某200MW循環(huán)流化床鍋爐NOx排放試驗(yàn)研究

何建樂

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

某200MW循環(huán)流化床鍋爐NOx排放試驗(yàn)研究

何建樂

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

針對(duì)某200MW循環(huán)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(duì)該鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)研究：分別從流化風(fēng)量、運(yùn)行氧量、上下二次風(fēng)配比以及床壓等手段進(jìn)行調(diào)整分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著流化風(fēng)量提高，床溫以及NOx排放均有明顯上升；隨著運(yùn)行氧量提高，床溫下降明顯，NOx排放也有明顯上升趨勢；適當(dāng)降低床層壓力，關(guān)小下層二次風(fēng)門開度，可有效降低床溫，抑制NOx生成。通過多種燃燒調(diào)整手段，實(shí)現(xiàn)660t/h、610t/h、480t/h等三個(gè)熱負(fù)荷下NOx排放濃度均可控制在240mg/m3以下。

循環(huán)流化床； 床溫； 還原氣氛； 氮氧化物

0 引言

隨著我國環(huán)境保護(hù)形勢的日益嚴(yán)峻，氮氧化物（NOx）作為主要的大氣污染物受到了越來越嚴(yán)格的管控。國家環(huán)保局最新修訂了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）[1]，要求新建電廠需達(dá)到100mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)（以NO2計(jì)，折算為干基、氧氣體積分?jǐn)?shù)6%）。因此，調(diào)控燃煤電站鍋爐使其NOx排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、NOx和SO2排放濃度低以及負(fù)荷調(diào)節(jié)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來在國內(nèi)外迅速發(fā)展[2]。由于燃燒溫度低、爐內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)等特點(diǎn)，CFB鍋爐中生成的NOx主要為煤中所含氮元素經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)過程轉(zhuǎn)化而來的燃料型NOx。研究認(rèn)為，煤的燃料型NOx中，主要是揮發(fā)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(qū)，NOx隨煙氣沿爐膛方向向上流動(dòng)，質(zhì)量濃度沿高度呈下降趨勢。一方面是二次風(fēng)加入對(duì)NOx濃度的稀釋作用；另一方面，爐內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)的CO和未燃盡焦炭都對(duì)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(fā)生的氣固異相反應(yīng)是NOx還原的最重要反應(yīng)[5]。

通過調(diào)整CFB鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，分析研究流化風(fēng)量、運(yùn)行氧量、上下二次風(fēng)配比等運(yùn)行參數(shù)對(duì)反應(yīng)溫度以及NOx排放濃度的影響。通過合理控制各運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到降低NOx排放的目的。

1 設(shè)備概況

某熱電2×200MW機(jī)組兩臺(tái)鍋爐采用由引進(jìn)Foster Wheele公司200MW循環(huán)流化床技術(shù)開發(fā)的745t/h超高壓一次再熱循環(huán)流化鍋爐。該鍋爐采用了循環(huán)流化床燃燒方式，在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，能夠在50%-100%負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，在70%-100%負(fù)荷范圍內(nèi)，過熱蒸汽和再熱蒸汽能夠保持額定參數(shù)。通過向爐內(nèi)添加石灰石，能顯著降低SO2的排放；采用低溫、分級(jí)供風(fēng)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(jià)值。針對(duì)所提供燃料的具體特點(diǎn)，采用了絕熱旋風(fēng)分離器和防漏渣的內(nèi)嵌逆流柱型風(fēng)帽。蝸殼式旋風(fēng)分離器可有效地捕捉煙氣中的細(xì)小顆粒，極大地提高了分離效率；內(nèi)嵌逆流柱型風(fēng)帽具有柱型風(fēng)帽的優(yōu)點(diǎn)，并且具有防漏渣功能，為鍋爐的長期可靠運(yùn)行提供了保障。鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。調(diào)整前該鍋爐NOx排放水平見表2。

表2 鍋爐NOx排放現(xiàn)狀Tab.2 Present situation of this boiler NOx emission

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 流化風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)

鍋爐燃燒總風(fēng)量為一次風(fēng)量與二次風(fēng)量之和。一次風(fēng)主要由通過布風(fēng)板的流化風(fēng)和播煤風(fēng)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(fā)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(jìn)入爐膛，且提供大部分焦炭燃燒所需要的氧氣。試驗(yàn)過程中維持鍋爐蒸發(fā)量610t/h，逐步提高流化風(fēng)量從20萬m3/h到23萬m3/h，在提高流化風(fēng)量的同時(shí)控制運(yùn)行氧量為2.0%，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 NOx排放濃度以及床溫隨流化風(fēng)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(fēng)變化的趨勢圖。由圖中數(shù)據(jù)可見，流化風(fēng)從20萬m3/h加到23萬m3/h，密相區(qū)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(fēng)相對(duì)于床溫是冷風(fēng)對(duì)床溫，有降溫作用，另一方面流化風(fēng)量增大，使得爐膛稀相區(qū)物料濃度上升，加快物料循環(huán)帶走爐膛密相區(qū)的熱量。流化風(fēng)量提高對(duì)降低床溫以及氮氧化物排放有很好的效果。流化風(fēng)量增加，床溫降低，但同時(shí)密相區(qū)揚(yáng)析量增大，對(duì)水冷壁磨損不利。在現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上可適當(dāng)提高流化風(fēng)量控制床溫。

2.2 運(yùn)行氧量調(diào)整試驗(yàn)

試驗(yàn)過程維持鍋爐蒸發(fā)量610t/h，首先逐步提高流風(fēng)量至27萬m3/h，然后逐步提高二次風(fēng)量控制鍋爐運(yùn)行氧量從2.0%逐漸提高到4.0%，結(jié)果見表4。

表3 流化風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of fluidizing air volume adjustment

表4 運(yùn)行氧量調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of running oxygen adjustment

圖2 NOx排放濃度以及床溫隨運(yùn)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(yùn)行氧量變化的趨勢圖。由圖中數(shù)據(jù)可見，運(yùn)行氧量從2.0%提高至4.0%的過程中，密相區(qū)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(yùn)行氧量，鍋爐煙氣量增大，加速煙氣從爐膛密相區(qū)帶走熱量，床溫有明顯下降趨勢。床溫下降對(duì)NOx生成有一定的抑制作用，然而由于運(yùn)行氧量的提高使得密相區(qū)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(gè)負(fù)荷下，鍋爐運(yùn)行氧量應(yīng)維持在低值。

2.3 上下二次風(fēng)配比調(diào)整試驗(yàn)

試驗(yàn)過程維持鍋爐蒸發(fā)量610t/h，逐步關(guān)小下二次風(fēng)門從100%到70%再到50%。整個(gè)試驗(yàn)過程維持運(yùn)行氧量4.0%，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 上下二次風(fēng)配比調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of ratio adjustment of up and down secondary air

由上表數(shù)據(jù)可見，上下二次風(fēng)配比從100：100調(diào)整到100：50的過程中，爐膛密相區(qū)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(fēng)門逐步從100%關(guān)到50%的過程中，下層二次風(fēng)量減小營造密相區(qū)燃燒處于還原性氣氛，對(duì)降低床溫以及抑制NOx生成均有一定的好處。然而，關(guān)小二次風(fēng)門，增大二次風(fēng)沿程阻力，二次風(fēng)機(jī)電耗會(huì)隨之上升。建議控制上二次風(fēng)門全開，維持下二次風(fēng)門開度為50%。

2.4 床壓調(diào)整試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中維持鍋爐蒸發(fā)量660t/h，運(yùn)行氧量2.5%，提高流化風(fēng)量至28萬m3/h，然后排渣降低風(fēng)室壓力，逐步從14kPa降至13kPa，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表中數(shù)據(jù)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(yùn)行床壓過大，料層厚度較厚，增加一次風(fēng)機(jī)耗電量。日常運(yùn)行床壓應(yīng)適當(dāng)降低。

表6 床壓調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of bed pressure adjustment

2.5 調(diào)整后NOx排放測試

在鍋爐蒸發(fā)量為480t/h、610t/h、660t/h，對(duì)鍋爐各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后測試NOx排放量，試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7數(shù)據(jù)可見，三個(gè)熱負(fù)荷下，NOx排放量分別為 237.3mg/m3、207.6mg/m3、209mg/m3。

該爐NOx生成量對(duì)鍋爐運(yùn)行氧量變化反應(yīng)敏感，為了達(dá)到較低的NOx初始排放，運(yùn)行中應(yīng)該始終控制運(yùn)行氧量處于低值。通過提高一次風(fēng)率控制床溫在960℃以下。

綜合考慮，按下表所給參數(shù)運(yùn)行，可控制NOx排放量處于低值，同時(shí)又能兼顧鍋爐經(jīng)濟(jì)性及安全性。另外，常規(guī)運(yùn)行中可適當(dāng)降低床層壓力，關(guān)小下層二次風(fēng)門開度。

表7 各負(fù)荷段NOx排放測試試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results of NOx emission under different loads

3 結(jié)語

（1）工況調(diào)整過程中，鍋爐排煙溫度以及飛灰含碳量變化較小。

（2）運(yùn)行氧量控制在2.0%，流化風(fēng)從20萬m3/h調(diào)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(yùn)行中適當(dāng)提高一次風(fēng)量，來控制床溫。

（3）運(yùn)行氧量從2.0%逐步提高到4.0%的過程中，爐膛密相區(qū)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(yùn)行氧量，對(duì)降低床溫有明顯的效果。然而運(yùn)行氧量的提高使得密相區(qū)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(gè)負(fù)荷段，鍋爐運(yùn)行氧量維持在低值。

（4）下層二次風(fēng)門逐步從100%關(guān)到50%的過程中，下層二次風(fēng)量減小，密相區(qū)燃燒處于還原性氣氛，對(duì)降低床溫以及抑制NOx生成均有一定的好處。

（5）建議適當(dāng)降低床壓運(yùn)行，對(duì)降低床溫、NOx排放以及一次風(fēng)機(jī)電耗均有積極作用。

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

[1]CJJTl85 2012,城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)規(guī)范[S].

[2]程樂嗚，等.大型循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展[J].動(dòng)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(huán)流化床鍋爐脫硝機(jī)理及NOx排放控制[J].電力環(huán)境保護(hù),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(yè)聯(lián)合會(huì).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(xué)位，主要從事電站鍋爐燃燒調(diào)整及設(shè)備優(yōu)化改造方面的研究。