引言循环流化床(CFB)技术是一项高效、低污染的燃烧技术[1]，具有燃料适应性广、炉内高效脱硫、氮氧化物(NOx)排放低和能够宽负荷调峰等特点[2]。随着我国对燃煤发电机组节能减排指标的不断提高，特别是2014年9月我国三部委联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014~2020年）》[3]，要求新建燃煤机组接近或基本达到燃气轮机排放限值（在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3）。以某350 MW超临界CFB锅炉燃用高钙烟煤为例，阐述控制NOx排放的设计措施，总结其运行特性。1锅炉方案设计1.1锅炉设计参数某350 MW超临界CFB锅炉型号为DG1121/25.73-Ⅱ1。锅炉主要设计参数如表1所示。1.2锅炉燃料特性锅炉煤质和灰成分分析如表2和表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.T001表2锅炉煤质成分分析项目设计煤校核煤全水分/%16.916.0收到基灰分/%34.2338.71干燥无灰基挥发分/%39.3340.92收到基碳/%37.7934.61收到基氢/%2.322.15收到基氧/%8.288.15收到基氮/%0.150.12全硫/%0.330.26收到基低位发热量/(kJ/kg)13 67012 37010.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.T002表3锅炉灰成分分析项目符号设计煤校核煤二氧化硅SiO257.1058.88三氧化二铝Al2O321.7222.07三氧化二铁Fe2O34.975.03氧化钙CaO10.928.49氧化镁MgO1.110.90氧化钠Na2O0.330.31氧化钾K2O1.731.77二氧化钛TiO20.470.59三氧化硫SO30.801.03%锅炉设计煤及校核煤均为次烟煤，具有挥发分高、收到基氮元素和硫元素低、灰成分中CaO含量较高的特点。1.3锅炉控制NOx排放的设计方案锅炉采用350 MW超临界参数直流炉，为单炉膛、一次中间再热、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、循环流化床锅炉。采用选择性非催化还原法+选择性催化还原法(SNCR+SCR)脱硝设计（1+1层）。锅炉结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.F001图1锅炉结构根据项目的燃料特性以及NOx生成机理[4]，设计时采取多项控制NOx排放的措施。第一，控制炉内燃烧氧量。炉内燃烧氧量是影响NOx和N2O排放浓度的重要因素，因为HCN和NH3氧化的过程是需氧反应，由焦炭氮通过多相反应生成NO、(—N)和(—CNO)的反应也需要O2参加，氧量不足直接影响中间产物的生成量，进而影响NOx的生成。炉内氧量增多时，CO、C等还原剂物质浓度减少，NO的氧化生成反应加强，CO和C的还原反应减弱，从而使NO的排放浓度增大[4]。而氧量由过量空气系数决定。本项目燃料挥发分高，具有易着火、易燃尽的特性，燃烧效率可以得到保证，设计时选择相对较低的过量空气系数1.18。第二，控制炉膛温度水平。煤中的氮绝大部分被结合在相对稳定的芳香环结构和胺结构中，结构的热稳定性较好。随着温度升高，燃料中的N析出量明显增多，NO生成和分解反应都加快，但生成反应占主导地位[4]。本项目锅炉设计床温不超过890 ℃，综合考虑燃料的燃尽、炉内脱硫及NOx的生成。锅炉设计方案中，炉膛前墙及后墙均布置全炉膛高度的水冷隔墙/水冷扩展屏，实现炉膛三维空间受热面分布均匀，保证炉内三维空间温度场分布均匀，减小炉内的温度偏差。全炉膛高度的水冷隔墙/水冷扩展屏如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.F002图2全炉膛高度的水冷隔墙/水冷扩展屏第三，强化二次风分级。下部炉膛设计选择大收缩比的结构形式，密相区流化速度升高，可以将更多的细颗粒带到炉膛上部区域，炉膛沿高度方向的物料浓度均匀性得到改善，上下炉膛温差降低，有助于降低SO2和NOx的浓度。大收缩比的炉膛结构设计也可以降低一次风率，本项目的设计炉底一次风率仅占锅炉总风量的37%。一次风率减小，布风板区域氧气浓度降低，NOx原始生成浓度下降；同时相应的二次风率增大，二次风穿透性增强。结合入炉煤煤质特性，锅炉方案在常规二次风布置的基础上提高了上二次风的标高、优化了二次风喷口的位置、入炉角度和数量，使锅炉还原性气氛围区域相对于常规二次风系统提高1倍以上，可以有效降低NOx排放浓度[5-6]。分级燃烧效果得到进一步强化，加强了气固混合作用，能够对锅炉整个物料流化反应场进行重新分配，改善CFB锅炉炉膛中心缺氧问题，提高锅炉燃烧效率。第四，选择合理的Ca/S。在CFB锅炉中，为了降低燃烧过程产生的SO2浓度，通常采用向炉膛中加入石灰石作为脱硫剂的方法脱硫，对降低SO2的排放量起到了重要作用。但是运行数据表明，在CFB锅炉中加入石灰石通常会影响烟气中的NOx和N2O排放浓度。主要因为CaO会促进NH3的生成，而且促进NH3氧化生成NO[7]。因此，对于常规燃煤锅炉，随着Ca/S的升高，NOx的排放浓度增加。本项目原煤中CaO含量较多，对NOx原始排放有促进作用，控制NOx排放难度进一步增加。第五，脱硝方案。采用SNCR+SCR(1+1)系统脱硝。2锅炉运行特性2.1满负荷时锅炉运行特性本项目锅炉于2019年投入商业运行，整体运行良好。2020年8月进行了锅炉性能试验。试验结果表明：在锅炉出力、锅炉效率、炉内脱硫效率、SO2排放和Ca/S等方面的表现均优于设计值。在煤中氮元素数倍于设计值导致NOx原始排放较高的情况下，满负荷运行时，通过SNCR脱硝仍能满足超低排放要求，体现了锅炉的先进性。满负荷锅炉性能数据如下：第一，NOx排放：100%额定负荷下，NOx原始排放浓度186 mg/m3（标态，干基，6%O2）。SNCR投尿素时NOx排放浓度32.9 mg/m3（标态、干基、6%O2）。脱硝装置出口NOx浓度达到不高于40 mg/m3（标态、干基、6%O2）的要求，脱硝效率高于保证脱硝效率80%。第二，SO2排放和脱硫效率：100%额定负荷下，SO2排放浓度66.1 mg/m3，低于保证值(129 mg/m3)。炉内脱硫效率96.15%，高于设计值90%。Ca/S摩尔比0.80，低于保证值2.1。第三，锅炉效率：100%额定负荷下，实测锅炉效率为91.91%，修正后锅炉效率为92.80%，高于保证值(92.50%)。锅炉性能试验煤质和灰成分分析如表4和表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.T003表4锅炉性能试验煤质成分分析项目考核煤质全水分/%15.2收到基灰分/%36.58干燥无灰基挥发分/%40.04收到基碳/%37.17收到基氢/%2.29收到基氧/%7.86收到基氮/%0.62全硫/%0.37收到基低位发热量/(kJ/kg)13 36010.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.T004表5锅炉性能试验灰成分分析项目考核煤质二氧化硅52.36三氧化二铝28.86三氧化二铁5.84氧化钙7.05氧化镁1.10氧化钠0.71氧化钾1.54二氧化钛0.94三氧化硫1.16%2.2中低负荷时锅炉运行特性随着新的政策要求，本项目要参与深度调峰。各负荷脱硝后NOx排放情况如图3所示。经过考核，锅炉无油助燃最低稳燃负荷出力为335.9 t/h，低于保证值(336.3 t/h)。在此出力下燃烧稳定，无异常情况。NOx排放在中低负荷通过SNCR+SCR脱硝也能轻松满足环保要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.027.F003图3各负荷脱硝后NOx排放情况3结语某350 MW超临界CFB锅炉燃用高钙烟煤运行特性与设计相符，通过控制炉内燃烧氧量、炉膛温度水平、强化二次风分级和选择合适的Ca/S，在煤中氮元素含量高于设计值的情况下也能控制NOx排放水平。满负荷时通过SNCR脱硝满足超低排放要求；若需参与深度调峰，结合1层SCR脱硝能够轻松实现宽负荷脱硝。运行结果表明，锅炉性能优异，具有高效、清洁、灵活和经济运行特点，符合国家煤电高质量发展方向，可为后续燃用高钙烟煤或大量投入石灰石脱硫的CFB锅炉设计和运行提供参考。