超临界600MW机组CFB锅炉NOx排放分布特性实炉试验

文章转自　　　循环流化床发电　　　杜佳军

循环流化床（CFB）锅炉是一种高效的清洁煤燃烧技术，具有燃料适应性广、环保性能好、负荷调节灵活等优点，因此近年来在世界范围内得到了快速发展。我国CFB锅炉技术现已实现从超高压、亚临界到超临界的过渡，目前正在开展超超临界CFB锅炉关键技术的研发。CFB锅炉由于燃烧温度低、炉内还原气氛较强等特点，具有NOx排放低的先天优势，但面对新的国家大气污染物排放标准，尤其是超低排放，相当多的锅炉不得不增设选择性非催化还原（SNCR）甚至选择性催化还原（SCR）脱硝设施，使得CFB锅炉低成本污染物控制优势受到严峻挑战。

CFB锅炉采用800～900℃低温燃烧方式，不具备热力型NOx生成的条件，几乎都是燃料型NOx，其中NO占到了90%以上。煤颗粒进入炉膛后，60%～80%的含氮化合物随挥发分析出称为挥发分氮，而存留在焦炭中的部分称为焦炭氮。高温下挥发分氮迅速分解为NH3、HCN等小分子化合物，在O2存在条件下被氧化为N2、NO、N2O等，而生成NO会被NH3等中间产物及焦炭还原为N2。焦炭氮也会被氧化生成NO，但其本身具有的还原性会产生一定的抑制作用。因此最终的NOx原始排放质量浓度取决于正逆反应相减后的净生成量。

目前，国内外针对CFB锅炉NOx排放分布特性研究多采用试验台和数值模拟方式，尚未在大型CFB锅炉进行过实炉试验研究。相关研究表明，NOx生成过程主要集中在炉膛密相区，随着炉膛高度的升高NOx质量浓度逐渐降低。本文在某台超临界600MW机组CFB锅炉上进行了NOx实炉试验，获得了不同炉膛横截面、沿炉膛高度等烟气中NOx质量浓度分布特性及变化规律，探讨了氧化还原气氛（O2）、温度对NOx质量浓度的影响，提出了降低NOx原始排放质量浓度的技术措施，可为大型CFB锅炉设计、改进及运行提供参考。

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试验装置

试验锅炉为国内某台超临界600MW机组CFB锅炉，设计采用双布风板单炉膛、H型布置，炉膛高度×宽度×深度为55000mm×15030mm×27900mm。炉膛内布置有7片中隔墙水冷屏、16片屏式过热器，外循环回路设置有6个汽冷式旋风分离器和6个外置床换热器。给煤系统由一级皮带给煤机和二级链式刮板输煤机组成，给煤点设置在回料器和外置床换热器返料管上，炉膛两侧各6个给煤点。一次风室为水冷等压风室，采用后墙两侧进风方式。锅炉无SNCR等脱硝设施。超临界600MW机组CFB锅炉结构如图1所示，锅炉主要技术参数及入炉煤煤质分析见表1和表2。

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试验方法

CFB锅炉炉膛一定高度处边壁区域的烟气成分能够反映该截面上平均烟气分布，因此在锅炉炉膛等特定部位选取试验代表测点，测量烟气成分并探究NOx质量浓度分布和变化情况。本试验在炉膛距离布风板25、38m高度上布置2层烟气试验测点，在每个分离器进出口烟道各安装1个烟气试验测点。由于炉膛及分离器属于高温、高灰浓度区域，因此需要采用高温烟气取样及分析装置。同时，为了表述NOx分布特性，试验结果分析引入标准差，其值大小反映了不均匀程度的强弱。图2为炉膛烟气试验测点布置，图3为高温烟气取样及分析装置。试验在机组额定负荷条件下，对锅炉炉膛、分离器等部位NOx、O2、CO等进行实炉测量，并实时记录炉膛各部床温的变化。试验中，在稳定工况下依次对炉膛25、38m高度前、后、左、右墙NOx、O2、CO等进行测量，每个测点选取5组试验数据取平均值；分离器进出口烟道NOx、O2、CO等进行0.5、1.0、1.5m3个深度测量，每个测点选取3组试验数据取平均值。为保证测试结果准确性，现场试验数据必须在波动稳定后读取。

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试验结果与分析

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炉膛横截面分布

图4为锅炉炉膛25、38m高度处前后墙、左右墙NOx质量浓度的分布及变化情况。从图4可以看出：炉膛25m和38m截面上NOx质量浓度均存在分布不均匀现象，标准差分别为46.6、22.1mg/m3；前墙NOx质量浓度明显高于后墙，左右墙NOx质量浓度基本相当，但右墙靠近前墙位置NOx质量浓度存在较大值；同时，炉膛各横截面上前墙NOx质量浓度从左至右呈逐渐升高趋势，后墙各测点NOx质量浓度变化不大，左墙NOx质量浓度呈中间高两边低现象，右墙测点1位置NOx质量浓度存在局部高值。此外，随着炉膛高度的升高，横截面上NOx质量浓度分布逐渐趋于均匀。

图5为炉膛前后墙、左右墙烟气中O2体积分数分布。对比图4和图5可以看出，炉膛横截面上O2体积分数分布及变化与NOx质量浓度相似。CFB锅炉炉内O2体积分数由运行风量、给煤量等决定。严谨等在该锅炉实炉测试结果表明，通过两级给煤系统挡板开度调整难以保证给煤均匀性，而给煤不均匀是造成炉膛O2体积分数分布差异的主要原因。对比炉膛密相区上中下3层床温（图6）与25m左右侧墙NOx质量浓度，发现其分布及变化均有明显差异，由此可见O2体积分数比床温对于NOx质量浓度的影响更为显著。另外，沿炉膛横截面上NOx质量浓度逐步趋于均匀说明稀相区存在一定气固混合。

O2体积分数分布及变化对NOx质量浓度具有重要意义，因此必须控制炉内O2体积分数分布均匀性。对此，可采取以下措施：1）一次风除风帽结构改进和分区布置外，还应对风室结构优化设计，尤其是内部整体流场及风速；2）二次风在各风管内安装调节挡板，通过运行调整优化二次风穿透深度和扩散能力；3）两级给煤系统建议采用螺旋给料机等精准控制给煤均匀性。通过对炉内流化、配风及给煤等均匀性的控制，以及合理的风煤匹配，保证炉内O2和燃烧均匀性，进而降低NOx质量浓度。

3.2

沿炉膛高度分布

图7为沿锅炉炉膛高度NOx质量浓度和O2体积分数分布及变化情况。图中，炉膛55m高度采用分离器进口数据。从图7可以看出，沿炉膛高度NOx质量浓度和O2体积分数均逐渐降低，平均降低幅度分别为每米1.22mg/m3和0.036%。

由图8和图9可以看出：NOx质量浓度前墙降低幅度较大，后墙有一定上升，左右墙基本保持不变；各墙O2体积分数均有不同程度降低；炉膛出口CO质量浓度大幅降低，平均质量浓度为125.21mg/m3。采用NOx排放计算经验公式(1)，得出该锅炉出口NOx质量浓度为118.8mg/m3，其与现场试验测试数据折算值基本相近。

式中，为理论干烟气量，wdaf(V)为燃料干燥无灰基挥发分，α为锅炉运行过量空气系数；Tb为密相区床温，为理论空气量。

分析得出，随着锅炉床层的升高和燃烧的持续进行，炉膛上部处于O2不足状态，NOx生成量逐渐减少；同时炉内含有大量的NH3、CO、H2等，使已生成的NO与焦炭和NH3等发生还原反应，导致NOx质量浓度进一步降低。炉膛25m高度至出口NOx质量浓度降低不到20%，证明NOx的生成主要集中在密相区。沿炉膛25、38m及出口NOx、CO质量分数降低分别为每米0.64、1.67mg/m3和28.88、39.38mg/m3，而O2体积分数变化为0.52%、0.23%，NOx、CO与O2变化趋势相反，说明CO在一定条件下对NOx有还原作用。研究表明，焦炭表面周围CO质量浓度远高于NO时，CO还原作用随着温度升高更加明显。

沿炉膛高度O2体积分数分布及变化决定着炉内氧化还原气氛。因此运行中应优化分级送风配比，即降低一次风和增大二次风，保持密相区还原气氛，减少NOx生成。设计时可提高二次风口位置，使炉膛下部还原气氛空间增大，增强NOx生成抑制作用。床温对NOx有着重要影响，建议床温设计选择850℃左右，为低氮燃烧创造更有利条件。此外，还可以采用烟气再循环、低过量空气系数运行等技术，进一步优化低氧燃烧，从源头控制NOx质量浓度。

3.3

分离器进出口分布

图10为分离器进出口NOx质量浓度变化。从图10可以看出，锅炉炉膛分离器进出口NOx质量浓度均呈降低趋势，炉膛单侧分离器由前至后（A—C，D—F）NOx质量浓度逐渐降低，左右侧分离器进出口NOx质量浓度标准差分别为22.5mg/m3和10.5mg/m3、34.2mg/m3和22.9mg/m3，其中D分离器进出口NOx质量浓度明显偏高，炉膛两侧其余对应分离器NOx质量浓度相差不大。分离器进出口O2和CO分布及变化与NOx质量浓度相似，现场测试分离器出口烟气中平均O2体积分数和CO质量浓度分别为2.42%和82.16mg/m3，对比发现O2降低幅度明显小于NOx和CO。

分离器进出口NOx质量浓度降低原因主要是烟气中焦炭颗粒等还原作用所致，其与稀相区NOx质量浓度降低机理相类似。虽然分离器中烟气停留时间相对炉膛较短，但是由于强烈的混合作用，使得NOx质量浓度降低相对较多。单侧分离器由前至后NOx质量浓度降低趋势与炉膛前墙NOx质量浓度大于后墙相对应，说明炉膛上部气固横向移动较少。O2体积分数降低较少主要是燃烧份额减少所致。同时，可以看出O2体积分数较低的分离器其NOx质量浓度也较低，因此应控制分离器进口O2体积分数在较低水平，有利于降低NOx质量浓度。

分离器效率对炉内氧化还原气氛和床温有着重要影响。通过分离器提效优化床料质量，使得炉膛下部大颗粒份额减少，上部细颗粒质量浓度提高，由此一次流化风得以进一步降低，密相区单位空间内O2体积分数降低，燃料氮向NOx转化率降低。分离器提效后床料粒度减小，炉内物料循环质量得到提升，炉膛床温均匀性提高，进而有助于NOx降低。此外，稀相区物料质量浓度的增加，使得未燃尽碳质量浓度增加，对NOx还原效果增加，NOx质量浓度降低。

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结论

1）炉膛横截面上NOx质量浓度存在分布不均匀现象，且随着床层的升高截面上NOx逐渐趋于均匀，对比O2体积分数、床温与NOx质量浓度分布及变化发现O2体积分数影响更为显著，因此必须控制炉膛内O2体积分数分布的均匀性。

2）沿炉膛高度上NOx质量浓度呈逐渐降低趋势，其原因是O2体积分数降低、焦炭和NH3等还原共同所致。炉膛稀相区至出口NOx降低较少说明其生成主要集中在密相区。沿炉膛高度NOx、CO降低幅度明显大于O2体积分数，说明CO对NOx有一定还原作用。

3）分离器进出口NOx质量浓度呈降低趋势，分析是烟气中焦炭颗粒等还原所致。单侧分离器由前至后NOx质量浓度逐渐降低，与炉膛前墙NOx质量浓度大于后墙相对应，说明炉膛上部气固横向移动相对较少。控制分离器进口O2体积分数有利于降低NOx质量浓度。

4）合理控制运行风量及给煤量提高炉内O2体积分数分布均匀性，优化一、二次风配比及提高二次风口位置，以及采用分离器提效、设计合理床温、烟气再循环等技术措施，均可有效降低NOx生成。

文献信息

杜佳军,李井峰,胡昌华,刘志勇,张鹏,辛胜伟,王虎.超临界600 MW机组CFB锅炉NO_x排放分布特性实炉试验[J].热力发电,2020,49(05):119-125.