電廠煤粉鍋爐的低氮燃燒優化改造

常志國

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部， 200540)

電廠煤粉鍋爐的低氮燃燒優化改造

常志國

(中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部， 200540)

闡述了在煤粉鍋爐燃燒過程中氮氧化物(NOx)的產生機理和影響因素，結合煤粉鍋爐改造，介紹了采用空氣分級燃燒降低NOx排放的原理，并對試驗結果進行了分析和討論。實施空氣分級燃燒改造后，煤粉鍋爐的NOx排放量大幅減少，鍋爐的主要性能參數指標得到提升，取得了良好的經濟效益和環保效果。

煤粉鍋爐 低氮燃燒 氮氧化物 空氣分級燃燒

根據火力發電廠大氣污染排放國家標準，第三時段燃用煙煤的鍋爐氮氧化物(NOx)排放量不得超過450 mg/m3。由于技術改造的復雜性，該標準現階段并未得到嚴格實施。“十二五”末上海市環保局將要實施新的《鍋爐污染物排放標準》，將NOx的排放標準提高到不超過200 mg/m3。

中國石化上海石油化工股份有限公司熱電部(以下簡稱熱電部)目前有4臺410 t/h煤粉鍋爐，NOx實際排放量為800～1 100 mg/m3，如果使用熱值較低的燃煤，NOx的排放量會更高，與2010年上海市執行標準要求的550 mg/m3排放標準存在很大差距。因此必須采取措施對NOx的生成和排放加以控制，實現電廠清潔化生產。

在控制煤粉鍋爐NOx生成方面，主要采取以下兩項技術:一是采用良好的爐內低氮燃燒方式，抑制NOx的生成;二是在鍋爐的尾部煙道加裝脫硝裝置，把粉煤燃燒形成的NOx轉化成無害的氮氣和有用的氮肥。這兩類控制技術各有利弊:前者的脫硝率相對低一些，但是由于投資小、運行費用低、使用方便，很適合在410 t/h煤粉鍋爐上應用，而爐內空氣分級燃燒技術就是一種很有效的爐內低氮燃燒控制手段。

1 NOx形成機理與控制原理

1.1 煤燃燒過程中的NOx形成機理［1－3］

在一般的燃煤鍋爐燃燒溫度下，煤燃燒生成的NOx中，一氧化氮占90%以上，二氧化氮占5% ～10%，而一氧化二氮只占1%左右。因此控制NOx的產生，主要就是抑制一氧化氮和二氧化氮的生成。

煤粉燃燒過程中產生的NOx有以下3種類型:空氣中的氮氣被高溫氧化而生成的熱力型NOx、燃料中的含氮化合物在燃燒過程中發生熱分解繼而進一步氧化生成的燃料型NOx以及空氣中的氮與燃料中的碳氫離子團反應而生成的速度型NOx。

熱力型NOx的生成速度隨溫度的增加呈指數增長。當溫度低于1 500℃時，很少有NOx產生;而在超過1 500℃時，溫度每升高100 K，其反應速率增加6～7倍。同時，熱力型NOx反應對氧的供應量相當敏感，氮與氧的物質的量比為1.0時無熱力型NOx生成;而在氮與氧的物質的量比為1.2時，熱力型NOx生成量最高可達到NOx總量的15%。

就燃料型NOx的生成而言，從燃燒過程來看，煤燃燒是在一定環境下發生的劇烈氧化反應，反應過程中，溫度和氧氣的體積分數等條件對NOx的生成起著重要的作用。

煤粉在燃燒的過程中，NOx的產生量與燃燒方式及燃燒條件的關系最為密切，主要的影響因素有以下5個方面:(1)煤種的品質，如燃料煤中氮的質量分數和煤粉中的揮發分等;(2)爐內燃燒溫度;(3)過?？諝庖蜃应?(4)煤粉以及燃燒產物在爐內高溫燃燒區的停留時間;(5)煙氣中氧氣、氮氣、烴類、氮氫化合物及一氧化碳的體積分數。

根據燃燒試驗數據分析，煤粉在燃燒過程中，燃燒溫度以及燃燒中的氧氣的供應量對NOx的生成起主要的作用，也就是說在劇烈的燃燒氧化反應下，燃燒溫度和過?？諝庖蜃邮且种芅Ox生成的主要因素。

1.2 空氣分級燃燒技術［4］

在煤粉鍋爐中，燃燒室的燃燒溫度不超過1 400℃，從熱力型NOx形成機制來看，該條件下熱力型NOx的生成量很少，抑制燃料型NOx的生成才是控制NOx的主要手段。燃燒過程主要分為3個階段，即燃料的預熱階段、著火階段和燃料氣化結束后固體剩余物的燃盡階段。在煤粉的著火階段，由于燃料發生劇烈氧化，燃燒溫度迅速提高，燃料因熱解而產生大量的揮發分，容易快速生成燃料型NOx。此時若氧氣富余，根據NOx形成機理，燃料中的氮將迅速轉化成一氧化氮;若氧氣供應不足，則氮氣的形成得到強化，從而抑制了一氧化氮的形成。

用比較文學的方法來研究魯迅的作品，由來已久，從最早的上世紀20年代趙景深的影響研究的論文《魯迅與柴霍夫》算起(注：柴霍夫，現譯為契訶夫)，迄今已近百年，相關專著和論文已經是汗牛充棟。很早就有學者注意到俄蘇文學對魯迅創作的影響，之后，魯迅同日本文學、德國文學、英國文學、東歐各國文學之間關聯的學術論述也不斷出現，對魯迅的比較文學研究也蔚為大觀。

爐內空氣分級燃燒技術就是根據這一原理，通過改變送風方式，控制鍋爐內空氣的分布，使得過?？諝庖蜃应列∮?，煤粉在著火階段處于缺氧狀態，在燃燒器出口和燃燒中心區域形成還原性氣氛，從而降低NOx的生成量，未燃盡的炭粒則在爐膛上部的燃盡區與燃盡風混合并完全燃燒，其中燃盡風由主燃空氣分流而來，并通過爐膛上部的燃盡風噴口噴入燃盡區。

圖1為鍋爐空氣分級燃燒方式示意。

圖1 空氣分級燃燒方式示意

2 改造措施及其效果

2.1 設備概況

熱電部的煤粉鍋爐是北京巴布科克·威爾科克斯公司生產的B＆WB－410/9.8－M型鍋爐，為單汽鼓自然循環、Π型布置，爐膛由直立膜式水冷壁組成，爐膛出口設有蒸汽過熱器，對流豎井煙道設有省煤器和空氣預熱器(二級交叉布置)，鍋爐正四角設有直流燃燒器，組成切圓燃燒，并配備2臺鋼球式磨煤機的中間儲倉式制粉系統。

煤粉鍋爐使用的直流燃燒器布置在爐膛四角，同層的4個燃燒器的幾何中心與爐膛中心的假想切圓相切。直流燃燒器的出口由一組矩形噴嘴組成，一、二次風從不同噴口以直流射流的形式噴進爐膛，氣流在燃燒器出口沒有旋轉運動。

由于采用一次風和二次風間隔布置，燃燒器區域的燃料能夠與空氣充分混合，使煤粉得到充分的燃燒，有利于鍋爐效率的提高。但是，煤粉的充分燃燒要求高溫和富氧環境，這同時對NOx生成有利。因此，為了降低NOx的生成量，首先要對燃燒器進行相應的改造，形成缺氧富燃區，以抑制NOx的生成;其次在低溫區域補充空氣，使未燃盡的煤粉繼續燃燒，從而保證鍋爐效率，降低NOx的生成量。

2.2 主要改造內容

針對熱電部煤粉鍋爐的實際情況，應用低氮燃燒新技術，在確保燃燒器安全運行的前提下實現煤粉提前劇烈燃燒，使得燃燒區域煤粉火焰嚴重缺氧，從而抑制NOx的生成。主要的改造內容包括:將上、中、下三層一次風改為帶周界風的濃稀相燃燒器，中層一次風和下層一次風由間隔布置改為集中布置，上上層二次風和中上層二次風也改為集中布置，中層和上層一次風采用帶中心風的外燃式燃燒技術，其中中層燃燒器設有小油槍，以實現微油點火(如圖2所示)。同時，將三層一次風切圓直徑減小，對爐內切圓進行一次風小切圓、二次風大切圓的風包粉布置;中上層的二次風燃燒器和兩層燃盡風燃燒裝置實施左右擺動燃燒，即切圓可調，以達到在爐膛溫度提高的情況下防止水冷壁高溫腐蝕和嚴重結渣的目的。

為提高低氮燃燒效果，通常情況下采用切圓燃燒形式的鍋爐中煤粉與空氣的混合不均勻。特別需要指出的是，在燃燒的后期，燃燒速度會因為供氧不足而變慢，使得煙氣中一氧化碳和飛灰含炭量增高。在這種情況下如果采用低氮燃燒方式，還原性氛圍會進一步影響燃燒速度和燃燒效率，導致飛灰含炭量大幅上升，鍋爐效率大幅下降。為此燃盡風裝置采用墻式布置，在燃燒的后期直接讓氧氣體積分數比較高的空氣高速、均勻地噴入高溫火焰中，與以前的四角切入方式相比，強化了氣、焰混合能力，提高了鍋爐效率。同時，由于采用二次風擺動技術，可避免在水冷壁附近產生還原性氣體氛圍，預防水冷壁發生腐蝕和嚴重結渣。

圖2 改造后的燃燒器布置方式

2.3 改造效果

從表1可以看出，鍋爐改造后在不同負荷情況下的NOx排放量均低于國家標準，遠低于上海市2010年對NOx的控制要求;鍋爐煙氣脫硝率平均達到51%，鍋爐效率平均提高了3.24%。

表1 改造前后NOx排放量及鍋爐主要參數對比

3 結論

改造后進行了各種工況條件下運行試驗，可以得出如下結論:

(1)由于多項技術的綜合應用，不同負荷下鍋爐的NOx排放量均在450 mg/m3以下，達到了國家和上海市對NOx的控制要求;脫硝率控制在51%以上，根據第三方檢測鍋爐效率提高了3.24%，節油率達到90.99%。

(2)低負荷能力達到40%左右，鍋爐煤種適應性大為提高。與煤粉鍋爐配套的2套制粉系統的風壓沒有差異，可以確保長期在低NOx排放狀態下運行。

(3)改造后煤粉的燃燒更為劇烈，一次風氣流平均溫度由838℃上升到1 100～1 125℃，爐膛平均溫度由1 351℃提高到1 460～1 470℃，與“在保證燃燒器安全運行的條件下盡可能保證煤粉提前著火，使得燃燒器區域煤粉火炬嚴重缺氧，從而抑制NOx的生成”的設計理念吻合。

(4)盡管改造后爐膛平均溫度由1 351℃提高到1 460～1 470℃，卻沒有出現水冷壁高溫腐蝕和嚴重結渣的跡象，說明一次風小切圓、二次風大切圓以及二次風擺動技術的運用有效阻止了水冷壁的腐蝕和結渣。

［1］ 森康夫．燃燒污染與環境保護［M］．蔡銳彬，盧振雄，譯．廣州:華南理工大學出版社，1989:221－228．

［2］ 馮俊凱，沈幼庭．鍋爐原理及計算［M］．北京:科學出版社，1992:206－207．

［3］ 吳碧君．燃燒過程NOx的生成機理［J］．電力環境保護，2003，19(4):9 －12．

［4］ 張成恩．分級燃燒技術的應用［J］．鍋爐技術，1998(6):40－42．

Optimization Renovation of Low NOxCombustion in Pulverized Coal Fired Boiler of Thermal Power Plant

Chang Zhiguo

(Thermal Power Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The mechanism for generation of NOxin the combustion process of pulverized coal fired boiler was introduced．Connecting with renovation of pulverized coal fired boiler，the principle of reducing NOxdischarge through air classification combustion was introduced，and the experimental result was analyzed and discussed．After air classification combustion renovation，the discharge of NOxfrom pulverized coal fired boiler decreased substantially，and the main performance indexes of boiler were improved，which achieved good economic profit and environmental protection effects．

pulverized coal fired boiler，low NOxcombustion，NOx，air classification combustion

1674－1099 (2012)03－0010－04

TK229.6

A

2012-02-23。

常志國，男，1978年12出生，2001年7月畢業于東北電力學院熱能動力專業，工程師，現從事電廠運行安全管理工作。