循环流化床锅炉炉膛低氧燃烧加尾部补燃降低NOx排放的试验研究-第2页-北极星大气网

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2.2给煤量的变化对锅炉原始NOx排放浓度的影响

在工况2中，保持一次风和二次风的风量不变，通过改变给煤量来调整锅炉燃烧的过量空气系数，使工况2.1、工况2.2和工况2.3的过量空气系数λ2分别为1.28、1.18和1.11（由于未投入补燃风，λ2=λ3）。工况2稳定后的NOx、CO和O2的平均浓度见表3。锅炉尾部烟气中的NOx、CO和O2的浓度随时间变化曲线见图4，锅炉温度分布见图5。

由图4可以看出，NOx和O2的浓度随着给煤量的增加迅速降低。在工况2.1、工况2.2和工况2.3中，随着给煤量的增加，O2的浓度分别为4.64％、2.93％和2.03％，NOx的排放浓度分别为317mg/m3、132 mg/m3和118 mg/m3。O2浓度降幅1.71％和0.9％时，NOx排放浓度的降幅为185 mg/m3和14 mg/m3。由此可知，在锅炉尾部O2的浓度较高时，随着给煤量的增加，降低了锅炉燃烧的过量空气系数，而对降低NOx排放浓度的贡献更大。

在工况2.3试验过程中，进一步增加给煤量使O2的浓度降低至1.82％，NOx的排放浓度仅降低约5 mg/m3（至113 mg/m3），但CO的排放浓度（＞512×10－6）却急剧增加。为避免燃烧状况恶化，在试验中迅速减少给煤量使锅炉尾部O2的浓度恢复至2.00％左右，CO的排放浓度也迅速降低至0×10-6。

由图5中可以看出，随着炉膛内过量空气系数λ2降低，密相区上部炉膛温度Tb和炉膛出口处温度Tc呈现出轻微降低的趋势。这说明炉膛内的过量空气系数降低后，炉膛中的燃烧份额略微降低，部分燃烧反应转移到旋风分离器及其出口烟道中，因此降低了炉膛中上部的温度。

2.3一、二次风风量变化对锅炉5NOx排放浓度的影响

在工况3中，保持给煤量和二次风量不变，通过改变一次风量来调整炉膛过量空气系数。锅炉尾部NOx、O2和CO的浓度随时间变化曲线见图6，锅炉温度分布见图7，工况进入稳定状态后NOx、O2和CO的平均浓度见表3。

锅炉在开展一次风风量调整的初期，锅炉尾部烟道内NOx、O2和CO浓度的平均值分别为111.3 mg/m3、1.96％和23×10-6。由图6中可知，一次风风量降低使O2的浓度降低至1.81％时，NOx的浓度逐渐降低至约108 mg/m3，但同时CO的浓度开始迅速增加；当检测到CO的浓度急剧升高时，增加一次风风量，锅炉尾部O2的浓度逐渐升高，而CO的浓度则迅速降低，NOx的浓度经过一段时间的缓慢升高后也开始迅速升高。工况稳定后，锅炉尾部NOx、O2和CO的浓度分别为203Mg/M3、3.32％和0×10-6。

分析图6中NOx和O2的浓度变化曲线可知，NOx的浓度开始急剧升高时，锅炉尾部O2的浓度为2.86％，可知当锅炉尾部O2的浓度低于此数值时，NOx的排放浓度较低。此现象在工况2.2中也得到了验证。

由图7可清晰观察到，床温随着一次风风量增加逐渐升高，而旋风分离器出口烟气温度随一次风风量增加逐渐降低。这是由于一次风风量的增加，提高了炉膛内的过量空气系数，炉膛内燃烧份额增加，旋风分离器内和尾部烟道内的燃烧份额下降。同时由于炉膛内低氧燃烧状态的逐渐消失，NOx的浓度也开始迅速升高。

通过对比工况1、工况2和工况3可知，工况2中空气总量保持不变，炉膛过量空气系数是通过改变给煤量来调整的，而工况3中给煤量保持不变，炉膛过量空气系数是通过改变一次风风量来调整的，二者均能得到控制NOx的排放浓度的效果。因此炉膛过量空气系数是影响NOx原始排放浓度的核心参数。反应式（9）、式（10）和式（11）被认为是NOx生成的主要途径。当炉膛过量空气系数较高时，煤燃烧过程中大部分燃料N以及含氮前驱物通过途径式（9）、式（10）和式（11）被迅速氧化。

反应式（12）和式（13）被认为是NO被还原成N2的主要途径。当炉膛过量空气系数较低时，炉膛内呈低氧燃烧状态，NO被炉膛内大量存在的残炭（Cf）和CO还原成N2。

对比工况2.3和工况3.1，二者炉膛下部过量空气系数λ1相同，工况2.3的炉膛上部过量空气系数λ2稍高，NOx的浓度也稍高。对比工况2.1和工况3.2，炉膛下部过量空气系数λ1相近，工况2.1中炉膛上部过量空气系数λ2较高，NOx的排放浓度则高出了114 mg/m3。这说明在相同λ1情况下过量的二次风给入破坏了炉膛内局部的低氧燃烧环境，从而影响了反应式（12）和反应式（13）的还原反应，使得氮氧化物向N2的转化率下降，且二次风比例越高，这种影响越明显。

因此，降低炉膛过量空气系数λ1和λ2能够有效地控制锅炉的原始的NOx排放水平，但是随着总的过量空气系数的降低，也带来锅炉尾部残炭和CO的浓度升高和燃烧效率下降等问题。

2.4低氧燃烧与补燃技术

为解决炉内低氧燃烧带来的残炭和CO的浓度升高导致燃烧效率下降的问题，工况4中采用炉膛低氧燃烧并结合旋风分离器出口补燃的技术。在保持锅炉给煤量不变的条件下，改变一次风和二次风的风量来调整炉膛过量空气系数λ1和λ2，使炉膛和旋风分离器内呈低氧气氛，NOx的浓度处于较低水平，同时在旋风分离器中心筒出口处喷入补燃风控制锅炉尾部过量空气系数λ3、燃尽尾部烟气中的残炭和CO。锅炉尾部的NOx、CO和O2的浓度随时间变化曲线见图8，温度分布见图9。工况4稳定后的NOx、CO和O2的平均浓度见表3。

工况4.3稳定后，锅炉尾部NOx、O2和CO的浓度分别为115 mg/m3、3.06％和4×10-6。对比工况4.3与工况2.3、工况3.1，当炉膛过量空气系数λ1和λ2较低时，不投入补燃风，CO的排放浓度＞500×10-6，而投入补燃风后，CO的排放浓度降低至4×10-6。这表明投入补燃风后，旋风分离器出口烟道内CO等未燃尽组分迅速被燃尽，补燃风的喷入取得了良好的效果。

由图9可知，投入补燃风后，随着λ1和λ2的降低，返料温度Tｄ和旋风分离器出口烟气温度Te均呈上升的趋势，这表明随着λ1和λ2的降低，炉膛内低氧燃烧使得未完全燃烧的残炭和CO进入尾部烟道中，在补燃风通入后发生了再次燃烧。另外，由于炉膛内低氧燃烧在循环灰中累积了一定浓度的残炭，这部分循环灰进入返料器中与返料风接触也发生再次燃烧，导致返料器温度Td升高。

采用炉膛内低氧燃烧和旋风分离器出口补燃技术，合理控制炉膛内和尾部烟道内的过量空气系数，能有效降低循环流化床锅炉的原始NOx排放浓度，同时也能控制锅炉尾部的CO的排放水平和保证锅炉的燃烧效率。这台锅炉采用的是间断排灰，由于锅炉尾部烟道没有临时取样口，未取到各工况的飞灰样品。在排灰仓泵取得的飞灰样品，按标准《飞灰和炉渣可燃物测定方法》（GB/T567.6—1995）中方法Ａ分析得到飞灰含碳量为0.58％。

3结语

通过改变锅炉一次风量、二次风量或给煤量降低炉内过量空气系数，使炉膛内处于低氧燃烧状态，从而达到降低锅炉原始NOx排放浓度的目的，但炉内低过量空气系数导致锅炉尾部烟气中CO等未燃尽组分含量的升高。当炉膛下部过量空气系数为0.61、炉膛上部过量空气系数为1.10、尾部烟道过量空气系数为1.10时，锅炉原始NOx排放浓度可降低至约111mg/m3，但烟气中CO的浓度超过551×10-6。

采用炉内低氧燃烧和旋风分离器出口烟道补燃时，合理控制炉膛下部、上部和旋风分离器出口烟道内的过量空气系数，使炉膛及旋风分离器内呈低氧气氛，可有效地控制锅炉原始NOx排放浓度，同时补燃风燃尽尾部烟道的CO等未燃尽组分，保证锅炉的燃烧效率。当炉膛下部过量空气系数为0.57、炉膛上部过量空气系数为1.09、尾部烟道过量空气系数为1.16时，锅炉原始NOx排放浓度可控制在115 mg/m3，烟气中CO的浓度控制在4×10-6。

原标题：循环流化床锅炉炉膛低氧燃烧加尾部补燃降低NOx排放的试验研究

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