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3.3.3流态重构节能型循环流化床技术的推广
流态重构的节能型循环流化床锅炉投运后,在太原锅炉厂形成产品系列,在国内中小容量循环流化床市场因其厂用电耗低和可用率高的优势快速扩展,并打入国际市场。锅炉容量从75 t/h已经发展到亚临界300 MW,正在进行超临界350MW的开发,投运达到数百台。
3.4里程碑之四:循环流化床燃烧原始NOx超低排放技术的探索
循环流化床锅炉由于其中温燃烧、炉内存在大量还原性物料等特点,相较于煤粉锅炉具有天然的NOx低排放优势,一般可以达到200 mg/m3,能够满足世界上大部分国家和地区的排放标准。然而,面对中国颁布实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)要求的100 mg/m3的最新标准,甚至进一步严格到50 mg/m3的超低排放,CFB锅炉面临着极大的挑战。尤其是由于设计不准导致床温偏高时,NOx排放显著增加。
3.4.1 CFB燃烧条件下NOx的生成过程
NOx生成取决于热解燃烧发生的气氛。在CFB锅炉中,存在着气泡流动的下部密相区和大量颗粒团聚的上部快速床。密相区可以分为几乎不含固体的气泡相和近似处于最小流化状态的乳化相,见图17a)。乳化相内部气体速度接近于该粒度颗粒所对应的最小流化风速umf,而多余气体以气泡的形式上升。进入CFB炉膛中的燃料颗粒可以分为两类,一类是终端速度大于流化速度的大颗粒,一类是终端速度小于流化速度的小颗粒;前者趋于下沉,在乳化相中热解燃烧,后者将随气流上升,在上升过程中与循环物料一起发生团聚,颗粒团逐渐长大,当颗粒团生长到终端速度大于流化速度时又开始下降,下降过程中被上升气流逐渐吹散,重新上升,进入一个周期,从而有效延长颗粒在炉内的停留时间,完成燃尽。
大燃料颗粒进入密相区后,存在于乳化相中,燃料颗粒周围是惰性床料颗粒。燃料颗粒的比例很小。乳化相中的气流速度即为最小流化风速Umf,气体流量较小,燃料颗粒能够获得O2的条件很差:一方面直接流经燃料颗粒的气体很少,另一方面大量的一次风存在于气泡相中,O2从气泡相向燃料颗粒的传质阻力非常大,导致颗粒的热解和燃烧处于严重的缺氧状态。尽管密相区整体上富氧,但是对于处于乳化相中的燃料颗粒而言仍处于贫氧的还原性气氛中。在此还原性气氛下,燃料颗粒热解产生的挥发分N及焦炭N转化为NOx等小分子在离开密相区之后随着气泡的破裂改善了获的O2的条件,部分转化为NOx。挥发分的含量越高,如褐煤、次烟煤等,相应挥发分氮的比例越大,由此产生的NOx越多,这就是CFB锅炉燃用高挥发分煤种时NOx排放水平相对较高的一个重要原因。由于乳化相中的气体流速仅仅是最小流化风速,即使增加一次风份额。超过最小流化风速的多余气体只能以气泡的形式流动,增加了气泡的数量和大小,因此一次风份额并不能改善乳化相中的燃料颗粒获得O2的能力,但是对于气泡破裂后的混合有积极意义,会强化气泡破裂后挥发分的燃烧和NOx的生成,但是影响并不显著。
进人炉膛的小颗粒燃料随着气流向上流动,由于CFB上部处于快速床状态,燃料颗粒倾向于与床料发生团聚。颗粒团中燃料颗粒的热解燃烧条件与乳化相中相似,与底部的鼓泡流态化相比,发生了物相倒置。颗粒团中燃料颗粒的传质与传热规律仍可以由密相区乳化相近似比拟。由于细颗粒的团聚倾向强于粗颗粒,且上部较高的物料浓度也强化了团聚效果,因此床料变细后使得包裹于颗粒团内的燃料颗粒面临更大的传质阻力。因此对处于颗粒团中的燃料颗粒而言,也是处于贫氧的还原性气氛中,从而抑制了NOx的生成,焦炭氮转化为NOx的比例同样比较低,在细颗粒进入颗粒团之前,接触O2的条件变好,会产生部分NOx。
3.4.2 CFB燃烧条件下的NOx还原过程
为了改善燃烧效率,必须有适当的O2提供给燃料,燃料型NOx是燃烧的必然副产物。CFB燃烧具备了将这些副产的NOx还原的天然条件。如前所述,CFB燃烧无论下部密相区还是上部稀相区,对于燃料颗粒而言都处于特殊的还原性气氛下,在抑制燃料型NOx生成的同时,产生了大量还原性气体,这些还原性气体在炉膛中上升和流经分离器的过程中,能够进一步还原已生成的NOx,尤其是CFB锅炉循环灰颗粒为不易发生的CO还原NOx反应提供了丰富的吸附表面,循环灰富含的多种金属化合物也催化了这一反应过程。
由CFB是低温燃烧,燃烧反应速度比较低。为了满足释热速率的负荷要求,需要更多反应表面,因此主循环回路中有大量的焦炭。这些焦炭不仅提供燃烧反应进行的表面,而且提供了NO的还原条件。对于高挥发分燃料,其焦炭反应活性比较高,因此主循环回路中存有的焦炭表面积相对较少,对NOx的还原程度较低,这是CFB锅炉燃用高挥发分煤种时NOx排放水平相对较高的另一个重要原因。
二次风的比例和风口布置对于稀相区的还原性气氛有一些影响,但是实践证明影响并不显著。因此,气固两相流流态导致的特殊还原性气氛在低温条件下是CFB锅炉的NOx原始排放比较低的根本原因。而一次风比例的影响不大。在没有外置换热床条件下,床温的唯一控制手段是一次风率,试图通过调节一次风率以降低NOx的结果是床温提高,NOx变化的幅度很小。
运行条件如过量空气系数。给煤条件、配风形式等,也对NOx的排放产生影响。在严格控制床温、炉内过量空气系数和合理的风比、二次风口位置条件下,提高床质量、减少床存量、增加循环量可以进一步增强燃烧反应的还原性气氛,是深入挖掘CFB锅炉降低NOx排放潜力的可行技术手段。
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