施 斌，但振宇，牟克慧，李 楠，趙鵬勃，孫獻(xiàn)斌

(1.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司 分宜發(fā)電廠，江西 分宜 336607;2.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

選擇性非催化還原反應(yīng)(SNCR)脫硝廣泛應(yīng)用于循環(huán)流化床(CFB)鍋爐，由于旋風(fēng)分離器對(duì)還原劑顆粒的充分?jǐn)_動(dòng)，SNCR脫硝效率最高約80%。影響SNCR脫硝效率的關(guān)鍵因素為反應(yīng)溫度，已有研究表明[1-3]，SNCR反應(yīng)的溫度窗口為800～1 150 ℃，該因素是導(dǎo)致目前多數(shù)CFB鍋爐啟動(dòng)階段NOx排放超標(biāo)的直接原因。入爐煤揮發(fā)分、灰分等參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值、深度調(diào)峰運(yùn)行同樣導(dǎo)致分離器溫度偏移而使SNCR反應(yīng)效率降低，尤其是入爐煤灰分低于20%時(shí)，鍋爐負(fù)荷略降低，從而導(dǎo)致分離器溫度明顯下降，造成氨氮比大幅增加，甚至SNCR反應(yīng)終止。

國內(nèi)CFB鍋爐NOx超低排放技術(shù)研究主要在2方面:① 通過對(duì)鍋爐進(jìn)行深度空氣分級(jí)燃燒改造、優(yōu)化布風(fēng)板阻力、提效分離器、增加煙氣再循環(huán)(FGR)等手段降低NOx原始生成；② 利用數(shù)值模擬提高還原劑擴(kuò)散效果，通過增加反應(yīng)表面積提高SNCR反應(yīng)效率。陳建軍等[4-5]通過提高二次風(fēng)入射高度、增加受熱面、增加FGR等手段降低密相區(qū)溫度，在額定負(fù)荷下使NOx質(zhì)量濃度降至50 mg/m3以下，張向宇等[6]通過監(jiān)測全爐膛溫度場分布，根據(jù)SNCR反應(yīng)區(qū)溫度窗口優(yōu)化還原劑噴入位置，提高了脫硝效率；李競岌等[7]通過降低無效顆粒占比，重構(gòu)爐內(nèi)流態(tài)控制床層溫度和氧化還原氛圍，使某220 t/h CFB 鍋爐NOx原始質(zhì)量濃度由192 mg/m3降至113 mg/m3。前人研究多側(cè)重于鍋爐改造以降低NOx原始排放量，鮮見控制分離器溫度以適應(yīng)高效脫硝溫度窗口相關(guān)報(bào)道。筆者通過實(shí)爐試驗(yàn)，分析煙氣再循環(huán)、一次風(fēng)率、上下二次風(fēng)比率等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)分離器溫度的影響，利用控制分離器溫度，使SNCR始終處于高效反應(yīng)狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)NOx超低排放、節(jié)約氨水用量，為相關(guān)人員提供參考。

1 研究對(duì)象

某電廠鍋爐型號(hào)為YG-130/9.8-M，單爐膛，自然循環(huán)，全懸吊結(jié)構(gòu)，全鋼架π型布置。爐膛采用膜式水冷壁、絕熱式旋風(fēng)分離器，尾部豎井煙道布置兩級(jí)3組對(duì)流過熱器，過熱器下方布置3組省煤器及一、二次風(fēng)各3組空氣預(yù)熱器。鍋爐設(shè)置10%煙氣量的FGR系統(tǒng)，從引風(fēng)機(jī)出口送至一次風(fēng)機(jī)入口。三層二次風(fēng)口距離布風(fēng)板高度分別為3 600、2 626 和1 626 mm。鍋爐采用SNCR脫硝方式，以2臺(tái)絕熱式旋風(fēng)分離器為反應(yīng)器。鍋爐常用燃料為煙煤，同時(shí)摻入5%干污泥，入爐燃料分析見表1。

表1 入爐燃料工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuel

2 研究方法

2.1 分離器溫度控制機(jī)理

SNCR反應(yīng)復(fù)雜，盧志民[8]通過敏感性分析，將MILLER等[9]、ZABETTA等[10]提出的基元反應(yīng)簡化為14步，可較好預(yù)測NO、NH3濃度隨溫度的變化規(guī)律。反應(yīng)式為：

(1)

(2)

NH3/NO反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵連鎖因子OH-的生成速率與溫度密切相關(guān)，當(dāng)達(dá)到一定溫度，NH2離子與NO開始產(chǎn)生OH-，此時(shí)脫硝效率較低，隨著溫度升高，OH-大量生成，NH3和NO反應(yīng)快速進(jìn)行，式(1)、式(2)占據(jù)主導(dǎo)地位，脫硝效率提高，當(dāng)反應(yīng)器溫度繼續(xù)升高，NH2離子與OH-氧化反應(yīng)速率加快，生成NO，反應(yīng)式為

(3)

溫度上升過程中，式(3)中NOx生成量逐漸抵消式(1)、式(2)NO還原量，脫硝效率先升高后降低。因此，對(duì)于脫硝效率而言，反應(yīng)溫度存在一個(gè)高效點(diǎn)稱為高效反應(yīng)溫度點(diǎn)Topt。LUCAS等[11]，王林偉等[12]通過不同試驗(yàn)裝置分別發(fā)現(xiàn)Topt為952和900 ℃；李明磊[13]利用Fluent軟件通過兩步簡化機(jī)理發(fā)現(xiàn)Topt為925 ℃。

2.2 分離器溫度控制方法

燃用低揮發(fā)分煤種的CFB鍋爐絕熱式旋風(fēng)分離器出口溫度普遍高于進(jìn)口溫度[14]，揮發(fā)分20%的分離器溫升Tsep,r在20 ℃左右，揮發(fā)分10%時(shí)Tsep,r可達(dá)80 ℃左右，Tsep,r的存在說明煙氣中固體顆粒在分離器內(nèi)可以進(jìn)一步燃燒，Tsep，r越大，顆粒進(jìn)入分離器前未燃盡物質(zhì)含量越高。正常情況下，鍋爐的燃燒調(diào)整力求降低Tsep，r，減小燃燒的不完全損失，提高鍋爐效率。韓奎華等[15]采用鍋爐燃燒模擬裝置燃燒石油氣，發(fā)現(xiàn)在800～1 150 ℃，SNCR反應(yīng)效率相差懸殊，反應(yīng)效率70%以上時(shí)的溫度反應(yīng)區(qū)間只有150 ℃左右，SNCR反應(yīng)溫度窗口如圖1所示。分離器出口溫度隨負(fù)荷過度降低會(huì)導(dǎo)致SNCR反應(yīng)效率降低，還原劑耗量成倍增加，ARTUR等[16]在1臺(tái)966 MWthCFB鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)，結(jié)果顯示Topt在720～790 ℃。Topt隨燃燒設(shè)備、還原劑類型、運(yùn)行工況的不同而不同。通過試驗(yàn)確定Topt，并在不同負(fù)荷下將Topt始終控制在高效反應(yīng)區(qū)間內(nèi)，可大幅降低脫硝運(yùn)行成本。

圖1 SNCR反應(yīng)溫度窗口Fig.1 SNCR temperature window

基于分離器溫度控制的SNCR脫硝技術(shù)，利用燃料的后燃特性，控制燃料燃燒時(shí)間，實(shí)現(xiàn)分離器溫度控制。高負(fù)荷下，爐內(nèi)循環(huán)物料充足，分離器入口溫度通過上升的循環(huán)物料可輕易達(dá)到反應(yīng)溫度窗口，此時(shí)應(yīng)保證物料在爐膛內(nèi)充分燃燒，降低分離器內(nèi)燃燒份額，降低Tsep,r，防止分離器溫度超過SNCR溫度窗口上限；低負(fù)荷情況下，爐膛輸入熱量減少，攜帶熱量的循環(huán)物料量減少，使分離溫度降低，此時(shí)應(yīng)控制燃料燃燒延遲，提高分離器內(nèi)燃燒份額，提高Tsep,r，防止分離器溫度低于溫度窗口下限，從而實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷SNCR高效脫硝。

3 分離器溫度影響因素

3.1 FGR對(duì)分離器溫度的影響

研究表明，F(xiàn)GR對(duì)高床溫有明顯的改善作用。胡滿銀等[17]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)投入FGR時(shí)，爐內(nèi)平均溫度和最大溫度均明顯降低；陳建軍等[4]對(duì)某130 t/h CFB鍋爐實(shí)爐改造，發(fā)現(xiàn)10%煙氣量的FGR可以降低床溫30～50 ℃，ARTUR[18]在1臺(tái)1 296 t/h的CFB鍋爐試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GR可以均衡爐膛縱向溫度，上述現(xiàn)象均由燃料后燃現(xiàn)象導(dǎo)致，燃料充分燃燒的必要條件是O2充足，F(xiàn)GR通過將8% O2的煙氣送入爐膛替代部分21% O2的一次風(fēng)，爐膛截面風(fēng)速不變而O2降低，由于燃料爐內(nèi)停留時(shí)間沒有改變，O2降低必然引起燃燒延遲，床層溫度降低。對(duì)130 t/h CFB鍋爐的FGR(按10%煙氣量設(shè)計(jì))進(jìn)行了性能試驗(yàn)，F(xiàn)GR對(duì)床溫、分離器入口和出口溫度影響如圖2所示。由圖2(a)、圖2(b) 可知，隨著FGR投入，由于物料燃燒逐漸延遲，3個(gè)工況床層溫度、分離器入口溫度顯著降低，且各工況降幅較一致,床層溫度均降低40 ℃左右，爐膛上部溫度(分離器入口處)130 t/h負(fù)荷降低40 ℃，90和70 t/h負(fù)荷降低20 ℃，爐膛上部溫度的降幅隨負(fù)荷的降低逐漸減小，F(xiàn)GR對(duì)爐膛縱向溫差的調(diào)節(jié)在較低負(fù)荷下更加明顯。隨后燃程度加深，Tsep,r逐漸增大，Tsep逐漸升高。由圖2(c)可知，130 t/h負(fù)荷分離器溫度提高30 ℃，90 t/h負(fù)荷提高40 ℃，70 t/h負(fù)荷提高70 ℃，隨負(fù)荷降低，F(xiàn)GR對(duì)Tsep的調(diào)控能力增強(qiáng)，這是由于負(fù)荷降低后，爐膛溫度隨之降低，物料不完全燃燒顆粒增加，分離器內(nèi)部燃燒份額增加，當(dāng)采用絕熱式旋風(fēng)分離器時(shí)，分離器溫度明顯上升。

圖2 FGR對(duì)床溫、分離器入口和出口溫度影響Fig.2 Effect of FGR on bed temperature,separator inlet and outlet temperature

3.2 二次風(fēng)對(duì)分離器溫度的影響

對(duì)上、下二次風(fēng)比例進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。工況1保持中、下層風(fēng)門開啟，上層風(fēng)門關(guān)閉，逐漸開啟上層風(fēng)門，通過適當(dāng)關(guān)閉下層風(fēng)門的方式控制二次風(fēng)總量不變。結(jié)果表明，上層風(fēng)門開啟可提高分離器出口溫度30 ℃左右。工況2保持上、中層風(fēng)門開啟，下層風(fēng)門關(guān)閉，逐漸開啟下層風(fēng)門，通過適當(dāng)關(guān)閉上層風(fēng)門的方式控制二次風(fēng)總量不變。結(jié)果表明，下層風(fēng)門開啟可降低分離器出口溫度28 ℃左右。李楠等[19]研究表明，通過調(diào)節(jié)上、下二次風(fēng)比例，可改變二次風(fēng)整體入射高度，從而改變密相區(qū)高度。密相區(qū)高度降低，未燃盡的燃料顆粒提前接觸二次風(fēng)，燃燒提前發(fā)生，Tsep降低；密相區(qū)高度增加，未燃盡顆粒燃燒推遲，Tsep升高。孫紹增等[20]通過搭設(shè)冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)研究了二次風(fēng)入射高度對(duì)爐內(nèi)物料濃度軸向分布影響，發(fā)現(xiàn)二次風(fēng)高度提高后，密相區(qū)在爐內(nèi)作用范圍增大，稀相區(qū)作用范圍相應(yīng)減小，爐內(nèi)高濃度區(qū)域向上延伸。王正陽等[21]系統(tǒng)研究了二次風(fēng)分布對(duì)CFB 鍋爐爐內(nèi)氣固混合及燃燒的影響，認(rèn)為降低中、下層二次風(fēng)量可以抑制密相區(qū)燃燒，上層二次風(fēng)量的增加使二次風(fēng)射流的穿透性增強(qiáng)，加強(qiáng)了稀相區(qū)燃燒，從而提高Tsep。筆者認(rèn)為這3種觀點(diǎn)一致，由于試驗(yàn)前后爐膛截面風(fēng)速不變，對(duì)密相區(qū)燃燒的抑制或濃度、范圍的增加，必然導(dǎo)致密相區(qū)未燃盡的顆粒增加，增加的未燃盡顆粒進(jìn)入稀相區(qū)燃燒[22-25]，提高Tsep。

圖3 二次風(fēng)對(duì)分離器出口溫度影響Fig.3 Effect of secondary air on separator outlet temperature

3.3 一次風(fēng)對(duì)分離器溫度的影響

在4.5%、3.5%氧量下研究一次風(fēng)率對(duì)Tsep的影響，如圖4所示。維持鍋爐氧量4.5%，減小二次風(fēng)量，增加一次風(fēng)量，使一次風(fēng)率由0.52提高至0.59，Tsep由835 ℃降低至817 ℃；維持鍋爐氧量3.5%，一次風(fēng)率由0.56提高至0.64，Tsep由855 ℃降低至820 ℃。2種試驗(yàn)工況下，Tsep均隨一次風(fēng)率的提高而降低。這是因?yàn)榭傦L(fēng)量不變時(shí)，相較低一次風(fēng)率，較高的一次風(fēng)率為密相區(qū)燃燒的初期提供了更多O2，使高一次風(fēng)率下的燃燒提前，分離器內(nèi)物料燃盡率提高，放熱量降低，Tsep降低。

圖4 一次風(fēng)對(duì)分離器出口溫度影響Fig.4 Effect of primary air on separator outlet temperature

4.5%氧量下，Tsep調(diào)節(jié)幅度為18 ℃；3.5%氧量下，Tsep調(diào)節(jié)幅度為35 ℃，低氧量下，一次風(fēng)率對(duì)Tsep調(diào)節(jié)范圍更大，這是由于低氧量下爐膛出口物料未燃盡碳含量更高，這在試驗(yàn)得到驗(yàn)證，如圖4所示，未燃盡的碳導(dǎo)致低氧量下Tsep整體處于較高水平。未燃盡碳所含的潛在熱量可由一次風(fēng)率控制，故低氧量下Tsep的控制更加靈活。

4 分離器溫度控制的應(yīng)用

利用溫度測量組件檢測分離器出口溫度Tsep，計(jì)算分離器的實(shí)際溫升速率Tsep，sj，將檢測到的Tsep與Topt(Topt，min～Topt，max)，Tsep，sj與分離器預(yù)設(shè)溫升Tsep，ys進(jìn)行比較：① 當(dāng)Tsep>Topt，max或Tsep，sj>Tsep，ys時(shí)，邏輯控制組件生成分離器溫度高信號(hào)或分離器溫升速率高信號(hào)，向上二次風(fēng)門發(fā)出關(guān)小指令，向下二次風(fēng)門發(fā)出開大指令，向FGR發(fā)送減小出力指令，使Tsep降低到Topt范圍內(nèi)；② 當(dāng)檢測到Tsep

基于分離器溫度控制的低氮燃燒調(diào)整發(fā)現(xiàn)，研究對(duì)象的Topt為850 ℃。研究對(duì)象額定負(fù)荷130 t/h，負(fù)荷在80～110 t/h，分離器溫度較低，SNCR脫硝效率低甚至不反應(yīng)，導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)或氨氮比過高，通過控制分離器溫度可實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷SNCR反應(yīng)重啟，NOx排放明顯降低，保證全廠總排口NOx超低標(biāo)準(zhǔn)，避免低負(fù)荷NOx超標(biāo)。同時(shí)，鍋爐110～130 t/h負(fù)荷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%氨水耗量約350 kg/h，經(jīng)分離器溫度精準(zhǔn)控制在(850±5) ℃后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%氨水可控制在200 kg/h以下，節(jié)約氨水費(fèi)用約280萬元/a。全年低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間按2 000 h估算，2臺(tái)爐每年可多收益超低排放電價(jià)補(bǔ)貼50萬元左右。

5 結(jié) 論

1)SNCR反應(yīng)的溫度窗口存在一個(gè)最高效反應(yīng)溫度點(diǎn)Topt，Topt隨燃燒設(shè)備、還原劑類型、運(yùn)行工況變化而不同?？赏ㄟ^燃燒調(diào)整試驗(yàn)確定Topt，后將分離器溫度精準(zhǔn)控制在Topt附近以獲得較高的SNCR反應(yīng)效率。

2)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)Tsep具有調(diào)節(jié)作用，由于低負(fù)荷爐內(nèi)未燃盡顆粒的增加，隨負(fù)荷降低，煙氣再循環(huán)對(duì)Tsep的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)。

3)上、下二次風(fēng)比例對(duì)Tsep同樣起調(diào)節(jié)作用，通過切換上、下層二次風(fēng)門，可控制分離器出口溫度。

4)分離器溫度隨一次風(fēng)率的提高而降低，且氧量較低時(shí)，一次風(fēng)率對(duì)分離器溫度的調(diào)節(jié)更加靈活。

5)實(shí)爐應(yīng)用表明，通過分離器溫度控制，在高負(fù)荷時(shí)優(yōu)化SNCR反應(yīng)效率，降低脫硝運(yùn)行成本；低負(fù)荷時(shí)可將停止的SNCR反應(yīng)重啟，實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放。