某200MW循環流化床鍋爐NOx排放試驗研究

何建樂

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

某200MW循環流化床鍋爐NOx排放試驗研究

何建樂

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

針對某200MW循環流化床鍋爐存在的床溫偏高以及NOx排放濃度較大的問題，對該鍋爐進行試驗研究：分別從流化風量、運行氧量、上下二次風配比以及床壓等手段進行調整分析。試驗結果表明：隨著流化風量提高，床溫以及NOx排放均有明顯上升；隨著運行氧量提高，床溫下降明顯，NOx排放也有明顯上升趨勢；適當降低床層壓力，關小下層二次風門開度，可有效降低床溫，抑制NOx生成。通過多種燃燒調整手段，實現660t/h、610t/h、480t/h等三個熱負荷下NOx排放濃度均可控制在240mg/m3以下。

循環流化床； 床溫； 還原氣氛； 氮氧化物

0 引言

隨著我國環境保護形勢的日益嚴峻，氮氧化物（NOx）作為主要的大氣污染物受到了越來越嚴格的管控。國家環保局最新修訂了《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）[1]，要求新建電廠需達到100mg/m3的排放標準（以NO2計，折算為干基、氧氣體積分數6%）。因此，調控燃煤電站鍋爐使其NOx排放達到標準要求具有迫切的現實意義。

循環流化床(CFB)燃燒技術具有燃料適應性廣、NOx和SO2排放濃度低以及負荷調節性能良好等優點，近十幾年來在國內外迅速發展[2]。由于燃燒溫度低、爐內還原性氣氛較強等特點，CFB鍋爐中生成的NOx主要為煤中所含氮元素經復雜的化學過程轉化而來的燃料型NOx。研究認為，煤的燃料型NOx中，主要是揮發分NOx，焦碳NOx所占的比例不大[3,4]。

CFB鍋爐NOx生成過程主要集中在密相區，NOx隨煙氣沿爐膛方向向上流動，質量濃度沿高度呈下降趨勢。一方面是二次風加入對NOx濃度的稀釋作用；另一方面，爐內高體積分數的CO和未燃盡焦炭都對NOx起到顯著的還原作用。已有研究表明，CO和NOx在焦炭表面發生的氣固異相反應是NOx還原的最重要反應[5]。

通過調整CFB鍋爐的運行狀態，分析研究流化風量、運行氧量、上下二次風配比等運行參數對反應溫度以及NOx排放濃度的影響。通過合理控制各運行參數，達到降低NOx排放的目的。

1 設備概況

某熱電2×200MW機組兩臺鍋爐采用由引進Foster Wheele公司200MW循環流化床技術開發的745t/h超高壓一次再熱循環流化鍋爐。該鍋爐采用了循環流化床燃燒方式，在燃用設計煤種時，能夠在50%-100%負荷范圍內穩定運行，在70%-100%負荷范圍內，過熱蒸汽和再熱蒸汽能夠保持額定參數。通過向爐內添加石灰石，能顯著降低SO2的排放；采用低溫、分級供風的燃燒能夠顯著抑制NOx的生成。其灰渣活性好，具有較高的綜合利用價值。針對所提供燃料的具體特點，采用了絕熱旋風分離器和防漏渣的內嵌逆流柱型風帽。蝸殼式旋風分離器可有效地捕捉煙氣中的細小顆粒，極大地提高了分離效率；內嵌逆流柱型風帽具有柱型風帽的優點，并且具有防漏渣功能，為鍋爐的長期可靠運行提供了保障。鍋爐設計技術參數見表1。調整前該鍋爐NOx排放水平見表2。

表2 鍋爐NOx排放現狀Tab.2 Present situation of this boiler NOx emission

2 試驗數據分析

2.1 流化風量調整試驗

鍋爐燃燒總風量為一次風量與二次風量之和。一次風主要由通過布風板的流化風和播煤風兩部分組成，前者主要是保證床料的正常流化并提供燃料揮發分和一部分焦炭燃燒所需要的氧氣，后者主要是保證燃料可以正常地進入爐膛，且提供大部分焦炭燃燒所需要的氧氣。試驗過程中維持鍋爐蒸發量610t/h，逐步提高流化風量從20萬m3/h到23萬m3/h，在提高流化風量的同時控制運行氧量為2.0%，試驗結果見表3。

圖1 NOx排放濃度以及床溫隨流化風量變化趨勢圖Fig.1 Variation trend of NOx emission concentration and bed temperature with fluidizing air volume

圖1為NOx排放量以及床溫隨流化風變化的趨勢圖。由圖中數據可見，流化風從20萬m3/h加到23萬m3/h，密相區后墻床溫從963℃下降到955℃。NOx排放量均值從239mg/m3下降到207.5mg/m3。

一方面流化風相對于床溫是冷風對床溫，有降溫作用，另一方面流化風量增大，使得爐膛稀相區物料濃度上升，加快物料循環帶走爐膛密相區的熱量。流化風量提高對降低床溫以及氮氧化物排放有很好的效果。流化風量增加，床溫降低，但同時密相區揚析量增大，對水冷壁磨損不利。在現有運行參數的基礎上可適當提高流化風量控制床溫。

2.2 運行氧量調整試驗

試驗過程維持鍋爐蒸發量610t/h，首先逐步提高流風量至27萬m3/h，然后逐步提高二次風量控制鍋爐運行氧量從2.0%逐漸提高到4.0%，結果見表4。

表3 流化風量調整試驗結果Tab.3 Test results of fluidizing air volume adjustment

表4 運行氧量調整試驗結果Tab.4 Test results of running oxygen adjustment

圖2 NOx排放濃度以及床溫隨運行氧量變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of NOx emission concentration and bed temperature with running oxygen

圖2為NOx排放量以及床溫隨運行氧量變化的趨勢圖。由圖中數據可見，運行氧量從2.0%提高至4.0%的過程中，密相區后墻床溫從955℃下降到938℃。NOx排放量均值從207mg/m3上升到348mg/m3。

提高鍋爐運行氧量，鍋爐煙氣量增大，加速煙氣從爐膛密相區帶走熱量，床溫有明顯下降趨勢。床溫下降對NOx生成有一定的抑制作用，然而由于運行氧量的提高使得密相區原來還原性氣氛遭到破壞，NOx的生成量也呈明顯上升的趨勢。

因此，在各個負荷下，鍋爐運行氧量應維持在低值。

2.3 上下二次風配比調整試驗

試驗過程維持鍋爐蒸發量610t/h，逐步關小下二次風門從100%到70%再到50%。整個試驗過程維持運行氧量4.0%，試驗結果見表5。

表5 上下二次風配比調整試驗結果Tab.5 Test results of ratio adjustment of up and down secondary air

由上表數據可見，上下二次風配比從100：100調整到100：50的過程中，爐膛密相區床溫逐步從938℃下降到935℃。NOx排放量均值從348mg/m3下降到334mg/m3。

下層二次風門逐步從100%關到50%的過程中，下層二次風量減小營造密相區燃燒處于還原性氣氛，對降低床溫以及抑制NOx生成均有一定的好處。然而，關小二次風門，增大二次風沿程阻力，二次風機電耗會隨之上升。建議控制上二次風門全開，維持下二次風門開度為50%。

2.4 床壓調整試驗

試驗過程中維持鍋爐蒸發量660t/h，運行氧量2.5%，提高流化風量至28萬m3/h，然后排渣降低風室壓力，逐步從14kPa降至13kPa，試驗結果見表6。由表中數據可見，床壓下降的過程中，床溫以及NOx排放量均有下降的趨勢。另外，運行床壓過大，料層厚度較厚，增加一次風機耗電量。日常運行床壓應適當降低。

表6 床壓調整試驗結果Tab.6 Test results of bed pressure adjustment

2.5 調整后NOx排放測試

在鍋爐蒸發量為480t/h、610t/h、660t/h，對鍋爐各運行參數進行調整后測試NOx排放量，試驗結果見表7。由表7數據可見，三個熱負荷下，NOx排放量分別為 237.3mg/m3、207.6mg/m3、209mg/m3。

該爐NOx生成量對鍋爐運行氧量變化反應敏感，為了達到較低的NOx初始排放，運行中應該始終控制運行氧量處于低值。通過提高一次風率控制床溫在960℃以下。

綜合考慮，按下表所給參數運行，可控制NOx排放量處于低值，同時又能兼顧鍋爐經濟性及安全性。另外，常規運行中可適當降低床層壓力，關小下層二次風門開度。

表7 各負荷段NOx排放測試試驗結果Tab.7 Test results of NOx emission under different loads

3 結語

（1）工況調整過程中，鍋爐排煙溫度以及飛灰含碳量變化較小。

（2）運行氧量控制在2.0%，流化風從20萬m3/h調整到23萬m3/h，床溫963.67℃下降到955.22℃，NOx排放量均值從239mg/m3下降到207.5mg/m3，建議運行中適當提高一次風量，來控制床溫。

（3）運行氧量從2.0%逐步提高到4.0%的過程中，爐膛密相區床溫從955℃下降到938℃。氮氧化物排放量均值從207mg/m3上升到348mg/m3。提高運行氧量，對降低床溫有明顯的效果。然而運行氧量的提高使得密相區原來還原性氣氛遭到破壞，NOx的生成量呈明顯上升趨勢。建議在各個負荷段，鍋爐運行氧量維持在低值。

（4）下層二次風門逐步從100%關到50%的過程中，下層二次風量減小，密相區燃燒處于還原性氣氛，對降低床溫以及抑制NOx生成均有一定的好處。

（5）建議適當降低床壓運行，對降低床溫、NOx排放以及一次風機電耗均有積極作用。

（6）該爐NOx生成量受鍋爐運行氧量影響更為敏感，為了達到較低的NOx初始排放，運行中應該始終控制氧量處于低值。

[1]CJJTl85 2012,城鎮供熱系統節能技術規范[S].

[2]程樂嗚，等.大型循環流化床鍋爐的發展[J].動力工程,2008,28(6):817-826.Cheng Leming,et al.Development of large scale circulating fluidized bed boiler[J].Power engineering,2008,28(6):817-826.

[3]王金枝，等.循環流化床鍋爐脫硝機理及NOx排放控制[J].電力環境保護,2004,20(1):22-23.Wang Jinzhi,et al.Denitration mechanism and NOx emission control of circulating fluidized bed boiler[J].electric power environmental protection,2004,20(1):22-23.

[4]中國電力企業聯合會.2011中國電力年鑒[R].北京：中國電力出版社,2012.

[5]Armesto L,et al.N2O emissions from fluidised bed combustion[J].Fuel,2003,82(15/16/17):1845-1850.

Experimental Study on NOx Emission of One 200MW CFB Boiler

HE Jianle
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

Aiming at the problems of high bed temperature and large concentration of NOx emission in a 200MW circulating fluidized bed boiler,the boiler is studied in this paper：the experimental analysis is carried out respectively from adjustment of fluidizing air volume,running oxygen rate,ratio of up and down secondary air and bed pressure.The experimental results show that with the increase of fluidizing air,the bed temperature and NOx emission increased significantly;With the increase of running oxygen,bed temperature decreased significantly,NOx emissions increased significantly;Properly reducing the bed pressure and closing the opening of the lower secondary air register can effectively reduce the bed temperature and inhibit the formation of NOx.Through a variety of combustion adjustment means,the NOx emission concentration under three loads can be controlled below 240mg/m3.

CFB; bed temperature; reducing atmosphere;NOx

TK229.6+6

B

2095-3429（2017）05-0022-04

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.005

2017-09-05

何建樂（1987-），男，浙江瑞安人，碩士學位，主要從事電站鍋爐燃燒調整及設備優化改造方面的研究。