300MWCFB鍋爐N2O排放特性研究

唐劍　張志勇　王越　劉曼

【摘 要】為了降低CFB鍋爐N2O排放濃度，本文對某300MWCFB鍋爐在不同氧量和不同床壓工況下的N2O、SO2和NO排放濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，分析研究了這三種污染物排放濃度隨試驗(yàn)工況變化的情況及內(nèi)在機(jī)理，為流化床鍋爐運(yùn)行過程中如何降低N2O排放濃度提供了優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】CFB；N2O/SO2/NO減排；運(yùn)行建議

循環(huán)流化床鍋爐因其污染物排放中NOx和SO2的濃度比常規(guī)燃煤鍋爐低很多而得到廣泛應(yīng)用。然而隨著對CFB鍋爐燃燒技術(shù)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐尾部煙氣中N2O的排放濃度遠(yuǎn)高于普通燃煤鍋爐，而N2O是一種主要的溫室氣體。因此，如何控制CFB鍋爐N2O的排放濃度，具有重要的意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)使用的儀器是MG2000傅里葉可變換紅外煙氣分析儀，該儀器可對N2O、NO、SO2、O2等氣體進(jìn)行測量。

MG2000傅里葉可變換紅外煙氣分析儀需與電腦、伴熱管、煙氣采樣管、真空泵、標(biāo)準(zhǔn)氣體等設(shè)備配合使用。試驗(yàn)設(shè)備放置于該電廠煙氣小間內(nèi)。測點(diǎn)布置在尾部煙道接近煙囪處。煙氣經(jīng)煙氣采樣管，伴熱管采集到MG2000中進(jìn)行分析。采集過程中保持儀器24小時運(yùn)行，每隔1分鐘生成一組煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)。

對于采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，先檢查在特定試驗(yàn)工況時間段內(nèi)參數(shù)是否穩(wěn)定，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，然后計算出該段時間內(nèi)床溫，床壓、氧量、二氧化硫、氮氧化物以及N2O的平均值，作為試驗(yàn)最終的數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)工況安排

影響鍋爐N2O排放濃度的運(yùn)行參數(shù)和影響因素有很多，諸如煤種、脫硫劑加入量、石灰石粒徑、過量空氣系數(shù)、床溫、循環(huán)倍率等等。而在眾多的現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)中，過量空氣系數(shù)、床溫和脫硫劑的使用是與這兩種途徑關(guān)系最為密切，影響最為直接的三種因素。而且，在現(xiàn)場試驗(yàn)中，這三種運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)也較為容易采集。因此，在本試驗(yàn)中，我們選擇改變氧量、床溫和石灰石加入量作為主要試驗(yàn)工況，同時由于對床壓與N2O排放濃度之間關(guān)系的研究較少，我們也對此進(jìn)行了補(bǔ)充研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變氧量試驗(yàn)及相關(guān)分析

試驗(yàn)負(fù)荷為300MW，石灰石加入量為100t/h，床溫控制在820oC，床壓穩(wěn)定在6.0kPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 不同氧量下N2O排量的變化

由圖1看出，隨著氧量的增加，N2O的排量總趨勢是增加的。從均相反應(yīng)的角度來看，HCN作為該反應(yīng)中N2O最主要的來源[1-2]，氧量越高，HCN生成NCO的反應(yīng)越強(qiáng)，而NCO+NO生成N2O的反應(yīng)也越強(qiáng)[3]?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

HCN+O→NCO+H（1）

NCO+O→NO+CO（2）

NCO+OH→NO+CO+H（3）

NCO+NO→N2O+CO（4）

從非均相反應(yīng)的角度來看，氧量的增加主要通過以下兩個途徑使N2O的生成量增加[2，4]：

（1）在焦炭直接與氧氣反應(yīng)生成N2O的過程中，由于氧量的增加，促使反應(yīng)向正向進(jìn)行進(jìn)而促進(jìn)了N2O的生成；

（2）由于焦炭燃燒過程中，一部分焦炭N陸續(xù)轉(zhuǎn)化為HCN，發(fā)生類似于之前所說的均相反應(yīng)的過程，也導(dǎo)致N2O的排量增加。

然而在本試驗(yàn)中，當(dāng)氧量在1.3～2.5之間增加時，N2O的增長趨勢較為緩慢，當(dāng)氧量超過2.5之后，N2O排量迅速增加。出現(xiàn)這種情況有兩個原因：

（1）當(dāng)氧量較低時，燃料不能充分燃燒，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)CO含量增多，而據(jù)研究表明，當(dāng)有金屬氧化物存在時，CO對N2O有分解作用[5]。

對于循環(huán)流化床鍋爐，為了降低SO2的排量，往往在其燃料中添加石灰石來進(jìn)行脫硫，石灰石加入后，受熱發(fā)生分解反應(yīng)，生成大量CaO。除此之外，試驗(yàn)所用煤種自身CaO含量也較高。脫硫劑和燃煤不僅將大量的CaO帶入爐膛內(nèi)，還將諸如Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO等金屬氧化物帶入爐膛。這些金屬氧化物大量存在于循環(huán)灰中，對CO分解N2O的化學(xué)反應(yīng)起著催化作用。

（2）對氧量變化的控制，主要是通過調(diào)控二次風(fēng)量。氧量增大，二次風(fēng)量增多，煙氣中的H和OH自由基的濃度下降，這兩種自由基都對N2O有分解作用。當(dāng)氧量較低時，它們的濃度較高，對N2O的分解作用較強(qiáng)，因此N2O的生成率較低。當(dāng)氧量進(jìn)一步增大時，這兩種自由基濃度下降，對N2O的分解作用減弱，N2O生成量增多。

圖2 不同床壓下N2O排量的變化

在上面這兩種因素的綜合作用下，雖然N2O的生成速率隨氧量增加是增加的，但在氧量為1.3～2.5之間時，N2O的生成速率與分解速率相差無幾，故增長較為緩慢，當(dāng)氧量超過2.5之后，燃料得以充分燃燒，CO生成量不斷減少，N2O繼續(xù)不斷生成。在這兩種因素的綜合作用下，N2O生成速率迅速加快。

2.2 變床壓試驗(yàn)及相關(guān)分析

試驗(yàn)負(fù)荷為300MW，石灰石加入量為100t/h，床溫控制在813℃，氧量穩(wěn)定在2.3%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

循環(huán)流化床中是熱量傳遞依賴于物料，決定爐膛蒸發(fā)受熱面?zhèn)鳠釓?qiáng)度的主要因素之一就是物料量的大小，而爐內(nèi)物料量多少的則是通過床壓來進(jìn)行判定的。床壓升高，表明流化床的循環(huán)物料量增多，而未燃盡的物料量也相應(yīng)增多，這些未燃盡的物料通過旋風(fēng)分離器和回料閥返回到爐膛中，這樣就使得大量未燃盡的炭懸浮在燃燒室內(nèi)，這些焦炭氮在懸浮段緩慢氧化生成N2O：

NH+O→NO+H（5）

NH+OH→NO+H2（6）

NO+OH→NO2+H（7）

大量由由揮發(fā)分N在沸騰段快速釋放燃燒產(chǎn)生的NO在焦炭表面被還原成N2O：

NO+O→NO2（8）

雖然此時N2O在焦炭表面的非均相還原分解有所加強(qiáng)，但其生成量遠(yuǎn)小于N2O的生成量。所以當(dāng)床壓升高時，N2O的排放量也升高。

3 試驗(yàn)工況下其他污染物濃度變化

3.1 變氧量工況下其他污染物濃度變化

圖3 氧量變化對NOx、SO2和N2O的影響

在圖3中，隨著氧量的上升，NO和N2O的排放濃度均增大，SO2的排放濃度降低。其中N2O排放濃度由21mg·m-3上升至42mg·m-3，增幅達(dá)到了一倍，氧量變化的影響遠(yuǎn)超過了石灰石量和床溫變化的影響，但由于N2O總量比較少，所以在污染物排放總量中比重較少；NO排放濃度由82mg·m-3上升至227mg·m-3，增幅為145 mg·m-3；SO2排放濃度由230mg·m-3上升至538mg·m-3。三種主要污染物中仍以SO2為主，NO次之，N2O的排放濃度最少。

3.2 變床壓工況下其他污染物濃度變化

圖4中，隨著床壓升高，SO2排放濃度增幅明顯，由175 mg·m-3升至400 mg·m-3，已經(jīng)超過了GB13223-2011中200 mg·m-3的標(biāo)準(zhǔn)；與其相比，NO和N2O的排放濃度變化可以忽略。因此，通過床壓調(diào)控N2O排放濃度是，要重點(diǎn)監(jiān)控SO2排放濃度的變化。

圖4 床壓變化對NOx、SO2和N2O的影響

4 結(jié)論及建議

（1）通過變氧量試驗(yàn)可知，隨著氧量的增加，N2O的排放濃度也逐漸升高。在氧量增大的過程中，N2O的排放濃度的增長先較為緩慢，然后逐漸加快。這是因?yàn)檠趿枯^低時，煙氣中的CO以及H和OH兩種自由基含量較高，對N2O的分解作用比較強(qiáng)。隨著氧量升高，N2O生成反應(yīng)被加強(qiáng)，CO以及H和OH兩種自由基的濃度下降，對N2O的分解作用減弱，因此N2O排放濃度增速加快。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧量超過2.0%后，SO2濃度變化速率減緩，但其下降速率仍比NO和N2O的增長速率要快。綜合考慮SO2、N2O和NO三種污染物排放濃度，氧量保持在2.7%比較合適。

（2）通過變床壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著床壓升高，N2O排放濃度也相應(yīng)升高，但由于床壓變化和N2O排放濃度變化還沒有公認(rèn)的對應(yīng)關(guān)系，所以在這里只是依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出可能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。床壓升高，表明循環(huán)物料的量增多，循環(huán)物料增多必然使得爐膛空間中焦炭顆粒增多，焦炭與已經(jīng)生成的NO反應(yīng)可以生成N2O，也可以與O反應(yīng)生成N2O，所以N2O的排放濃度增大。

在變床壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，床壓變化對SO2的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對NO和N2O排放濃度的影響，所以在不影響機(jī)組效率的前提下，床壓應(yīng)適度降低。

【參考文獻(xiàn)】

[1]丁乃令，姜秀民，吳少華.油頁巖流化床燃燒N2O生成特性[J].熱能動力工程， 2003，18（6）：589-591.

[2]周浩生，陸繼東，周琥.燃煤流化床加入氧化鈣的氮轉(zhuǎn)化機(jī)理[J].工程熱物理學(xué)報，2000，21（5）：647-651

[3]侯祥松.循環(huán)流化床鍋爐NO和N2O脫除的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，2007.

[4]A. Molina， E.G. Eddings， D.W. Pershing， A.F. Sarofim， Char nitrogen conversion： implications to emissions from coal-fired utility boilers[J]. Progress in Energy and Combustion Science， 2000， V26（4）： 507-531.

[5]劉浩，馮波，林志杰，劉德昌，等.循環(huán)流化床燃燒工況對生成N2O的影響[J].華中理工大學(xué)學(xué)報，1995，23[11]：1-4.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]