循环流化床锅炉低氮燃烧研究与应用
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摘 要：通过对中温分离循环流化床锅炉燃烧结构调整、系统优化控制的研究与应用，使烟气NOx得到有效控制，对循环流化床锅炉如何抑制NOx的生成和排放具有重要指导意义及可观的应用前景。
关键词：CFB 锅炉专家系统 低氮燃烧 NOx
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（c）-0011-01
唐山三友热电有限公司位于唐山南堡经济技术开发区内，所属区域是以盐化工工业为主的化工城区，现有人口约3.5万人，已有相应的商业服务网点、文化、邮政、银行、教育、医疗、交通设施，是南堡地区的政治、经济、科学、教育中心。氮氧化物（NOx）是形成大气污染的一大因素，也是导致酸雨.化学烟雾的关键因素。对于所属地区的经济.身体健康都会造成很大的伤害。
唐山三友热电有限责任公司具有240 t/h中温分离循环流化床锅炉三台，采用二运一备生产运行方式，年耗标煤约50万t，年NOx排放约1300 t。锅炉投运以来，采用手操DCS控制调节，不能很好的适应工况变化，燃烧系统不能满足低氮燃烧要求，NOx排放量300 mg/Nm3以上，对周边环境影响较大。
为解决循环流化床锅炉抑制NOx生成的方法，针对本公司中温分离循环流化床锅炉特性、实际运行工况及设备结构，结合流化床锅炉专家系统控制策略，在1-3#锅炉经行研发和燃烧优化试验，并取得满意效果，NOx生成得到抑制，排放指标达到100mg/Nm3以下。
1 锅炉结构及参数
CFB锅炉型号为XD-240/9.8-M中温分离、高温高压自然循环锅炉。锅炉机组采用二台称重给煤机由前侧送入后墙与返料混合后进入炉内燃烧，一次风系统采用一台离心风机经二级空预器送入一次风室，二次风系统采用一台离心风机经二级空预器送入前后墙上下二次风系统。
2 锅炉燃烧特性分析
NOx主要通过三种路径形成：热力型、快速性、燃料型。
热力氮氧化物的形成主要取决与燃烧温度，并随燃烧区域温度的增加，NOx随之增加。快速性氮氧化物的形成主要是空气中的氮和燃用气体燃料中CH、HCN结合快速生成NOx.燃料型氮氧化物是煤燃烧时产生NOx主要来源，约占75%～90%，即挥发份氮和焦炭氮，在煤燃烧初期，挥发份大量析出，氮的化合物迅速被进入的大量氧气氧化，生成HCN等中间产物。然后，进一步转化为NO，这个区域NO浓度最高，NQ的形成主要取决与燃料与空气比，挥发份氮路径生成的NOx约占75%。
3 锅炉燃烧NOx抑制优化实验
2012年，随国家环保锅炉烟气排放标准的提高，公司组织对流化床锅炉进行初步氮氧化物抑制试验。实验主要依据：降低密相区风量、控制密相区床温，增加稀相区风量与风速、降低稀相区温度场，引用锅炉专家系统优化控制策略。
中温分离循环流化床锅炉，相对高温分离循环流化床锅炉返料温度低450 ℃，返料量采用变频调节，对密相区床温得到有效控制，为降低一次风量，使燃料着火密相区形成富煤贫氧燃烧，抑制NOx生成创造了条件。为保证流化床锅炉良好流化条件，对原破碎系统筛板易变性、漏煤、粒度不均问题，重新设计筛板孔径和支撑部位结构，保证破碎颗粒均匀度在10%以内。
原冷态流化风量试验在渣层800 mm，流化风量130000 Nm3/h，锅炉床压5.0 kPa、风室压力13 kPa；技术开发组，针对原煤颗粒粒度规划与管控，降低渣层600 mm，冷态流化风量降至100000 Nm3/h，保证给煤均匀，流化正常。锅炉运行燃烧调整，采用手动DCS调节，尾部烟气NOx跟踪测量；在锅炉氧量、负压、给煤、风量、床温控制调解中，对锅炉烟气NOx的生成影响较大，变化幅度宽。随着一次风量降低NOx随之下降，当一次风量降低110000 m3/h时，N基团与O2反应机会得到控制，有效降低NOx生成量，NOx得到较好抑制。
如何控制稀相区燃烧环境，改善NOx的抑制手段，我们把二次风分为下二次风和上二次风（三次风），下二次风口布置在床面4 m高区域，前后墙对冲，是密相区和稀相区结合点。上二次风（三次风）口布置在下二次风4.5 m高区域，前后墙对冲，是燃尽阶段的主要供给风量。上下二次风风口采用小喷嘴沿炉墙宽度水平多孔布置形式，将二次风提到一个很高的速度，使得二次风具有很强的穿透能力，与高温烟气充分混合，均衡区域温度场，控制燃烧区域温度，有效抑制NOx生成。
根据循环流化床锅炉燃料燃烧机理，床面一次风流化区和下二次风区作为主燃烧区，是燃煤加热、挥发分析出、分级破碎、着火燃烧的主要区域，为使挥发分氮的转化得到抑制，改变燃煤和空气比，在降低一次风量的同时，减少下二次风份额，实验表明效果可行。上二次风区（三次风）在稀相区很高的温度下进行高氧浓度/贫燃料燃烧，容易产生大量NOx。主要抑制手段通过增大上二次风风量与风速、拆除稀相区上部位区域1 m水冷壁耐磨砖，降低稀相区燃烧温度场至850℃，来改变N、O反应机理条件，而达到较少NOx生成。经过分区调整实验，在确定一次流化风量100000 m3/h，下二次风与上二次风（三次风）风量分配比为1∶1.6，并实施总二次风量氧量调节控制模式。
锅炉原使用北京中昊ABB的DCS系统，该系统除给水、主汽温度外，始终未实现锅炉全方位自动调节的组态。经过调研和开发，采用WYDE2000循环流化床锅炉专家系统实施燃烧节能自动控制实验，消除人工操作造成的滞后性、不精确性和不稳定性，降低吨汽标煤耗煤量，实现节能减排。蒸汽母管压力调节与给煤调节；床温自动控制；氧量及二、三次风自动控制；炉膛负压自动控制；床压排渣自动控制。通过单炉出口压力调节8.8 MPa，达到均匀控制给煤量，实现锅炉运行稳定，协调总压力调节，有效抑制NOx的生成和波动。当多台炉同时运行，母管压力协调程序可以调节锅炉之间的负荷关系。通过强制单炉状态断开母管压力协调，实现单炉独立控制。
4 结语
唐山三友热电有限责任公司，通过中温分离循环流化床锅炉实施燃烧系统技术开发和锅炉专家自动控制系统引用优化控制，已实现三台循环流化床锅炉低氮燃烧状态下无故障连续运行。目前，三台循环流化床锅炉烟气NOx排放均控制在100 mg/Nm3内，改善了当地的大气环境质量，对循环流化床锅炉如何抑制NOx的生成具有可观的应用前景。
参考文献
[1] 杨建华.循环流化床锅炉设备及运行[M].中国电力出版社，2010.
[2] 赵红伦，张燕飞.循环流化床锅炉高效低氮燃烧一体化技术[OL].
[3] XD-240/9.8-M锅炉设计说明书[S].唐山信得锅炉有限公司.