盧 偉，王西倫，蘇岳亮，寇天一

(1. 國能宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000；2.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司，山東 煙臺 264006；3.國能銅陵發(fā)電有限公司，安徽 銅陵 244100)

1 引言

循環(huán)流化床鍋爐(CFB)主要的特點：(1)流態(tài)化燃燒方式；(2)分級送風；(3)低溫燃燒，(4)煤質(zhì)適應(yīng)性廣[1]。由于上述特點使得CFB鍋爐的床溫處于850～950℃范圍內(nèi)，脫硫劑的利用率較高，可以顯著降低燃燒過程中SOx的生成；同時具有較大的二次風率(40%～50%)[2]，有利于降低NOx初始濃度，一般NOx的初始濃度為200-600mg/m3。但是，隨著環(huán)保政策的日益嚴苛，CFB鍋爐低排放優(yōu)勢也已無法滿足超低排放要求[3]。

目前，在國內(nèi)循環(huán)流化床燃燒領(lǐng)域，實現(xiàn)超低排放的主要技術(shù)路線為爐內(nèi)低NOx燃燒+SNCR煙氣脫硝一體化技術(shù)[4-6]。對于循環(huán)流化床爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)，國內(nèi)大部分改造廠家只是在常規(guī)運行工況下進行摸底試驗獲得鍋爐的相關(guān)運行數(shù)據(jù)，上述試驗數(shù)據(jù)作為爐內(nèi)低NOx燃燒改造的邊界條件制定方案，在改造前未對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行系統(tǒng)性的摸底試驗，現(xiàn)有設(shè)備潛能并未完全發(fā)揮，污染物的初始濃度以較高值作為邊界條件，造成設(shè)備改造投資大、運行成本高等一些列問題。

為了降低CFB爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)改造的投資成本和運行成本，本文以某電廠300MW亞臨界循環(huán)流化床鍋爐為例，在不對設(shè)備進行改造的前提下，通過對二次風母管壓力、鈣硫比以及床溫[6-7]等參數(shù)進行調(diào)整，并輔之以二次風差異化配風、給煤差異化配比等手段[8]，對鍋爐運行現(xiàn)狀進行系統(tǒng)性摸底[9]，目的是充分了解現(xiàn)有設(shè)備運行狀態(tài)并發(fā)揮其減排潛能，以此試驗數(shù)據(jù)作為超低NOx排放改造邊界條件，不但可以減少改造后噴氨達到降低運行成本的目的，還可以降低改造設(shè)備投資，同時在一定程度上降低飛灰含碳量提高爐效[10]。

2 研究方法

2.1 研究對象

某電廠300MW CFB鍋爐機組為上海鍋爐廠生產(chǎn)制造的SG-1178/18.64-M4504型鍋爐。鍋爐采用單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風、水冷式旋風氣固分離器、循環(huán)流化床燃燒方式、滾筒冷渣器，后煙井內(nèi)布置對流受熱面，過熱器采用兩級噴水調(diào)節(jié)蒸汽溫度，再熱器采用以煙氣擋板調(diào)節(jié)蒸汽溫度為主、噴水裝置調(diào)溫為輔的調(diào)溫方式。鍋爐主視圖如圖1所示。該鍋爐實際燃用煤質(zhì)如表1所示。

圖1 鍋爐主視圖Fig.1 The main view of boiler

表1 實際燃用煤質(zhì)特性Tab.1 Characteristics of actual burning coal

2.2 試驗內(nèi)容

本文的研究內(nèi)容主要包括：

(1)鍋爐負荷為300MW時，基準工況試驗研究(二次風母管風壓7kPa)；

(2)300MW時，氧量調(diào)平試驗：不同二次風出口壓力下差異化配風試驗；差異化給煤試驗；

(3)鍋爐負荷為300MW時，變床溫試驗[11-12]；

(4)鍋爐負荷為300MW時，石灰石消耗量對NOx初始濃度的影響。

2.3 試驗方法

以某電廠300MW CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)為例，研究二次風母管壓力、鈣硫比以及床溫、二次風噴口差異化配風和差異化給煤[13]等對NO初始濃度和煤燃盡特性的影響。每個工況調(diào)試完畢后，鍋爐負荷在該工況下穩(wěn)定至少2h后進行相關(guān)參數(shù)的測試和獲取對應(yīng)工況下的飛灰量和爐渣量，并對飛灰可燃物和爐渣可燃物進行測試化驗。

煙氣成分和固體可燃物的測試方法[13-14]：(1)煙氣取樣點采用網(wǎng)格法布置在省煤器進出口位置，利用德國產(chǎn)testo煙氣分析儀對煙氣進行成分分析；(2)飛灰和爐渣按照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(GBT10184-2015)進行取樣和化驗測試[15]。

3 結(jié)果與討論

3.1 二次風母管壓力對固體不完全燃燒損失和NOx初始濃度的影響

鍋爐負荷為300MW時，在爐膛出口平均氧量為3.23%情況下，當鍋爐二次風母管風壓為7kPa和10kPa時，每個二次風噴口風門開度分別如表2和表3所示。圖2為省煤器出口截面氧量分布曲線。表4為飛灰可燃物和爐渣可燃物含量。圖3為省煤器出口橫截面NOx分布圖。

圖2 省煤器出口橫截面氧量分布曲線Fig.2 Oxygen distribution curve of economizer outlet section

圖3 省煤器出口橫截面NOx分布圖Fig.3 NOx distribution of economizer outlet section

表2 二次風噴口風門開度(母管壓力7kPa)Tab.2 Opening of secondary air nozzle damper (main pipe pressure 7kPa)

表3 二次風噴口風門開度(母管壓力10kPa)Tab.3 Opening of secondary air nozzle damper (main pipe pressure 10kPa)

表4 飛灰可燃物和爐渣可燃物含量Tab.4 Contents of fly ash combustibles and slag combustibles

從圖2中的曲線可以看出，鍋爐二次風母管風壓變化時，對爐內(nèi)氧量的分布有較大的影響，當二次風母管風壓由7kPa提升至10kPa時，省煤器出口各個測點處的煙氣氧量分布更加均勻，這從側(cè)面反映出爐內(nèi)燃燒狀況得到大幅度改善。

從表4可以看出，300MW負荷時，二次風母管風壓由7kPa提升至10kPa時，煤的燃盡程度略有提高。飛灰可燃物由4.74%降低至3.41，降低約1.32%；爐渣可燃物由1.82%降低至1.49%，降低約0.33%，鍋爐效率提高約0.21%。

從圖3可以看出，300MW負荷時，二次風母管風壓由7kPa提升至10kPa時，爐膛出口NOx初始濃度有較大程度的降低，7kPa時爐膛出口NOx初始濃度為250mg/m3；10kPa時，爐膛出口NOx初始濃度為200mg/m3，調(diào)試前后，爐膛出口NOx初始濃度降低約50mg/m3。

綜上所述，300MW時，當鍋爐二次風母管壓力由7kPa提升至10kPa時，二次風射流強度和動量增大，對一次風的擾動與沖擊明顯[16-17]，使得爐內(nèi)風煤比更加均勻，消除了局部富氧區(qū)，燃燒工況更加合理，不但有利于煤的燃盡，而且抑制了NOx的生成量，因此，爐膛出口NOx初始濃度降低50mg/m3，飛灰可燃物降低1.32%；爐渣可燃物降低0.33%。

3.2 差異化給煤試驗

差異化給煤后的試驗數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。飛灰可燃物和爐渣可燃物含量如表5所示。省煤器出口斷面NOx分布示意如圖5所示。

從圖4可知，鍋爐負荷為300MW時，通過調(diào)整各個給煤口的給煤量(差異化配煤)[18-19]，可使得爐內(nèi)風和煤混合更加合理，改善爐內(nèi)的燃燒狀況，有利煤的燃盡。從圖4可以看出，在二次風母管風壓為7kPa時，省煤器出口氧量十分不均勻，但是，在此情況下，通過調(diào)整給煤口的給煤量可以大幅度改善爐內(nèi)的燃燒環(huán)境。

圖4 差異化給煤試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Data curve of differential coal feeding test

從表5可以看出，鍋爐負荷為300MW時，通過差異化配煤可以大幅度改善爐內(nèi)的燃燒狀況，提高煤的燃盡程度[20-21]。當鍋爐二次風母管壓力為7kPa時，飛灰可燃物為1.82%；在此工況下，通過差異化配煤后，飛灰可燃物為1.64，降低0.18%；當鍋爐二次風母管壓力為7kPa時，爐渣可燃物含量為4.73%，在此工況下，通過差異化配煤后，爐渣可燃物含量為3.52%，降低1.21%。

表5 飛灰可燃物和爐渣可燃物含量Tab.5 Contents of fly ash combustibles and slag combustibles

從圖5可知，鍋爐負荷為300MW時，二次風母管風壓為7kPa的情況下，通過調(diào)整各個給煤口的給煤量(差異化配煤)，可以調(diào)整爐內(nèi)風煤比，消除局部富氧區(qū)，有利于抑制NOx生成量。當鍋爐二次風母管風壓為7kPa時，爐膛出口NOx初始濃度為239mg/m3；通過差異化配煤后，爐膛出口NOx初始濃度為221mg/m3；調(diào)試前后，爐膛出口NOx初始濃度降低18mg/m3。

圖5 省煤器出口斷面NOx分布圖Fig.5 NOx distribution of economizer outlet section

因此，通過差異化配煤，完全可以改善爐內(nèi)燃燒環(huán)境，降低爐內(nèi)NOx生成量，提高煤的燃盡。

3.3 石灰石噴入量對NOx初始濃度的影響

石灰石噴入量對爐膛出口NOx初始濃度的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，鍋爐負荷為300MW時，通過改變鈣硫比(Ga/S)，對NOx初始濃度有非常大的影響[22]。當石灰石消耗量為18t/h時，爐膛出口NOx初始濃度為136mg/m3；當石灰石的消耗量增加到38t/h時，爐膛出口NOx濃度為240mg/m3，爐膛出口NOx初始濃度增加104mg/m3，增加幅度為76%，由此可見，隨著石灰石噴入量的增加，鈣硫比增大，爐膛出口NOx濃度呈現(xiàn)上升趨勢。

圖6 石灰石噴入量對爐膛出口NOx初始濃度的影響Fig.6 Effect of limestone injection on NOx emission concentration at furnace outlet

3.4 床溫與NOx初始濃度的關(guān)系

床溫與爐膛出口NOx初始濃度關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 床溫與NOx初始濃度關(guān)系曲線圖Fig.7 Relationship between bed temperature and NOx emission concentration

從圖7可以看出，床溫變化對爐膛出口NOx初始濃度有較大的影響，不同的溫度區(qū)間，NOx變化速率不同。鍋爐負荷為300MW時，當床溫900℃時，爐膛出口NOx初始濃度98mg/m3；當床溫925℃時，爐膛出口NOx初始濃度113mg/m3；爐膛出口NOx初始濃度增加幅度為15mg/m3；因此，床溫低于925℃時，爐膛出口NOx初始濃度曲線較為平緩；但是，當床溫925℃時，爐膛出口NOx初始濃度113mg/m3；當床溫940℃時，爐膛出口NOx初始濃度192mg/m3；爐膛出口NOx初始濃度增加幅度為79mg/m3。

從上述分析可知，床溫925℃是NOx初始濃度急劇變化的溫度轉(zhuǎn)折點。

4 結(jié)論

(1)提高循環(huán)流化床鍋爐二次風母管壓力可以增加二次風的剛性，消除局部富氧區(qū)，改善爐內(nèi)燃燒狀況。將二次風母管的風壓由7kPa提升至10kPa，飛灰可燃物降低1.32%；爐渣可燃物降低0.33%；爐膛出口NOx初始濃度降低50mg/m3。

(2)通過調(diào)整各個給煤口的給煤量(差異化配煤)，可以調(diào)整爐內(nèi)風煤比，改善爐內(nèi)低NOx燃燒進程和燃燒工況。差異化配煤后，爐膛出口NOx初始濃度降低18mg/m3；飛灰可燃物含量降低0.18%，爐渣可燃物含量降低1.21%。

(3)合理調(diào)配爐內(nèi)的鈣硫比對抑制爐內(nèi)NOx生成量有較大的影響，當爐內(nèi)石灰石消耗量由18t/h增加到38t/h時，爐膛出口NOx濃度由136mg/m3升至為240mg/m3，增加幅度為76%。

(4)循環(huán)流化床鍋爐床溫變化對爐膛出口NOx初始濃度有較大的影響，不同的溫度區(qū)間影響程度有較大的不同。當床溫大于900℃小于925℃，影響幅度較??；當床溫大于925時，對爐內(nèi)NOx生成量急劇增長。

(5)鍋爐運行時，要盡量將爐膛左、右兩側(cè)氧量調(diào)平，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整鈣硫比和床溫等輔助措施才能保證CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒工況良好，有效降低NOx初始濃度，以節(jié)省CFB鍋爐超低排放的改造成本和運行成本。