CFB 锅炉烟气再循环与 SNCR 联合脱硝技术0 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 起到显着的还原作用。
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。
降低总的一次风率， 进而降低总风量， 使进入分离器的床料粒子动能降低，能将更多的床料经分离器分离下来，增大循环物料量，改善炉内床料平衡本项目烟气再循环系统采用 3 台风机 (2 用 1 备) 对现有 3 台锅炉新增烟气再循环管路， 烟气引自静电除尘器与引风机之间管道， 新增烟气再循环烟气经现有上部二次风喷口喷入其中 1# 风机同时给 1# 炉供风， 3# 风机同时给 2# 锅炉及 4# 炉供风， 2# 风机作为备用风机，当 1# 或 3# 风机故障时，能够通过布置在风机联络风道上的手动关断门切换由 2# 风机供风，二次风喷口流速约 40 ～50m/s 图 1 烟气再循环系统图烟气再循环的风量选为烟气量的 15%-20% ，按照锅炉满负荷运行的时的烟气作为烟气量的基准， 根据在 3 台炉二次风烟气循环管路上安装的二次风流量测量装置， 通过电动调节风门实现供风量的控制表 1 每台炉的烟气循环量供风量调节范围 (Nm3/h) 供风压力 (KPa) 温度 ( ℃) 备注1# 炉 0～20000(23000m3/h)81402# 炉 0～5500 (7000m3/h)81404# 炉 0～20000(23000m3/h)81403 SNCR 脱硝系统描述3.1 工艺描述该脱硝系统的工艺流程如图 2 所示。
SNCR 系统主要由氨水卸载及存储模块，氨水供应模块、喷射模块、雾化空气供应及计量分配模块、控制系模块组成图 2 SNCR 工艺流程图图 3 SNCR 脱硝氨站图(1) 氨水卸载及存储系统作为还原剂的氨水通过氨水槽罐车运输至氨水储罐区后， 通过氨水卸载泵将槽车内的氨水输送至氨水储罐， 储罐的容积足够储存脱硝系统运行七天内所需要的氨水的量 氨水储罐内的氨蒸气通过管道连接至氨吸收罐，氨蒸气可被吸收罐中的稀释水吸收， 以防止氨气泄漏2) 氨水供应模块氨水供应模块含供应泵、 过滤器、用于远程控制和监测循环系统的压力、温度、 流量以及浓度的仪表等另外还设有一套背压控制阀 ( 自力式压力调节阀 ) ，背压控制回路用于调节供应泵为计量装置供应氨水所需的稳定流量和压力3) 氨水计量分配模块喷射区计量模块为一级模块， 用于精确计量和独立控制到锅炉每个喷射区的反应剂浓度该模块连接 NOx 和氧监视器的控制信号，自动调节反应剂流量，对 NOx 水平、锅炉负荷、燃料的变化做出响应，打开或关闭喷射区或控制其质量流量 每一个区子模块可相互独立地运行和控制，该特性允许隔离每个子模块进行维修且不会严重影响工艺性能或总体的 NOx 还原效果。
4) 氨水喷射模块氨水喷射系统的设计能适应水泥窑系统的安全运行， 并能适应锅炉的负荷变化和启停的要求 氨水溶液在通过喷嘴喷出时被充分雾化后以一定的角度喷入炉膛内 该系统用于氨水流动时的流量和压力控制，通过氨水喷射系统把氨水调节到一定的压强并向每个喷枪分配，同时把压缩空气流量和压力也调节到与其匹配的程度5) 雾化空气供应及计量分配模块本装置的雾化空气由厂用压缩空气供给， 可满足喷枪入口空气压力 0.4~0.6MPa 的要求，厂用压缩空气先进入空气缓冲罐再通过空气计量分配模块进入喷枪， 以确保系统的稳定可靠运行 压缩空气总管上的流量计对来自压缩空气缓冲罐的压缩空气进行流量测量，将流量信号传至 DCS ，实现对雾化。