CFB锅炉烟气再循环和SNCR联合脱硝技术

CFB锅炉烟气再循环和SNCR联合脱硝技术

引言

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%。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1000℃) ，不具备热力型NOx生成的高温条件(约1300℃) ，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主要为煤中所含的氮元素经过复杂的化学过程转化而来的燃料型NOx。

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锅炉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，炉膛出口CO体积分数

可达10000。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，该结论已在小型热态CFB试验台上得以验证。

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。

1 工程概况

本项目为某电厂三台循环流化床锅炉，其中两台为75t/h，一台为40t/h。

根据目前的煤质，1#炉NOx排放浓度为380-430 mg/Nm3，2#炉为400-500mg/Nm3，4#炉为400-500mg/Nm3，烟气汇合后烟囱中NOx排放浓度为400mg/Nm3左右，最高可超过

500mg/Nm3。根据各台锅炉的燃烧工况和氮氧化物实际排放浓度等多项因素进行综合分析，分别对1#、2#、4#锅炉进行低氮燃烧优化研究，实施配风、调控等多方面的优化改造，指导低氮燃烧调整，以达到第一阶段NOx控制目标，实施低氮调整燃烧配风调整后使锅炉出口NOx浓度降低到300mg/Nm3以下;同时建设一套SNCR

烟气脱硝系统，采用10%浓度氨水为还原剂进行第二阶段脱硝，经过两个阶段的脱硝调控，最终将NOx浓度降低到100mg/Nm3以下，满足电厂长期达标排放需要。

2 烟气再循环描述

2.1 烟气再循环的机理

烟气再循环是采用较多的控制NOx的有效方法之一，其原理是是在锅炉排烟前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低了NOx的排放浓度。再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率。

烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料品种和烟气再循环量有关。经验表明，烟气再循环率为15-20%时，煤粉炉的NOx排放浓度可降低25%左右。NOx的降低率随着烟气再循环率的增加而增加，而且与燃料种类和燃烧温度有关，燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越大。

烟气再循环率一般控制在10-20%。当采用更高的烟气再循环

率时，燃烧会不稳定，未完全燃烧热损失会增加。

2.2 目前存在问题

a.烟气中含氧量过大

从三台锅炉的运行数据来看：

1#炉负荷为50%-70%，烟气含氧量大部分位于7%-9%之间，甚至有时出现超过10%的工况;2#炉负荷为50%-65%，含氧量的数据为6.5%-9%之间，部分时段超过10%;4#炉负荷在54%-60%之间时，烟气含氧量甚至高达18%左右。

在一定范围内，含氧量增高，可提高过量空气系数改善燃烧效率，因为燃烧区域氧浓度的提高增加了燃烧效率及燃尽度，但过量空气系数超过1.15(2.5%)后继续增加对燃烧效率影响不大。同时，对于燃料型NOx，燃料氮的转变率随着过量空气系数的升高而升高，从而造成了燃料型NOx较高。

b.一次风风率过高

一、二次风的配比因不同形式的CFB锅炉的设计工况而不同，一般一次风率为50-60%之间，一次风经空预器预热后进入风室，经布风板、风帽进入锅炉密相区，保证燃烧需要。为减少NOx生成，密相区的实际过量空气系数为1%左右，在运行中，使密相区主要处于还原性气氛。二次风的作用是调节床压，保证燃烧完全所需的氧气。三台锅炉中，4#炉负荷在54%-60%之间时，一次风风率高达

80-90%之间。一次风率较高，使密相区的过量空气系数过高，床温偏高，从而使NOx大量生成。

c.分离器分离效率较低

从前期与电厂人员的交流中得到CFB锅炉旋风分离器的分离效率低下，返料量下降，返料对于床料的冷却能力降低，从而导致原有的热平衡打破，造成流化床的床温较高，为降低床温，需要加大风量，从而进一步导致过量空气系数增大，能耗上升。

d.炉膛中心区缺氧

三台CFB锅炉存在着炉膛中心区缺氧的问题，究其原因除了高密度物料颗粒群对二次风射流的阻挡作用外，也存在贴壁流垂直下泻覆盖水冷壁、每个层面颗粒水平移动不够均匀、各转弯变化区域涡流干扰和垂直上移速度的不均匀影响。这种中心区缺氧会降低燃料燃尽效果和脱硫剂化学反应的效率，直接导致De-NOx炉内过程的优化受到限制，不能有效实现低温燃烧时的高效低氮。

e.床温不均匀性

由于三台锅炉的燃料为煤泥，煤泥的加入点集中在锅炉上部，造成新鲜燃料和分布相对集中、从而会导致床温偏差较大。事实上，整个床面上各个床温测点偏差较大是普遍存在的CFB锅炉共有问题，一般的CFB锅炉床温偏差都在70℃以上，最大的可以达到150℃以上，这也造成了物料燃尽和石灰石脱硫，以及低氮燃烧的困难。

床温的不均匀性，肯定会造成局部温度峰值，局部超高床温是产生NOx急剧增加的元凶，其生成能力是合理床温下的数倍甚至数量级增加。

2.3 改造方案

根据现场实际状况表明，二次风量加大或者投运情况下，锅炉出口氧量反而降低，说明密相区床料(床压)分布极其不均匀，为保证燃烧效果就必然增大一次风量，烟气再循环的设计初衷是为了打破密相区上不快速喘流床的状态，使床料具有横向移动，打破现有流场不均匀状态，使一次风中的氧量得以充分利用，在满足硫化的前提下，进一步降低整个锅炉的含氧量。