摘 要：随着新的燃煤电站锅炉氮氧化物(NOx)排放标准的制定，循环流化床(CFB)锅炉 NOx 排放控制越发受到重视.清华大学开发的基于流态重构的节能型 CFB 锅炉技术，因其有效解决了原有 CFB 锅炉厂用电率高、炉膛磨损严重、燃烧效率偏低等问题，已得到一定规模的推广应用.同时， 该技术在 NOx超低排放方面也存在一定潜在优势.为此，本文根据 CFB 锅炉中 NOx 生成规律及节能型 CFB 锅炉技术基本理论，结合已有实验室及工业运行数据，从床层温度控制和氧化还原气氛调整等角度，论证了该技术在强化 CFB 锅炉 NOx低排放性能上具有一定的优势.
关键词：氮氧化物;节能型循环流化床;床层温度;氧化还原气氛
随着我国环境保护形势的日益严峻，氮氧化物 (NOx)作为主要的大气污染物受到了越来越严格的管控.据统计，我国2010年NOx总排放量为1,852.4 万吨，其中包括燃煤电站锅炉在内的工业 NOx 排放占 79.1%，成为 NOx 的主要排放源[1].国家环保局最新修订了《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)，要求新建电厂需达到 100,mg/m3 的排放标准(以 NO2 计，折算为干基、氧气体积分数 6%).因此，如何控制燃煤电站锅炉使其 NOx 排放达到标准要求具有迫切的现实意义.
循环流化床(CFB)锅炉作为目前商业化应用最成功的清洁煤燃烧技术之一，具有煤种适应性好、负荷调节性能优良、灰渣便于综合利用等优势，因此得以在我国劣质煤利用领域大规模推广[2].同时，CFB 锅炉由于燃烧温度低、炉内还原性气氛较强等特点，具有 NOx 排放低的先天优势，但面对新的 NOx 国家排放标准，国内大部分 CFB 锅炉机组都无法达标.其中既有煤种特性导致的，也有锅炉设计及运行有问题或锅炉带病运行导致的，例如，由于系统物料平衡出现问题导致循环流率不足，炉膛温度超温等.因此实现 CFB 锅炉的 NOx 超低排放，首先要解决部分机组的带病运行问题.清华大学通过大量总结国内外 CFB 锅炉的运行、设计经验，并结合理论分析，提出了基于流态重构的低床压降节能型 CFB 锅炉技术路线，经实践检验，可显著改善锅炉炉内燃烧、磨损状况，降低了厂用电率，提高设备可用性，大大增强了 CFB 锅炉的市场竞争力[3].同时，经工业实践检验，节能型 CFB 锅炉在 NOx 排放上同样具有一定优势.然而，相关研究的开展还很不充分，在当前 NOx严格限排的背景下，该问题的研究势在必行.
本文通过对 NOx 生成机理及低床压降节能型 CFB 锅炉技术的阐释，结合已有实验数据与运行经验，分析了节能型 CFB 锅炉技术对 NOx 排放的影响，从而论证了该技术在强化 CFB 锅炉低 NOx 排放特性上具有一定优势.
1 CFB锅炉 NOx生成机理简述
自 20 世纪 80 年代以来，针对 CFB 锅炉内 NOx 的生成机理，许多学者进行了大量的研究并取得了不少有益的结论.
在燃煤锅炉产生的 NOx 中，NO 具有更高的热力学稳定性，占整个NOx生成量的比例超过90%[4].宏观而言，燃煤过程中 NOx 的生成途径主要有热力型、燃料型和快速型 3 种.由于 CFB 锅炉燃烧温度较低(通常小于 1,000,℃)，不具备热力型 NOx 生成的高温条件(约 1,300, ℃)，因此几乎没有热力型 NOx 生成，这也是 CFB 锅炉原始 NOx 排放水平偏低的主要原因.而快速型 NOx 一般只在 CHi 基团浓度较高且较为贫氧的环境中生成.因此，CFB 锅炉中生成的 NOx 主要为煤中所含氮元素经复杂的化学过程转化而来的燃料型 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.煤颗粒在被投入炉膛后，随即在高温下发生脱挥发分过程，60%～80% 的含氮化合物随挥发分析出，称之为挥发分氮，而存留在焦炭中的部分称为焦炭氮.挥发分氮在高温环境中的化学活性很高，迅速分解为NH3、HCN 等小分子化合物，并在O2 存在条件下，经NH2、NH、NCO 等基团被氧化为N2、NO、N2O 等.同时，生成的 NO 也会被 NH3 等中间产物、半焦等重新还原为 N2，因此最终的 NO 生成量取决于正逆反应相减后的净生成量[6].
焦炭氮也会被氧化生成 NO，但焦炭由于自身还原性而产生的抑制作用也不容忽视.图 1 为 CFB 锅炉中燃料型 NOx生成路径示意[7].
NOx 生成过程主要集中在 CFB 锅炉密相区，尤其是在给煤口附近.NOx 随烟气沿 CFB 炉膛高度方向向上流动，直至炉膛出口，质量浓度沿高度呈下降趋势.一方面，二次风的加入稀释了 NOx 质量浓度;同时，炉内高体积分数的 CO 和未燃尽焦炭都对 NOx 起到显著的还原作用.国内 CFB 锅炉多燃用无烟煤、石油焦、贫煤等低反应活性燃料，单位时间燃烧速率低，因此需要更多的反应表面，造成物料中碳存量较高，所以炉膛内还原性较强[8]，炉膛出口CO 体积分数可达 10,000,×10-6[9].已有研究表明，CO 和 NOx 在焦炭表面发生的气固异相反应是 NOx 还原的最重要反应[7]，该结论已在小型热态 CFB 试验台上得以验证[10-12].
综上所述，温度和氧化还原气氛是影响 CFB 锅炉中 NOx 生成及还原的最主要因素.通过调整 CFB 锅炉的运行状态，改变以上各因素，就可以实现对锅炉NOx 排放的控制.当CFB 锅炉温度控制在 900,℃，且当煤种含氮量不高时(如低于0.7%)，可自然实现达标排放，见图 2[13].
2 节能型 CFB锅炉技术对 NOx生成的影响
2.1 节能型 CFB锅炉技术简介
CFB 锅炉具有宽筛分的给煤粒径，一般在 0～ 10,mm，因此炉膛内床料也具有较宽的粒径分布.根据流态化理论，炉膛内流态可视为不同粒径颗粒流态的叠加，由无法参与循环的粗大颗粒在炉膛底部形成的鼓泡床流动以及参与外循环的细颗粒构成的快速床流动组成[14]，如图 3 所示[15].
因此，CFB 锅炉的床料可定性分为两类，即参与外部循环的有效床 料和无 法参与循环的无效床料.有效床料量决定了炉膛内和循环回路中的燃烧分配和受热面布置，是 CFB 锅炉满负荷运行的必要条件;而作为无效床料的粗颗粒，对传热贡献很小，且加剧了底部受热面的磨损，增大了风机功耗.现有部分 CFB 锅炉运行中厂用电率偏高和水冷壁磨损严重的弊端很大程度上源于此.同时，二次风的穿透效果也受到底部粗颗粒的制约，因此，适当减少粗颗粒所占份额，对于降低风机压头、改善磨损和提高燃烧效率都是有益的.
节能型低床压降 CFB 锅炉技术通过优化给煤粒径，在保证大颗粒燃尽的前提下，尽量压缩无效床料比例，从而降低底部密相区的悬浮质量浓度，而尽可能增加形成快速床流动的有效床料比例，满足炉膛上部传热性能要求，使得炉膛内燃烧热量的分配更趋合理，避免底部出现超温.同时，二次风口处物料质量浓度降低，通过优化给煤口布置，增加二次风扰动效果，提高二次风比例及穿透能力，改进炉膛上部气固混合，减少贫氧区的范围，提高锅炉燃烧效率.炉膛底部悬浮质量浓度降低，也可以减轻受热面的磨损，提高锅炉机组的可用率.当然，采用该技术的前提是，CFB 锅炉的分离器效率和外循环回路必须能满足基本的物料平衡要求，否则需要对相应的部件进行改造[16].
综上所述，节能型CFB锅炉技术路线的核心是通过提高有效床料份额实现流态重构，具体表现为床存量降低和配风比例变化，炉膛上部维持快速床流化状态，避免多余存料量引起的不必要的风机能耗和受热面磨损，从而有效解决了原有CFB锅炉厂用电率偏高和燃烧效率不足的问题.实践证明，采用该技术的 CFB锅炉机组厂用电率可以从7%～8%降至4%～5%，锅炉的检修周期延长，机组可用率达到 99.9%[15,17].
2.2 节能型 CFB锅炉技术对床温的影响
炉膛温度是 NOx 生成的最重要因素之一，温度越高 NOx 排放越高.炉膛设计温度的选取需要综合考虑传热和燃烧效率的要求，因此不能选择得过低.为满足满负荷的传热要求，需要根据锅炉物料平衡所能达到的传热系数(主要由物料悬浮质量浓度决定)，满足飞灰燃尽需要的温度，来设计受热面的布置，以尽量降低飞灰和底渣含碳量.采用流态重构技术合理优化床料质量，优化二次风的穿透深度和扩散能力，使得炉膛内燃烧效率提高，因此具备了在较低温度下依然维持较高燃烧效率的条件;通过优化床料质量，尽管炉内床料总存量降低，平均颗粒悬浮质量浓度下降，但上部悬浮物料质量浓度却得以提高，上部区域受热面传热系数增大，从而在较低温度下依然满足满负荷的热量传递.同时，上部悬浮质量浓度增加，促进了颗粒团的生成，颗粒团在炉膛内的宏观运行强化了上下颗粒返混，因此炉膛内温度均匀性提高，可以有效避免底部超温.
国内北方某电厂同时配备了采用原有技术和节能型技术的 220,t/h 高压 CFB 锅炉机组.在满负荷工况燃用相同煤种情况下，对于节能型锅炉机组而言，尽管风室风压要低于老技术机组，但炉膛内上部悬浮质量浓度明显高于后者，很明显形成了较高的循环流率，因此炉膛上部传热系数增加，炉膛内物料分布趋于合理，颗粒团的形成强化了颗粒内部混合，使炉膛整体床温，尤其是底部温度显著下降(低于 900,℃)，炉膛上下温度更加均匀，详见图 4.据统计，该厂节能型技术锅炉和原有技术锅炉的 NOx 平均排放质量浓度为 113,mg/m3 和 192,mg/m3 ，可见节能型技术在低 NOx排放上优势明显.
上述运行证明，节能型循环流化床锅炉技术通过优化床料粒径、二次风布置方式和一二次风配比等，改善气体在炉膛内的扩散和混合，进而强化燃烧，减轻了燃尽对高床温的依赖，使得 CFB 锅炉能在较低床温下高效、稳定运行，从而具备了在较低温度下同时满足传热和燃烧的能力.综上所述，从 NOx 生成的温度因素考虑，基于流态重构的节能型 CFB 锅炉具有先天的优势.
2.3 节能型 CFB锅炉技术对氧化还原气氛的影响
通过优化给煤粒径，炉膛底部处于鼓泡床状态的粗大颗粒份额显著减少，细颗粒的增加将导致上部燃烧份额的增多，分级送风配比也将相应地调整，即一次风比例降低，二次风比例增加.而且，为了提高燃烧效率，二次风口位置提高或只全开上二次风口，增强了单股二次风的喷射动量，改善炉膛内氧气分布的均匀性.
由于底部一次风的减少，原有的密相区还原性气氛得以保持，同时二次风口的上移致使下部还原气氛的空间增大，均对 NOx 的生成起到抑制作用.而且，密相区流化风速减小，气体及煤颗粒在此区域的停留时间增加，亦即延长了挥发分析出后在还原性气氛下的停留时间，挥发分氮尽管可以分解为 NH3、HCN 等小分子化合物，在还原性气氛下将错失了最佳生成 NOx 的机会.在二次风口以上，由于稀相区物料悬浮质量浓度的增加及燃烧份额的提高，未燃尽碳浓度增加，对 NOx 的还原效果将增加[18].Deigo 等[11]在实验中发现，在相同 CFB 实验台中，细颗粒煤燃烧的 NOx 生成量要低于粗颗粒煤，作者对此现象的解释仍然是上部焦炭颗粒对 NOx的还原作用.
英国 Leeds 大学的 Gibbs 教授课题组利用带外置换热床的热态 CFB 实验台，研究了一二次风配比及二次风口高度对 NOx 生成的影响.结果表明，提高二次风比例后，炉膛出口 NOx 排放水平下降，且密相区原始 NOx 生成量的差异明显，如图 5 所示.从 NOx 生成环境气氛的角度，笔者认为二次风比例调整后对密相区还原性的改变较为显著.而提高二次风口位置时，NOx 在炉膛中下部质量浓度变化不大，而在出口处略有降低[10-11].Zhao 等[19]也利用 150,kWth 小型CFB 实验台，探讨了包括一二次风配比、二次风注入位置等因素对炉膛内氧化还原气氛的影响，进而考察对 NOx 排放的影响，也得到了与以上类似的结论.他们还考察了 NO 生成沿炉膛横向的分布规律，进一步证实了NOx生成对氧化性气氛的依赖性[12].
已有的小型 CFB 热态实验结果及理论分析表明，重构后的 CFB 锅炉流态以及对配风作出的相应调整，有利于减少 NOx的初始生成量并促进其还原.
对于工业实践，以浙江嵊州某热电厂两台 CFB 锅炉运行数据为例，见表 1.经节能改造后的 5#炉与未经改造的 4#炉相比，在燃用相同燃料时(均为印尼烟煤掺混石油焦)，床温明显偏低，且炉内燃烧状况组织较好.同时，当 5#炉负荷降低后，相应减小锅炉风量，炉膛内氧浓度的降低导致 NOx 排放的大幅度下降，说明该燃料的 NOx 排放特性与炉膛内氧化气氛程度高度相关，经改造后的 5#炉具有更大的 NOx 调节裕度.
3 结 语
根据 CFB 锅炉中 NOx 生成规律及节能型 CFB 锅炉技术基本理论，结合已有实验室及工业运行数据，从床温控制和氧化还原气氛调整等角度，证明节能型 CFB 锅炉可有效解决超温现象、维持锅炉低床温运行并改善炉膛内氧化还原气氛分布状况，使得该技术在强化 CFB 锅炉 NOx低排放性能上具有一定的优势.该技术还需要在已投运节能型 CFB 锅炉上进一步加以验证，并拓宽煤种的适应性.——论文作者：李竞岌 1 ，杨海瑞 1 ，吕俊复 1 ，张建春 2 ，曹培庆 3 ，赵勇纲 3 ，白 杨 3
参考文献：
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