300MWCFB鍋爐N2O排放特性研究

唐劍　張志勇　王越　劉曼

【摘 要】為了降低CFB鍋爐N2O排放濃度，本文對某300MWCFB鍋爐在不同氧量和不同床壓工況下的N2O、SO2和NO排放濃度數據進行了采集，分析研究了這三種污染物排放濃度隨試驗工況變化的情況及內在機理，為流化床鍋爐運行過程中如何降低N2O排放濃度提供了優化建議。

【關鍵詞】CFB；N2O/SO2/NO減排；運行建議

循環流化床鍋爐因其污染物排放中NOx和SO2的濃度比常規燃煤鍋爐低很多而得到廣泛應用。然而隨著對CFB鍋爐燃燒技術研究的深入，人們發現循環流化床鍋爐尾部煙氣中N2O的排放濃度遠高于普通燃煤鍋爐，而N2O是一種主要的溫室氣體。因此，如何控制CFB鍋爐N2O的排放濃度，具有重要的意義。

1 試驗系統及試驗條件

1.1 試驗系統

本試驗使用的儀器是MG2000傅里葉可變換紅外煙氣分析儀，該儀器可對N2O、NO、SO2、O2等氣體進行測量。

MG2000傅里葉可變換紅外煙氣分析儀需與電腦、伴熱管、煙氣采樣管、真空泵、標準氣體等設備配合使用。試驗設備放置于該電廠煙氣小間內。測點布置在尾部煙道接近煙囪處。煙氣經煙氣采樣管，伴熱管采集到MG2000中進行分析。采集過程中保持儀器24小時運行，每隔1分鐘生成一組煙氣成分數據。

對于采集到的試驗數據，先檢查在特定試驗工況時間段內參數是否穩定，剔除誤差較大的數據，然后計算出該段時間內床溫，床壓、氧量、二氧化硫、氮氧化物以及N2O的平均值，作為試驗最終的數據。

1.2 試驗工況安排

影響鍋爐N2O排放濃度的運行參數和影響因素有很多，諸如煤種、脫硫劑加入量、石灰石粒徑、過量空氣系數、床溫、循環倍率等等。而在眾多的現場運行參數中，過量空氣系數、床溫和脫硫劑的使用是與這兩種途徑關系最為密切，影響最為直接的三種因素。而且，在現場試驗中，這三種運行參數的相關數據也較為容易采集。因此，在本試驗中，我們選擇改變氧量、床溫和石灰石加入量作為主要試驗工況，同時由于對床壓與N2O排放濃度之間關系的研究較少，我們也對此進行了補充研究。

2 試驗結果及分析

2.1 變氧量試驗及相關分析

試驗負荷為300MW，石灰石加入量為100t/h，床溫控制在820oC，床壓穩定在6.0kPa。試驗結果如圖1。

圖1 不同氧量下N2O排量的變化

由圖1看出，隨著氧量的增加，N2O的排量總趨勢是增加的。從均相反應的角度來看，HCN作為該反應中N2O最主要的來源[1-2]，氧量越高，HCN生成NCO的反應越強，而NCO+NO生成N2O的反應也越強[3]。化學反應式如下：

HCN+O→NCO+H（1）

NCO+O→NO+CO（2）

NCO+OH→NO+CO+H（3）

NCO+NO→N2O+CO（4）

從非均相反應的角度來看，氧量的增加主要通過以下兩個途徑使N2O的生成量增加[2，4]：

（1）在焦炭直接與氧氣反應生成N2O的過程中，由于氧量的增加，促使反應向正向進行進而促進了N2O的生成；

（2）由于焦炭燃燒過程中，一部分焦炭N陸續轉化為HCN，發生類似于之前所說的均相反應的過程，也導致N2O的排量增加。

然而在本試驗中，當氧量在1.3～2.5之間增加時，N2O的增長趨勢較為緩慢，當氧量超過2.5之后，N2O排量迅速增加。出現這種情況有兩個原因：

（1）當氧量較低時，燃料不能充分燃燒，導致燃燒室內CO含量增多，而據研究表明，當有金屬氧化物存在時，CO對N2O有分解作用[5]。

對于循環流化床鍋爐，為了降低SO2的排量，往往在其燃料中添加石灰石來進行脫硫，石灰石加入后，受熱發生分解反應，生成大量CaO。除此之外，試驗所用煤種自身CaO含量也較高。脫硫劑和燃煤不僅將大量的CaO帶入爐膛內，還將諸如Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO等金屬氧化物帶入爐膛。這些金屬氧化物大量存在于循環灰中，對CO分解N2O的化學反應起著催化作用。

（2）對氧量變化的控制，主要是通過調控二次風量。氧量增大，二次風量增多，煙氣中的H和OH自由基的濃度下降，這兩種自由基都對N2O有分解作用。當氧量較低時，它們的濃度較高，對N2O的分解作用較強，因此N2O的生成率較低。當氧量進一步增大時，這兩種自由基濃度下降，對N2O的分解作用減弱，N2O生成量增多。

圖2 不同床壓下N2O排量的變化

在上面這兩種因素的綜合作用下，雖然N2O的生成速率隨氧量增加是增加的，但在氧量為1.3～2.5之間時，N2O的生成速率與分解速率相差無幾，故增長較為緩慢，當氧量超過2.5之后，燃料得以充分燃燒，CO生成量不斷減少，N2O繼續不斷生成。在這兩種因素的綜合作用下，N2O生成速率迅速加快。

2.2 變床壓試驗及相關分析

試驗負荷為300MW，石灰石加入量為100t/h，床溫控制在813℃，氧量穩定在2.3%。試驗結果如圖2。

循環流化床中是熱量傳遞依賴于物料，決定爐膛蒸發受熱面傳熱強度的主要因素之一就是物料量的大小，而爐內物料量多少的則是通過床壓來進行判定的。床壓升高，表明流化床的循環物料量增多，而未燃盡的物料量也相應增多，這些未燃盡的物料通過旋風分離器和回料閥返回到爐膛中，這樣就使得大量未燃盡的炭懸浮在燃燒室內，這些焦炭氮在懸浮段緩慢氧化生成N2O：

NH+O→NO+H（5）

NH+OH→NO+H2（6）

NO+OH→NO2+H（7）

大量由由揮發分N在沸騰段快速釋放燃燒產生的NO在焦炭表面被還原成N2O：

NO+O→NO2（8）

雖然此時N2O在焦炭表面的非均相還原分解有所加強，但其生成量遠小于N2O的生成量。所以當床壓升高時，N2O的排放量也升高。

3 試驗工況下其他污染物濃度變化

3.1 變氧量工況下其他污染物濃度變化

圖3 氧量變化對NOx、SO2和N2O的影響

在圖3中，隨著氧量的上升，NO和N2O的排放濃度均增大，SO2的排放濃度降低。其中N2O排放濃度由21mg·m-3上升至42mg·m-3，增幅達到了一倍，氧量變化的影響遠超過了石灰石量和床溫變化的影響，但由于N2O總量比較少，所以在污染物排放總量中比重較少；NO排放濃度由82mg·m-3上升至227mg·m-3，增幅為145 mg·m-3；SO2排放濃度由230mg·m-3上升至538mg·m-3。三種主要污染物中仍以SO2為主，NO次之，N2O的排放濃度最少。

3.2 變床壓工況下其他污染物濃度變化

圖4中，隨著床壓升高，SO2排放濃度增幅明顯，由175 mg·m-3升至400 mg·m-3，已經超過了GB13223-2011中200 mg·m-3的標準；與其相比，NO和N2O的排放濃度變化可以忽略。因此，通過床壓調控N2O排放濃度是，要重點監控SO2排放濃度的變化。

圖4 床壓變化對NOx、SO2和N2O的影響

4 結論及建議

（1）通過變氧量試驗可知，隨著氧量的增加，N2O的排放濃度也逐漸升高。在氧量增大的過程中，N2O的排放濃度的增長先較為緩慢，然后逐漸加快。這是因為氧量較低時，煙氣中的CO以及H和OH兩種自由基含量較高，對N2O的分解作用比較強。隨著氧量升高，N2O生成反應被加強，CO以及H和OH兩種自由基的濃度下降，對N2O的分解作用減弱，因此N2O排放濃度增速加快。

通過試驗發現，氧量超過2.0%后，SO2濃度變化速率減緩，但其下降速率仍比NO和N2O的增長速率要快。綜合考慮SO2、N2O和NO三種污染物排放濃度，氧量保持在2.7%比較合適。

（2）通過變床壓試驗發現，隨著床壓升高，N2O排放濃度也相應升高，但由于床壓變化和N2O排放濃度變化還沒有公認的對應關系，所以在這里只是依據試驗結果給出可能的內在關聯。床壓升高，表明循環物料的量增多，循環物料增多必然使得爐膛空間中焦炭顆粒增多，焦炭與已經生成的NO反應可以生成N2O，也可以與O反應生成N2O，所以N2O的排放濃度增大。

在變床壓試驗中發現，床壓變化對SO2的影響遠遠大于對NO和N2O排放濃度的影響，所以在不影響機組效率的前提下，床壓應適度降低。

【參考文獻】

[1]丁乃令，姜秀民，吳少華.油頁巖流化床燃燒N2O生成特性[J].熱能動力工程， 2003，18（6）：589-591.

[2]周浩生，陸繼東，周琥.燃煤流化床加入氧化鈣的氮轉化機理[J].工程熱物理學報，2000，21（5）：647-651

[3]侯祥松.循環流化床鍋爐NO和N2O脫除的試驗研究[D].北京：清華大學，2007.

[4]A. Molina， E.G. Eddings， D.W. Pershing， A.F. Sarofim， Char nitrogen conversion： implications to emissions from coal-fired utility boilers[J]. Progress in Energy and Combustion Science， 2000， V26（4）： 507-531.

[5]劉浩，馮波，林志杰，劉德昌，等.循環流化床燃燒工況對生成N2O的影響[J].華中理工大學學報，1995，23[11]：1-4.

[責任編輯：楊玉潔]