以及環(huán)保性能強的特點在我國得到了迅速發(fā)展。由于現(xiàn)在我們國家在環(huán)保方面面臨壓力巨大，所以在治理火電行業(yè)的大氣污染物排放方面標準日趨嚴格，近期又出現(xiàn)了的超低排放、近零排放等動向，導致部分地區(qū)循環(huán)流化床鍋爐在尾部增加濕法脫硫以及爐內(nèi)脫硝等措施，這都對循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展帶來了更為嚴峻的挑戰(zhàn)，循環(huán)流化床鍋爐加上爐外脫硫再加上爐內(nèi)脫硝，其綜合經(jīng)濟性進一步降低，因此研究如何做到機組安全、環(huán)保、經(jīng)濟就成了當務之急。
本文作者根據(jù)在山西朔州2×50MW煤矸石電廠以及呂梁中鈺熱電2×135MW和國投大同電廠2×135MW以及同類型電廠上取得的實際經(jīng)驗，從循環(huán)流化床鍋爐的燃燒調(diào)整與運行調(diào)整方面進行了較為深入的比較和研究，在循環(huán)流化床鍋爐啟動運行、優(yōu)化燃燒調(diào)整、環(huán)保排放指標及煤矸石摻燒比例等方面提出了許多實用性的方法和措施。
關鍵詞：布風板阻力 風帽 流化風量與布風板阻力曲線 氮氧化物
一、選題背景
任何一家發(fā)電企業(yè)最終追求的是企業(yè)利潤的最大化，同時還要滿足國家日益提高的環(huán)保要求，如何使得機組既能安全、經(jīng)濟、長周期運行又能達到環(huán)保的要求，就是每個電廠從事流化床鍋爐運行工作人員值得研究的課題，本文根據(jù)實際運行情況對布風板阻力及氮氧化物的排放關系進行了大量的研究和實踐，希望能找到簡便易行的降低NOX排放的方法。
二、布風裝置
布風裝置是鍋爐流態(tài)化燃燒的主要部件，布風裝置主要有兩種類型：即風帽式和密孔板，隨著我國循環(huán)流化術鍋爐的大型化，密孔板式布風裝置應用的范圍越來越小，現(xiàn)在大型循環(huán)流化床鍋爐多采用布帽式布風板。
2.1風帽 風帽是流化床鍋爐實現(xiàn)均勻布風以及維持爐內(nèi)合理的氣固兩相流動和鍋爐的安全經(jīng)濟運行的關鍵部件。
下圖為典型的風帽式布風裝置。
開孔率是風帽設計的一個重要參數(shù)。開孔率是指各風帽小孔面積的總和∑f與布風板有效面積Ab的比值，以百分率表示，即η=(∑f/Ab)×100%)。
一個穩(wěn)定的流化床層要求布風板具有一定的壓降，一方面使氣流在布風板下的速度分布均勻，另一方面可以抑制由于氣泡和床層起伏等原因引起顆粒分布和氣流速度分布不均勻，布風板壓降的大小與布風板上風帽開孔率的平方成反比。但布風板的壓降給風機造成了壓頭損失與電耗，因此布風板設計中考慮維持均勻穩(wěn)定床層需要的最小布風板壓降。根據(jù)運行經(jīng)驗，布風板阻力為整個層阻力(布風板阻力加料層阻力)的20%~30%，可以維持床層穩(wěn)定的運行。
2.2布風板 布風板的作用是支承風帽和隔熱層，并初步分配氣流。布風板的截面形狀大小決定于密相區(qū)底部段的截面，厚度為30～40mm的整塊鑄鐵板或分塊組合而成的。不論布風板的形狀是矩形的或圓形的，節(jié)距的大小取決于風帽的大小及風帽的個數(shù)與氣流的小孔速度，為了便于固定和支撐，板布風板的實際加工尺寸要大一些。當采用多塊鋼板拼接時，必須用焊接或用螺栓連接成整體，以免受熱變形，產(chǎn)生扭曲。漏風和隔熱層裂縫。
布風板一般有水冷式布風板和非水冷式布風板兩種。DG440/13.7-Ⅱ2型鍋爐采用的便是水冷式布風板。大型流化床鍋爐一般采用熱風點火，要求啟停時間短，變負荷快。為適應這些要求，消除熱負荷快速變化對流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)帶來的不利影響，采用水冷布風板是十分重要的。水冷式布風板采用膜式水冷壁管拉稀伸長形式，在管與管之間的鰭片上開孔，布置風帽，如下圖。
2.3布風板阻力的測定 布風板阻力是指布風板上不鋪底料時空氣通過布風板的壓力降。要使空氣按設計要求通過布風板，形成穩(wěn)定的流化床層，要求布風板具有一定的阻力。布風板阻力由風室進口端的局部阻力、風帽通道阻力及風帽小孔處局部阻力組成，在一般情況下，三者之中以小孔局部阻力為最大，而其它兩項阻力之和僅占布風板阻力的幾十分之一，因而布風板的阻力△Ρ可由公式1計算為：
測定時，首先將所有爐門關閉，并將所有排渣管、放灰管關閉嚴密，啟動引風機、一次風機后，逐漸開大風門，緩慢地、均勻地增大風量，并相應調(diào)整引風，使爐膛負壓為零。對應于每個送風量，從風室靜壓計上讀出當時的風室壓力即為布風板阻力。一直加到最大風量，每次讀數(shù)時，都要把風量和風室靜壓的數(shù)值記下來。然后從最大的風量開始，逐漸減小風量，并記錄每次的風量和風室靜壓的數(shù)值，直到風門全部關閉為止。把上行和下行的兩次試驗數(shù)據(jù)的平均值繪制成布風板阻力—風量關系曲線。
2.4布風板阻力試驗
以下是某電廠兩臺哈鍋135MW機組布風板阻力試驗數(shù)據(jù)：
2.5布風板阻力與流化風量關系曲線
試驗表明兩臺爐一次風量10萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為0.92Kpa、#2爐為0.75Kpa;12萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為1.24Kpa、#2爐為1.05Kpa;15萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為1.69Kpa、#2爐為1.35Kpa;18萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為2.39Kpa、#2爐為1.79Kpa;21萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為2.81Kpa，#2爐為2.21Kpa;25萬Nm3/h時#1爐布風板阻力為3.87Kpa、#2爐為2.51Kpa
三、NOX生成的原因以及燃燒特性對燃料型NOx生成的影響：
3.1NOX生成的原因主要有以下幾個方面：
(1)熱力型NOx，是空氣中的氮氣在高溫下氧化生成的NOx，一般在1300℃以上生成，占總量的10～20%;
(2)燃料型NOx，是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解之后又氧化而形成的NOx，占總量的75～90%;
(3)快速型NOx，是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫原子團反應而形成的NOx，其所占比例很小。
根據(jù)NOx生成的機理我們剔除掉熱力型和快速型所占比例很小的部分，主要分析一下燃料型生成部分的原因和降低的措施：
3.2燃燒特性對燃料型NOx生成的影響：
(1)燃料特性的影響：
由于NOX主要來自于燃料中的氮，也就是說燃料中的氮含量越高，則NOX的排放量也越高，煤、尤其是揮發(fā)分中各種元素比也會影響到NOX的排放量，顯然，O/N比越大，N越易被氧化，故NOX的排放量越高，S/N比會影響到各自的排放水平，因為S和N氧化時會相互競爭，故SO2排放量越高，則NOX的排放量越低，反過來SO2排放量越低，則NOX的排放量越高。
(2)過量空氣系數(shù)的影響：
當采取分級送風時，約1/3左右的燃燒空氣作為二次風送入密相區(qū)上方一定距離處，NOX的排放量可望達到最低水平，#1爐95MW負荷時，一次總風量約為19萬Nm3，二次風約為15萬Nm3，一二次風比為0.78，機組長周期穩(wěn)定運行且飛灰和低渣可燃物較低，說明一二次風量配比得當。
(3)燃燒溫度的影響：
燃燒溫度對NOX的排放量的影響以取得共識，隨著爐內(nèi)溫度的升高NOX的排放量也將升高，因此可以通過降低床溫來控制NOX的排放量，但是降低床溫會使CO濃度將增加，化學不完全燃燒損失增大，從而使得燃燒效率下降，因此一般床溫控制在850～920℃較為適宜。
四、布風板阻力不同下燃燒工況對比
從以上數(shù)據(jù)可以看出由于布風板阻力不同燃燒工況就發(fā)生了很大的變化，主要表現(xiàn)在給煤量和床溫上，布風板阻力大的平均負荷給煤量小、床溫較低;布風板阻力小的平均負荷給煤量大、床溫較高;#1爐低渣可燃物為1.99%、飛灰可燃物為5.11%;#2爐低渣可燃物為1%、飛灰可燃物為4.79%，說明布風板阻力大的燃盡率不高，經(jīng)濟性稍差，同時我們發(fā)現(xiàn)布風板阻力大的如#1爐氮氧化物排放量小于#2爐的，負荷在100MW以下時基本初始排放小于100mg/m3,#2爐則在同樣工況下初始排放約在130g/m3左右，而且是二氧化硫保持差不多的前提下。
五、布風板阻力特性對NOX排放量的影響：
由于布風板阻力大典型工況下相對風速會加快，流化更加均勻，而且密相區(qū)還原性氣體被吹散的幾率更大，因此典型工況下布風板阻力越大NOX排放量越小。當然任何事物都沒有絕對化的好壞，布風板阻力的大小也如此，流化速度對CFB最直接最主要的影響是其對循環(huán)物料揚折夾帶的作用。鑒于考慮到隨著高流速帶的磨損能耗等問題，流化風速也有一個合適量問題，我國CFB技術開發(fā)較晚，初期因擔心上述問題，有些爐子曾設計的4-5m/s，運行中發(fā)現(xiàn)循環(huán)物料不足，將風速提高后，狀況大為改觀，現(xiàn)也提高到5.5-6m/s,如哈鍋135MW爐膛煙氣流速為5.2m/s，與國外爐子比較接近。當然我們研究布風板阻力還要考慮到對給煤粒度的影響，CFB要求燃料中有較大比例的終端速度小于流化速度的細顆粒，以使得這些細煤粒一旦入爐后能被吹到懸浮段空間去燃燒，并且同時起到增加循環(huán)物料量的作用。燃料粒徑的影響主要表現(xiàn)在其對密相區(qū)燃燒份額和物料平衡的影響上，燃料細顆粒多，密相區(qū)燃燒份額小，循環(huán)物料量大。
六、布風板阻力特性與低氮燃燒技術的關系
6.1低氮燃燒技術核心問題之一
那么我們看看低氮燃燒技術首要解決的問題就是爐膛中心缺氧問題，中心缺氧很大的一個原因還是二次風穿透力不夠所致，由于流化床目前還普遍采用床上油槍設置，而床上油槍的設置直接影響到二次風的布置如圖所示：
在油槍布置側(cè)會取消中層二次風的設置，且床上油槍配的二次風管較粗，嚴重影響到二次風的壓頭，最終導致二次風剛性減弱穿透力不強，造成中心缺氧問題，而較大的布風板阻力某種程度上緩解了中心缺氧問題。
6.2低氮燃燒技術核心問題之二
第二個問題是床溫不均和床溫偏差問題，由于床溫不均或者偏差都會影響到氮氧化物的排放，實踐證明床溫在850～920℃之間氮氧化物排放量最小，由于較大的布風板阻力流化均勻，床溫不會過高，因此氮氧化物呈現(xiàn)較低狀態(tài)。
6.3低氮燃燒技術核心問題之三
第三個是氧量取值合適問題：較高的氧量雖然對燃燒有利可以增加燃盡率，但是考慮到電耗會有所增加，帶來的磨損也會增加，最終導致排煙溫度的一定升高，但是較低的氧量對于完全燃燒來說也是明顯不利的，因此必須找到最佳切合點，既能滿足完全燃燒的需要又能滿足爐內(nèi)脫硫、脫硝的需求。
結論
對于循環(huán)流化床鍋爐真正完全的達到環(huán)保要求的超低排放，主要還是根據(jù)現(xiàn)場設備情況，比如脫硝來說還要看初始排放的大小，決定單上SNCR或者加上SCR才能最終解決問題，我們這里討論研究的是，當初始排放低于200mg/m3,甚至更低時單上SNCR時NOX排放值恰好在臨界點附近，如果選取最佳的布風板阻力，可能會簡單有效的達到預期的目的，這也是本文的目的所在，當然針對循環(huán)流化床鍋爐燃燒這一個非常復雜的過程，每臺鍋爐必須做出較為準確的冷態(tài)空板助力試驗數(shù)據(jù)和熱態(tài)最佳流化數(shù)據(jù)，方能做出對應的運行中最低的流化風量和適合的風室壓力，才能做到燃燒更加徹底、更加完全，在滿足環(huán)保指標的情況下，最大幅度的提高燃燒效率，這樣既提高了運行水平，又保證了循環(huán)流化床鍋爐的安全、環(huán)保、經(jīng)濟運行。
參考文獻：孫謝斌黃中《大型循環(huán)流化床鍋爐技術與工程應用》中國電力出版社
蔣明華肖平《大型循環(huán)流化床鍋爐技術》中國電力出版社
作者工作單位(國投大同能源有限責任公司)