循环流化床锅炉NO_x生成和排放特性研究进展

臧志

赤峰热电厂有限责任公司   内蒙古自治区赤峰市  024000

摘要：目前，环境污染问题越来越受到广泛关注，对于经济比较发达地区，对火电厂的NOx 排放限值在新标准的基础上进一步降低。上述相关的政策法规，对循环流化床燃烧技术固有的污染物控制手段提出新的挑战。为满足相应的标准要求，相当一部分已投运循环流化床锅炉增设了炉外脱硝设备，新建机组几乎全部同时建设炉外脱硝。其中大部分采用SNCR(选择性非催化还原反应) 进行脱硝，也有个别机组采用SCR( 选择性催化还原反应) 进行脱硝，这无疑增加了设备的初投资和电厂的运行成本。如果我们能更好地了解循环流化床燃烧NOx 排放规律及其影响因素，从而有针对性地进行锅炉的优化设计和运行调整，则可以尽可能地降低NOx 的原始排放浓度，使得炉外脱硝设备取消或由于对炉外脱硝效率的要求降低从而减小脱硝设备的运行费用。

关键词：循环流化床；NOx；影响因素  

一、循环流化床锅炉NOx 生成机理

在CFB 燃烧温度不高(750~950℃)，且碳氢自由基含量极少，因此普遍认为CFB 中的NOx 主要是燃料型，且绝大部分为NO。其转化路径包括热解、焦炭反应、气体均相反应、床料表面异相催化反应等诸多环节，煤中的氮主要存在于芳香型的吡咯、吡啶、季氮及其衍生结构中，与碳原子形成共价键，同时也报道发现了少量芳香胺结构[5-7]。煤颗粒进入炉内后首先发生热解，燃料氮也随之迁移转化，其中有2个关键参数值得注意。一个是挥发分氮和焦炭氮之比。较多学者发现热解后焦炭中残留氮元素百分含量要高于原煤，具体比值与温度、升温速率、停留时间、气氛等因素有关。对于第二个参数，挥发分氮中HCN 和NH3 的比例，目前学界仍存争议。有学者认为HCN 是主要产物[1]。在鼓泡床条件下发现各煤种NH3 释放量远大于HCN，焦炭氮、HCN 和NH3，在不同环境下的后续转化路径及最终向NO 净转化率有很大区别。与挥发分氮相比，焦炭氮的转化涉及更多异相反应。焦炭在燃烧和气化过程中，可直接或间接(CO 作还原剂)还原周围烟气中的NO。不同种类焦炭的孔隙结构、矿物杂质组成和含量等特征不同，以及在不同的粒径和碳燃尽率下，焦炭对NO 的还原性差别巨大；而反应温度、热解条件、周围气氛(CO/O2/H2O/SO2 浓度)等环境因素的改变也会对该反应产生显著影响。正因为涉及众多基元反应和影响因素，不同燃料、不同实验条件下得到的焦炭氮向NOx 转化率存在很大差异，且挥发分氮和焦炭氮转化率的相对大小也尚存争议。CFB 锅炉床料中除了燃料颗粒外，还有石灰石脱硫剂、灰分等，其对NOx 的生成或还原均具有不同程度的催化作用。

二、循环流化床锅炉NOx 排放的影响因素

影响循环流化床锅炉NOx 排放的因素主要有温度和氧量( 过量空气系数) 。当然已有相关研究表明，随着锅炉石灰石投入量的增加，NOx 的排放值有所增加，这是因为石灰石在炉内煅烧后形成多孔疏松CaO，而这种金属氧化物对燃料中挥发分氮向NOx 转化起到了良好的催化作用。在锅炉设计时，一般在折算硫份低于1.5% 的情况下，可以忽略石灰石投入量对NOx 生成的影响。

1、燃烧温度对NOx 排放浓度的影响。为了获得不同炉膛温度下NOx 的排放规律，本研究选择了一台带有外置式换热器的300 MW 循环流化床锅炉为测试对象，以方便炉膛温度的有效控制。在该锅炉上燃用了3 种循环流化床锅炉常用煤质，分别为矸石、褐煤和无烟煤，在过量空气系数相同，均为1.2 的情况下，测得NOx 排放浓度随温度的变化

NOx 排放浓度数值均来自于电厂DCS 系统数据。从图可以看出，在相同炉膛温度和相同氧量( 过量空气系数) 的情况下，褐煤NOx 排放浓度最高，无烟煤NOx 排放浓度最低，燃用矸石燃料的循环流化床锅炉NOx 排放浓度介于两者之间，当炉膛温度为880 ℃，过量空气系数为1.2，燃用褐煤时，NOx 排放浓度为398 mg /Nm3，燃用矸石时，NOx 排放浓度为223 mg /Nm3，燃用无烟煤时，NOx排放浓度为78 mg /Nm3。此外，对于同种燃料，随着炉膛温度的提高，NOx 的排放浓度增加，以燃用矸石为例，当燃烧温度分别为840 ℃、860 ℃、880 ℃和900 ℃ 时，NOx 排放浓度分别为170 mg /Nm3，190mg /Nm3，218 mg /Nm3 和245 mg /Nm3。

由于循环流化床锅炉燃烧温度较低，N 的氧化物中不包含热力型NOx，且低温燃烧导致炉膛内CO 体积份额和未燃尽焦炭的浓度增加，对已经生成的NOx 起到了很好的还原作用。随着燃料中挥发分含量的增加，燃料反应活性相应增强，燃烧速率加快，炉膛上部CO 和未燃尽焦炭的浓度降低，对已生成NOx 的还原作用减弱，从而导致NOx 排放浓度增加。在锅炉设计过程中通常情况下，会根据锅炉的燃料特性，给出干烟气，含氧量6% 时NOx 排放的预测值，具体计算方法如下:

由公式可知，燃料的N 转化率同NOx 排放浓度呈现正相关的变化规律，对NOx 及燃料N 转化率的随温度的变化规律解释为: 随着燃料反应活性的增加，炉膛上部CO 体积分数和未燃尽焦炭颗粒的浓度随之减小，对炉膛下部已经生成的NOx 还原能力减弱，导致NOx 排放值及N 转化率增加。此外，对于相同燃料，随着燃烧温度的提高，燃料燃尽程度得以改善，从而降低了炉膛上部CO 体积分数和未燃尽焦炭颗粒的浓度，削弱了对已经生成的氮氧化物的还原能力，因此同样导致NOx 排放值及N 转化率增加。从分析可知，低温有利于NOx 排放值的降低，但在锅炉设计和运行过程中，合理的温度选取同时还应兼顾燃烧效率和脱硫反应对温度的要求。

2、氧量对NOx 排放浓度和氮转化率的影响。300 MW 循环流化床锅炉上进行了相应的测试分析，以矸石燃料为例，在床温维持880 ℃不变的情况下，改变锅炉氧量，得出对NOx排放和N 转化率随氧量的变化关系，从煤燃烧过程中NOx 的生成机理可知，无论是挥发分N 还是焦炭N，只有在氧存在的条件下，才能被氧化，因此燃料燃烧过程中随着氧量的增加，NOx排放值增加可以发现，氧量变化对NOx 排放浓度的影响比温度影响更显著。较低的氧量可有效控制NOx 排放值，但氧量的高低同时还会影响锅炉的燃烧效率和锅炉排烟热损失，所以合理的氧量设定应在综合考虑上述因素的基础上进行。

基于循环流化床燃烧NOx 的生成机理，在一台带有外置式换热的300 MW 循环流化床锅炉上进行了相关的测试，获得了循环流化床锅炉NOx 排放浓度和N 转化率随燃用煤种、燃烧温度和锅炉氧量的变化规律，随着燃料反应活性的增强挥发分含量增加、炉膛温度的升高和炉膛氧量的增加，NOx排放浓度和氮转化率随之增加，根据国内比较典型的循环流化床锅炉常用燃料矸石、褐煤和无烟煤的具体测试结果可知，氧量对NOx 排放浓度的影响比燃烧温度更显著。

参考文献：

[1] 吕俊复，柯希玮，蔡润夏．循环流化床燃烧条件下焦炭表面NOx 还原机理研究进展[J]．煤炭转化，2018，41(1)：1-12．

[2] 刘向军，赵燕，徐旭常．钙基脱硫剂对循环流化床NOx 排放影响研究进展[J]．洁净煤技术，2019，25(1)：1-11．