降低CFB锅炉NOx初始浓度的方法及其对燃烧性能的影响
时间：2023-02-12 14:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
卢 伟，王西伦，苏岳亮，寇天一
(1. 国能宿州热电有限公司，安徽 宿州 234000；
2.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东 烟台 264006；
3.国能铜陵发电有限公司，安徽 铜陵 244100)
循环流化床锅炉(CFB)主要的特点：(1)流态化燃烧方式；
(2)分级送风；
(3)低温燃烧，(4)煤质适应性广[1]。由于上述特点使得CFB锅炉的床温处于850～950℃范围内，脱硫剂的利用率较高，可以显著降低燃烧过程中SOx的生成；
同时具有较大的二次风率(40%～50%)[2]，有利于降低NOx初始浓度，一般NOx的初始浓度为200-600mg/m3。但是，随着环保政策的日益严苛，CFB锅炉低排放优势也已无法满足超低排放要求[3]。
目前，在国内循环流化床燃烧领域，实现超低排放的主要技术路线为炉内低NOx燃烧+SNCR烟气脱硝一体化技术[4-6]。对于循环流化床炉内低NOx燃烧技术，国内大部分改造厂家只是在常规运行工况下进行摸底试验获得锅炉的相关运行数据，上述试验数据作为炉内低NOx燃烧改造的边界条件制定方案，在改造前未对锅炉燃烧系统进行系统性的摸底试验，现有设备潜能并未完全发挥，污染物的初始浓度以较高值作为边界条件，造成设备改造投资大、运行成本高等一些列问题。
为了降低CFB炉内低NOx燃烧技术改造的投资成本和运行成本，本文以某电厂300MW亚临界循环流化床锅炉为例，在不对设备进行改造的前提下，通过对二次风母管压力、钙硫比以及床温[6-7]等参数进行调整，并辅之以二次风差异化配风、给煤差异化配比等手段[8]，对锅炉运行现状进行系统性摸底[9]，目的是充分了解现有设备运行状态并发挥其减排潜能，以此试验数据作为超低NOx排放改造边界条件，不但可以减少改造后喷氨达到降低运行成本的目的，还可以降低改造设备投资，同时在一定程度上降低飞灰含碳量提高炉效[10]。
2.1 研究对象
某电厂300MW CFB锅炉机组为上海锅炉厂生产制造的SG-1178/18.64-M4504型锅炉。锅炉采用单锅筒自然循环、集中下降管、平衡通风、水冷式旋风气固分离器、循环流化床燃烧方式、滚筒冷渣器，后烟井内布置对流受热面，过热器采用两级喷水调节蒸汽温度，再热器采用以烟气挡板调节蒸汽温度为主、喷水装置调温为辅的调温方式。锅炉主视图如图1所示。该锅炉实际燃用煤质如表1所示。
图1 锅炉主视图Fig.1 The main view of boiler
表1 实际燃用煤质特性Tab.1 Characteristics of actual burning coal
2.2 试验内容
本文的研究内容主要包括：
(1)锅炉负荷为300MW时，基准工况试验研究(二次风母管风压7kPa)；
(2)300MW时，氧量调平试验：不同二次风出口压力下差异化配风试验；
差异化给煤试验；
(3)锅炉负荷为300MW时，变床温试验[11-12]；
(4)锅炉负荷为300MW时，石灰石消耗量对NOx初始浓度的影响。
2.3 试验方法
以某电厂300MW CFB锅炉燃烧系统为例，研究二次风母管压力、钙硫比以及床温、二次风喷口差异化配风和差异化给煤[13]等对NO初始浓度和煤燃尽特性的影响。每个工况调试完毕后，锅炉负荷在该工况下稳定至少2h后进行相关参数的测试和获取对应工况下的飞灰量和炉渣量，并对飞灰可燃物和炉渣可燃物进行测试化验。
烟气成分和固体可燃物的测试方法[13-14]：(1)烟气取样点采用网格法布置在省煤器进出口位置，利用德国产testo烟气分析仪对烟气进行成分分析；
(2)飞灰和炉渣按照《电站锅炉性能试验规程》(GBT10184-2015)进行取样和化验测试[15]。
3.1 二次风母管压力对固体不完全燃烧损失和NOx初始浓度的影响
锅炉负荷为300MW时，在炉膛出口平均氧量为3.23%情况下，当锅炉二次风母管风压为7kPa和10kPa时，每个二次风喷口风门开度分别如表2和表3所示。图2为省煤器出口截面氧量分布曲线。表4为飞灰可燃物和炉渣可燃物含量。图3为省煤器出口横截面NOx分布图。
图2 省煤器出口横截面氧量分布曲线Fig.2 Oxygen distribution curve of economizer outlet section
图3 省煤器出口横截面NOx分布图Fig.3 NOx distribution of economizer outlet section
表2 二次风喷口风门开度(母管压力7kPa)Tab.2 Opening of secondary air nozzle damper (main pipe pressure 7kPa)
表3 二次风喷口风门开度(母管压力10kPa)Tab.3 Opening of secondary air nozzle damper (main pipe pressure 10kPa)
表4 飞灰可燃物和炉渣可燃物含量Tab.4 Contents of fly ash combustibles and slag combustibles
从图2中的曲线可以看出，锅炉二次风母管风压变化时，对炉内氧量的分布有较大的影响，当二次风母管风压由7kPa提升至10kPa时，省煤器出口各个测点处的烟气氧量分布更加均匀，这从侧面反映出炉内燃烧状况得到大幅度改善。
从表4可以看出，300MW负荷时，二次风母管风压由7kPa提升至10kPa时，煤的燃尽程度略有提高。飞灰可燃物由4.74%降低至3.41，降低约1.32%；
炉渣可燃物由1.82%降低至1.49%，降低约0.33%，锅炉效率提高约0.21%。
从图3可以看出，300MW负荷时，二次风母管风压由7kPa提升至10kPa时，炉膛出口NOx初始浓度有较大程度的降低，7kPa时炉膛出口NOx初始浓度为250mg/m3；
10kPa时，炉膛出口NOx初始浓度为200mg/m3，调试前后，炉膛出口NOx初始浓度降低约50mg/m3。
综上所述，300MW时，当锅炉二次风母管压力由7kPa提升至10kPa时，二次风射流强度和动量增大，对一次风的扰动与冲击明显[16-17]，使得炉内风煤比更加均匀，消除了局部富氧区，燃烧工况更加合理，不但有利于煤的燃尽，而且抑制了NOx的生成量，因此，炉膛出口NOx初始浓度降低50mg/m3，飞灰可燃物降低1.32%；
炉渣可燃物降低0.33%。
3.2 差异化给煤试验
差异化给煤后的试验数据曲线如图4所示。飞灰可燃物和炉渣可燃物含量如表5所示。省煤器出口断面NOx分布示意如图5所示。
从图4可知，锅炉负荷为300MW时，通过调整各个给煤口的给煤量(差异化配煤)[18-19]，可使得炉内风和煤混合更加合理，改善炉内的燃烧状况，有利煤的燃尽。从图4可以看出，在二次风母管风压为7kPa时，省煤器出口氧量十分不均匀，但是，在此情况下，通过调整给煤口的给煤量可以大幅度改善炉内的燃烧环境。
图4 差异化给煤试验数据曲线Fig.4 Data curve of differential coal feeding test
从表5可以看出，锅炉负荷为300MW时，通过差异化配煤可以大幅度改善炉内的燃烧状况，提高煤的燃尽程度[20-21]。当锅炉二次风母管压力为7kPa时，飞灰可燃物为1.82%；
在此工况下，通过差异化配煤后，飞灰可燃物为1.64，降低0.18%；
当锅炉二次风母管压力为7kPa时，炉渣可燃物含量为4.73%，在此工况下，通过差异化配煤后，炉渣可燃物含量为3.52%，降低1.21%。
表5 飞灰可燃物和炉渣可燃物含量Tab.5 Contents of fly ash combustibles and slag combustibles
从图5可知，锅炉负荷为300MW时，二次风母管风压为7kPa的情况下，通过调整各个给煤口的给煤量(差异化配煤)，可以调整炉内风煤比，消除局部富氧区，有利于抑制NOx生成量。当锅炉二次风母管风压为7kPa时，炉膛出口NOx初始浓度为239mg/m3；
通过差异化配煤后，炉膛出口NOx初始浓度为221mg/m3；
调试前后，炉膛出口NOx初始浓度降低18mg/m3。
图5 省煤器出口断面NOx分布图Fig.5 NOx distribution of economizer outlet section
因此，通过差异化配煤，完全可以改善炉内燃烧环境，降低炉内NOx生成量，提高煤的燃尽。
3.3 石灰石喷入量对NOx初始浓度的影响
石灰石喷入量对炉膛出口NOx初始浓度的影响如图6所示。
从图6可以看出，锅炉负荷为300MW时，通过改变钙硫比(Ga/S)，对NOx初始浓度有非常大的影响[22]。当石灰石消耗量为18t/h时，炉膛出口NOx初始浓度为136mg/m3；
当石灰石的消耗量增加到38t/h时，炉膛出口NOx浓度为240mg/m3，炉膛出口NOx初始浓度增加104mg/m3，增加幅度为76%，由此可见，随着石灰石喷入量的增加，钙硫比增大，炉膛出口NOx浓度呈现上升趋势。
图6 石灰石喷入量对炉膛出口NOx初始浓度的影响Fig.6 Effect of limestone injection on NOx emission concentration at furnace outlet
3.4 床温与NOx初始浓度的关系
床温与炉膛出口NOx初始浓度关系曲线如图7所示。
图7 床温与NOx初始浓度关系曲线图Fig.7 Relationship between bed temperature and NOx emission concentration
从图7可以看出，床温变化对炉膛出口NOx初始浓度有较大的影响，不同的温度区间，NOx变化速率不同。锅炉负荷为300MW时，当床温900℃时，炉膛出口NOx初始浓度98mg/m3；
当床温925℃时，炉膛出口NOx初始浓度113mg/m3；
炉膛出口NOx初始浓度增加幅度为15mg/m3；
因此，床温低于925℃时，炉膛出口NOx初始浓度曲线较为平缓；
但是，当床温925℃时，炉膛出口NOx初始浓度113mg/m3；
当床温940℃时，炉膛出口NOx初始浓度192mg/m3；
炉膛出口NOx初始浓度增加幅度为79mg/m3。
从上述分析可知，床温925℃是NOx初始浓度急剧变化的温度转折点。
(1)提高循环流化床锅炉二次风母管压力可以增加二次风的刚性，消除局部富氧区，改善炉内燃烧状况。将二次风母管的风压由7kPa提升至10kPa，飞灰可燃物降低1.32%；
炉渣可燃物降低0.33%；
炉膛出口NOx初始浓度降低50mg/m3。
(2)通过调整各个给煤口的给煤量(差异化配煤)，可以调整炉内风煤比，改善炉内低NOx燃烧进程和燃烧工况。差异化配煤后，炉膛出口NOx初始浓度降低18mg/m3；
飞灰可燃物含量降低0.18%，炉渣可燃物含量降低1.21%。
(3)合理调配炉内的钙硫比对抑制炉内NOx生成量有较大的影响，当炉内石灰石消耗量由18t/h增加到38t/h时，炉膛出口NOx浓度由136mg/m3升至为240mg/m3，增加幅度为76%。
(4)循环流化床锅炉床温变化对炉膛出口NOx初始浓度有较大的影响，不同的温度区间影响程度有较大的不同。当床温大于900℃小于925℃，影响幅度较小；
当床温大于925时，对炉内NOx生成量急剧增长。
(5)锅炉运行时，要尽量将炉膛左、右两侧氧量调平，在此基础上通过调整钙硫比和床温等辅助措施才能保证CFB锅炉炉内燃烧工况良好，有效降低NOx初始浓度，以节省CFB锅炉超低排放的改造成本和运行成本。
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