循環流化床鍋爐NOx排放特性的試驗研究

曾 光，趙志強，張 戟

(東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

NOx主要包括 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等有害氣體，但在電站鍋爐煤燃燒過程中生成的NOx幾乎全為NO和NO2，其中NO占90%以上，其余大多為NO2［1］。NOx對人類及生存環境的直接及間接危害已遠超過其它污染物，會造成光化學煙霧的形成、臭氧層的破壞、溫室效應、酸雨形成等環境污染［2］，因此引起了全世界的關注。

CFB鍋爐由于具有燃料適應性強、高效清潔燃燒等優點，近20年得到了飛速的發展，我國已有近15個鍋爐廠可以生產容量不等的CFB鍋爐。據不完全統計，目前我國有超過1 100臺CFB鍋爐在制造、安裝、調試及運行中［3］，可見CFB鍋爐有著廣泛的應用市場。CFB鍋爐具有低溫燃燒特性，使其比其它鍋爐NOx的排放量低，但隨著火電廠大氣污染物排放標準的提高，CFB鍋爐的燃燒已經無法滿足對NOx排放的嚴格要求，國外很多CFB鍋爐已經開始使用NOx脫除系統［4］，CFB鍋爐NOx的生成和減排機理還有待進一步完善。

煤在燃燒過程中生成的NOx按生成機理的不同可以分為3類:熱力型NOx，快速型NOx及燃料型NOx［5］。熱力型NOx在溫度小于1 350℃時幾乎沒有生成，快速型NOx一般在不含氮的碳氫燃料燃燒時才重點考慮，燃料型NOx是煤燃燒時產生NOx的主要來源。煤在CFB鍋爐中燃燒時，運行床溫為850～950℃，產生的熱力型NOx和快速型NOx非常少，而燃料型NOx占95%以上［6］。所以研究CFB鍋爐中煤燃燒時NOx的生成和控制機理，燃料型NOx就成為重點。本文以電站燃煤CFB鍋爐為依托，研究不同工況時NOx的排放特性，為CFB鍋爐清潔煤燃燒技術的研究拓展了新的方向。

1 試驗研究

1.1 試驗系統

試驗鍋爐為越南某熱電廠1號鍋爐，為美國Foster Wheeler公司設計的545 t/h亞臨界參數、單汽包、中間再熱、自然循環的CFB鍋爐，于2010年1月正式投入商業運行，鍋爐的主要設計參數見表1。

表1 CFB鍋爐的主要設計參數

1.2 試驗方法

在CFB鍋爐的空預器入口煙道處選取各代表點，現場試驗時從各代表點抽取煙氣試樣，混合后進入測量儀器，儀器采用德國生產的便攜式IMR1600煙氣分析儀。

CFB鍋爐的試驗分2部分進行，每部分試驗再分別進行3個工況。第1部分試驗的3個工況，通過調整鍋爐的給煤量及風量，分別將鍋爐各工況的負荷穩定在60%、80%及100%，記錄并分析鍋爐的給煤量、總風量、運行床溫、煙氣中的NOx體積濃度及氧量等。第2部分試驗的3個工況，維持鍋爐穩定在100%負荷，通過改變總風量的大小及其配比，分別將鍋爐各工況的運行床溫穩定在830℃、880℃和930℃，記錄并分析鍋爐的給煤量、總風量、運行床溫、煙氣中的NOx體積濃度及氧量等。鍋爐在達到每個試驗工況且運行穩定后，每min記錄1次數據，連續采集30 min，最后將此采集時間內的數據平均值作為1個工況的試驗數據。

1.3 NOx的計量方法

試驗中儀器測量NOx的輸出值為體積濃度值，研究時將NOx的排放濃度換算到煙氣氧量為6%，按NO2計算的質量濃度值，這樣便于各工況的對比分析且適用于環保標準［7－8］。為了將CFB鍋爐中不同工況時排放的NOx進行比較分析，這里將每個工況中鍋爐排放的NOx采用以單位給煤量為基準的排放濃度值 (Emission Value，EV)，計算如下:

1.4 試驗煤樣

現場試驗的CFB鍋爐燃用煤樣為越南No6B無煙煤，平均粒徑為0.48 mm，全篩分顆粒，煤樣分析結果見表2。

2 試驗結果與分析

2.1 不同負荷時CFB鍋爐的NOx排放特性

CFB鍋爐的第1部分試驗的3個工況，通過調整鍋爐的給煤量，同時配合鍋爐的總風量及風量配比，分別將鍋爐各工況的負荷穩定在60%、80%及100%，隨CFB鍋爐負荷的增加，鍋爐的給煤量、總風量、運行床溫、煙氣的氧含量、計算的風煤比及NOx排放濃度等試驗數據如表3所示。

由表3可見，隨著鍋爐負荷的逐漸增加，鍋爐床溫、風煤比及NOx的排放濃度均逐漸增大。一方面隨著鍋爐負荷的增加，鍋爐給煤量逐漸增加，爐內熱負荷逐漸增加，鍋爐的床層溫度逐漸增大，煤中的揮發分氮析出的比例逐漸增大，進而揮發分氮氧化形成的NOx就逐漸增加，故CFB鍋爐的NOx排放濃度隨著鍋爐運行床溫的增大而增大，這與文獻 ［9］給出的結論一致。另一方面隨著鍋爐負荷的增加，風煤比逐漸增大，即鍋爐的過量空氣系數逐漸增大，爐膛內的氧濃度逐漸增大，燃燒區域的富氧氣氛逐漸加強，煤中的氮更容易被大量地氧化成燃料型NOx，故CFB鍋爐NOx的排放濃度隨風煤比的增大而增大，這與文獻 ［10］的結論一致。CFB鍋爐負荷對NOx排放特性的影響，實際上是鍋爐的風煤比、床層溫度等多種因素的綜合影響，煤樣在CFB鍋爐內燃燒時NOx的排放濃度隨著負荷的增加而增大［11］。

表2 煤樣的工業分析和元素分析

表3 不同負荷時CFB鍋爐的試驗數據

2.2 不同床溫時CFB鍋爐的NOx排放特性

CFB鍋爐的第2部分試驗的3個工況，維持鍋爐給煤量穩定，保持鍋爐在100%負荷不變，通過改變鍋爐的總風量及風量配比，分別將鍋爐各工況的床溫穩定在830℃、880℃及930℃，隨CFB鍋爐運行床溫的逐漸增大，鍋爐的給煤量、總風量、煙氣的氧含量、計算的風煤比及NOx排放濃度等試驗數據如表4所示。

表4 不同床溫時CFB鍋爐的試驗數據

由表4可見，在鍋爐負荷保持不變時，隨著鍋爐運行床溫的逐漸增大，風煤比逐漸減小，NOx的排放濃度逐漸增大。鍋爐風煤比減小，即過量空氣系數逐漸減小，有利于形成富燃料還原性氣氛，從而抑制NOx的生成，但此影響因素小于鍋爐運行床溫的增大對NOx排放量的影響［12］，最終CFB鍋爐的NOx排放濃度逐漸增大。

CFB鍋爐的運行床溫是燃燒密相區內流化物料的溫度，是關系到鍋爐安全穩定運行的關鍵參數，床溫的高低直接決定了鍋爐的熱負荷和燃燒效果［13］。在CFB鍋爐運行時，床溫對NOx排放特性的影響大于風煤比的影響，分析認為當鍋爐在高負荷運行時，在保證鍋爐所需風量要求的前提下，適當降低風煤比，合理配風，維持鍋爐在較低床溫運行，可以降低NOx的排放量。

3 結論

a． 隨CFB鍋爐負荷的逐漸增加，運行床溫、風煤比及鍋爐NOx的排放濃度均逐漸增大。

b． 維持CFB鍋爐的負荷不變，隨著運行床溫的逐漸增大及風煤比的逐漸減小，鍋爐NOx排放濃度呈增大趨勢。

c． CFB鍋爐的運行床溫對NOx排放特性的影響大于風煤比的影響，鍋爐在高負荷時，維持在較低床溫運行，可以減少NOx的排放量。

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