某超临界循环流化床锅炉NOx 排放与问题分析

李宁 丁雪松 徐雨红 赵新建 王毅斌 杨祖旺

（1 华电国际电力股份有限公司朔州热电分公司 山西朔州 036000 2 西安交通大学能源与动力工程学院 陕西西安 710049 3 西安格瑞电力科技有限公司 陕西西安 710049）

0 引言

随着国家对节能减排标准要求的逐步提高，火电机组在环保、经济、安全、市场等各方面面临的风险和压力也在提高。如何提高火电机组的综合性能指标，并保证机组安全、经济、稳定、环保运行是火电机组需要长期考虑的问题。近年来，由于电网结构调整，风电及光伏等新能源比重越来越大，更多的火电机组参与调峰，电网深度调峰需求愈发明显。循环流化床锅炉可以实现40%稳燃负荷；但由于SNCR 反应效率受制于锅炉床温，仅能实现50%调峰；50%负荷以下，即使开大尿素喷枪开度，仍不能满足超低排放要求，严重影响机组参与电网深度调峰。为解决以上问题，得到锅炉低负荷运行下优化火电机组运行方式，本文以某电厂350 MW 循环流化床机组为例，分析了机组在超低负荷下运行存在的问题并提出对应的机组改造方案，为同容量机组的改造给予一定指导。

1 设备概况

1.1 锅炉相关参数

某电厂350 MW 超临界循环流化床锅炉为变压运行直流炉，循环流化床燃烧方式，一次中间再热、平衡通风、全钢构架结构；锅炉采用汽冷式旋风分离器进行气固分离，运转层标高为12.6 m。过热器采用两级喷水调节蒸汽温度（直流负荷之后以调节煤水比来调节温度）、再热器采用以烟气挡板调节蒸汽温度为主，同时设置微量喷水和事故喷水调温为辅的调温方式。该机组现燃用煤种为校核燃料，相对于设计煤种，实际燃用煤种热值偏低，灰分偏高，如表1 所示。

表1 煤质分析结果

1.2 锅炉整体结构

本锅炉为上海锅炉厂超临界参数、一次再热、岛式布置、全钢架支吊结合的循环流化床锅炉。锅炉采用汽冷式旋风分离器进行气固分离，运转层标高为12.6 m。锅炉本体钢架由三跨组成：第一跨布置启动分离器储水箱、炉膛、热一二次风道、播煤风管道、滚筒冷渣器、输渣皮带等；第二跨布置汽冷旋风分离器、回料器、高压流化风管道、风道燃烧器等；第三跨布置尾部烟道、四分仓回转式空预器等，并预留SCR 脱硝设备安装空间。

1.3 SNCR 脱硝系统

SNCR 脱硝技术原理主要是将氨气、尿素等还原剂通过喷枪喷入水平烟道，在合适的温度和气氛下将NOx 还原生成氧气和水，从而达到降低NOx 排放量的目的［1］。主要化学反应是以循环流化床锅炉旋风分离器入口水平烟道为反应器，在适当的温度下不使用催化剂将NOx 还原生成氧气和水的反应，其间主要的反应如方程式（1）～（2）［2］：

氨气做还原剂时：

尿素做还原剂时：

SNCR 脱硝系统的一般工艺流程为：①尿素运输到厂区后制成指定浓度的尿素溶液储存在储存罐内；②储存罐内的尿素溶液通过高压泵与凝结泵出口引流而来的凝结水稀释后输送至水平烟道平台处；③尿素溶液的浓度根据喷入点的烟温流速以及NOx 浓度等工况确定［3］；④尿素溶液经分配装置送入分布在水平烟道平台上的各个喷枪，在雾化风压力下，尿素溶液喷射入旋风分离器入口水平烟道对NOx 进行还原。

2 NOx 排放特性

2.1 循环流化床NOx 生成机理

对于燃烧矿物材料的燃烧设备而言，NOx 的生成主要有2个来源：①燃料中的杂环结构氮在高温下分解，然后被氧化，称之为燃料型NOx；②空气中的氮在高温下与氧气反应生成的NOx，称之为热力型NOx。热力型NOx 主要是在1 300 ℃的高温区产生，而循环流化床锅炉的燃烧区间温度一般在850 ℃～900 ℃之间，远低于热力型NOx 的生成温度，所以循环流化床锅炉不具备氧化空气中的氮形成热力型NOx 的条件。烟气中的NOx 主要来源为燃料型NOx，所以循环流化床锅炉的原始NOx 排放浓度相较于其他燃烧方式的锅炉较低［4］。

2.2 循环流化床锅炉NOx 排放特点

根据前人的统计数据，燃用同种燃料时，循环流化床锅炉的原始NOx 排放浓度显著低于煤粉炉［5］，同时NOx 原始排放浓度随着燃料中干燥无灰基挥发分含量的增加而增加。前者主要是由于循环流化床锅炉的燃烧温度较低，不具备生成热力型NOx 的条件，烟气中的NOx 主要来源于燃料型NOx，但会生成一定量的N2O。后者是因为随着燃料干燥无灰基挥发分的增加，燃料型NOx 的产生量有所增加［6］。

2.3 影响循环流化床锅炉NOx 排放的因素

影响循环流化床锅炉NOx 排放的主要因素有以下3 方面［7］：

（1）床层温度：一般来说，床层温度越高，越有利于NOx 的生成；

（2）炉膛过量空气系数：循环流化床锅炉密相区氧量的增加会提高NOx 生成；

（3）燃料挥发分含量：燃料的挥发分含量越高，循环流化床锅炉产生的NOx 就越多。

3 问题分析

机组连续运行4 d 的机组负荷和NOx 排放如图1 所示，机组负荷高于50%时，投运SNCR 后可满足炉膛出口NOx 小于50 mg/Nm3，但尿素耗量偏大。当机组负荷小于50%时，投运SNCR 也不能保证炉膛出口NOx 小于50 mg/Nm3，达不到超低排放要求，不能进行深度调峰。原因主要是低负荷下炉膛温度较低，偏离了SNCR 的最佳反应温度区间。因为SNCR 脱硝不使用催化剂，所以相比于使用催化剂的SCR 脱硝反应而言，SNCR 脱硝反应更依赖温度，一般需要控制在850 ℃～1 150 ℃［8］。温度的变化导致了SNCR 脱硝反应速率下降，反应不充分。负荷较低时，烟气流速较低，尿素喷枪喷口内外压差降低。尿素溶液喷出时速度相应降低，导致了尿素溶液雾化效果变差，也影响了SNCR 的脱硝效率。部分运行参数对比见表2。

图1 机组连续运行4 d 的机组负荷和NOx 排放

如表2 所示，分离器C 出口烟温比A 和B 处烟温低50 ℃左右，同时一次风风量/二次风风量显著提高，出口氧量明显升高。这说明现有的机组二次风配风方式不合理，需要进一步的优化。

表2 部分运行参数对比

落煤管炉膛侧管口如图2 所示，落煤管出口处下侧区别于上侧呈黑色，这主要是因为原有托举风经环形风管进入炉膛后仅在落煤管上半环形进口进入，而在下半环形进口的空气气流速度较小，没有实现对落煤管底部出口煤颗粒进行抛洒的功能。总结与归纳后，目前机组主要面临以下4 个问题：

图2 落煤管炉膛侧管口

（1）低负荷、低烟气流速下，尿素溶液雾化效果较差，雾化液滴同烟气混合均匀性较低，严重影响SNCR 脱硝效率；

（2）低负荷下炉内床温过低，偏离SNCR 最佳反应温度区间，反应时间短，脱硝效率低；

（3）目前两层二次风大角度喷入密相区，风温较低，过早同一次风混合，密相区氧浓度过高，NOx 含量高；

（4）现有机组锅炉二次风配风方式不合理，密相区供给二次风比例较高，未能实现最大程度炉内减少NOx 生成，炉内不能实现密相区低氧低氮燃烧。

4 对应解决方法

4.1 新增一层二次风喷口及二次风喷口改造

在炉膛前后墙新增一层二次风喷口，即布风板上以炉膛高度方向实现分级燃烧。初步考虑是在前墙和后墙现有二次风风箱顶部分别引出单根管进入新增母管，新增母管再分别引出多支分管接入炉膛，分管沿炉膛宽度方向等间隔布置。但是，考虑到实际锅炉前后墙布置有原二次风箱吊架，无法布置新增二次风箱，除非把风箱布置到足够高的位置，避开现有的支吊架。因此，选择直接从原有二次风风箱位置引出各支管。由于二次风箱上引出了一层二次风喷嘴至风箱上部，势必会导致二次风风速下降，为了保持原有二次风风速，炉膛密相区二次风喷口面积需重新计算。

4.2 落煤管-托举风改造

原有托举风经环形风管进入炉膛后仅在落煤管上半环形进口进入，而在下半环形进口的空气气流速度较小，没有实现对落煤管底部出口煤颗粒进行抛洒的功能，因此托举风结构需进行改造。对托举风套管和进口结构进行改造，扩大托举风风管和倾斜角度，可以适量封堵托举风圆环上半部分面积，以提高播煤风风速。

4.3 SNCR 尿素分配方式改造

原有SNCR 系统在使用过程中出现了低负荷下对应尿素喷量减少，尿素喷枪自身溶液雾化效果变差；低负荷下烟气流量减少，低烟气流速同雾化液滴间混合变差，继续增大尿素喷量仍不能满足NOx 排放要求的问题。针对上述问题，根据SNCR 系统的结构原理，提出了以下3 个改造方案：

（1）更换/新增分离器进口当前布置的SNCR 喷枪，增强单喷枪雾化效果；

（2）增设尿素稀释溶液增压旁路，加强低负荷尿素的雾化性能；

（3）考虑在分离器进口顶部增设喷枪，但需考虑喷枪套管上铺设浇注料进行防磨。

4.4 燃烧调整优化

锅炉运行参数对于NOx 的生成有着显著的影响，其中主要因素包括床温、总风量（以氧含量表征）、一二次风配比、上下二次风配比。深度燃烧调整包括优化物料流态及循环状态、改善锅炉燃烧特性、控制燃烧温度均匀（控制床温均匀）、控制入炉燃料颗粒度，调整一二次风率的配比、上下二次风、返料循环、脱硝综合等，进一步有效降低原始生成量。

5 结语

循环流化床锅炉脱硝是一种系统性脱硝手段，根据实际情况对二次风配风方式进行改造；低负荷时及时调整尿素用量和喷入状态；根据实际运行状态改善燃烧特性，进行燃烧调整优化来降低循环流化床锅炉的NOx 排放浓度。随着国家对节能减排标准要求的逐步提高，解决循环流化床锅炉在50%负荷以下NOx 排放达到超低排放要求具有十分重要的意义。