660 MW超超临界循环流化床锅炉超低NOx排放研究

李影平1，辛胜伟2，王凤君3

(1. 神华国能集团有限公司，北京 100033；2. 神华集团循环流化床技术研发中心，陕西 西安 710065；3. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

摘 要：循环流化床(CFB)发电技术具有良好的炉内脱硫抑氮等优势，得到了广泛推广。随着环保形势的日趋严峻，CFB锅炉仅依靠炉内低氮燃烧无法满足NOx超低排放要求，因此必须深入研究CFB锅炉炉内低氮燃烧理论，并在660 MW高效超超临界CFB锅炉实现突破。基于流态重构节能型CFB锅炉的设计理念，通过试验和数值模拟研究了炉内NOx生成还原机理与炉内实现NOx全部脱除的技术方案。结果表明，影响660 MW超临界CFB锅炉NOx排放的因素包括：燃用煤质、燃烧温度及均匀性、过量空气系数(运行氧含量)、分级燃烧等。660 MW超超临界CFB锅炉采用单炉膛、单布风板、M型布置、4个旋风分离器、4个外置式换热器的炉型结构，锅炉热一次风从水冷风室后侧6点给入，保证了锅炉一次风静压分布均匀，进而保证了物料流化均匀性；采用“前墙给煤、后墙给煤泥”的给煤方式，前墙布置12个落煤口，后墙布置8支煤泥枪，同时后墙布置8点排渣，保证给煤均匀性；采用4旋风分离器布置结构保证了物料均匀性，不同旋风分离器之间流率偏差的最大值为7.9%；采用4个外置式换热器均匀布置保证床温的均匀性。同时炉内温度场及过量空气系数对NOx排放起关键作用，锅炉设计床温确定为860 ℃，既保证了锅炉效率，又减少了NOx排放，同时保证低负荷工况下满足选择性非催化还原(SNCR)脱硝系统反应温度窗口；锅炉过量空气系数选取1.15，进一步增强了还原性氛围。分级燃烧时一、二次风比例为4∶6，并适当调整锅炉二次风口位置及倾角，形成较大的还原性氛围。通过上述措施可实现炉内高效抑氮，最终使锅炉NOx原始排放浓度低于50 mg/m3，炉外选取以尿素为还原剂的SNCR技术为辅助脱硝手段，在低投资、低成本、全负荷条件下实现最终烟气中NOx超低排放。

关键词：超超临界；循环流化床；锅炉；NOx；超低排放

0 引 言

超临界机组发电效率高，污染物排放低，是当今洁净煤发电的主流技术之一，是解决电力短缺、能源利用率低以及环境污染问题的最现实、最有效的途径[1]。循环流化床(CFB)燃烧作为我国主要煤燃烧方式之一，具备燃料适用范围广、负荷调节性能好、污染物排放低以及灰渣便于综合利用等优势[2]。目前CFB发电技术已发展到超临界蒸汽参数，标志着CFB燃烧技术又完成了一个里程碑式的发展，CFB燃烧方式与超超临界参数技术结合将是未来CFB锅炉的必然发展方向。常规CFB锅炉的NOx原始排放浓度为100～300 mg/Nm3[3]，不能满足NOx排放浓度低于100 mg/Nm3的国标限制和部分地区NOx排放浓度低于50 mg/Nm3的超低排放标准，必须进一步降低CFB锅炉NOx排放。影响CFB锅炉NOx排放的因素有：燃烧温度及均匀性、过量空气系数、分级燃烧等[4-7]。国内外诸多学者致力于开展优化燃烧条件来控制NOx生成，清华大学开展了基于流态重构的CFB锅炉研发[8]，开发了新型物料循环系统，在燃用特定煤种的情况下，NOx原始排放低于50 mg/Nm3。东方锅炉厂开发的350 MW超临界CFB锅炉采用“高效二次风”设计[9]，在稳定工况下NOx原始排放低于50 mg/Nm3。另外，对于以选择性非催化还原(SNCR)技术为主流的CFB锅炉而言，NOx深度还原技术同样受到还原剂种类、反应温度、氨氮比等因素影响[10-13]，SNCR脱硝技术多应用于CFB锅炉炉外辅助脱硝，在锅炉满负荷工况下脱硝效率能达到70%～80%，但在低负荷工况下，由于反应温度较低，其脱硝效率低于50%。

本文针对我国正在研发的660 MW高效超超临界CFB锅炉，开展了锅炉本体设计研究，在物料均匀性、床温及床压均匀性、锅炉设计参数选择方面进行优化设计，同时辅以炉外脱硝工艺作为备用，以期实现NOx原始排放达到超低排放要求。

1 锅炉炉型

660 MW高效超超临界CFB锅炉采用单炉膛、单布风板、M型布置结构、循环流化床燃烧方式。锅炉由1个炉膛、4个汽冷旋风分离器、4个回料阀、4个外置式换热器、8台冷渣器和2个回转式空预器等部分组成，尾部采用双烟道，再热器采用挡板调温，启动床料添加系统采用机械输送方式。660 MW超超临界CFB锅炉结构布置如图1所示。

图1 660 MW超超临界CFB锅炉结构
Fig.1 Schematic diagram of 660 MW ultra-supercritical CFB boiler

炉膛后侧布置有4个内径10.5 m的汽冷旋风分离器，旋风分离器上部为圆筒形，下部为锥形。每个旋风分离器回料腿下布置一个回料阀和一个外置式换热器，外置换热器中布置中温过热器，旋风分离器分离下来的循环物料，分别进入回料阀和外置式换热器，再分别以高温物料和低温物料的状态返回炉膛，实现了床温的调节。回料阀为气力式自平衡型，流化风用高压风机供给。炉膛、旋风分离器、回料阀和外置式换热器构成了循环流化床锅炉的核心部分——物料热循环回路，煤在燃烧室内完成燃烧，经旋风分离器净化过的烟气进入尾部烟道。尾部对流烟道采用双烟道结构，前烟道布置低温再热器，后烟道布置低温过热器，在烟气挡板下方布置省煤器和回转式空气预热器，省煤器区烟道采用护板结构。锅炉设计指标及参数见表1。

表1 660 MW超超临界CFB锅炉设计指标及参数
Table 1 Design indicators and parameters of 660 MW ultra-supercritical CFB boiler

项目数值单机容量/MW660主蒸汽压力/MPa29.4主蒸汽温度/℃605再热蒸汽温度/℃623锅炉效率/%>93.5供电煤耗/(g·kWh-1)<290SO2排放浓度/(mg·Nm-3)<35NOx排放浓度/(mg·Nm-3)<50粉尘排放浓度/(mg·Nm-3)<10

2 锅炉NOx控制措施

2.1 NOx生成原理及影响因素

NOx生成主要分为热力型、燃料型、快速型NOx。由于CFB锅炉中燃烧温度维持在850～950 ℃，因此燃烧生成的NOx几乎全是燃料型NOx，其来源为燃煤中氮元素的转化[14]。根据NOx生成机理可知，CFB锅炉NOx的生成主要与以下因素有关：① 煤质的影响。煤中氮元素含量、挥发分等。② 过量空气系数的影响。降低过量空气系数，在一定程度上可限制反应区内氧浓度，对燃料型NOx的生成有一定控制作用。③ 燃烧温度及均匀性的影响。随着炉内燃烧温度升高，NOx排放量升高；床温均匀性差对NOx生成有促进作用。④ 脱硫剂的影响。CFB锅炉炉内通常采用干法脱硫，石灰石为脱硫剂，可有效降低SO2排放量，但炉内石灰石含量较高(钙硫比高)会增加NOx排放量。

2.2 锅炉低氮燃烧措施

660 MW高效超超临界CFB锅炉燃用煤泥、矸石、末原煤的混煤，设计煤种煤泥、矸石、末原煤混合比例为55∶20∶25；校核煤种煤泥、矸石、末原煤混合比例为35∶35∶30，具体煤质资料见表2。

表2 660 MW超超临界CFB锅炉燃用煤质资料
Table 2 Coal characteristics of 660 MW ultra-supercritical CFB boiler

煤种工业分析/%元素分析/%MtMadAarVdafFCarCarHarNarOarSt,arQnet,ar/(kJ·g-1)设计煤种19.102.4131.3433.5232.9539.512.210.406.810.6314.52校核煤种14.002.3237.1835.3731.5537.962.280.397.390.8013.99

本锅炉设计煤种氮含量较低，减少了燃料型NOx的生成，但挥发分较高，不利于控制NOx排放。锅炉按照循环流化床低氮燃烧理论设计，主要从提高床温、床压的均匀性，强化二次风分级燃烧，优化燃烧温度和运行氧含量等方面来考虑降低锅炉的原始NOx排放浓度[15]。

2.2.1 床温与床压的均匀性设计

CFB锅炉炉内燃烧场的均匀性是保证锅炉低NOx排放的必要条件。实践证明，炉内温度场均匀、燃烧稳定、不产生局部结焦是低NOx排放的前提。

1)一次风均匀性设计

确保一次风在水冷风室内静压分布的均匀性是保证一次风均匀分布的前提。660 MW超超临界CFB锅炉设计时，对一次风不同给入方式的静压分布进行数值计算与模拟，并比较了不同给入方式静压分布均匀性。方案I采用6点给入方式(图2(a))，方案II采用单点单侧给入方式(图2(b))，对比2种方案得出方案I给入方式的静压分布较方案II均匀性好，能保证物料良好的流化。最终确定锅炉一次风给入方式如图3所示，即热一次风从水冷风室后侧6点给入。

图2 2种给入方式静压分布
Fig.2 Static pressure distribution of two kinds of feed modes

图3 一次风给入方案
Fig.3 Primary air feeding

2)给煤均匀性设计

锅炉采用“前墙给煤、后墙给煤泥”的给煤方式，前墙布置12个落煤口，后墙布置8支煤泥枪，同时后墙布置8点排渣。锅炉给煤排渣方案如图4所示。“前煤后泥”多点给煤的均匀性设计配合一次风的均匀分布，确保燃料与燃烧空气在炉内均匀混合，保证锅炉炉内燃烧均匀性。而后墙多点排渣的设计，可通过调整不同分区的冷渣器转速，改善炉内物料粒度分布，保证炉膛内物料的均匀性。

图4 给煤排渣方案
Fig.4 Coal feeding and slag discharge scheme

3)分离器布置均匀性

锅炉旋风分离器布置方案如图5所示。本锅炉采用四分离器及四返料阀沿炉膛中心线对称布置，保证外循环回路几何对称，同时对外循环回路进行数值模拟计算(图6)，得到4个炉膛出口在一段时间内的时均质量流率及相应流率偏差的分布，炉膛出口固体质量流率呈动态变化。对于M型4个分离器炉型方案，4个出口的自身流率最大偏差7.9%，即不同分离器之间流率偏差的最大值为7.9%，确保了循环返料均匀性，减小循环灰对炉内燃烧均匀性的影响。

4)外置式换热器均匀性

锅炉设置4个中温过热器的外置式换热器，消除大截面炉膛沿宽度方向上床温偏差，减小炉膛宽度上的床温偏差。锅炉外置床布置如图7所示。

图5 锅炉旋风分离器布置
Fig.5 Arrangement of boiler cyclones

图6 距布风板50 m处截面固相轴向速度分布
Fig.6 Distribution diagram of solid phase axial velocity at 50 m distance from air distribution plate

图7 锅炉外置床布置方案
Fig.7 Arrangement of boiler EHEs

综上所述，660 MW超超临界CFB锅炉采用一次风6点给入、多点给煤设计、分离器和外置式换热器均匀性布置的设计方案，提高了炉膛及物料循环系统气固两相流均匀性。基于ANSYS Fluent计算软件对炉内流化特性及均匀性进行了数值模拟计算验证(图8)，可见锅炉炉膛及物料循环系统的均匀性得以保证。

图8 数值模拟计算炉内流化特性及均匀性
Fig.8 Numerical simulation calculation of fluidization characteristics and uniformity in furnace

2.2.2 强化二次风分级燃烧

循环流化床锅炉密相区燃烧在还原气氛中进行，还原气氛使氮燃烧的中间产物不能进一步氧化成NO，而被还原成中性的N2，能有效控制NOx生成。

1)一次风比率对NOx排放的影响

同一锅炉不同一次风率的试验表明，在满足炉内物料流化的前提下，降低一次风比例，可进一步降低NOx排放浓度，CFB锅炉一次风比率对NOx排放影响如图9所示。对不同一/二次风比例的NOx排放规律进行数值模拟计算，本锅炉合适的一次风率为40%。

图9 一次风比率对NOx排放影响
Fig.9 Effect of primary air ratio on NOx emissions

2)上二次风率对NOx排放的影响

二次风分层由稀相区送入炉膛锥段完成燃烧过程，适当提高上二次风口高度有利于提高分级燃烧力度，制造更大的还原区，同时适当降低下二次风给入量，提高上二次风给入量也有利于降低NOx的生成。上二次风率对NOx排放的影响[16]如图10所示。

图10 上二次风率对NOx排放的影响
Fig.10 Effect of previous secondary air rate on NOx emissions

2.2.3 优化二次风口设计

660 MW高效超超临界CFB锅炉炉膛截面更大，炉膛高度更高，合理的二次风喷口设计非常重要。锅炉二次风布置的数值计算结果如图11所示。可知前后墙二次风口均匀布置，上下两层二次风口之间距离在350 MW超临界循环流化床锅炉基础上提高1.5 m以上，并通过数值模拟计算，选取合理的二次风风速和风口尺寸，确保二次风有足够的刚度和穿透能力，保证炉内温度场均匀性，实现分级燃烧。

图11 二次风布置的数值计算结果
Fig.11 Numerical calculation results of secondary air arrangement

2.2.4 优化床温设计

降低床温可有效降低CFB锅炉NOx排放水平，但过低的床温不利于燃烧和SNCR脱硝。综合考虑煤质情况、燃烧效率和脱硫效率等，本工程锅炉的床温定为860 ℃。在保证燃烧效率的前提下，首先保证锅炉出口原始NOx排放浓度达到50 mg/Nm3以下。根据已投运的循环流化床锅炉运行经验，采用外置式换热器调节再热器汽温，低负荷时炉膛出口烟气温度可维持在较高水平，使屏式过热器具有较好的低负荷传热特性。

本锅炉设置4个外置床，4个外置床内均布置过热器，对进入4个外置床循环灰量的调节，可保证锅炉炉膛出口烟气温度在750 ℃以上，有利于主蒸汽和再热蒸汽达到保证温度数值，确保锅炉低负荷时锅炉出口烟气温度满足SNCR烟气脱硝的喷氨要求。

2.2.5 运行氧含量优化

CFB锅炉的运行氧含量直接影响NOx排放。已运行CFB锅炉的过量空气系数对NOx排放的影响[15]如图12所示。本锅炉设计方案中增加炉膛高度，燃料的燃尽时间大大增加，可保证燃料在炉膛内充分燃烧。通过采取一系列确保床温和床压均匀性的措施，能保证锅炉在较低氧含量条件下正常运行，锅炉过量空气系数选择1.15，可进一步降低NOx排放浓度。

图12 过量空气系数对NOx排放影响
Fig.12 Effect of excess air coefficient on NOx emissions

3 烟气脱硝工艺选择

目前主流的烟气脱硝工艺主要为选择性催化还原(SCR)工艺和选择性非催化还原(SNCR)工艺。SNCR工艺是向高温烟气中喷射氨或尿素等还原剂，将NOx还原成N2，其化学反应与SCR工艺相同，所用的还原剂可为氨、氨水和尿素等。与SCR工艺相比，SNCR工艺系统简单、投资运行费用低，更适合在CFB锅炉上应用。SNCR的基本原理是在没有催化剂的情况下，向850～1 150 ℃炉膛中喷入还原剂氨或尿素，还原剂“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒、无污染的N2和H2O。

尿素作还原剂时其反应可表示为

2CO(NH2)2+6NO5N2+4H2O+2CO2

(1)

根据660 MW高效超超临界CFB锅炉设计要求，在锅炉负荷稳定的情况下通过运行调节可达到NOx超低排放50 mg/Nm3的要求。辅助选用SNCR脱硝工艺作为备用，保证锅炉在全负荷工况下实现最终烟气中NOx浓度达到超低排放要求。

4 结 论

1)高效超超临界循环流化床锅炉是未来CFB锅炉的主要发展方向，660 MW高效超超临界CFB锅炉采用单炉膛、单布风板、M型布置结构设计，设计有4个汽冷旋风分离器、4个回料阀、4个外置式换热器和8台冷渣器，是保证锅炉燃烧均匀性的前提。

2)床温与床压的均匀性设计对NOx排放有一定影响，锅炉设计热一次风从水冷风室后侧6点给入，保证了锅炉一次风静压分布均匀，进而保证了物料流化均匀性；在给煤均匀性方面，采用“前墙给煤、后墙给煤泥”的给煤方式，前墙布置12个落煤口，后墙布置8支煤泥枪，同时后墙布置8点排渣；通过数值模拟计算了4个旋风分离器布置结构的物料均匀性，得出了不同旋风分离器之间流率偏差的最大值为7.9%，4个外置式换热器均匀布置保证了床温的均匀性。

3)研究了分级燃烧对NOx的排放影响，通过数值模拟得到锅炉一、二次风比例为4∶6，并适当调整锅炉二次风口位置及倾角，形成较大的还原性氛围。温度场及过量空气系数对NOx排放起关键作用，锅炉设计床温确定为860 ℃，既保证了锅炉效率，又减少了NOx排放，同时保证低负荷工况下满足SNCR脱硝系统反应温度窗口，锅炉过量空气系数选取1.15，进一步增强了还原性氛围。选取以尿素为还原剂的SNCR技术为辅助脱硝手段，保证锅炉在全负荷条件下实现最终烟气中NOx超低排放。

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Study on ultra-low NOx emission technology of 660 MW ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler

LI Yingping1,XIN Shengwei2,WANG Fengjun3

(1.Shenhua Guoneng Group Co.,Ltd.,Beijing 100033,China;2.Shenhua Group CFB Technology R&D Center,Xi′an 710065,China; 3.Harbin Boiler Co.,Ltd.,Harbin 150046,China)

Abstract:Circulating fluidized bed(CFB)power generation technology is one of the clean coal power generation technologies developed in recent decades. Because of its good advantages of desulphurization and nitrogen suppression in furnace,it has been widely popularized. With the increasingly serious environmental situation,the CFB boiler can not meet the NOxultra-low emission requirement by means of the low-nitrogen combustion in the furnace,so it is necessary to study the low-nitrogen combustion theory of the CFB boiler,and the breakthrough should be realized in 660 MW high efficiency ultra-supercritical CFB boiler. In this paper,based on the design concept of flow pattern reconstruction energy-saving CFB boiler,the generation and reduction mechanism of NOx in furnace and the technical scheme of NOx removal in furnace were studied by experiment and numerical simulation. The results show that the factors affecting NOx emission of 660 MW supercritical CFB boiler include burning coal quality,combustion temperature and uniformity,excess air coefficient(operating oxygen),graded combustion and so on. The 660 MW ultra-supercritical CFB boiler adopts the furnace structure of single furnace,single air distribution plate,M-type arrangement structure,four cyclones and four external heat exchangers. The hot primary air of the boiler is fed from the back side of the water-cooled air chamber at 6 points,which ensures the uniform distribution of the static pressure of the primary air of the boiler,and thus ensures the uniformity of the fluidization of the material. The coal feeding mode of "coal feeding on the front wall and sludge for the back wall" is adopted. The front wall is equipped with 12 coal falling ports,the rear wall is equipped with 8 sludge guns and 8 slag discharge ports to ensure the uniformity of coal feeding. The arrangement structure of the 4-cyclone separator ensures the uniformity of the material,the maximum deviation of flow rate between different cyclones is 7.9%,and the uniform arrangement of the four external heat exchangers ensures the uniformity of the bed temperature. The temperature field and excess air coefficient play a key role in NOx emission. The boiler design bed temperature is 860 ℃,which not only ensures the boiler efficiency,but also reduces the NOx emission,at the same time,it ensures the reaction temperature of selective non-catalytic reduction(SNCR)denitrification system under low load conditions. The excess air coefficient of boiler is 1.15,which further enhances the reductive atmosphere. The ratio of primary to secondary air is 4∶6 in staged combustion,and the position and inclination angle of boiler secondary tuyere are adjusted properly to form a large reductive atmosphere to ensure the furnace combustion atmosphere. The comprehensive effect of the above measures can realize high efficiency nitrogen suppression in the furnace,and finally make the original emission concentration of boiler NOx less than 50 mg/m3,as The SNCR technology with urea as reductant outside the furnace is selected as the assistant denitrification method realize the final NOx ultra-low emission in the flue gas under the condition of low investment,low cost and full load.

Key words:ultra-supercritical unit;circulating fluidized bed(CFB);boiler;NOx;ultra-low emission

中图分类号:TK221;X51

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)05-0086-07

收稿日期：2019-07-31;

责任编辑：白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19073101

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基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFB0600205)

作者简介：李影平(1966—)，男，四川眉山人，高级工程师，主要从事火电发电厂科技和环保管理工作。E-mail：170000123@chnenergy.com.cn

引用格式:李影平，辛胜伟，王凤君.660 MW超超临界循环流化床锅炉超低NOx排放研究[J].洁净煤技术，2019，25(5):86-92.

LI Yingping,XIN Shengwei,WANG Fengjun.Study on ultra-low NOx emission technology of 660 MW ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler[J].Clean Coal Technology，2019，25(5):86-92.