循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究

1 引言

CFB锅炉普遍采用SNCR方式脱除烟气中的NOx，反应温度窗口为850～1050℃。近年来，电力需求增速变缓，越来越多的机组需要调峰运行，大量CFB锅炉在低负荷情况下，由于循环灰量少，分离器入口温度低于850℃，导致SNCR反应无法进行，采用单一的SNCR脱硝技术无法满足NOx超低排放要求，采用低氮燃烧技术降低原始排放结合SNCR脱硝系统是实现CFB锅炉NOx超低排放的有效途径。

吴剑恒等通过延长还原性气氛的富燃料区反应区间，增强二次风穿透性，提高炉膛中心区域传热强度的方法，使某75t/hCFB锅炉NOx原始排放从180mg/Nm³降至140mg/Nm³，机械不完全燃烧损失降低1%～1.5%。陈建军等在优化二次风喷口布置的基础上增加FGR系统，使某130t/hCFB锅炉NOx排放降至50mg/Nm³以下。清华大学提出的基于流态重构低床压降节能型CFB锅炉技术路线，通过增加有效床料浓度，NOx原始排放浓度从192mg/Nm³降至113mg/Nm³。Artur在蒸发量为1296t/h的CFB锅炉上试验发现，FGR可均衡CFB锅炉炉膛纵向温度分布，加快炉膛下部热通量恢复。本文通过对某130t/hCFB锅炉进行低氮燃烧改造，分析改造后炉膛参数变化，为同类型机组的改造提供参考。

2 研究对象

某电厂1号炉为济南锅炉厂与中国科学院工程热物理研究所联合开发的YG－130/9.8型高温高压循环流化床锅炉，单炉膛，自然循环，全悬吊结构，全钢架π型布置。炉膛采用膜式水冷壁、汽冷式旋风分离器，尾部竖井烟道布置两级3组对流过热器，过热器下方布置3组省煤器及一、二次风各3组空气预热器。锅炉采用SNCR脱硝方式，改造前锅炉NOx原始排放浓度约300mg/Nm³，最高排放浓度约350mg/Nm³。锅炉常用燃料为烟煤，同时掺入5%干污泥，燃料性质分析见表1

3 技术方案

3.1 分离器提效改造

Mazyan等以直径190mm的分离器为模型，经数值模拟发现，在分离器上部增加切向进气室，分离器效率最高可增加50%，压降增加不超过8%;王勇以某410t/hCFB锅炉为研究对象，经优化中心筒插入深度，延长中心筒长度至入口烟气高度的1/2，提高了分离器效率;李楠采用带偏置的渐缩型中心筒，增加锅炉循环灰量，降低床温30℃，脱硝还原剂20%氨水的消耗量由20t/d降低为4t/d。

分离器内部的烟气为混合有宽筛分颗粒的气固两相流，在离心力与重力作用下，颗粒经离心分离和沉降分离后被分离器捕捉。基于此原理，Muschelknautz等提出了计算分离器效率数学模型，采用式(1)计算分离器切割粒径dv。

其中，μg为气体黏度;Ve为分离器下部锥体体积;ρs为颗粒密度;ρg为气体密度;Hc为中心筒底部至分离器锥体底部距离;μθcs为气体切向速度。切割粒径越小，分离器效率越高，由式(1)可知，切割粒径与气体切向速度成反比，通过提高气体切向速度，可减小切割粒径，提高分离效率。国内工程经验表明，分离入口烟气速度在30m/s左右可得到较好的分离效果(表2)。本文研究对象改造前分离器入口烟速为18.17m/s，有较大改造空间，通过重新制作分离器入口烟道浇注料，缩小烟道宽度，烟气速度由18.17m/s提高至26m/s。

3.2 FGR改造

增设FGR系统，根据锅炉烟气O₂体积分数较低的特点，在保证总流化风量的情况下，降低一次风量及密相区氧含量，强化密相区还原性氛围，抑制床温。1号炉额定负荷下，一、二次风量各为62000Nm³/h，一、二次风率均为50%，烟气量155000Nm³/h，增加FGR系统后，将10%烟气通过FGR管道引入一次风机，一次风流量不变，一次风O2体积分数降至17.75%，折算为21%的空气流量为50190Nm³/h，二次风流量从62000Nm³/h增加至73810Nm³/h，一次风率降低至40%，二次风率提高至60%，可强化空气分级燃烧效果，降低NOx生成量。

2.3二次风口改造

锅炉原有上、中、下3层二次风，前墙4列，后墙2列，左右侧墙各布置2列。3层二次风口距离布风板高度分别为2626、1626和833mm。本次改造将前墙和后墙原下二次风口整体上移，具体为将原下层二次风口封堵，在距布风板3600mm开孔作为改造后上二次风，锅炉左右侧墙原下二次风口封堵，其余不作改动，如图1所示。改造后的下二次风口距布风板1626mm，扩大了密相区还原性范围。

4 改造效果与分析

4.1氧含量对反应器出口NOx排放的影响

实验与工程实践表明，NOx的排放随锅炉氧含量的增加而增加。从SNCR反应机理上分析，O₂既可促使NH3还原NO，也可将NH3氧化成NO，但随着O2提及分数的增加，对NH₃的氧化反应更加有利，促使NOx排放增加。1号炉改造后，在130t/h负荷下，NOx原始排放浓度由改造前的300～350mg/Nm³降低至245mg/Nm³。不同负荷下还原剂耗量与氧含量的关系如图2所示，氧含量在3.3%～3.8%时，1号炉20%氨水消耗量为260kg/h，可以实现NOx排放＜50mg/Nm³，对应氨氮摩尔比NSR=2.9。随着氧含量继续提高，3个负荷试验工况均表现为还原剂用量增加;当氧含量＜3.3%且继续降低时，3个试验工况仍表现为还原剂用量增加。低氧含量下还原剂用量与NOx排放如图3所示。130t/h负荷下，当氧含量低至2.2%后，氨水消耗量增加至400kg/h(NSR=4.4)，NOx排放量增加至110mg/Nm³，且此时随着氨水消耗量继续增加，NOx排放无变化。

Fumihiko等、李明磊分别通过搭设试验台与数值模拟方法，发现随着氧含量的增加，脱硝效率逐渐降低，SNCR反应在缺氧环境下几乎不会进行，但未对SNCR反应需氧量进行定量分析。1号炉的3个试验工况表明，随着氧含量的变化，SNCR反应可以分为4个区间:①0～2.2%为无效区，由于环境缺氧，SNCR反应链不会进行，反应器出口NOx排放取决于锅炉低氮改造后的原始排放;②2.2%～3.3%为反应低效区，该区间虽然原始排放较低，但由于脱硝效率也较低，致使反应器出口NOx排放依然较高;③3.3%～3.8%为高效区，该区间脱硝效率较高，反应器出口NOx排放较低;④＞3.8%为反应低效区，该区间锅炉原始排放增加，脱硝效率降低，反应器出口NOx排放升高。

4.2 FGR对NOx排放的影响

SNCR系统停运的情况下，在不同负荷下对1号炉进行FGR调整试验，如图4所示，各工况下，NOx原始排放浓度均随FGR开度的增加而减小。70t/h负荷下，NOx原始排放浓度由155mg/Nm³降为90mg/Nm³;90t/h负荷下，由190mg/Nm³降为125mg/Nm³;130t/h负荷下，由245mg/Nm³降低为140mg/Nm³。一般认为，FGR降低NOx排放主要有2方面因素:①FGR可降低床层温度，均衡炉内水平与纵向温度分布;②FGR可降低炉内氧含量。图5为不同负荷下，床层温度与炉膛出口温度随FGR开度的变化情况，可见，随着FGR开度的增加，床层温度逐渐降低，且和炉膛出口温差逐渐减小。70t/h负荷下，床层温度降低49℃，与炉膛出口温差由75℃减小至45℃(图5(a));90t/h负荷下，床层温度降低39℃，与炉膛出口温差由85℃减小至69℃(图5(b));130t/h负荷下，床层温度降低63℃，与炉膛出口温差由38℃减小至15℃(图5(c))。

维持反应器出口NOx排放浓度在50mg/Nm³，逐渐开大FGR，中心筒出口烟温逐渐升高，氨水消耗量先降低后升高，如图6所示。70t/h负荷时，由于炉膛温度降低较多，虽然氨水消耗量增大，但SNCR反应几乎不会进行，反应器出口NOx排放浓度持续超过50mg/Nm³(后文简称“超标”)，且无法降低;随着FGR开大至60%以上，NOx原始排放浓度降至50mg/Nm³以下，氨水消耗量降低至0，如图6(a)所示。NOx原始排放量随着FGR开大单调降低，而反应器出口NOx先降低后上升，表明中心筒出口烟温对于反应器脱硝效率存在一个最优值。SNCR反应的最佳温度窗口为850～1050℃，当中心筒出口烟温＞800℃且继续升高时，炉内SNCR反应有效区间逐渐延长，脱硝效率增加，反应器出口NOx排放量降低;烟气在流经高温过热器后，温度降至700℃以下，SNCR反应停止，故中心筒出口烟温的升高而使燃料的后燃性增强时，后燃释放出的NOx量大于因脱硝效率提高而额外脱除的NOx时，反应器出口NOx即表现为开始升高。当燃料的后燃现象增加至一定程度，NOx释放的同时经过高温过热器降温，此时SNCR没有反应区间，表现为反应器出口NOx排放快速上升，且喷入还原剂无效。

4.3 二次风入射高度对NOx排放的影响

提高二次风入射高度，可增加密相区还原气氛范围，抑制NOx生成并还原已生成的NOx，Murat等通过试验研究发现，当二次风量恒定时，二次风入射位置由布风板上方142cm提高至415cm后，NOx排放降低20%。但二次风入射位置过高，会导致燃烧延迟，炉内热负荷分布偏离设计工况，锅炉效率降低，如前所述，后燃现象严重会导致SNCR系统喷入NH3无效，NOx排放超标。对于空气分级燃烧技术，二次风入射位置存在一个最佳高度值。在锅炉运行中，维持二次风总量一定，逐渐关闭下层二次风门，可提高二次风核心区域高度，强化空气分级燃烧效果;逐渐关闭上层二次风门，可以降低二次风核心区域高度。二次风门开度对锅炉的影响如图7所示。

由图7(a)可知，维持锅炉负荷、氧含量、氨水消耗量不变，随下层二次风门逐渐关闭，中心筒出口温度逐渐升高，燃料后燃现象增强，NOx排放量升高。改造后下层二次风位置距布风板1626mm，处于较高位置，当下二次风门逐渐至全关时，二次风入射高度提高至2626mm以上，燃料燃烧大幅推迟，SNCR反应区间减小，脱硝效率下降;由图7(b)可知，随上层二次风门关闭，二次风核心高度逐渐降低，中心筒出口温度降低，SNCR反应区间增大，NOx排放降低，上层二次风门关至25%，NOx排放量最低达27mg/Nm3，但随上层二次风门继续关闭，空气分级燃烧优势减弱，NOx排放量开始升高。

5 结论

1)随着O₂含量降低，CFB锅炉NOx原始排放量逐渐降低，但同时O₂影响SNCR的反应进程，在CFB锅炉采用低氮燃烧技术后，O₂含量过低会导致脱硝反应效率降低，甚至失效，引起反应器后NOx排放超标。

2)FGR系统可降低床温，缩小炉膛上下温差。同时FGR系统可调整中心筒出口烟温，进而影响SNCR高效反应区间大小，调整中心筒出口至合适的温度，可得到较大的SNCR脱硝效率。

3)调整上层、下层二次风门开度，可获得二次风入射最佳高度。通过调整二次风入射位置，可提前或推迟燃料燃烧，进而影响反应器出口NOx排放。

文献信息

李楠,张世鑫,赵鹏勃,任伟峰,高洪培,孙献斌.循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究[J].洁净煤技术,2018,24(05):84-89.

原标题：循环流化床锅炉低氮燃烧技术试验研究