660MW超臨界鍋爐降低NOx排放的控制措施

趙曉鵬　張玉平

（1.寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏　靈武　750400；2.北京京能新能源公司寧夏分公司，寧夏　靈武　750400）

660MW超臨界鍋爐降低NOx排放的控制措施

趙曉鵬1張玉平2

（1.寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏靈武750400；2.北京京能新能源公司寧夏分公司，寧夏靈武750400）

目前，隨著國內(nèi)對NOx排放的控制指標日趨嚴格，根據(jù)國家三部委下發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知，鍋爐氮氧化物排放濃度不高于50mg/Nm3。在火力發(fā)電廠中，利用超臨界機組節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的優(yōu)勢，采用有效的NOx排放控制措施，為機組爭取較多的利用小時數(shù)，提高機組的發(fā)電利潤，是發(fā)電企業(yè)勢在必行的途徑。

超臨界鍋爐；NOx排放；控制措施

1　氮氧化物NOx的生成機理

氮氧化物NOx是燃煤電廠煙氣排放三大有害物（SO2、NOx、總懸浮顆粒物TSP）之一。從污染角度考慮，氮氧化物主要是NO和NO2，統(tǒng)稱為NOx。在絕大多數(shù)燃燒方式下，主要成分是NO，約占NOx的90%之多，NO在空氣中又會迅速轉(zhuǎn)化為NO2［1］。

煤粉燃燒過程中，NOx的產(chǎn)生機理一般分為3種。第一種是熱力型NOx。燃燒時空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生。研究表明，當溫度＜1 350℃時，NO的生成量很少，隨著溫度的上升，熱力型NOx生成量呈指數(shù)上升趨勢，當溫度達1 500℃以上時，溫度每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍，熱力型NOx占NOx生成總量的25%～30%。第二種是快速型NOx。由氮氫基同分子氮發(fā)生反應(yīng)以及隨后原子氮又與氫氧基相互作用而形成的，在一般的燃燒裝置中其生成量很少，約占5%，與溫度的關(guān)系不大。第三種是燃料型NOx。由燃料中氮化合物在燃燒中轉(zhuǎn)換而成。燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃時就會生成燃料型NOx，在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60%～80%。燃料型NOx的反應(yīng)機理較熱力型復(fù)雜的多，2種形態(tài)的氮氧化物HCN、NH3以不同的反應(yīng)途徑生成NO，同時伴隨NO還原為N2的反應(yīng)。HCN氧化為NCO后，有2條反應(yīng)途徑，取決于反應(yīng)條件。在氧化性氣氛中，NCO會進一步氧化生成NO；而在還原氣氛中，NCO會反應(yīng)生成NHi。NHi基在氧化氣氛中會進一步氧化生成NO，成為NO的生成源；同時，又能與已生成的NO進行還原反應(yīng)，使NO還原為N2。

2　影響氮氧化物NOx生成的主要因素

2.1煤種特性

如煤的含氮量、揮發(fā)分含量、燃料比FC/V以及氧氮比O/N等。在相同條件下，煤的含氮量越高，NOx的生成量就越大；煤的揮發(fā)分升高，揮發(fā)分中烴（CH）成分對NO的還原反應(yīng)增強，生成NO濃度的相對值降低。

2.2燃燒溫度

熱力型NOx的生成受燃燒溫度影響巨大，根據(jù)試驗，燃燒溫度1 350℃以上時，才會大量生成，且隨溫度的升高，NOx生成量呈指數(shù)上升趨勢。理論上，應(yīng)盡可能降低燃燒溫度，但一般鍋爐爐內(nèi)燃燒溫度不低于1 350℃；且人為降低鍋爐燃燒溫度，造成鍋爐穩(wěn)定性和經(jīng)濟性下降，得不償失。

2.3爐內(nèi)反應(yīng)氣氛

即煙氣中O2、N2、NO和CHi的含量。爐內(nèi)O2濃度越高，NOx的生成越容易，而降低爐膛氧量會使爐內(nèi)燃燒區(qū)長期處于還原性氣氛中，引起灰熔點降低導(dǎo)致爐膛壁面結(jié)渣或引起管壁高溫腐蝕等問題。燃燒器區(qū)域空氣系數(shù)與NOx排放濃度變化關(guān)系如圖1所示。

圖1　燃燒器區(qū)域空氣系數(shù)與NOx排放濃度變化關(guān)系

2.4燃料與燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)和爐膛內(nèi)的停留時間

理論上燃料與燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)及爐內(nèi)停留的時間越短越好，但時間過短會影響煤粉的燃盡，經(jīng)濟性、安全性會受到一定的影響。

3　爐內(nèi)脫硝途徑

抑制NOx生成和促進NOx還原的途徑見圖2。

4　設(shè)備概況

寧東發(fā)電公司2×660MW鍋爐型號為HG-2210/25.4-YM16，為哈爾濱鍋爐廠制造的超臨界鍋爐。一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行，采用不帶循環(huán)泵的大氣擴容式啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架，全懸吊結(jié)構(gòu)，π型布置緊身封閉。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，煤粉細度R90=18%。鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，燃燒器型式為水平濃淡分離直流燃燒器，主燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，每層4只燃燒器對應(yīng)1臺磨煤機。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁的四角，以實現(xiàn)分級燃燒降低NOx排放。電廠設(shè)計煤質(zhì)與實際煤質(zhì)如表1所示。

圖2　抑制NOx生成和促進NOx還原的途徑

表1　電廠設(shè)計煤質(zhì)與實際煤質(zhì)情況

5　降低NOx排放的優(yōu)化措施

5.1控制一次風(fēng)速降低NOx的生成

在維持磨粉管正常風(fēng)速情況下，盡量降低一次風(fēng)速，保持其他參數(shù)都不變時，煤粉氣流與輔助風(fēng)的混合延遲，且煤粉氣流著火熱減少，煤粉著火提前，相當于消耗了燃燒初期的氧量，氧濃度下降；同時，較低的一次風(fēng)速，使燃燒初期的還原性氣氛加強，促進了NOx的還原，降低了NOx生成量（見圖3）。運行中投入一次風(fēng)自動，一次風(fēng)壓跟隨鍋爐總煤量進行滑壓運行，根據(jù)運行工況對一次風(fēng)壓進行偏置調(diào)節(jié)，盡量維持一次風(fēng)壓低限運行，降低NOx生成量。

5.2采取合理的二次風(fēng)配風(fēng)方式降低NOx的生成

維持鍋爐總風(fēng)量一定的情況下，改變輔助風(fēng)、燃盡風(fēng)及燃料風(fēng)的風(fēng)門擋板開度來改變二次風(fēng)配風(fēng)方式。從倒塔、正塔、縮腰、均等配風(fēng)的燃燒調(diào)整試驗看，兼顧汽溫及煙溫偏差情況，輔助風(fēng)采用均等配風(fēng)方式效果最好。這是因為主燃燒器區(qū)域的氧濃度降低，既能降低主燃燒區(qū)域的火焰溫度，又能抑制燃料氮形成的中間產(chǎn)物與氧反應(yīng)，所以熱力型NOx和燃料型NOx都受到抑制。

圖3　一次風(fēng)壓與煤量對應(yīng)曲線

圖4　氧量與負荷曲線

圖5　風(fēng)量與煤量曲線

5.3控制過量空氣系數(shù)降低NOx的生成

隨著機組負荷變化，及時調(diào)整鍋爐氧量，維持鍋爐氧量在滑氧運行曲線的下限運行，隨著鍋爐過量空氣系數(shù)降低，NOx排放量呈單調(diào)下降趨勢，這是因為燃燒區(qū)域氧量下降，爐內(nèi)溫度下降，熱力NOx生成量下降；同時，燃燒區(qū)域氧濃度的下降，降低了燃料氮的中間產(chǎn)物與氧反應(yīng)的可能性，燃料NOx的生成量隨之下降，所以總的NOx排放量下降（見圖4和圖5）。鍋爐運行氧量與風(fēng)量應(yīng)及時跟隨對應(yīng)曲線進行調(diào)整，控制爐內(nèi)氧化性氣氛，降低NOx排放量。

5.4機組負荷對NOx的影響

根據(jù)現(xiàn)場試驗，鍋爐NOx生成水平隨著機組負荷變化呈現(xiàn)兩頭高中間低的趨勢。低負荷段，由于鍋爐氧量較高，爐內(nèi)呈氧化性氣氛，NOx生成量增加；高負荷段，由于鍋爐熱負荷增加，爐內(nèi)溫度水平高，燃料型和熱力型NOx生成量增加（見圖6）。

5.5增加燃盡風(fēng)量降低NOx的生成量

在鍋爐總風(fēng)量不變的情況下，合理分配輔助風(fēng)風(fēng)量的比例，增大燃盡風(fēng)門開度，關(guān)小輔助風(fēng)門開度，維持二次風(fēng)箱差壓不變的情況下，增加燃燒空氣的分級程度，控制主燃區(qū)的過剩空氣系數(shù)α＜1，NOx生成量下降。但為了防止發(fā)生鍋爐高溫腐蝕，主燃燒器區(qū)域的輔助風(fēng)不宜減少過多，滿負荷下一般控制輔助風(fēng)門開度在30%左右。

圖6　NOx與機組負荷曲線

5.6優(yōu)化磨煤機運行方式降低NOx的生成量

根據(jù)試驗，當各層燃燒器煤粉量分配采用上少下多時，即減少上層磨出力增加下層磨出力的情況下，爐內(nèi)的火焰中心位置下降，煤粉離上層燃盡風(fēng)距離加大，爐內(nèi)燃燒的空氣分級程度相對加強，NOx排放量降低。

5.7控制煤粉細度降低NOx的生成量

在其他燃燒方式不變的情況下，控制較低的煤粉細度，煤粉比表面積增大，煤質(zhì)揮發(fā)分析出加快，對燃燒生成的NOx還原增強，NOx的排放下降。運行中關(guān)注煤粉細度的變化，綜合制粉電耗的影響，控制煤粉細度載18%±4%范圍內(nèi)，煤粉均勻性指數(shù)1.1左右，增強煤粉揮發(fā)分的析出速度和均勻性，減少NOx的生成量。

6　結(jié)語

在環(huán)保控制日益嚴苛的情況下，通過鍋爐低NOx排放控制措施，能夠降低NOx排放濃度，同時減少還原劑的消耗量。在鍋爐燃燒調(diào)整過程中，為降低NOx的生成，要同時兼顧防止鍋爐發(fā)生高溫腐蝕和結(jié)焦的情況，現(xiàn)行各種低NOx燃燒方法多采用空氣深度分級方式，鍋爐主燃區(qū)氧量過低，爐內(nèi)還原性氣氛增強，灰分的灰熔點隨之降低，燃燒器區(qū)域發(fā)生高溫腐蝕的概率也會增加。因此，根據(jù)鍋爐掉焦情況和停爐檢修爐內(nèi)檢查情況，不斷總結(jié)鍋爐的運行情況，合理組織爐內(nèi)燃燒狀況，在保證鍋爐不發(fā)生嚴重結(jié)焦和高溫腐蝕的情況下，采取低NOx燃燒調(diào)整措施，降低鍋爐NOx的生成量。同時，在燃燒調(diào)整過程中，監(jiān)視鍋爐飛灰含碳量的變化情況，在降低NOx水平的同時兼顧鍋爐燃燒的經(jīng)濟性。因此，通過燃燒調(diào)整能夠降低鍋爐NOx的生成量，但要綜合考慮鍋爐安全運行和經(jīng)濟運行的因素，通過對比得出最佳的調(diào)整方式。

［1］王廣盛，趙顯坤，桂永亮.工業(yè)鍋爐NOX污染及防治［J］.石油化工環(huán)境保護，2003（2）：23-26.

Control Measures to Reduce NOx Emission of 660MW Supercritical Boiler

Zhao Xiaopeng1Zhang Yuping2
（1.Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co.Ltd.，Lingwu Ningxia 750400；2.Beijing Jingneng New Energy Company Ningxia Branch，Lingwu Ningxia 750400）

At present，with the more stringent domestic on NOx emission control targets，according to the three ministries and commissions under the state"the full implementation of coal-fired power plant ultra low emission and energy saving transformation program of work"notice，boiler NOx emission concentration less than 50mg/Nm3.In the thermal power plant，it was an essential for way power generation enterprises of the use of ultra supercritical unit energysaving，economical and environmentally friendly advantages by effective NOx emission control measures，as the unit for more the utilization hours，to improve the profit of generating units.

supercritical boiler；NOx emission；control measures

TK227

A

1003-5168（2016）07-0154-03

2016-06-26

趙曉鵬（1973-），男，本科，工程師，研究方向：電廠鍋爐運行技術(shù)管理；張玉平（1974-），女，本科，工程師，研究方向：新能源電力管理。