循环流化床锅炉NOx排放特性的试验研究

曾 光，赵志强，张 戟

(东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006)

NOx主要包括 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等有害气体，但在电站锅炉煤燃烧过程中生成的NOx几乎全为NO和NO2，其中NO占90%以上，其余大多为NO2［1］。NOx对人类及生存环境的直接及间接危害已远超过其它污染物，会造成光化学烟雾的形成、臭氧层的破坏、温室效应、酸雨形成等环境污染［2］，因此引起了全世界的关注。

CFB锅炉由于具有燃料适应性强、高效清洁燃烧等优点，近20年得到了飞速的发展，我国已有近15个锅炉厂可以生产容量不等的CFB锅炉。据不完全统计，目前我国有超过1 100台CFB锅炉在制造、安装、调试及运行中［3］，可见CFB锅炉有着广泛的应用市场。CFB锅炉具有低温燃烧特性，使其比其它锅炉NOx的排放量低，但随着火电厂大气污染物排放标准的提高，CFB锅炉的燃烧已经无法满足对NOx排放的严格要求，国外很多CFB锅炉已经开始使用NOx脱除系统［4］，CFB锅炉NOx的生成和减排机理还有待进一步完善。

煤在燃烧过程中生成的NOx按生成机理的不同可以分为3类:热力型NOx，快速型NOx及燃料型NOx［5］。热力型NOx在温度小于1 350℃时几乎没有生成，快速型NOx一般在不含氮的碳氢燃料燃烧时才重点考虑，燃料型NOx是煤燃烧时产生NOx的主要来源。煤在CFB锅炉中燃烧时，运行床温为850～950℃，产生的热力型NOx和快速型NOx非常少，而燃料型NOx占95%以上［6］。所以研究CFB锅炉中煤燃烧时NOx的生成和控制机理，燃料型NOx就成为重点。本文以电站燃煤CFB锅炉为依托，研究不同工况时NOx的排放特性，为CFB锅炉清洁煤燃烧技术的研究拓展了新的方向。

1 试验研究

1.1 试验系统

试验锅炉为越南某热电厂1号锅炉，为美国Foster Wheeler公司设计的545 t/h亚临界参数、单汽包、中间再热、自然循环的CFB锅炉，于2010年1月正式投入商业运行，锅炉的主要设计参数见表1。

表1 CFB锅炉的主要设计参数

1.2 试验方法

在CFB锅炉的空预器入口烟道处选取各代表点，现场试验时从各代表点抽取烟气试样，混合后进入测量仪器，仪器采用德国生产的便携式IMR1600烟气分析仪。

CFB锅炉的试验分2部分进行，每部分试验再分别进行3个工况。第1部分试验的3个工况，通过调整锅炉的给煤量及风量，分别将锅炉各工况的负荷稳定在60%、80%及100%，记录并分析锅炉的给煤量、总风量、运行床温、烟气中的NOx体积浓度及氧量等。第2部分试验的3个工况，维持锅炉稳定在100%负荷，通过改变总风量的大小及其配比，分别将锅炉各工况的运行床温稳定在830℃、880℃和930℃，记录并分析锅炉的给煤量、总风量、运行床温、烟气中的NOx体积浓度及氧量等。锅炉在达到每个试验工况且运行稳定后，每min记录1次数据，连续采集30 min，最后将此采集时间内的数据平均值作为1个工况的试验数据。

1.3 NOx的计量方法

试验中仪器测量NOx的输出值为体积浓度值，研究时将NOx的排放浓度换算到烟气氧量为6%，按NO2计算的质量浓度值，这样便于各工况的对比分析且适用于环保标准［7－8］。为了将CFB锅炉中不同工况时排放的NOx进行比较分析，这里将每个工况中锅炉排放的NOx采用以单位给煤量为基准的排放浓度值 (Emission Value，EV)，计算如下:

1.4 试验煤样

现场试验的CFB锅炉燃用煤样为越南No6B无烟煤，平均粒径为0.48 mm，全筛分颗粒，煤样分析结果见表2。

2 试验结果与分析

2.1 不同负荷时CFB锅炉的NOx排放特性

CFB锅炉的第1部分试验的3个工况，通过调整锅炉的给煤量，同时配合锅炉的总风量及风量配比，分别将锅炉各工况的负荷稳定在60%、80%及100%，随CFB锅炉负荷的增加，锅炉的给煤量、总风量、运行床温、烟气的氧含量、计算的风煤比及NOx排放浓度等试验数据如表3所示。

由表3可见，随着锅炉负荷的逐渐增加，锅炉床温、风煤比及NOx的排放浓度均逐渐增大。一方面随着锅炉负荷的增加，锅炉给煤量逐渐增加，炉内热负荷逐渐增加，锅炉的床层温度逐渐增大，煤中的挥发分氮析出的比例逐渐增大，进而挥发分氮氧化形成的NOx就逐渐增加，故CFB锅炉的NOx排放浓度随着锅炉运行床温的增大而增大，这与文献 ［9］给出的结论一致。另一方面随着锅炉负荷的增加，风煤比逐渐增大，即锅炉的过量空气系数逐渐增大，炉膛内的氧浓度逐渐增大，燃烧区域的富氧气氛逐渐加强，煤中的氮更容易被大量地氧化成燃料型NOx，故CFB锅炉NOx的排放浓度随风煤比的增大而增大，这与文献 ［10］的结论一致。CFB锅炉负荷对NOx排放特性的影响，实际上是锅炉的风煤比、床层温度等多种因素的综合影响，煤样在CFB锅炉内燃烧时NOx的排放浓度随着负荷的增加而增大［11］。

表2 煤样的工业分析和元素分析

表3 不同负荷时CFB锅炉的试验数据

2.2 不同床温时CFB锅炉的NOx排放特性

CFB锅炉的第2部分试验的3个工况，维持锅炉给煤量稳定，保持锅炉在100%负荷不变，通过改变锅炉的总风量及风量配比，分别将锅炉各工况的床温稳定在830℃、880℃及930℃，随CFB锅炉运行床温的逐渐增大，锅炉的给煤量、总风量、烟气的氧含量、计算的风煤比及NOx排放浓度等试验数据如表4所示。

表4 不同床温时CFB锅炉的试验数据

由表4可见，在锅炉负荷保持不变时，随着锅炉运行床温的逐渐增大，风煤比逐渐减小，NOx的排放浓度逐渐增大。锅炉风煤比减小，即过量空气系数逐渐减小，有利于形成富燃料还原性气氛，从而抑制NOx的生成，但此影响因素小于锅炉运行床温的增大对NOx排放量的影响［12］，最终CFB锅炉的NOx排放浓度逐渐增大。

CFB锅炉的运行床温是燃烧密相区内流化物料的温度，是关系到锅炉安全稳定运行的关键参数，床温的高低直接决定了锅炉的热负荷和燃烧效果［13］。在CFB锅炉运行时，床温对NOx排放特性的影响大于风煤比的影响，分析认为当锅炉在高负荷运行时，在保证锅炉所需风量要求的前提下，适当降低风煤比，合理配风，维持锅炉在较低床温运行，可以降低NOx的排放量。

3 结论

a． 随CFB锅炉负荷的逐渐增加，运行床温、风煤比及锅炉NOx的排放浓度均逐渐增大。

b． 维持CFB锅炉的负荷不变，随着运行床温的逐渐增大及风煤比的逐渐减小，锅炉NOx排放浓度呈增大趋势。

c． CFB锅炉的运行床温对NOx排放特性的影响大于风煤比的影响，锅炉在高负荷时，维持在较低床温运行，可以减少NOx的排放量。

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