对于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

前言

循环流化床锅炉以其燃料适应性强和低排放特性等优势而得到广泛的应用。随着新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2011）和《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271—2014）的实施，循环流化床锅炉也同样面临着二氧化硫和氮氧化物等大气污染物排放值超标的问题。

目前用于氮氧化物控制的技术很多，主要有选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）和SNCR－SCR联合技术等。SNCR技术虽然投资成本低，但是还原剂的消耗量大、氮氧化物的脱除效率偏低。SCR技术和SNCR－SCR联合技术的氮氧化物脱除效率高，还原剂的消耗量小，但是由于需要采用催化剂和反应器，使得投资成本偏高。

在过去数十年，许多研究者一直致力于通过改变锅炉燃烧状态来降低氮氧化物的原始排放浓度。研究表明：NO_x的排放浓度随着燃烧温度的升高而升高；随着过量空气系数的降低，NO_x和N₂O的排放浓度逐渐降低，但CO和SO2的排放值迅速增加，而提高过量空气系数则相反；NO_x的排放浓度随着一次风风率的增加而升高；保持过量空气系数和二次风率不变，随着上层二次风比例的增加，NO_x排放浓度逐渐降低；增加二次风喷口的数量有利于NO_x排放浓度的降低；提高二次风口位置，减小二次风口向下倾斜的角度，推迟了二次风的进入，延长烟气在还原区停留时间，有利于NO_x排放浓度的降低；采用空气分级技术可降低NOx的排放浓度，且多级空气分级降低NO_x的排放浓度的效果要优于单级空气分级；NO_x在炉膛底部生成，可利用空气分级给入使其降低；采用烟气再循环技术后NO_x的浓度明显降低，烟气中NO_x的浓度随着再循环烟气回流率的增加而降低，但再循环烟气回流率过大使得燃烧状态难以维持；在污泥中掺烧煤和生物质燃料后，烟气中大量存在的焦炭可降低NO_x的排放浓度。

在一定程度上，降低床温，降低过量空气系数，改变一次风、二次风的比例，改变二次风喷口的位置，采用空气分级、烟气再循环和掺混燃烧等技术，都能降低锅炉原始氮氧化物排放浓度，但是也带来了诸如负荷降低、热量损失增加、CO排放值升高、飞灰和炉渣中含碳量升高等问题。周托等通过理论及试验研究提出采用循环流化床炉内低氧燃烧，并结合旋风分离器出口烟道喷入补燃风，从而达到控制NO_x排放浓度及保证燃烧效率的技术原理。本文研究基于以上原理，对1台70MW循环流化床热水锅炉进行改造并开展了实炉试验。

1.试验

1.1试验原理

中试研究得出：控制炉膛内的过量空气系数，使炉膛和旋风分离器内呈低氧燃烧状态（即过量空气系数低于正常的1.2，略大于1），利用烟气中残炭和CO抑制NO_x的生成，或使已生成的NOx转化为N₂，从而使旋风分离器出口的原始NOx排放浓度降低；同时在旋风分离器出口烟道加入补燃空气，充分燃尽尾部烟气中的未燃尽组分。

1.2试验锅炉

本次试验在黑龙江省黑河市某热源厂的1台70MW循环流化床热水锅炉上进行。锅炉基本结构见图1。

由炉膛、汽包、旋风分离器、补燃风系统、高温省煤器、低温省煤器、空气预热器等组成，炉膛尺寸（长×宽×高）为5.4m×4.4m×23.0m，一次风风帽均匀分布，二次风由8根风管从前后墙1.8M高处给入炉膛，2个旋风分离器对称布置在后墙。炉膛下部前后墙上各均布4个热电偶（T1～T8），炉膛密相区上部和炉膛出口侧墙上各布置1个热电偶（T9～T12），每个旋风分离器返料腿各布置1个热电偶（T13、T14），高温省煤器上部烟道侧墙各布置1个热电偶（T15、T16）。试验中利用便携式烟气分析仪Testo350实时分析烟气成分，烟气取样口设置在低温省煤器的尾部烟道上。

开展试验前对锅炉进行了尾部补燃的改造，在每个旋风分离器中心筒出口处增设一组补燃风喷口，每组补燃风喷口有3个喷嘴，补燃风从热一次风母管引出。

1.3燃料特性

试验使用的燃料是内蒙古煤，产自呼伦贝尔煤矿。燃料的工业分析与元素分析结果见表1。

1.4试验工况

试验工况设置：工况1在未经调整情况下，测定锅炉的NO_x和CO的原始排放浓度；工况2研究改变给煤量对锅炉的NO_x和CO的排放浓度的影响；工况3研究改变一、二次风风量对锅炉NOx和CO的排放浓度的影响；工况4研究采用炉膛低氧燃烧加尾部补燃技术时NOx和CO的排放浓度。主要的工况参数见表2。

炉膛下部（二次风喷入位置以下）的过量空气系数为λ1，炉膛上部（二次风喷入位置以上）的过量空气系数为λ2，尾部烟道内的过量空气系数为λ3。λ1、λ2和λ3为：

式中：FPA———一次风风量，Nm³/h；FSA———二次风风量，Nm³/h；FPCA———补燃风风量，Nm³/h；FTA———理论总风量，Nm³/h。

本文中NO_x的排放浓度按《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2011）进行折算（干基，标态，6％O₂，以NO₂计）。本文中的温度为锅炉特定区域的平均温度：

式中：Ta———床温，℃；Tb———密相区上部炉膛温度，℃；Tc———炉膛出口处温度，℃；Td———返料温度，℃；Te———旋风分离器出口烟气温度，℃。

2.结果与讨论

2.1 原始NOx排放 

工况1锅炉的原始NO_x和CO的排放浓度见图2，温度分布见图3。

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NO_x、CO和O2的平均浓度见表3。锅炉尾部烟气中的NO_x、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，NO_x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％，NO_x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NO_x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氮氧化物的影响

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NO_x、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NO_x、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NO_x、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，NO_x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NO_x、O2和CO的浓度分别为203Mg/M³、3.32％和0×10-6。

分析图6中NO_x和O2的浓度变化曲线可知，NO_x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，NO_x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，NO_x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NO_x的排放浓度的效果。因此炉膛过量空气系数是影响NO_x原始排放浓度的核心参数。反应式（9）、式（10）和式（11）被认为是NO_x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，NO_x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NO_x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NO_x、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NO_x、CO和O2的平均浓度见表3。

工况4.3稳定后，锅炉尾部NO_x、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NO_x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NO_x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NO_x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。