以及環(huán)保性能強(qiáng)的特點(diǎn)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。由于現(xiàn)在我們國(guó)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(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，近期又出現(xiàn)了的超低排放、近零排放等動(dòng)向，導(dǎo)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(duì)循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展帶來(lái)了更為嚴(yán)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(jì)性進(jìn)一步降低，因此研究如何做到機(jī)組安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)就成了當(dāng)務(wù)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(guó)投大同電廠2×135MW以及同類型電廠上取得的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從循環(huán)流化床鍋爐的燃燒調(diào)整與運(yùn)行調(diào)整方面進(jìn)行了較為深入的比較和研究，在循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行、優(yōu)化燃燒調(diào)整、環(huán)保排放指標(biāo)及煤矸石摻燒比例等方面提出了許多實(shí)用性的方法和措施。
關(guān)鍵詞：布風(fēng)板阻力 風(fēng)帽 流化風(fēng)量與布風(fēng)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(rùn)的最大化，同時(shí)還要滿足國(guó)家日益提高的環(huán)保要求，如何使得機(jī)組既能安全、經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)周期運(yùn)行又能達(dá)到環(huán)保的要求，就是每個(gè)電廠從事流化床鍋爐運(yùn)行工作人員值得研究的課題，本文根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)布風(fēng)板阻力及氮氧化物的排放關(guān)系進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，希望能找到簡(jiǎn)便易行的降低NOX排放的方法。
二、布風(fēng)裝置
布風(fēng)裝置是鍋爐流態(tài)化燃燒的主要部件，布風(fēng)裝置主要有兩種類型：即風(fēng)帽式和密孔板，隨著我國(guó)循環(huán)流化術(shù)鍋爐的大型化，密孔板式布風(fēng)裝置應(yīng)用的范圍越來(lái)越小，現(xiàn)在大型循環(huán)流化床鍋爐多采用布帽式布風(fēng)板。
2.1風(fēng)帽 風(fēng)帽是流化床鍋爐實(shí)現(xiàn)均勻布風(fēng)以及維持爐內(nèi)合理的氣固兩相流動(dòng)和鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。
下圖為典型的風(fēng)帽式布風(fēng)裝置。
開(kāi)孔率是風(fēng)帽設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。開(kāi)孔率是指各風(fēng)帽小孔面積的總和∑f與布風(fēng)板有效面積Ab的比值，以百分率表示，即η=(∑f/Ab)×100%)。
一個(gè)穩(wěn)定的流化床層要求布風(fēng)板具有一定的壓降，一方面使氣流在布風(fēng)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(fēng)板壓降的大小與布風(fēng)板上風(fēng)帽開(kāi)孔率的平方成反比。但布風(fēng)板的壓降給風(fēng)機(jī)造成了壓頭損失與電耗，因此布風(fēng)板設(shè)計(jì)中考慮維持均勻穩(wěn)定床層需要的最小布風(fēng)板壓降。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，布風(fēng)板阻力為整個(gè)層阻力(布風(fēng)板阻力加料層阻力)的20%~30%，可以維持床層穩(wěn)定的運(yùn)行。
2.2布風(fēng)板 布風(fēng)板的作用是支承風(fēng)帽和隔熱層，并初步分配氣流。布風(fēng)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(fēng)板的形狀是矩形的或圓形的，節(jié)距的大小取決于風(fēng)帽的大小及風(fēng)帽的個(gè)數(shù)與氣流的小孔速度，為了便于固定和支撐，板布風(fēng)板的實(shí)際加工尺寸要大一些。當(dāng)采用多塊鋼板拼接時(shí)，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(fēng)和隔熱層裂縫。
布風(fēng)板一般有水冷式布風(fēng)板和非水冷式布風(fēng)板兩種。DG440/13.7-Ⅱ2型鍋爐采用的便是水冷式布風(fēng)板。大型流化床鍋爐一般采用熱風(fēng)點(diǎn)火，要求啟停時(shí)間短，變負(fù)荷快。為適應(yīng)這些要求，消除熱負(fù)荷快速變化對(duì)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，采用水冷布風(fēng)板是十分重要的。水冷式布風(fēng)板采用膜式水冷壁管拉稀伸長(zhǎng)形式，在管與管之間的鰭片上開(kāi)孔，布置風(fēng)帽，如下圖。
2.3布風(fēng)板阻力的測(cè)定 布風(fēng)板阻力是指布風(fēng)板上不鋪底料時(shí)空氣通過(guò)布風(fēng)板的壓力降。要使空氣按設(shè)計(jì)要求通過(guò)布風(fēng)板，形成穩(wěn)定的流化床層，要求布風(fēng)板具有一定的阻力。布風(fēng)板阻力由風(fēng)室進(jìn)口端的局部阻力、風(fēng)帽通道阻力及風(fēng)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(xiàng)阻力之和僅占布風(fēng)板阻力的幾十分之一，因而布風(fēng)板的阻力△Ρ可由公式1計(jì)算為：
測(cè)定時(shí)，首先將所有爐門(mén)關(guān)閉，并將所有排渣管、放灰管關(guān)閉嚴(yán)密，啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)后，逐漸開(kāi)大風(fēng)門(mén)，緩慢地、均勻地增大風(fēng)量，并相應(yīng)調(diào)整引風(fēng)，使?fàn)t膛負(fù)壓為零。對(duì)應(yīng)于每個(gè)送風(fēng)量，從風(fēng)室靜壓計(jì)上讀出當(dāng)時(shí)的風(fēng)室壓力即為布風(fēng)板阻力。一直加到最大風(fēng)量，每次讀數(shù)時(shí)，都要把風(fēng)量和風(fēng)室靜壓的數(shù)值記下來(lái)。然后從最大的風(fēng)量開(kāi)始，逐漸減小風(fēng)量，并記錄每次的風(fēng)量和風(fēng)室靜壓的數(shù)值，直到風(fēng)門(mén)全部關(guān)閉為止。把上行和下行的兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值繪制成布風(fēng)板阻力—風(fēng)量關(guān)系曲線。
2.4布風(fēng)板阻力試驗(yàn)
以下是某電廠兩臺(tái)哈鍋135MW機(jī)組布風(fēng)板阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)：
2.5布風(fēng)板阻力與流化風(fēng)量關(guān)系曲線
試驗(yàn)表明兩臺(tái)爐一次風(fēng)量10萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)板阻力為0.92Kpa、#2爐為0.75Kpa;12萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)板阻力為1.24Kpa、#2爐為1.05Kpa;15萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)板阻力為1.69Kpa、#2爐為1.35Kpa;18萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)板阻力為2.39Kpa、#2爐為1.79Kpa;21萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)板阻力為2.81Kpa，#2爐為2.21Kpa;25萬(wàn)Nm3/h時(shí)#1爐布風(fēng)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(duì)燃料型NOx生成的影響：
3.1NOX生成的原因主要有以下幾個(gè)方面：
(1)熱力型NOx，是空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox，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(guò)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(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)湓訄F(tuán)反應(yīng)而形成的NOx，其所占比例很小。
根據(jù)NOx生成的機(jī)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(duì)燃料型NOx生成的影響：
(1)燃料特性的影響：
由于NOX主要來(lái)自于燃料中的氮，也就是說(shuō)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(huì)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(huì)影響到各自的排放水平，因?yàn)镾和N氧化時(shí)會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)，故SO2排放量越高，則NOX的排放量越低，反過(guò)來(lái)SO2排放量越低，則NOX的排放量越高。
(2)過(guò)量空氣系數(shù)的影響：
當(dāng)采取分級(jí)送風(fēng)時(shí)，約1/3左右的燃燒空氣作為二次風(fēng)送入密相區(qū)上方一定距離處，NOX的排放量可望達(dá)到最低水平，#1爐95MW負(fù)荷時(shí)，一次總風(fēng)量約為19萬(wàn)Nm3，二次風(fēng)約為15萬(wàn)Nm3，一二次風(fēng)比為0.78，機(jī)組長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行且飛灰和低渣可燃物較低，說(shuō)明一二次風(fēng)量配比得當(dāng)。
(3)燃燒溫度的影響：
燃燒溫度對(duì)NOX的排放量的影響以取得共識(shí)，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(guò)降低床溫來(lái)控制NOX的排放量，但是降低床溫會(huì)使CO濃度將增加，化學(xué)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(fēng)板阻力不同下燃燒工況對(duì)比
從以上數(shù)據(jù)可以看出由于布風(fēng)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(fēng)板阻力大的平均負(fù)荷給煤量小、床溫較低;布風(fēng)板阻力小的平均負(fù)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(shuō)明布風(fēng)板阻力大的燃盡率不高，經(jīng)濟(jì)性稍差，同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)布風(fēng)板阻力大的如#1爐氮氧化物排放量小于#2爐的，負(fù)荷在100MW以下時(shí)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(fēng)板阻力特性對(duì)NOX排放量的影響：
由于布風(fēng)板阻力大典型工況下相對(duì)風(fēng)速會(huì)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(fēng)板阻力越大NOX排放量越小。當(dāng)然任何事物都沒(méi)有絕對(duì)化的好壞，布風(fēng)板阻力的大小也如此，流化速度對(duì)CFB最直接最主要的影響是其對(duì)循環(huán)物料揚(yáng)折夾帶的作用。鑒于考慮到隨著高流速帶的磨損能耗等問(wèn)題，流化風(fēng)速也有一個(gè)合適量問(wèn)題，我國(guó)CFB技術(shù)開(kāi)發(fā)較晚，初期因擔(dān)心上述問(wèn)題，有些爐子曾設(shè)計(jì)的4-5m/s，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)循環(huán)物料不足，將風(fēng)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(guó)外爐子比較接近。當(dāng)然我們研究布風(fēng)板阻力還要考慮到對(duì)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(xì)顆粒，以使得這些細(xì)煤粒一旦入爐后能被吹到懸浮段空間去燃燒，并且同時(shí)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(duì)密相區(qū)燃燒份額和物料平衡的影響上，燃料細(xì)顆粒多，密相區(qū)燃燒份額小，循環(huán)物料量大。
六、布風(fēng)板阻力特性與低氮燃燒技術(shù)的關(guān)系
6.1低氮燃燒技術(shù)核心問(wèn)題之一
那么我們看看低氮燃燒技術(shù)首要解決的問(wèn)題就是爐膛中心缺氧問(wèn)題，中心缺氧很大的一個(gè)原因還是二次風(fēng)穿透力不夠所致，由于流化床目前還普遍采用床上油槍設(shè)置，而床上油槍的設(shè)置直接影響到二次風(fēng)的布置如圖所示：
在油槍布置側(cè)會(huì)取消中層二次風(fēng)的設(shè)置，且床上油槍配的二次風(fēng)管較粗，嚴(yán)重影響到二次風(fēng)的壓頭，最終導(dǎo)致二次風(fēng)剛性減弱穿透力不強(qiáng)，造成中心缺氧問(wèn)題，而較大的布風(fēng)板阻力某種程度上緩解了中心缺氧問(wèn)題。
6.2低氮燃燒技術(shù)核心問(wèn)題之二
第二個(gè)問(wèn)題是床溫不均和床溫偏差問(wèn)題，由于床溫不均或者偏差都會(huì)影響到氮氧化物的排放，實(shí)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(fēng)板阻力流化均勻，床溫不會(huì)過(guò)高，因此氮氧化物呈現(xiàn)較低狀態(tài)。
6.3低氮燃燒技術(shù)核心問(wèn)題之三
第三個(gè)是氧量取值合適問(wèn)題：較高的氧量雖然對(duì)燃燒有利可以增加燃盡率，但是考慮到電耗會(huì)有所增加，帶來(lái)的磨損也會(huì)增加，最終導(dǎo)致排煙溫度的一定升高，但是較低的氧量對(duì)于完全燃燒來(lái)說(shuō)也是明顯不利的，因此必須找到最佳切合點(diǎn)，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(jié)論
對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐真正完全的達(dá)到環(huán)保要求的超低排放，主要還是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，比如脫硝來(lái)說(shuō)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(wèn)題，我們這里討論研究的是，當(dāng)初始排放低于200mg/m3,甚至更低時(shí)單上SNCR時(shí)NOX排放值恰好在臨界點(diǎn)附近，如果選取最佳的布風(fēng)板阻力，可能會(huì)簡(jiǎn)單有效的達(dá)到預(yù)期的目的，這也是本文的目的所在，當(dāng)然針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐燃燒這一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，每臺(tái)鍋爐必須做出較為準(zhǔn)確的冷態(tài)空板助力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱態(tài)最佳流化數(shù)據(jù)，方能做出對(duì)應(yīng)的運(yùn)行中最低的流化風(fēng)量和適合的風(fēng)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(biāo)的情況下，最大幅度的提高燃燒效率，這樣既提高了運(yùn)行水平，又保證了循環(huán)流化床鍋爐的安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：孫謝斌黃中《大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)與工程應(yīng)用》中國(guó)電力出版社
蔣明華肖平《大型循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)》中國(guó)電力出版社
作者工作單位(國(guó)投大同能源有限責(zé)任公司)