循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃燒效率高、燃料適應性強、環(huán)保性能好等特性，近幾十年在我國快速發(fā)展。隨著 CFB 鍋爐技術的不斷進步，其負荷調節(jié)能力不斷增強，通過依靠爐膛內大量循環(huán)物料，CFB 鍋爐正?？稍诘拓摵上掳踩\行而無需投入助燃油。CFB 鍋爐具有較煤粉鍋爐更好的調峰能力，使得大型 CFB 機組參與電網(wǎng)深度調峰，以及中小型 CFB 熱電聯(lián)產(chǎn)機組可適應大范圍負荷波動的能力，成為 CFB 鍋爐當前最突出的優(yōu)勢之一。雖然 CFB 鍋爐具有突出的低負荷運行能力，但鍋爐負荷降低時，為了保證爐膛密相區(qū)內的流化狀態(tài)，一次風(即用于密相區(qū)流化風)流量不能低于最小流化風量，而鍋爐總風量的減少通常依靠減少二次風流量來實現(xiàn)。因此，鍋爐低負荷運行時，鍋爐密相區(qū)的過量空氣系數(shù)相對較高，使得 NOx原始生成濃度增加;另外，由于二次風份額的降低，削弱了空氣分級對于控制 NOx生成的作用，從而導致鍋爐最終的 NOx排放濃度升高。

此外，隨著 CFB 鍋爐負荷的降低，一方面爐膛燃燒溫度會整體降低，另一方面爐內物料循環(huán)量減少使爐膛上下溫差增大，這將導致 CFB 鍋爐爐膛出口煙氣溫度大幅降低。絕大多數(shù) CFB 鍋爐采用在爐膛出口、旋風分離器入口噴氨的 SNCR 脫硝工藝實現(xiàn)超低 NO x 排放，而低負荷下爐膛出口煙氣溫度的降低，會偏離 SNCR 反應的最佳溫度窗口，導致 SNCR 系統(tǒng)的脫硝效率降低、氨氮比提高以及氨逃逸量增加，對鍋爐的安全穩(wěn)定運行帶來危害。

近年來，我國燃煤鍋爐大氣污染物排放的標準日益嚴格，《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020 年)》規(guī)定國內絕大部分地區(qū)所有燃煤機組在全負荷工況下，執(zhí)行煙塵、SO2、NOx 排放量分別不高于 10、35、50mg/m 3 的超低排放要求。CFB 鍋爐通常采用爐內低氮燃燒，結合旋風分離器入口噴氨的選擇性非催化還原(SNCR)脫硝工藝實現(xiàn)超低排放。但 CFB 鍋爐在低負荷運行時，不僅NOx原始排放量難以降低，而且由于爐膛出口溫度降低，使得 SNCR 系統(tǒng)的脫硝效率降低，這導致 CFB鍋爐在低負荷下實現(xiàn) NO 超低排放面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，CFB 鍋爐低負荷下穩(wěn)定安全的實現(xiàn) NOx超低排放成為重要課題。

1 CFB 鍋爐低負荷下 NO x 控制技術

為了實現(xiàn) CFB 鍋爐在低負荷下的超低 NO x 排放，相關研究主要集中在 3 個方面。① 進一步挖掘爐內低氮燃燒的潛力;② 提升 SNCR 系統(tǒng)的性能;③ 增加輔助的煙氣脫硝系統(tǒng)。

1.1 爐內低氮燃燒

通過進一步挖掘流態(tài)化燃燒的低 NOx 排放潛力，采用全新 CFB 鍋爐流態(tài)化設計理念，優(yōu)化入爐煤粒度，提高外循環(huán)回路的氣固分離和返料能力，降低爐內物料的平均粒度，一方面可降低最小流化風速，另一方面可以增加氧氣與燃料之間的傳質阻力，從而抑制 NOx 的原始生成，工程案例也驗證了 CFB 鍋爐在低負荷下可直接實現(xiàn) NOx 的超低排放。

煙氣再循環(huán)(FGR)技術是一種傳統(tǒng)的 NOx 排放控制技術，適用于現(xiàn)有 CFB 鍋爐的低氮改造，對于實現(xiàn) CFB 鍋爐低負荷運行有獨特優(yōu)勢。FGR通過在一次風中加入再循環(huán)煙氣，降低了進入密相區(qū)的氧氣濃度，在保證密相區(qū)流化風速的前提下，減少燃燒過程中 NOx 原始生成濃度;同時，由于再循環(huán)煙氣的加入，推遲了爐膛內的燃燒過程，提高了旋風分離器入口的煙氣溫度，有利于提高燃燒效率和 SNCR 脫硝效率。

1.2 低溫下 SNCR 脫硝工藝優(yōu)化

SNCR 工藝的脫硝性能受反應溫度的影響很大，在 CFB 鍋爐低負荷下其反應溫度往往偏離最佳溫度窗口，導致脫硝效率大幅下降，氨逃逸量增加。目前，通常采用優(yōu)化噴槍位置和改變還劑類型來提升鍋爐在低負荷下 SNCR 脫硝性能。通過優(yōu)化旋風分離器入口煙道的 SNCR 脫硝噴槍布置，可強化還原劑與煙氣的摻混，提高還原劑的利用效率。此外，在 CFB 鍋爐爐膛中部增加噴槍，可提高鍋爐在低負荷時的 SNCR 脫硝性能。

在低溫條件下 SNCR 脫硝工藝還原劑方面，中試試驗和工程驗證發(fā)現(xiàn)氨水相比于尿素具有更好的適應低溫 SNCR 反應的特性，而通過在還原劑中混合添加劑的方式，在更低反應溫度下可以顯著提高 SNCR 脫硝效率。

1.3 尾部煙氣脫硝

在 CFB 鍋爐增加尾部煙氣脫硝系統(tǒng)，可在不受鍋爐負荷變化的條件下穩(wěn)定實現(xiàn) NOx 超低排放，通常在鍋爐尾部煙道增加選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置，或增加尾部煙氣凈化裝置，如活性焦脫硝、臭氧脫硝等。

我國有大量中小型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組，其中很大一部分使用 CFB 鍋爐，其負荷波動取決于機組對外的供熱量變化。隨著環(huán)保要求不斷提高，在全負荷下實現(xiàn) CFB 鍋爐的 NO x 超低排放，特別是在低負荷下實現(xiàn) NO x 超低排放是實際運行過程中存在的主要技術難題。通過分析中小型 CFB 鍋爐的運行狀況，考慮技術難度及改造成本，認為采用 FGR 并結合 SNCR 優(yōu)化是實現(xiàn) CFB 鍋爐低負荷下超低 NO x 排放的可行方案。

以一臺 280 t/h CFB 鍋爐為研究對象，改造FGR 系統(tǒng)，更換了 SNCR 脫硝還原劑，通過現(xiàn)場試驗系統(tǒng)研究了鍋爐在低負荷下的運行特性以及最終NO x 排放情況，可為 CFB 鍋爐在低負荷下實現(xiàn) NOx超低排放提供參考。

2 鍋爐及試驗條件

試驗鍋爐為某工業(yè)園區(qū)熱電廠的 280 t/h CFB鍋爐，鍋爐的主要參數(shù)見表 1，設計燃料為煙煤，工業(yè)分析和元素分析見表 2。

鍋爐實際運行中，由于工業(yè)園區(qū)內熱負荷波動較大，鍋爐常處于低負荷運行工況，在低負荷下鍋爐只有增加尿素的噴射量，才能勉強達到 NO x 超低排放的要求，給鍋爐安全經(jīng)濟運行帶來影響。因此，鍋爐增加了 FGR 系統(tǒng)，并在 SNCR 系統(tǒng)中增加了氨水噴射裝置。

鍋爐增加的 FGR 系統(tǒng)采用單獨的再循環(huán)風機將引風機出口的煙氣升壓后，直接送入空預器出口風道，有效防止了一次風機和風道的腐蝕，也避免了一次風入口溫度的提高導致了排煙溫度增加，鍋爐采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)示意如圖 1 所示。同時，在SNCR 系統(tǒng)中增加了一套氨水噴射系統(tǒng)，包括氨水儲罐、氨水泵、流量分配器等，氨水溶液噴槍與原系統(tǒng)中的尿素溶液噴槍共用。在 280 t/h CFB 鍋爐上開展的實爐試驗，重點對比了鍋爐在 70%和 50%額定負荷下，采用了 FGR 改造前后的運行情況，并對比了尿素和氨水 2 種還原劑性能。

3 結果與分析

3. 1 FGR 改造前的試驗結果分析

在鍋爐增加 FGR 系統(tǒng)前，對比了鍋爐在 100%、70%和 50%額定負荷下，爐膛 3 個主要區(qū)域的溫度變化趨勢，如圖 2 所示?？芍刂鵂t膛高度方向，密相區(qū)、爐膛中部、爐膛上部溫度逐漸降低;隨著鍋爐負荷的降低，爐膛 2 個區(qū)域的溫度偏差也逐漸加大;在鍋爐 50%額定負荷下，爐膛上部溫度已經(jīng)低于750 ℃。

鍋爐不同負荷下一、二次風量和爐膛出口氧量的變化趨勢如圖 3 所示?？芍阱仩t 100%額定負荷條件下，一次風量為 175×10 3 Nm 3 /h，二次風流量為 183 Nm 3 /h，一、二次風量比接近設計值的 50 ∶50。在鍋爐 70%和 50%額定負荷條件下，一次風量分別降至 165×10 3 和 152×10 3 Nm 3 /h;二次風量分別降至 101×10 3 Nm 3 /h 和 0;一、二次風量比為 62 ∶ 38和 100 ∶ 0。因此，在低負荷下爐內分級燃燒作用被削弱，在鍋爐 50%額定負荷下燃燒空氣全部由一次風供給。由圖 3 可知，隨著鍋爐負荷的降低，爐膛出口氧量升高，不利于爐內 NOx 的控制。

鍋爐不同負荷下 NO x 排放濃度及尿素溶液耗量如圖 4 所示。可知鍋爐在 100%、70%和 50%額定負荷 下，NOx 原 始 排 放 量 分 別 為 168、137 和139 mg/m 3 ，在保證 NOx 最終排放低于 50 mg/m3 的超低排放情況下，質量分數(shù) 40%的尿素溶液消耗量分別為 121．2、106．1 和 133．4 L/h?？梢婂仩t在低負荷下 SNCR 脫硝系統(tǒng)的性能降低，在鍋爐 50%額定負荷下，尿素溶液的消耗量超過了鍋爐滿負荷工況。

3. 2 FGR 改造效果分析

鍋爐采用 FGR 改造后，重點考察了低負荷下(70%和 50%額定負荷)的運行性能。鍋爐 70%負荷下 FGR 調節(jié)閥開度對爐膛溫度的影響如圖 5所示?？芍芟鄥^(qū)和爐膛中部的溫度隨著 FGR 開度的增加逐漸降低，在 FGR 調節(jié)閥開度在 40%左右時，爐膛頂部溫度略升高。這表明隨著 FGR 調節(jié)閥開度逐漸增加，更多的煙氣進入一次風，降低了一次風的氧氣濃度，煤粒在爐膛的燃燒被推遲。

鍋爐 50%負荷下 FGR 調節(jié)閥開度對爐膛溫度的影響如圖 6 所示?？芍芟鄥^(qū)和爐膛中部的溫度隨著 FGR 開度的增加逐漸降低，但 FGR 調節(jié)閥開度在 60% 左右時，爐膛頂部溫度略升高，超過了750 ℃。在鍋爐低負荷下爐膛頂部溫度的升高，可促進 SNCR 脫硝反應，有利于提高 SNCR 脫硝效率，降低最終 NO x 排放。

CFB 鍋爐采用 FGR 改造可以降低 NO x 原始排放濃度，2 個負荷下 FGR 調節(jié)閥開度對 NO x 原始排放的影響如圖 7 所示?？芍S著 FGR 調節(jié)閥開度的增加，NO x 原始排放濃度逐漸降低，降低比例約25%，這與常規(guī) CFB 鍋爐上采用 FGR 對于 NO x 減排的貢獻接近。

為了對比尿素和氨水 2 種還原劑對 SNCR 脫硝性能的影響，開展了鍋爐在 70% 和 50% 負荷下SNCR 脫硝的實爐試驗，鍋爐在 2 個負荷下 SNCR 脫硝性能的對比見表 3。試驗條件為:設定最終 NO x排放量為 40 mg/m 3 ，尿素溶液質量分數(shù) 40%，氨水溶液質量分數(shù) 25%，鍋爐 70%負荷下 FGR 調節(jié)閥開度 40%，鍋爐 50%負荷下 FGR 調節(jié)閥開度 60%。

由表 3 可知，在鍋爐 70%和 50%額定負荷下，投入 FGR 時尿素的消耗量顯著降低，氨氮比 NSR也分別降低 0．12 和 0．68。試驗將 SNCR 還原劑由40%的尿素溶液更換為 25%的氨水溶液，結果表明在鍋爐 70%和 50%兩個額定負荷下，NSR 又減少了0．34 和 0．69，分別降低到 1．82 和 2．17。通過對比尿素和氨水 2 種 SNCR 還原劑的脫硝效果，表明氨水在鍋爐低負荷下具有更好的性能。

4 結 論

1)CFB 鍋爐在低負荷運行情況下采用 FGR 可以提升爐膛上部的溫度，這有利提升 CFB 鍋爐的SNCR 脫硝性能。

2)在鍋爐 70%和 50%負荷下，投入煙氣再循環(huán)使 NO x 原始排放量降低 25%左右。

3)利用氨水替代尿素作為 SNCR 還原劑，可提升 CFB 鍋爐低負荷下的 SNCR 脫硝效率，降低氨氮比。

文獻信息

段 守保,辛勝偉,顧從陽,杜佳軍,王虎,謝國威,鄔萬竹.循環(huán)流化床鍋爐低負荷下超低NO_x排放研究[J].潔凈煤技術,2021,27(S2):299-303.DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.21120901.