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1、 1 / 12循环流化床锅炉高效低氮燃烧一体化技术介绍循环流化床锅炉高效低氮燃烧一体化技术介绍烟台龙源电力技术股份有限公司烟台龙源电力技术股份有限公司程昌业（Tel：15966553066）董永胜（Tel：13697886818）王家兴（Tel：18663843869）【概述概述】如何解决炉内高效深度脱硫、燃烧过程深度低氮排放、燃料充分燃尽和保持较高锅炉热效率之间的矛盾，一直以来都是困扰循环流化床 CFB 技术持续发展的一个课题，CFB 锅炉深度低氮燃烧技术一直没有形成很统一概念和具体技术改造技术。本文所提出的高效低氮燃烧一体化技术，有效地解决了这一问题的核心内容。经示范工程验证，其高达 55
2、%以上的脱硝效率、燃尽率的保障和运行参数稳定性，都已证明其安全可靠性和广泛推广的价值，不失为一种非常实用的有效低氮燃烧技术。【关键词关键词】CFB 低氮 高效燃烧 二次风 烟气再循环 一次风率 循环返料系统1 我国循环流化床技术发展情况我国循环流化床技术发展情况目前我国有案可查的循环流化床锅炉（简称 CFB 锅炉）已达 4000 余台，其中 80%以上为中小型 CFB 发电机组或专用工业锅炉，多达 3500 台左右；400t/h 以上 CFB 锅炉也已接近 500 余台。在全国 8.9 亿千瓦火电总装机容量中，CFB 机组装机容量已达 1.2 亿千瓦以上，占火电总装机容量的 13.5%强，约为
3、全国电力总装机容量 12.0 亿千瓦的 10%。在上世纪五十年代，我国就已经开始各种低参数的初级沸腾炉研制和实际应用，发展步调基本与世界同步。以后，在 1970 年以后又开始了中等参数的鼓泡床研制生产，直到 1982 年，出现了首批 130t/h 鼓泡床流化床机组，主要应用在东北地区鸡西矿务局电厂等华北、东北地区。中国第一台较高循环倍率床下点火循环流化床经 99 次点火，于 1992 年夏天在浙江嵊县正式投产，该炉为杭锅产 75t/h CFB 发电机组。我国小型带埋管沸腾炉和以后整合为中小型 CFB 的生产厂家主要为济南锅炉厂、武汉锅炉厂、华西能源（也称小东锅） 、无锡锅炉厂、四川锅炉厂、太原
4、2 / 12锅炉厂、唐山锅炉厂、泰安锅炉厂、郑州锅炉厂、江西锅炉厂和杭州锅炉厂等十几个中小锅炉厂；大型 CFB 锅炉生产厂家主要集中在以东方锅炉厂为首的东方锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、无锡锅炉厂、华西能源、济南锅炉厂、武汉锅炉厂和太原锅炉厂等有限几家大中型锅炉厂。目前海外最大的 CFB 机组是波兰的 460MW 机组，而我国最大的 CFB 机组是神华集团在四川白马的 600MW 超临界循环流化床机组。在装机数量、发电贡献率和单机容量上，中国 CFB 装置都是绝对的世界第一，所涉及炉型庞杂、燃用煤质多样，经过近五十五年的实践和研究活动，已经积累了相当丰富的理论与实践经验。国内 420t/h
5、 以上蒸发量的大型 CFB 锅炉平均 NOx 排放指标为 230mg/Nm3左右；而 240t/h 中小型蒸发量的中小型锅炉 NOx 烟气排放更高一些，平均为300 mg/Nm3。总体上来讲，CFB 机组平均为 270290mg/Nm3。一般来说，CFB 锅炉的 NOx 排放值确实要显著低于那些未采取有效炉内低氮燃烧技术的普通煤粉锅炉，但仍未达到国家现阶段 NOx 排放标准。而对于那些已经采用了炉内低氮燃烧技术的普通大型电站煤粉炉,其平均 NOx 排放值为 150450 mg/Nm3,显得 CFB 技术优势不是那么明显。因此，有效改善 CFB 锅炉燃烧过程低氮特性，努力降低其排放值，必要时也可
6、加装炉内喷氨 SNCR 装置，设法达到国家对燃煤炉的 NOx 排放标准，就成为不可回避的问题了。当然，目前有极少部分 CFB锅炉 NOx 排放确实已经达到 90150 mg/Nm3，但这部分达标机组比例不超过10%，整体仍不容乐观。2 循环流化床炉内燃烧过程与解决循环流化床炉内燃烧过程与解决 De-NOx 烟气排放之间的问题烟气排放之间的问题2.1 炉膛中心区缺氧炉膛中心区缺氧与煤粉炉四周缺氧的情形相反，几乎所有的 CFB 锅炉都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
7、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。3 / 122.2 床温不均匀性床温不均匀性由于流态化过程的复杂性、新鲜燃料和回料灰的分布相对集中、料层颗粒的不均匀性、物料流化程度的偏差和一、二次风分配的不均匀性，直接导致了床温的偏差。事实上，整个床面上各个床温测点偏差较大是一个 CFB 锅炉普遍存在的共有问题，一般的 CFB 炉子床温偏差都在 70以上，最大的可以达到150以上，这也造成了物料燃尽、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，而局部超
8、高床温是造成热力型 NOx 急剧增加的元凶，其生成能力是合理床温下的数倍甚至呈数量级增加。2.3 床温异常床温异常对于 CFB 机组来说，控制一个合适的床温变化范围，是解决低氮燃烧的关键因素之一。理论上，860875的床温控制范围绝对是大家都能接受的 CFB最佳低氮脱硝温度，而对于现实运行需求来说，控制平均床温为 870920时，既可以考虑断煤不灭火应急处理且达到理想低氮效果，又能够很好地实现多煤种变化时的料层燃尽过程和汽温控制。现实当中，由于存在颗粒粗大时床温偏高，而物料细微时床温偏低这样的规律，使得很多 CFB 炉子不能保证理想的床温。此外，布风板、风帽和均压风室的设计瑕疵，也会造成布风不
9、均匀或者床温控制的难度。由于输煤碎煤系统的缺憾，加上目前绝大多数用户所使用的环锤式碎煤机的过破碎现象，容易产生颗粒两级分化严重、粗大颗粒显著居多或者细末燃料成为主导比例这三种很不正常的情况，使得燃煤颗粒很难实现 08mm 宽筛分下的理想级配颗粒，普遍对保证床温非常困难。运行当中，床温处于 9501050和 760850这两种极端床温现象比比皆是，尤其是高床温情况，普遍存在于中小型循环流化床锅炉运行过程。床温太高时，容易产生超量的 NOx 排放和料层高温结焦；而床温过低时，又会造成 N2O 的大量生成，出现二恶英污染问题和燃尽率显著降低的问题。2.4 炉膛出口、返料温度与床温差值过大炉膛出口、返
10、料温度与床温差值过大由于种种原因，不少 CFB 机组在运行过程中，要么床温显著高于炉膛出口（分离器入口）温度和返料温度；要么床温显著低于炉膛出口（分离器入口）4 / 12温度和返料温度。这种温度差的增加，会影响整个物料循环和流态化过程的低温燃烧效果，也导致脱硫降氮效率的下降。事实上，多数 CFB 锅炉的炉膛出口温度显著低于床温，很多的炉子温差高达 200。这样，为了保证汽温或蒸发量，这些炉子不得不以高床温运行，却产生了 NOx 的生成环境。对于那些循环返料系统出现问题，或者返料腿给煤的大中型 CFB 来说，NOx 的减排目标还与返料系统温度水平有着直接关系。毕竟 CFB 锅炉的整个燃烧体系空间
11、包括耐火层构成的密相区燃烧室、耐火浇注料上方至分离器入口的上部炉膛、飞灰分离器空间、回料腿、返料器（J 阀） 、返料斜腿这几部分，每一段所产生的温差，都会给整个物料循环燃烧过程的平均温度和温度峰值带来影响，均衡这些区域的温度是任何一种 CFB 低氮技术都必须考虑的问题。2.5 二次风配风方式二次风配风方式对于任何一种锅炉，设法降低一次风率、提高二次风率，都不失为增进分级送风的好方法，既可以强化氧化区燃尽和还原区低氧分段 De-NOx 燃烧效果，也抑制温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧的过程统一。从分级配风均匀性的目标来看，各种燃煤锅炉二次风布局与参数选择上，都需要充分照顾到炉内空气动力场的均衡
12、，力求燃烧过程每一处局部燃烧份额获得较为均匀的风煤比，避免诸如结焦、高温腐蚀、热流密度偏差大、蒸发量异常、火焰中心位置不当等等不正常现象甚至故障。遗憾的是，目前绝大多数的 CFB 炉型二次风设计，并没有实现这样的充分协调，没有正确处理好射流穿透、配风均匀性、风煤比局部均衡和合理制造还原氧化区分布这几方面的协调关系。在燃用煤质、风帽状况、飞灰循环效率、颗粒度、布风板面积和流化速度等几方面显著变化时，料层厚度自然会发生变化，所对应的沿高程和水平方向的炉内压力会有很大区别，所对应的二次风设计当然应当做出合理安排，以满足 1.21.6m 核心燃烧区的合理延伸，保障整个燃烧体系的正常进行，所以二次风的设
13、置相当重要。2.6 物料颗粒度异常物料颗粒度异常一些燃用洗中煤、煤泥等燃煤细末或轻质生物质的 CFB 锅炉，往往会伴随着燃烧份额的上升，造成类似于煤粉炉那样的火焰中心上移效果。而一些既混5 / 12烧细末燃料、又有矸石等难以破碎的硬质低热燃料的炉子，又会出现两极分化，易于出现分层湍动的流化异常，造成床温和炉温的严重不均匀和脉动。更多的情况是大尺寸超标颗粒太多所形成的流化不良和高床温情况，形成高比重密相区。这些情况无疑会带来很多问题，一则是形成炉膛出口温度、返料温度或床温的异常升高，产生高温峰值偏离低氮温度；二来会破坏二次风的分级效果，严重破坏氧化还原区的分段 De-NOx 趋势。经验告诉我们，
14、仅仅是宽筛分颗粒度的合理保证一项，就可以带来显著地降低 NOx 的效果，一般可以获得 2050mg/Nm3的 NOx 减排效益。2.7 设计床温与一次风的配合设计床温与一次风的配合合理降低一次风率并保证充分流化，是确保 CFB 锅炉正常运行的关键，也使 De-NOx 炉内过程的优化有了基本保证。事实上 ，合理的炉型结构设计和一、二次风设计，才是确保合理运行床温的基本关键要素。煤质确定后，燃烧系统设计也就决定了基本运行床温和满足料层正常流化前提条件。特定的 CFB 锅炉，如果不对一次风、二次风和布风板等关键因素加以优化改造，只凭借运行调整上的灵活性和严谨性，几乎是不可能完成 De-NOx 高效燃
15、烧的。很多 CFB 锅炉，即使在颗粒度和配风合理的外在因素下，也无法解决流化不均、低床温或高床温等先天恶劣运行参数。那么，一次风温度、一次风比例、流化风速、床下风室等方面的综合技改，就成为关键所在。还有一点，煤粉炉或 CFB 锅炉的一次风增加时，排烟温度定会升高，锅炉热效率显著降低。2.8 炉内高效脱硫与低氮燃烧的矛盾炉内高效脱硫与低氮燃烧的矛盾炉内石灰石脱硫方式，更喜欢相对较高的整体和局部氧量；而低氮过程，更希望亲近低氧环境。但无论对脱硫或是低氮来说，都不能回避燃料的高效燃尽问题。过分的低氧，会降低低温过程燃料燃烧的氧化速率，尤其是挥发分耗尽后的大颗粒，其燃尽率的降低更为明显，带来飞灰和大渣
16、含碳量的显著增加；太高的富氧，显然会使排烟损失急剧增加。总体上，如果不统一起来综合考虑，一定会出现锅炉热效率的大幅下降。他们的高效反应温度，其重合点大致为870920，这一点毋容置疑，矛盾的关键在于解决氧量控制和分配关系，解决好氧量在炉内的均匀性，是提供好机会的要点。6 / 122.9 De-NOx 过程与汽水系统的矛盾过程与汽水系统的矛盾简单的低氮分级处理，有可能造成汽水介质方面的难题。一般来说，如果简单地垂直分级，定会造成异常的分离器出口烟温升高、蒸发量下降和汽温升高，排烟温度也会上升。而床温异常升高、稀相区温度普遍降低时，蒸发量也会异常降低。而在另一些情况下，如果二次风分级尺度把握不好时，又会出现蒸发量提高而导致汽温偏低，也可以使排烟温度下降带来尾部烟道腐蚀问题。研究 CFB 锅炉汽温问题时，无法回避蒸发量和过热、再热热量分配的问题。3 烟台龙源电力技术股份有限公司高效低氮燃烧一体化技术介绍烟台龙源电力技术股份有限公司高效低氮燃烧一体化技术介绍3.1 烟台龙源公司简介烟台龙源公司简介烟台龙源电力技术股份有限公司（简称“烟台龙源” ）是
