēng)速選取也有誤差，不利于爐膛內(nèi)燃料的分級燃燒和分層給風(fēng)，對控制NOx的生成方面也很不利。

為了更好地進行分級配風(fēng)，減少NOx的生成，對原鍋爐二次風(fēng)管位置、風(fēng)速、角度進行全面調(diào)整，以達到控制NOx的目的。

除了考慮高度方向的分級，還要求對水平方向進行分級，以達到爐膛氧量分配均勻的目標。水平方向的二次風(fēng)分級主要通過適當(dāng)調(diào)整兩側(cè)和中間風(fēng)管管徑的辦法來實現(xiàn)。

對于設(shè)計的傳統(tǒng)二次風(fēng)母管前后聯(lián)絡(luò)風(fēng)箱，這部分風(fēng)箱一般都需要適當(dāng)擴大，以滿足二次風(fēng)特殊送風(fēng)比例關(guān)系的要求，否則會影響靜壓風(fēng)箱或者等壓風(fēng)箱二次風(fēng)分配原理，不利于二次風(fēng)取風(fēng)點的均勻性。

3.2.3 二次風(fēng)入口端直管段的確定

為了形成良好的二次風(fēng)進入爐內(nèi)的射流噴射效果，保持基本射程而不被擴散，需對二次風(fēng)入口噴嘴進行改造，以提高二次風(fēng)對爐膛內(nèi)煙氣的擾動性。

每個二次風(fēng)分風(fēng)道，選用手動調(diào)節(jié)風(fēng)門。為了增加二次風(fēng)在爐膛內(nèi)的穿透性，提高燃燒效率，適當(dāng)調(diào)整二次風(fēng)入爐射流的水平夾角。

3.2.4 尾氣再循環(huán)

在控制燃煤顆粒度的條件下，降低鍋爐一次風(fēng)的風(fēng)量。同時為了有效減小鍋爐一次風(fēng)含氧量，又滿足鍋爐一次風(fēng)流化風(fēng)量需求，本方案設(shè)計從引風(fēng)機出口接管道至鍋爐一次風(fēng)機入口，充當(dāng)鍋爐一次風(fēng)，以有效降低一次風(fēng)含氧量，增加風(fēng)量分配調(diào)節(jié)裕度。

3.2.5 增設(shè)水冷屏

在爐膛內(nèi)增設(shè)水冷屏，水冷屏布置在爐膛的中上部，可以吸收爐膛熱量，降低床溫及返料溫度。

4 4# 爐改造前后數(shù)據(jù)比較

4# 爐改造前后相關(guān)參數(shù)對比見表3，具體運行畫面見圖2。

表3 改造前后相關(guān)參數(shù)對比

圖2 4# 爐改造前后運行畫面

通過對上述內(nèi)容的改造優(yōu)化，改造后鍋爐帶負荷能力強，脫硫效率提高，氮氧化物降低。燃料粒度保證在0～10 mm，蒸發(fā)量81.99 t/h 時，鍋爐出口NOx降至190 mg/Nm3以內(nèi)，達到了預(yù)定目標。與此同時，通過在爐膛出口位置配置脫硝系統(tǒng)（SNCR），使得氮氧化物的排放質(zhì)量濃度遠遠低于50 mg/Nm3，達到國家的排放標準。

5 結(jié)語

減少排放的氮氧化物的量，從而減少對大氣的污染，已成為對大氣環(huán)境保護的重要方式，鍋爐低氮燃燒的成功實施為燃煤鍋爐降低氮氧化物的生成指明了方向，起到了積極的作用。