摘要：根据国家环保政策及对燃煤电厂污染物实施超低排放的要求，在充分发挥CFB锅炉清洁燃烧技术优势的基础上，基于循环流化床锅炉氮氧化物产生机理，依托SNCR技术，通过配煤掺烧，优化燃烧方式，实现循环流化床锅炉氮氧化物排放低于50mg/Nm3的目标。
引言
按照GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的规定，自2014年7月1日起火力发电锅炉对于氮氧化物(NOx)的排放将全面执行低于100mg/Nm3的新标准。2015年12月份，《国家发展改革委环境保护部国家能源局关于实行燃煤电厂超低排放电价支持政策有关问题的通知》[发改价格〔2015〕2835号]明确要求，火电机组NOx排放标准达到50mg/Nm3以下(河北省地方标准(DB13/2209—2015)《燃煤电厂大气污染物排放标准》中煤粉炉超低排放标准)，方可享受超低排放电价补贴。
目前大多数循环流化床(CFB)锅炉的NOx排放不能直接达标，且原有的烟气脱硝技术对NOx的脱除率有限，使得CFB锅炉的环保优势不再突出。因此，如何发挥CFB自身优势，在燃烧过程中通过技术手段最大限度减少NOx排放显得尤为重要，从环保政策和运行经济性两方面考虑，促进企业对进一步降低CFB锅炉NOx排放，实现超低排放的研究动力。
一、燃煤锅炉NOx产生基理
煤燃烧过程中产生的NOx主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，这两者统称为NOx，此外还有少量的氧化二氮(N2O)产生。
在煤燃烧过程中NOx的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。在煤燃烧过程中，生成的NOx途径有：
(一)、热力型NOx(ThermalNOx)：它是空气中氮气在高温下氧化而生成的NOx，在温度足够高时，可占20%，
(二)、燃料型NOx(FuelNOx)：它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而成的NOx，60%~80%以上
(三)、快速型NOx(promptNOx)：它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOx。在循环流化床锅炉中，一方面，氮在燃烧过程中被不断氧化生成NOx，另一方面在还原性气氛中NOx也会被不断还原生成N2，因此，影响氧化、还原反应的所有因素都将影响到NOx的浓度。
(一)燃料特性
燃料型NOX的生成机理非常复杂，在一般的燃烧条件下，燃料中的氮有机化合物首先热分解成氰化氢(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，称之为挥发份N。挥发份N析出后仍残留在焦碳中的氮化合物，称之为焦碳N。在通常的煤燃烧温度下，燃料型NOX的60~80%来自挥发份;由焦碳N所生成的NOX占到20%~40%。
(二)、过量空气系数
在一定程度上可限制反应区内的氧浓度，因而，对热力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定的控制作用，采用这种方法可使NOx排放量降低15%~20%，但是CO浓度会增加，燃烧效率会下降。
采用一次风、二次风分级配风，可有效地降低NOx的排放量。一般情况下，二次风从床上一定距离送入，随着一次风量的减少、二次风量的增加，N被氧化的速度下降，NOx排放量也随之下降，并在某一风量分配下达到最小值。
(三)、燃烧温度
燃烧温度对NOx的排放量的影响已取得共识，即随着炉内燃烧温度的提高，NOx的排放量将升高，因此，可以通过降低床温来控制NOx的排放量。但是，床温的降低会带来两个不利的后果，一个是炉内CO浓度将增加，不完全燃烧热损失增大，从而使得燃烧效率下降;另一个是不利于N2O分解，从而使得N2O的排放浓度增加。
由图1分析可知，CFB锅炉床温和炉膛温度一般都控制在850~950度左右，热力型NOx和快速型NOx的产生量基本可以忽略不计。主要是燃料型NOx，根据煤种的不同，燃料型NOx产生量在50至500mg/Nm3之间。
(四)、脱硫剂
在CFB锅炉中，加入的脱硫剂为石灰石，其直接目的是降低SO2的排放量，同时对NOx的排放量也会产生明显的影响，使NO上升。脱硫剂的影响主要体现在两个方面，一个是富余CaO作为强催化剂会强化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加;另一个是富余的CaO和CaS作为催化剂会强化CO还原NO的反应过程。一般情况下，CaO对燃料NOx生成NO的贡献大于其对还原性气体还原NO的贡献，从而使得NOx排放量增加。
二、CFB锅炉在NOx控制上的有效尝试
CFB锅炉是最近二十年里发展起来的一种新型燃烧技术，它的主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它不但能达到90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。
某电厂DG450/9.81-1型单汽包、自然循环、半露天布置CFB锅炉，为当时国产首台最大容量CFB锅炉。设计燃用山西晋中贫煤。2014年7月1日前执行NOx排放标准为650mg/Nm3。2014年7月1日按照《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)执行NOx排放标准为200mg/Nm3。考虑到电厂处于重点地区市域范围，于2014年实施了环保改造，执行NOx排放标准为100mg/Nm3。并针对NOx排放控制进行了以下尝试。
(一)、SNCR改造
考虑CFB锅炉采用低氮燃烧技术，燃烧温度较低，二次风分级给入，炉膛下部缺氧燃烧，存在缺氧还原区域，能有效抑制原始NOx生成。因此，2014年选择投资及运行费用相对较低，无二次污染的SNCR脱硝技术路线进行改造。在锅炉炉膛出口与旋风分离器入口之间水平段烟道处，左右两侧各设计安装6支出力为0.5t/h喷枪，向炉内直接喷射5%的尿素溶液做为还原剂，达到脱除NOx的目的。也就是在不使用催化剂的条件下，在锅炉炉膛出口(旋风分离器入口)烟温800～1000℃区域喷入还原剂(5%的尿素溶液)，使NOx还原为水和氮气。SNCR脱硝效率一般在50~70%，由于尿素溶液喷入后在流化床锅炉旋风分离器中和烟气充分混合，充分发生还原反应，所以在CFB锅炉上，SNCR脱硝效率高于煤粉炉，可以达到80%。氨逃逸一般不大于5ppm。
脱硝系统具有锅炉40～100%负荷范围调节控制的模式，以对应不同锅炉负荷条件下的烟气量及温度变化。锅炉在不同负荷时反应剂喷射量，由流体力学模型、动力学模型及物料平衡的计算获得，并通过前馈控制参数(锅炉负荷和蒸汽生产率、炉内及催化剂的温度)以及反馈控制参数(烟囱出口的NOx)来进行连续不断的调整，以达到要求的NOx控制值。控制逻辑见图2：
二、CFB锅炉在NOx控制上的有效尝试
CFB锅炉是最近二十年里发展起来的一种新型燃烧技术，它的主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它不但能达到90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。
某电厂DG450/9.81-1型单汽包、自然循环、半露天布置CFB锅炉，为当时国产首台最大容量CFB锅炉。设计燃用山西晋中贫煤。2014年7月1日前执行NOx排放标准为650mg/Nm3。2014年7月1日按照《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)执行NOx排放标准为200mg/Nm3。考虑到电厂处于重点地区市域范围，于2014年实施了环保改造，执行NOx排放标准为100mg/Nm3。并针对NOx排放控制进行了以下尝试。
(一)、SNCR改造
考虑CFB锅炉采用低氮燃烧技术，燃烧温度较低，二次风分级给入，炉膛下部缺氧燃烧，存在缺氧还原区域，能有效抑制原始NOx生成。因此，2014年选择投资及运行费用相对较低，无二次污染的SNCR脱硝技术路线进行改造。在锅炉炉膛出口与旋风分离器入口之间水平段烟道处，左右两侧各设计安装6支出力为0.5t/h喷枪，向炉内直接喷射5%的尿素溶液做为还原剂，达到脱除NOx的目的。也就是在不使用催化剂的条件下，在锅炉炉膛出口(旋风分离器入口)烟温800～1000℃区域喷入还原剂(5%的尿素溶液)，使NOx还原为水和氮气。SNCR脱硝效率一般在50~70%，由于尿素溶液喷入后在流化床锅炉旋风分离器中和烟气充分混合，充分发生还原反应，所以在CFB锅炉上，SNCR脱硝效率高于煤粉炉，可以达到80%。氨逃逸一般不大于5ppm。
脱硝系统具有锅炉40～100%负荷范围调节控制的模式，以对应不同锅炉负荷条件下的烟气量及温度变化。锅炉在不同负荷时反应剂喷射量，由流体力学模型、动力学模型及物料平衡的计算获得，并通过前馈控制参数(锅炉负荷和蒸汽生产率、炉内及催化剂的温度)以及反馈控制参数(烟囱出口的NOx)来进行连续不断的调整，以达到要求的NOx控制值。控制逻辑见图2：
(二)、调整配煤结构
根据环保年报统计，2014年以前，在未采取任何措施的情况下，燃用煤种较杂，包括烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤等均有掺烧。NOx排放最高为351mg/Nm3，最低126mg/Nm3。虽然排放远低于当时的排放限值，但远高于超低排放的限值(50mg/Nm3)。
随着煤炭市场变化，因无烟煤在煤粉炉中NOx排放及飞灰可燃物高等原因，价格走低。从挥发分对NOx的影响角度考虑，2014年7月，开始对流化床锅炉进行了掺烧无烟煤的尝试。
2014年12月3日环境监测站对在役2台锅炉SNCR脱硝系统停运和正常运行时两个工况进行了测试，结果如下：
通过大幅度增加无烟煤掺烧比例，NOx排放数值由200~300mg/Nm3降低到100~150mg/Nm3。从测试数据可以看出，掺烧无烟煤可有效地控制、降低NOx产生、排放。在CFB锅炉上掺烧低挥发分煤种，可以大幅减少NOx产生量，节省尿素用量达70%以上。
为保证配煤降低NOx技术措施常态化，建立健全了完整的配煤掺烧体系，从采购，运输，入厂，堆煤，上煤，入炉等各个环节严格限制入炉煤煤质的各项指标，在安全稳定运行范围内，并可根据需要实时调整配煤方案，以满足环保指标要求。保证了入炉煤煤质，就确保了机组运行的稳定，也就保证了环保指标的稳定达标排放。
(三)、运行优化调整
为改善大气质量，政府要求燃煤电厂在2015年年底前达到超低排放标准，即NOx进一步控制在50mg/Nm3以下。为此，在SNCR技术和配煤掺烧的基础上，不断摸索降低NOx的技术方案。
1、根据NOx产生机理，通过燃烧调整，控制氧量维持在较低的范围内(氧量设计4%);现控制在3~4%左右，具有进一步采用低氧燃烧，挖掘CFB锅炉的低氮燃烧潜力。
2、试烧无烟煤初期，为保证燃烧稳定性、充分性，床温一般维持在940~960℃。通过不断的探索、总结，调整床压和锅炉配风，现控制床温在850~920℃，减少NOx生成。
3、掺烧无烟煤后，原设计SNCR系统的出力裕量较大，通过增加还原剂尿素溶液喷入量，提升脱硝效率，使NOx排放进一步降低。
据脱硝系统运行日报统计，SNCR系统的尿素溶液流量在2015年12月15日之前为40~70kg/h，平均50kg/h，15日之后增大至150~317kg/h，平均220kg/h。
2015年12月15号后，通过对煤质、燃烧和SNCR等相关参数进行调整，NOx排放浓度大幅度下降，达到40mg/Nm3以下。SO2排放浓度在20mg/Nm3以下，颗粒物排放浓度在10mg/Nm3以下，满足燃煤电厂超低排放标准(SO2≤35mg/Nm3烟尘≤10mg/Nm3NOX≤50mg/Nm3)。并于2016年1月份通过了市监测站超低排放验收监测，3月份通过了主管环保部门验收和省级环保部门的验收，确认了环保指标能够长期稳定达标排放。
三、控制NOx的成效分析
通过深入研究NOx在CFB锅炉中的产生机理，挖掘CFB锅炉低氮燃烧技术潜力，采用相对技术简单、投资较低的SNCR技术进行改造。充分研究配煤掺烧技术，建立健全了完整了配煤方案。通过配煤、掺烧无烟煤、燃烧优化等技术措施，有效降低了NOx的排放浓度，实现了机组超低排放，并且长期稳定达标。
结束语
随着环保形势越来越严峻，NOx排放的危害越来越受到重视，目前超低排放政策已将NOx排放指标降低到了50mg/Nm3以下，而CFB锅炉固有的低氮燃烧技术也需在NOx控制方面进一步挖掘潜力。希望通过笔者对CFB锅炉NOx控制技术的浅显研究能为广大CFB锅炉用户提供一点借鉴，或能起到抛砖引玉的效果。
