摘要：有效改善CFB锅炉燃烧过程低氮特性加入烟气再循环，努力降低NOx排放值，设法达到国家对燃煤炉的NOx排放标准;烟气再循环是其中一种低氮燃烧技术，通过控制循环烟气量及分级送风，达到低氮与高效燃烧有效地降低了NOx的生成，保障排放环保指标达标。
一、概述
我国循环流化床技术发展情况，目前我国有案可查的循环流化床锅炉(简称CFB锅炉)已达4000余台，其中80%以上为中小型CFB发电机组或专用工业锅炉，多达3500台左右，内420t/h以上蒸发量的大型CFB锅炉平均NOx排放指标为230mg/Nm3左右;240t/h中小型蒸发量的中小型锅炉NOx烟气排放更高一些，而平均为300mg/Nm3。未达到国家现阶段NOx排放标准。因此，有效改善CFB锅炉燃烧过程低氮特性加入烟气再循环，努力降低NOx排放值，必要时也可加装炉内喷氨SNCR装置，设法达到国家对燃煤炉的NOx排放标准，就成为不可回避的问题了。
二、NOx的生成、危害
化石燃料燃烧产物是重要的大气环境污染源之一。其中氮氧化物是燃烧过程中排放的污染物之一。氮氧化物、氧化硫和固体颗粒排放物能产生酸雨、降低能见度和影响人类健康。氮氧化物是指一氧化氮、二氧化氮、以及少量的氧化二氮。燃烧任何化石燃料、由于温度高氧气的存在以及空气和燃料中的氮、都会产生一定量的NOx。燃烧过程中排放出来的NOx约90%是NO，5%到10%是N02，l%是N20。烟气排出烟囱后其中的NO最终在大气中被氧化成二氧化氮。在电厂烟囱排气中经常看到的红棕色即是二氧化氮。在大气中二氧化氮经过一系列反应形成二次污染物。二氧化氮与太阳光和碳氢团反应形成光化学烟雾和酸雨的成分【1】。
氮氧化物NOx主要是通过三种路经形成的：热力型、快速型、及燃料氮【2、3】。
热力型或Zeldovich型氮氧化物是通过下列基本反应形成的：
O+N2→NO+N(1—1)
N+02→NO+O(1—2)
N+OH→NO+H(1—3)
传统的保证充分燃烧的条件(高温、足够长的停留时间、高湍流度或混合)都是增加热力型氮氧化物的因素。因此，需要在有效燃烧及控制氮氧化物的生成之间寻找一个最佳点。降低热力型NOx可以通过对燃烧系统修改来实现。通过控制燃料与空气的混合来控制燃烧速度，从而降低燃烧最高温度点的温度以此来降低热力型NOx的形成。通过分级燃烧即先加入部分燃烧空气，使燃料在完全燃烧之前先进行部分冷却然后在逐步加入剩余的燃烧空气亦可有效降低热力型NOx的产生。采用烟气再循环可有效地降低最高温度区域的温度，从而减少热力型NOx的产生。燃料型NOx是煤燃烧时产生的NOx的主要来源。研究燃料型NOx的生产和破坏机理，对于如何有效地在燃烧过程中控制NOx的排放具有重要的意义。煤燃烧时约75%至90%的NOx是燃料型NOx。
三、烟气再循环技术理论
高温低氧燃烧技术(HTAC)是20世纪90年代发展起来的一种新型燃烧技术。由于这项技术突出的节能与环保优势，在许多国家得到了广泛的重视，到1995年，已经有800多套工业炉采用该技术进行改造【4-6】。烟气再循环是其中一种低氮燃烧技术，即从锅炉尾部烟道抽取一部分低温烟气(主要成分N2，O2和CO2)返回炉内，参与辅助燃烧和流场整合。抽取的烟气通过与烟气的混合后送入炉内。烟气再循环的效果不仅与燃烧种类有关，还与再循环烟气量有关。循环烟气量一般以烟气循环率β来表示，即烟气再循环量与燃烧设备锅炉排烟总量之比。烟气再循环技术，其核心在于利用烟气所具有的低温低氧特点，将部分烟气再次喷入炉膛合适部位，降低炉膛内局部温度以及形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。
近年来国内众多学者对烟气再循环进行了相关研究取得了不少成果。华北电力大学的胡满银【7】研究发现，烟气再循环技术可以降低炉膛内平均温度，从而降低NOx的生成量;内蒙古科技大学的赵增武【8】通过研究烟气再循环对高温燃烧及其NOx排放特性影响。发现烟气再循环有效的降低了助燃空气中的氧含量，降低了火焰局部高温，有效的抑制了热力型NOx的生成。
燃烧气氛中O2/CO2体积比对NOx.生成量以及NO/NOx比率都有明显的影响,当过量空气系数为1时,NOx的排放量随O2/CO2体积比的变化情况【9】(见下图)。
四、烟气再循环在天保空港热电厂应用
天保空港热电厂为4台75t/h差速循环流化床锅炉，炉内燃烧过程存在的问题均匀性由于流态化过程的复杂性、新鲜燃料投入主床而回料灰的分布相对集中投入前后埋管受热面副床上，造成主副床料层颗粒的不均匀性、物料流化程度的偏差和一、二次风分配的不均匀性，直接导致了床温的偏差。事实上整个床面上主副床各个床温测点偏差较大是普遍存在的一个锅炉共有问题，一般锅炉的床温偏差都在70℃左右，差速循环流化床改造前最大的可以达到150℃以上(附照片)，这也造成了物料燃尽，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。主床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。控制一个合适的床温变化范围，是解决低氮燃烧的关键因素之一。而在改造前运行中锅炉低过后氧量偏高(负荷30%低过后氧量12%，负荷55%—100%低过后氧量5%——8%)。理论上，860～875℃的床温控制范围绝对是大家都能接受的CFB最佳低氮脱硝温度，而对于现实运行中，主床控制平均床温为890～920℃，副床控制平均床温为750℃。这种温度差的增加，会影响整个物料循环和流态化过程的低温燃烧效果，也能够导致脱硫降氮效率的下降。二次风应用方式又有别于一般循环流化床锅炉，二次风主要是保障副床物料流动及埋管换热(埋管即为主要换热面，膜式水冷壁70%包裹在浇注料内只有炉膛出口漏出部分换热面)，所以分级送风的控制，既可以强化氧化区燃尽和还原区低氧分段燃烧效果，也抑制温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧的过程统一。烟气再循环投入可控制分段送风投入的所需氧气保障燃烧，又可以控制炉膛出口过剰空气量。
改造方式：空港热电厂现将四台锅炉加装管径为800mm烟气在循环管路一套，烟气引出点为引风机后脱硫塔前烟道上方，烟气接入点为一二次风机进口风道处，接入及引出处均有电动蝶阀控制，并在一次风进口，二次风进口加装电动百叶窗挡板，通过吸入循环烟气控制降低入炉空气氧量，达到炉出口过剩空气降低，平均促使烟气NOx排放值下降到要求范围;分级送风控制主副床温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧。(附照片注：风机入口新加阀门为烟气再循环阀门)
现通过为期半年的调试试验，通过在不同负荷段控制一二次风内的循环烟气量及配比，以控制主副床温度及炉膛出口氧量，具体负荷段试验据及控制如下表：
现在锅炉负荷在80%以上时(注：由于入炉煤灰分控制在≤15%，造成料层积攒困难因此以锅炉负荷80%以上为例)，通过烟气再循环，再利用分段送风控制氧量主床温度平均935℃，副床温度平均870℃，温差平均保持在60℃左右，较有效的控制了主床温度及密相区的实际过量空气系数，在运行中，使密相区主要处于还原性气氛。
五、结束语
通过控制循环烟气量与吸入空气混合，有效的降低入炉空气氧量，达到控制炉出口过剩空气降低，在分级送风阶段通过控制主副床风量氧量，使主副床温度及温差水平，达到低氮与高效燃烧有效地降低了NOx的生成平均各炉比未投入烟气再循环前NOx平均折标后降低180mg/Nm3，效果较明显。再通过SCR及SNCR的投入就能保障排放环保指标达标。
