循環(huán)流化床鍋爐NOx排放特性的試驗研究

曾 光，趙志強，張 戟

(東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

NOx主要包括 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等有害氣體，但在電站鍋爐煤燃燒過程中生成的NOx幾乎全為NO和NO2，其中NO占90%以上，其余大多為NO2［1］。NOx對人類及生存環(huán)境的直接及間接危害已遠(yuǎn)超過其它污染物，會造成光化學(xué)煙霧的形成、臭氧層的破壞、溫室效應(yīng)、酸雨形成等環(huán)境污染［2］，因此引起了全世界的關(guān)注。

CFB鍋爐由于具有燃料適應(yīng)性強、高效清潔燃燒等優(yōu)點，近20年得到了飛速的發(fā)展，我國已有近15個鍋爐廠可以生產(chǎn)容量不等的CFB鍋爐。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國有超過1 100臺CFB鍋爐在制造、安裝、調(diào)試及運行中［3］，可見CFB鍋爐有著廣泛的應(yīng)用市場。CFB鍋爐具有低溫燃燒特性，使其比其它鍋爐NOx的排放量低，但隨著火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，CFB鍋爐的燃燒已經(jīng)無法滿足對NOx排放的嚴(yán)格要求，國外很多CFB鍋爐已經(jīng)開始使用NOx脫除系統(tǒng)［4］，CFB鍋爐NOx的生成和減排機理還有待進(jìn)一步完善。

煤在燃燒過程中生成的NOx按生成機理的不同可以分為3類:熱力型NOx，快速型NOx及燃料型NOx［5］。熱力型NOx在溫度小于1 350℃時幾乎沒有生成，快速型NOx一般在不含氮的碳?xì)淙剂先紵龝r才重點考慮，燃料型NOx是煤燃燒時產(chǎn)生NOx的主要來源。煤在CFB鍋爐中燃燒時，運行床溫為850～950℃，產(chǎn)生的熱力型NOx和快速型NOx非常少，而燃料型NOx占95%以上［6］。所以研究CFB鍋爐中煤燃燒時NOx的生成和控制機理，燃料型NOx就成為重點。本文以電站燃煤CFB鍋爐為依托，研究不同工況時NOx的排放特性，為CFB鍋爐清潔煤燃燒技術(shù)的研究拓展了新的方向。

1 試驗研究

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗鍋爐為越南某熱電廠1號鍋爐，為美國Foster Wheeler公司設(shè)計的545 t/h亞臨界參數(shù)、單汽包、中間再熱、自然循環(huán)的CFB鍋爐，于2010年1月正式投入商業(yè)運行，鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 CFB鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)

1.2 試驗方法

在CFB鍋爐的空預(yù)器入口煙道處選取各代表點，現(xiàn)場試驗時從各代表點抽取煙氣試樣，混合后進(jìn)入測量儀器，儀器采用德國生產(chǎn)的便攜式IMR1600煙氣分析儀。

CFB鍋爐的試驗分2部分進(jìn)行，每部分試驗再分別進(jìn)行3個工況。第1部分試驗的3個工況，通過調(diào)整鍋爐的給煤量及風(fēng)量，分別將鍋爐各工況的負(fù)荷穩(wěn)定在60%、80%及100%，記錄并分析鍋爐的給煤量、總風(fēng)量、運行床溫、煙氣中的NOx體積濃度及氧量等。第2部分試驗的3個工況，維持鍋爐穩(wěn)定在100%負(fù)荷，通過改變總風(fēng)量的大小及其配比，分別將鍋爐各工況的運行床溫穩(wěn)定在830℃、880℃和930℃，記錄并分析鍋爐的給煤量、總風(fēng)量、運行床溫、煙氣中的NOx體積濃度及氧量等。鍋爐在達(dá)到每個試驗工況且運行穩(wěn)定后，每min記錄1次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集30 min，最后將此采集時間內(nèi)的數(shù)據(jù)平均值作為1個工況的試驗數(shù)據(jù)。

1.3 NOx的計量方法

試驗中儀器測量NOx的輸出值為體積濃度值，研究時將NOx的排放濃度換算到煙氣氧量為6%，按NO2計算的質(zhì)量濃度值，這樣便于各工況的對比分析且適用于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)［7－8］。為了將CFB鍋爐中不同工況時排放的NOx進(jìn)行比較分析，這里將每個工況中鍋爐排放的NOx采用以單位給煤量為基準(zhǔn)的排放濃度值 (Emission Value，EV)，計算如下:

1.4 試驗煤樣

現(xiàn)場試驗的CFB鍋爐燃用煤樣為越南No6B無煙煤，平均粒徑為0.48 mm，全篩分顆粒，煤樣分析結(jié)果見表2。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同負(fù)荷時CFB鍋爐的NOx排放特性

CFB鍋爐的第1部分試驗的3個工況，通過調(diào)整鍋爐的給煤量，同時配合鍋爐的總風(fēng)量及風(fēng)量配比，分別將鍋爐各工況的負(fù)荷穩(wěn)定在60%、80%及100%，隨CFB鍋爐負(fù)荷的增加，鍋爐的給煤量、總風(fēng)量、運行床溫、煙氣的氧含量、計算的風(fēng)煤比及NOx排放濃度等試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可見，隨著鍋爐負(fù)荷的逐漸增加，鍋爐床溫、風(fēng)煤比及NOx的排放濃度均逐漸增大。一方面隨著鍋爐負(fù)荷的增加，鍋爐給煤量逐漸增加，爐內(nèi)熱負(fù)荷逐漸增加，鍋爐的床層溫度逐漸增大，煤中的揮發(fā)分氮析出的比例逐漸增大，進(jìn)而揮發(fā)分氮氧化形成的NOx就逐漸增加，故CFB鍋爐的NOx排放濃度隨著鍋爐運行床溫的增大而增大，這與文獻(xiàn) ［9］給出的結(jié)論一致。另一方面隨著鍋爐負(fù)荷的增加，風(fēng)煤比逐漸增大，即鍋爐的過量空氣系數(shù)逐漸增大，爐膛內(nèi)的氧濃度逐漸增大，燃燒區(qū)域的富氧氣氛逐漸加強，煤中的氮更容易被大量地氧化成燃料型NOx，故CFB鍋爐NOx的排放濃度隨風(fēng)煤比的增大而增大，這與文獻(xiàn) ［10］的結(jié)論一致。CFB鍋爐負(fù)荷對NOx排放特性的影響，實際上是鍋爐的風(fēng)煤比、床層溫度等多種因素的綜合影響，煤樣在CFB鍋爐內(nèi)燃燒時NOx的排放濃度隨著負(fù)荷的增加而增大［11］。

表2 煤樣的工業(yè)分析和元素分析

表3 不同負(fù)荷時CFB鍋爐的試驗數(shù)據(jù)

2.2 不同床溫時CFB鍋爐的NOx排放特性

CFB鍋爐的第2部分試驗的3個工況，維持鍋爐給煤量穩(wěn)定，保持鍋爐在100%負(fù)荷不變，通過改變鍋爐的總風(fēng)量及風(fēng)量配比，分別將鍋爐各工況的床溫穩(wěn)定在830℃、880℃及930℃，隨CFB鍋爐運行床溫的逐漸增大，鍋爐的給煤量、總風(fēng)量、煙氣的氧含量、計算的風(fēng)煤比及NOx排放濃度等試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同床溫時CFB鍋爐的試驗數(shù)據(jù)

由表4可見，在鍋爐負(fù)荷保持不變時，隨著鍋爐運行床溫的逐漸增大，風(fēng)煤比逐漸減小，NOx的排放濃度逐漸增大。鍋爐風(fēng)煤比減小，即過量空氣系數(shù)逐漸減小，有利于形成富燃料還原性氣氛，從而抑制NOx的生成，但此影響因素小于鍋爐運行床溫的增大對NOx排放量的影響［12］，最終CFB鍋爐的NOx排放濃度逐漸增大。

CFB鍋爐的運行床溫是燃燒密相區(qū)內(nèi)流化物料的溫度，是關(guān)系到鍋爐安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵參數(shù)，床溫的高低直接決定了鍋爐的熱負(fù)荷和燃燒效果［13］。在CFB鍋爐運行時，床溫對NOx排放特性的影響大于風(fēng)煤比的影響，分析認(rèn)為當(dāng)鍋爐在高負(fù)荷運行時，在保證鍋爐所需風(fēng)量要求的前提下，適當(dāng)降低風(fēng)煤比，合理配風(fēng)，維持鍋爐在較低床溫運行，可以降低NOx的排放量。

3 結(jié)論

a． 隨CFB鍋爐負(fù)荷的逐漸增加，運行床溫、風(fēng)煤比及鍋爐NOx的排放濃度均逐漸增大。

b． 維持CFB鍋爐的負(fù)荷不變，隨著運行床溫的逐漸增大及風(fēng)煤比的逐漸減小，鍋爐NOx排放濃度呈增大趨勢。

c． CFB鍋爐的運行床溫對NOx排放特性的影響大于風(fēng)煤比的影響，鍋爐在高負(fù)荷時，維持在較低床溫運行，可以減少NOx的排放量。

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