CN108105759B - 一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，属于锅炉烟气污染物控制技术领域。该方法在循环流化床锅炉运行过程中，不使用氨水、尿素等还原剂的情况下，通过控制包括床料粒度、循环灰粒度、床层压降、床温、炉膛出口处氧含量、分离器出口逃逸颗粒粒度、一次风份额以及流化速度等运行参数，可使循环流化床锅炉NOx原始排放显著降低，基本满足<50mg/m3的超低排放指标；炉膛出口CO浓度低于150mg/m3，且对燃烧效率影响不明显；同时与SNCR或SCR相比，不存在“氨逃逸”等问题，从而改善循环系统性能、强化炉内还原性气氛，使锅炉NOx排放达到超低排放标准要求，减少了环境污染。
Description
技术领域
本发明属于锅炉烟气污染物控制技术领域，具体地说是涉及一种低成本降低循环流化床锅炉烟气NOx排放的方法及装置。
背景技术
NOx是造成酸雨、雾霾等环境问题的重要元凶之一，其主要来源为各类燃料的燃烧过程，特别是来自电站及工业锅炉的排放。根据最新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，新建锅炉NOx排放要求<100mg/m3，近年来提出的超低排放指标更是要求NOx排放<50mg/m3(基准氧含量6％条件下)。
循环流化床(循环流化床)锅炉由于其中温燃烧(800～900℃)、炉内存在大量还原性物料等特点，在采用分级送风的条件下，原始NOx排放较低，通常可以满足目前绝大多数国家的环保标准。但要实现原始超低排放则面临着巨大挑战，仍需要深度挖掘循环流化床技术的低氮燃烧潜力。
目前降低锅炉NOx排放的方法多采用选择性非催化还原(SNCR)或选择性非催化还原与选择性催化还原(SCR)联用的方法。如发明专利CN103752160A公开了一种循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，提出通过在循环流化床锅炉中喷入氨水和氢气来与循环流化床烟气中的NOx发生选择性非催化还原反应，以实现循环流化床锅炉NOx的超低排放。实用新型专利CN205216545U公开了一种循环流化床SNCR和SCR联合脱硝装置，以对循环流化床燃烧产生的NOx进行烟气脱硝。
SNCR技术成本较低，但脱硝效率较低，不能达到超低排放的标准要求，且一定程度上降低了锅炉热效率。和SNCR相比，SCR利用催化剂在中低温条件下将NOx催化还原，其脱硝效率较高，但初投资和运行费用较高，占地面积大，催化剂也需要定期更换。另外，无论SNCR还是SCR，都采用氨作为还原剂，为了达到较高的脱硝效率，必然需要氨的过量投入，从而有少量的NH3逃逸。这些逃逸的NH3与燃烧产生的SO3结合生成NH4HSO4或(NH4)2SO4，当温度低于一定值后，凝结在空预器表面，堵塞空预器，并对空预器腐蚀；若没有与SO3合成，则直接排放到大气中，造成雾霾。
中国发明专利CN105570880A和实用新型专利CN205299496U公开了一种循环流化床锅炉床温均匀性改善和超低排放系统及装置，设置有炉膛、标准分离器入口烟道、大流量分离器入口烟道、加速导流凸台、标准中心筒、大流量中心筒和立管，通过上述部件调整三个分离器的阻力匹配，降低分离器之间的流量偏差及效率偏差，增加中间分离器分离的物料总量，提高炉膛中心区域物料浓度、降低中部床温，从而降低SO2和NOx的原始生成浓度，减少石灰石和脱硝还原剂消耗量，实现低成本超低排放。这两个专利技术是针对三分离器布置的循环流化床锅炉，期望通过三个分离器循环回路的调整实现三个回路之间的温度均匀性，可以降低NOx的原始生成浓度，但NOx达到超低排放标准还必须依赖烟气脱硝，只不过通过该专利技术能部分降低脱硝还原剂的用量。
中国发明专利CN103900076A和实用新型专利CN203810391U公开了一种燃用低热值燃料的新型超低排放发电系统，其采用深度脱硝来实现NOx超低排放，但放弃了循环流化床低温燃烧的优势。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明提出一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，不仅可以使烟气中NOx含量达到超低排放标准，减少NOx对环境的污染，而且成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，该循环流化床锅炉包括锅炉炉膛、分离器、料腿、返料器、一次风室、布风板、二次风口以及尾部烟道，该循环流化床锅炉在运行过程中，其运行参数包括床料粒度、循环灰粒度、床层压降、床温、炉膛出口处氧含量、分离器出口逃逸颗粒粒度、一次风份额以及流化速度，其特征在于，所述循环流化床锅炉在运行过程中满足以下参数要求：
a)床料平均粒度小于等于200μm，循环灰平均粒度小于等于80μm；
b)炉膛二次风口之上的床层压降平均至少为100Pa/m；
c)床温上下相差小于等于30℃，且最高温度小于等于880℃；
d)炉膛出口处烟气氧含量小于等于3.25％。
进一步，优选地，分离器出口的逃逸的颗粒粒径分布满足d50≤12μm，d90≤54μm。
进一步，优选地，一次风份额为30％～35％。
进一步，优选地，流化速度为3.8～5.1m/s。
进一步，优选地，二次风为前后墙正面对冲，二次风口单层布置，离布风板的距离为炉膛全高度的10％～12.5％。
进一步，优选地，在锅炉炉膛出口处设置燃尽风，用于解决CO的燃尽问题。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①在未使用其他脱硝技术的条件下，通过提升循环系统的性能，使循环流化床锅炉NOx原始排放显著降低，基本满足<50mg/m3的超低排放指标。②不使用氨水、尿素等还原剂，和SNCR或SCR相比，不存在“氨逃逸”等问题。③炉膛出口CO浓度低于150mg/m3，飞灰含碳量较令人满意，对燃烧效率影响不明显。
本发明可用于指导新循环流化床锅炉的设计，也可用于已有循环流化床锅炉的超低排放技术改造。
附图说明
图1为一种循环流化床锅炉的结构示意图。
图中：1-锅炉炉膛；2-分离器；3-料腿；4-返料器；5-一次风室；6-布风板；7-二次风口；8-燃尽风；9-尾部烟道；10-返料阀高压风；11-空气预热器；12-煤仓；13-石灰石给料仓；14-排渣口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明中的技术方案进一步说明和解释。
本发明提供一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，图1是应用本发明内容的一种锅炉装置结构示意图，包括锅炉炉膛1、与炉膛出口相连的分离器2、与分离器下方相连的料腿3、与料腿相连的返料器4、用于床料流化的炉膛之下的一次风室5、布风板6、布风板之上的二次风口7、锅炉炉膛出口处燃尽风8、连接分离器出口的尾部烟道9、返料阀高压风10、空气预热器11、煤仓12、石灰石给料仓13、排渣口14以及一些其他部件，其中锅炉炉膛1、炉膛出口相连的分离器2、分离器下方相连的料腿3和料腿相连的返料器4构成主循环回路。
本发明的核心在于充分发挥循环流化床还原性气氛下燃烧的特点，通过改善循环系统的性能强化炉内的还原性气氛，主要通过改变床料粒度、控制床温和氧量等运行参数来实现。
大量的实验表明，要实现循环流化床锅炉NOx超低排放，在循环流化床锅炉运行过程中应满足以下参数要求：
a)床料平均粒度小于等于200μm，循环灰平均粒度小于等于80μm；
b)炉膛二次风口之上的床层压降平均至少为100Pa/m；
c)床温上下相差小于等于30℃，且最高温度小于等于880℃；
d)炉膛出口处烟气氧含量小于等于3.25％。
在满足上述运行参数的前提下，进一步，分离器出口的逃逸的颗粒粒径分布满足d50≤12μm，d90≤54μm。一次风份额为30％～35％。流化速度为3.8～5.1m/s。二次风为前后墙正面对冲，二次风口单层布置，离布风板的距离为炉膛全高度的10％～12.5％。
较细的床料粒度增强了循环流化床锅炉密相区的还原性气氛；较细的床料粒度和较大的循环量提高了炉膛上部的平均物料浓度，宏观表现为二次风口之上的床层平均压降升高，有利于悬浮段的颗粒团聚，强化了稀相区的还原性气氛。降低床料粒度、增大循环量的技术路线是：在维持炉膛上部快速床流态的前提下，提高分离器效率以降低分离器出口飞灰粒度，降低给煤粒度，提高排渣平均粒径和降低返料阀流动阻力，实际应用过程中几种方法相互配合，使得床料平均粒度小于200μm、循环灰平均粒度小于80μm、炉膛二次风口之上的床层压降平均大于100Pa/m。
分离器出口飞灰粒度与分离器和返料回路的性能有关，要求所述分离器2具有足够高的分离效率，所述料腿3具有良好的密封性能，所述返料器4具有优异的无反窜性能，使得分离器出口的逃逸的颗粒粒径分布满足d50≤12μm，d90≤54μm，其中d50表示颗粒样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，d90表示颗粒样品的累计粒度分布百分数达到90％时所对应的粒径。
炉内反应温度应在要求范围内，以为低氮燃烧提供条件，这一方面锅炉设计时受热面布置和传热计算要准确；另一方面运行过程中通过调节一次风量控制床温，使得额定工况下床温上下相差小于30℃，且最高温度小于880℃。
过量空气系数对NOx的生成影响比较明显，这就对炉膛内的氧量控制提出要求：运行中要低于低氮燃烧需要的最高氧量。经过反复的现场调试研究，发现此最高氧量为3.25％，与燃烧需要的氧量具有一致性。实际运行过程中通过调节二次风量以改变过量空气系数，使得炉膛出口处烟气氧含量小于3.25％。
为了解决CO的燃尽问题，在锅炉炉膛出口处设置燃尽风8，利用分离器的气固分离过程实现补燃空气与气固两相流的良好混合，以减小低氮燃烧对燃烧效率的影响。
实施例：利用本发明技术实现循环流化床NOx超低排放的实炉研究：
实施例1：在90t/h循环流化床锅炉上，对比了分离器改进前后NOx排放的变化。该锅炉燃用优质烟煤，低位发热量5100～5200kcal/kg，灰分25％左右，含硫量0.4～0.9％，干燥无灰基挥发分在32～37％。
在该锅炉上进行了分离器改进，分离器效率明显提升，改进后的分离器对应的d50＝10μm、d90＝54μm。额定工况下，该锅炉在运行过程中满足以下参数：锅炉风室风压在6.2kPa左右，炉膛上部差压约为1000Pa；床温在865℃左右。此时该锅炉NOx原始排放为80～100mg/m3，
而当采用低效分离器时，其对应的d50＝22μm、d90＝88μm，该锅炉NOx原始排放升高到200～250mg/m3。
实施例2：在150t/h低挥发分烟煤循环流化床锅炉上进行了床料存量调整对比实验。该锅炉使用燃料热值4500～4800kcal/kg，灰分30～33％左右，干燥无灰基挥发分21～23％。
额定工况下，锅炉风室风压控制在7.5～8.0kPa，炉膛上部差压为1.4～1.5kPa，床温在878℃左右，炉膛出口处烟气氧含量控制在小于3.25％。此时该锅炉NOx原始排放为50mg/m3。
而当风室风压在6.0～6.5kPa，炉膛上部差压为1.0～1.1kPa，床温在895℃左右时，NOx原始排放升高到75mg/m3。
实施例3：在150/h燃烧优质烟煤循环流化床锅炉上进行了床温对NOx生成影响的对比实验。该锅炉燃用神华煤，燃料热值5000kcal/kg左右，灰分16％左右，干燥无灰基挥发分36％左右，硫含量0.6％左右。
额定工况下，锅炉风室风压控制在7.7～8.0kPa，炉膛上部差压为1.6～1.8kPa，床温在820～830℃时，NOx原始排放为50～60mg/m3。
额定工况下，风室风压控制在7.0kPa左右，炉膛上部差压为1.3～1.4kPa，床温在830～840℃时，NOx原始排放有所升高，为60～70mg/m3；
其他所有条件不变，采用部分覆盖受热面的方法提高床温。额定工况下风室风压控制在6.5kPa左右，炉膛上部差压为1.6～1.8kPa，床温在890℃左右(升高约60℃)时，NOx原始排放升高至80～100mg/m3。
实施例4：在一台TG-220/12.5-M型循环流化床锅炉上进行超低排放工程示范，锅炉燃用烟煤，热值3982.5kcal/kg，工业分析数据为水分(Ma)11.5％、灰分(Aa)34.61％、挥发分(Va)25.25％、固定碳(FCa)28.64％；元素分析数据为碳(Cdaf)43.26％、氢(Hdaf)1.7％、氮(Ndaf)0.73、硫(Sdaf)1.06、氧(Odaf)7.14。
额定工况下，床料平均粒度为192μm，循环灰平均粒度为76μm；锅炉风室风压控制在5.5～6kPa，炉膛上部差压为1.2～1.4kPa，二次风口之上的床层压降平均为120～140Pa/m；床温在830～850℃；炉膛出口处烟气氧含量控制在小于3.25％。此时NOx原始排放为49.83mg/m3，达到超低排放标准要求。
实施例5：在一台TG-220/13.73-M型循环流化床锅炉上进行超低排放工程示范，锅炉燃用贫煤，热值4938.1kcal/kg，工业分析数据为水分(Ma)7.3％、灰分(Aa)29.17％、挥发分(Va)16.19％、固定碳(FCa)47.34％；元素分析数据为碳(Cdaf)53.67％、氢(Hdaf)1.97％、氮(Ndaf)0.8、硫(Sdaf)1.67、氧(Odaf)5.42。
额定工况下，床料平均粒度为196μm，循环灰平均粒度为78μm；锅炉风室风压控制在5.2～6.8kPa，炉膛上部差压在1.1kPa左右，二次风口之上的床层压降平均为110Pa/m左右；床温在840～860℃；炉膛出口处烟气氧含量控制在小于3.25％。此时NOx原始排放为46.18mg/m3，达到超低排放标准要求。
Claims (2)
1.一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，所述循环流化床锅炉包括锅炉炉膛(1)、分离器(2)、料腿(3)、返料器(4)、一次风室(5)、布风板(6)、二次风口(7)以及尾部烟道(9)；该循环流化床锅炉在运行过程中，其运行参数包括床料粒度、循环灰粒度、床层压降、床温、炉膛出口处氧含量、分离器出口逃逸颗粒粒度、一次风份额以及流化速度，其特征在于，该循环流化床锅炉在运行过程中应满足以下参数要求：
a)床料平均粒度小于等于200μm，循环灰平均粒度小于等于80μm；
b)炉膛二次风口之上的床层压降平均至少为100Pa/m；
c)炉膛床温上下相差小于等于30℃，且最高温度小于等于880℃；
d)炉膛出口处烟气氧含量小于等于3.25％；
e)分离器出口逃逸颗粒粒径分布满足d50≤12μm，d90≤54μm；
f)一次风份额为30％～35％；流化速度为3.8～5.1m/s；
g)所述二次风为前后墙正面对冲，二次风口单层布置，该二次风口离布风板的距离为炉膛全高度的10％～12.5％。
2.根据权利要求1所述一种实现循环流化床锅炉NOx超低排放的方法，其特征在于：在锅炉炉膛出口处设置燃尽风。
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