循环流化床锅炉低负荷下超低 NOx排放研究
此外，随着 CFB 锅炉负荷的降低，一方面炉膛燃烧温度会整体降低，另一方面炉内物料循环量减少使炉膛上下温差增大，这将导致 CFB 锅炉炉膛出口烟气温度大幅降低。绝大多数 CFB 锅炉采用在炉膛出口、旋风分离器入口喷氨的 SNCR 脱硝工艺实现超低 NO x 排放，而低负荷下炉膛出口烟气温度的降低，会偏离 SNCR 反应的最佳温度窗口，导致 SNCR 系统的脱硝效率降低、氨氮比提高以及氨逃逸量增加，对锅炉的安全稳定运行带来危害。
近年来，我国燃煤锅炉大气污染物排放的标准日益严格，《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020 年)》规定国内绝大部分地区所有燃煤机组在全负荷工况下，执行烟尘、SO2、NOx 排放量分别不高于 10、35、50mg/m 3 的超低排放要求。CFB 锅炉通常采用炉内低氮燃烧，结合旋风分离器入口喷氨的选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺实现超低排放。但 CFB 锅炉在低负荷运行时，不仅NOx原始排放量难以降低，而且由于炉膛出口温度降低，使得 SNCR 系统的脱硝效率降低，这导致 CFB锅炉在低负荷下实现 NO 超低排放面临更大的挑战。因此，CFB 锅炉低负荷下稳定安全的实现 NOx超低排放成为重要课题。
为了实现 CFB 锅炉在低负荷下的超低 NO x 排放，相关研究主要集中在 3 个方面。① 进一步挖掘炉内低氮燃烧的潜力;② 提升 SNCR 系统的性能;③ 增加辅助的烟气脱硝系统。
通过进一步挖掘流态化燃烧的低 NOx 排放潜力，采用全新 CFB 锅炉流态化设计理念，优化入炉煤粒度，提高外循环回路的气固分离和返料能力，降低炉内物料的平均粒度，一方面可降低最小流化风速，另一方面可以增加氧气与燃料之间的传质阻力，从而抑制 NOx 的原始生成，工程案例也验证了 CFB 锅炉在低负荷下可直接实现 NOx 的超低排放。
烟气再循环(FGR)技术是一种传统的 NOx 排放控制技术，适用于现有 CFB 锅炉的低氮改造，对于实现 CFB 锅炉低负荷运行有独特优势。FGR通过在一次风中加入再循环烟气，降低了进入密相区的氧气浓度，在保证密相区流化风速的前提下，减少燃烧过程中 NOx 原始生成浓度;同时，由于再循环烟气的加入，推迟了炉膛内的燃烧过程，提高了旋风分离器入口的烟气温度，有利于提高燃烧效率和 SNCR 脱硝效率。
1.2 低温下 SNCR 脱硝工艺优化
SNCR 工艺的脱硝性能受反应温度的影响很大，在 CFB 锅炉低负荷下其反应温度往往偏离最佳温度窗口，导致脱硝效率大幅下降，氨逃逸量增加。目前，通常采用优化喷枪位置和改变还剂类型来提升锅炉在低负荷下 SNCR 脱硝性能。通过优化旋风分离器入口烟道的 SNCR 脱硝喷枪布置，可强化还原剂与烟气的掺混，提高还原剂的利用效率。此外，在 CFB 锅炉炉膛中部增加喷枪，可提高锅炉在低负荷时的 SNCR 脱硝性能。
在低温条件下 SNCR 脱硝工艺还原剂方面，中试试验和工程验证发现氨水相比于尿素具有更好的适应低温 SNCR 反应的特性，而通过在还原剂中混合添加剂的方式，在更低反应温度下可以显著提高 SNCR 脱硝效率。
1.3 尾部烟气脱硝
在 CFB 锅炉增加尾部烟气脱硝系统，可在不受锅炉负荷变化的条件下稳定实现 NOx 超低排放，通常在锅炉尾部烟道增加选择性催化还原(SCR)脱硝装置，或增加尾部烟气净化装置，如活性焦脱硝、臭氧脱硝等。
我国有大量中小型燃煤热电联产机组，其中很大一部分使用 CFB 锅炉，其负荷波动取决于机组对外的供热量变化。随着环保要求不断提高，在全负荷下实现 CFB 锅炉的 NO x 超低排放，特别是在低负荷下实现 NO x 超低排放是实际运行过程中存在的主要技术难题。通过分析中小型 CFB 锅炉的运行状况，考虑技术难度及改造成本，认为采用 FGR 并结合 SNCR 优化是实现 CFB 锅炉低负荷下超低 NO x 排放的可行方案。
以一台 280 t/h CFB 锅炉为研究对象，改造FGR 系统，更换了 SNCR 脱硝还原剂，通过现场试验系统研究了锅炉在低负荷下的运行特性以及最终NO x 排放情况，可为 CFB 锅炉在低负荷下实现 NOx超低排放提供参考。
2 锅炉及试验条件
试验锅炉为某工业园区热电厂的 280 t/h CFB锅炉，锅炉的主要参数见表 1，设计燃料为烟煤，工业分析和元素分析见表 2。
锅炉实际运行中，由于工业园区内热负荷波动较大，锅炉常处于低负荷运行工况，在低负荷下锅炉只有增加尿素的喷射量，才能勉强达到 NO x 超低排放的要求，给锅炉安全经济运行带来影响。因此，锅炉增加了 FGR 系统，并在 SNCR 系统中增加了氨水喷射装置。
锅炉增加的 FGR 系统采用单独的再循环风机将引风机出口的烟气升压后，直接送入空预器出口风道，有效防止了一次风机和风道的腐蚀，也避免了一次风入口温度的提高导致了排烟温度增加，锅炉采用烟气再循环系统示意如图 1 所示。同时，在SNCR 系统中增加了一套氨水喷射系统，包括氨水储罐、氨水泵、流量分配器等，氨水溶液喷枪与原系统中的尿素溶液喷枪共用。在 280 t/h CFB 锅炉上开展的实炉试验，重点对比了锅炉在 70%和 50%额定负荷下，采用了 FGR 改造前后的运行情况，并对比了尿素和氨水 2 种还原剂性能。
3 结果与分析
3. 1 FGR 改造前的试验结果分析
在锅炉增加 FGR 系统前，对比了锅炉在 100%、70%和 50%额定负荷下，炉膛 3 个主要区域的温度变化趋势，如图 2 所示。可知沿着炉膛高度方向，密相区、炉膛中部、炉膛上部温度逐渐降低;随着锅炉负荷的降低，炉膛 2 个区域的温度偏差也逐渐加大;在锅炉 50%额定负荷下，炉膛上部温度已经低于750 ℃。
锅炉不同负荷下一、二次风量和炉膛出口氧量的变化趋势如图 3 所示。可知在锅炉 100%额定负荷条件下，一次风量为 175×10 3 Nm 3 /h，二次风流量为 183 Nm 3 /h，一、二次风量比接近设计值的 50 ∶50。在锅炉 70%和 50%额定负荷条件下，一次风量分别降至 165×10 3 和 152×10 3 Nm 3 /h;二次风量分别降至 101×10 3 Nm 3 /h 和 0;一、二次风量比为 62 ∶ 38和 100 ∶ 0。因此，在低负荷下炉内分级燃烧作用被削弱，在锅炉 50%额定负荷下燃烧空气全部由一次风供给。由图 3 可知，随着锅炉负荷的降低，炉膛出口氧量升高，不利于炉内 NOx 的控制。
锅炉不同负荷下 NO x 排放浓度及尿素溶液耗量如图 4 所示。可知锅炉在 100%、70%和 50%额定负荷 下，NOx 原 始 排 放 量 分 别 为 168、137 和139 mg/m 3 ，在保证 NOx 最终排放低于 50 mg/m3 的超低排放情况下，质量分数 40%的尿素溶液消耗量分别为 121．2、106．1 和 133．4 L/h。可见锅炉在低负荷下 SNCR 脱硝系统的性能降低，在锅炉 50%额定负荷下，尿素溶液的消耗量超过了锅炉满负荷工况。
3. 2 FGR 改造效果分析
锅炉采用 FGR 改造后，重点考察了低负荷下(70%和 50%额定负荷)的运行性能。锅炉 70%负荷下 FGR 调节阀开度对炉膛温度的影响如图 5所示。可知密相区和炉膛中部的温度随着 FGR 开度的增加逐渐降低，在 FGR 调节阀开度在 40%左右时，炉膛顶部温度略升高。这表明随着 FGR 调节阀开度逐渐增加，更多的烟气进入一次风，降低了一次风的氧气浓度，煤粒在炉膛的燃烧被推迟。
锅炉 50%负荷下 FGR 调节阀开度对炉膛温度的影响如图 6 所示。可知密相区和炉膛中部的温度随着 FGR 开度的增加逐渐降低，但 FGR 调节阀开度在 60% 左右时，炉膛顶部温度略升高，超过了750 ℃。在锅炉低负荷下炉膛顶部温度的升高，可促进 SNCR 脱硝反应，有利于提高 SNCR 脱硝效率，降低最终 NO x 排放。
CFB 锅炉采用 FGR 改造可以降低 NO x 原始排放浓度，2 个负荷下 FGR 调节阀开度对 NO x 原始排放的影响如图 7 所示。可知随着 FGR 调节阀开度的增加，NO x 原始排放浓度逐渐降低，降低比例约25%，这与常规 CFB 锅炉上采用 FGR 对于 NO x 减排的贡献接近。
为了对比尿素和氨水 2 种还原剂对 SNCR 脱硝性能的影响，开展了锅炉在 70% 和 50% 负荷下SNCR 脱硝的实炉试验，锅炉在 2 个负荷下 SNCR 脱硝性能的对比见表 3。试验条件为:设定最终 NO x排放量为 40 mg/m 3 ，尿素溶液质量分数 40%，氨水溶液质量分数 25%，锅炉 70%负荷下 FGR 调节阀开度 40%，锅炉 50%负荷下 FGR 调节阀开度 60%。
由表 3 可知，在锅炉 70%和 50%额定负荷下，投入 FGR 时尿素的消耗量显著降低，氨氮比 NSR也分别降低 0．12 和 0．68。试验将 SNCR 还原剂由40%的尿素溶液更换为 25%的氨水溶液，结果表明在锅炉 70%和 50%两个额定负荷下，NSR 又减少了0．34 和 0．69，分别降低到 1．82 和 2．17。通过对比尿素和氨水 2 种 SNCR 还原剂的脱硝效果，表明氨水在锅炉低负荷下具有更好的性能。
4 结 论
1)CFB 锅炉在低负荷运行情况下采用 FGR 可以提升炉膛上部的温度，这有利提升 CFB 锅炉的SNCR 脱硝性能。
2)在锅炉 70%和 50%负荷下，投入烟气再循环使 NO x 原始排放量降低 25%左右。
3)利用氨水替代尿素作为 SNCR 还原剂，可提升 CFB 锅炉低负荷下的 SNCR 脱硝效率，降低氨氮比。
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