燃煤鍋爐低氮燃燒控制研究

[摘 要]本文介紹的低氮燃燒器的改造，可以在爐內降低部分NOx的生成，在滿足新排放標準的情況下可以降低尾部脫硝設施的投資及運行費用，為火電機組污染物達標排放提供有意的參考。

[關鍵詞]低氮燃燒；燃煤鍋爐；NOx生成；控制

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）21-0176-01

1 引言

火電廠大氣污染物排放控制問題，已越來越受到世界各國政府的關注和重視。國家對污染物排放控制標準也逐步提高，火電廠普遍應用了脫硫、脫硝裝置和低氮燃燒技術。因此，根據環境保護部的火電廠氮氧化物防治技術政策的技術路線要求，低氮燃燒技術應作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術。

神寧烯烴動力中心6×460t/h機組鍋爐在正常運行工況下煙氣NOx排放濃度約為400～550mg/m3，鍋爐現有燃燒系統的NOx控制技術水平較低。為滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）、國務院關于大氣污染防治“十二五”規劃的批復（國函〔2012〕146號）和當地環保要求，神寧烯烴動力中心必須在2015年12月31日前先后完成6臺機組低氮燃燒改造，控制NOx排放濃度不大于50mg/Nm3。此外，該公司鍋爐排煙溫度（修正后）存在著較設計值偏高20℃左右的情況。因此，神寧烯烴動力中心計劃對鍋爐進行降低NOx和排煙溫度的技術改造，并以項目總承包的形式進行實施，由承包方根據鍋爐實際運行狀況，研究制定符合實際需求的低氮燃燒器改造方案，承包方負責設計、設備和材料采購、制造、供貨、安裝（含拆除和恢復）、系統調試、試驗及檢查、試運行、消缺、培訓和最終交付投產等全過程。項目總體要達到的指標如下：改造后煙囪出口的NOx排放濃度全負荷段（最低穩燃負荷至BMCR）均不大于50mg/Nm3。介紹了改造方案及取得的效果，以期為其他電廠的同類機組改造提供參考。

2 燃煤電站鍋爐爐內N0x生成機理與分級燃燒

2.1 N0x生成機理

煤炭燃燒過程中產生氮氧化物的途徑有三種：熱力型、燃料型和快速型。在燃煤鍋爐中NOx的生成主要依賴于燃料型和熱力型，在爐溫比較高的情況下熱力型NOx的生成量急速上升是NOx主要生成源，快速型NOx生成量通常很少。燃煤電站鍋爐煤炭在爐內空間燃燒爐內溫度通常很高，在高溫下NOx的生成機理是根據捷里多維奇理論來分析的，NOx的生成過程經過許多中間反應最終而形成，在各中間反應期間受反應分解平衡常數，活化能、煤粉與空氣的流動和混合狀況等因素的影響。

因此對于燃煤火力發電廠。降低氮氧化物生成量的途徑在于控制02、N2的濃度以及燃燒過程中的溫度，其中控制溫度與02的供給量，對降低由燃燒而產生的氮氧化物生成量具有顯著的實際應用價值，是實施爐內分級燃燒控制氮氧化物生成的理論基礎。

2.2 爐內分級燃燒原理

根據氮氧化物生成機理，爐內分級燃燒是通過調整燃燒器及其附近區域或是整個爐膛區域內空氣和燃料的混合狀態，使燃料經過空氣過量系數小于1的貧氧區和大于l的富氧區兩個階段，實現NOx生成量下降的燃燒控制技術。在空氣過量系數小于1的燃燒階段，由于氧氣濃度較低，抑制了熱力型NOx的生成，同時不完全燃燒使部分中間產物如HCN和NH3將部分已生成的NOx還原成N2，減少燃料型NOx的生成。然后在空氣過量系數>l的富氧燃燒階段，并燃盡。但由于此區域的溫度已經降低，新生成的NOx量十分有限，因此總體上NOx的排放量明顯減少。分級燃燒技術的實際應用主要有順煙氣流向分級燃燒和沿爐膛斷面分級燃燒兩種方式，本試驗采用順煙氣流分級燃燒。順煙氣流向分級燃燒是將燃燒所需的二次風分兩部分進入爐膛：一部分為主二次風，約占二次風總量的70%～85%，另一部分為火上風，約占二次風量的15%～30%。如此，爐膛內形成三個燃燒區域，即熱解區、貧氧區和富氧區。在熱解區中煤粉和一次風混合燃燒，會生成少量的熱力型NOx，在貧氧區中燃料不完全燃燒，抑制了燃料性NOx的生成，在富氧區中火上風促進了燃料的完全燃燒。整個過程減少了熱力型NOx的生成，同時抑制了燃料型NOx的生成，實際應用效果良好。

3 方案優化研究

3.1 影響鍋爐NO，排放的因素

研究表明，在煤的燃燒過程中生成N0，主要有燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx，3種，其中燃料型N0x：含量約占75%～95%，其他為熱力型N0x，和快速型NOx，快速性N0x含量小于5%。實施低氮燃燒改造受煤種因素影響較大，一般來說燃用高揮發分煤種的鍋爐更適合采用低氮燃燒技術，而燃料含氮量越高，在相同燃燒條件下NOx排放也相應越高。在確定煤種之后，分析N0x排放主要受主燃區過量空氣系數、爐膛溫度、主燃區氣氛、煤粉在還原區停留時間等幾個因素的影響，其他如燃燒器結構形式、煤粉細度、爐內流場、燃燒配風方式等也會對鍋爐NOx排放產生一定的影響。

3.1.1 過量空氣系數

鍋爐運行中過量空氣系數增加會導致主燃燒區過量空氣系數的增加，促進生成燃料型NOx，這樣導致總的NO排放量增加。另外，總的過量空氣系數增加，也將導致N0。排放量修正到O2=6%系數時發生變化。

3.1.2 煤粉在還原區停留時間

煤粉顆粒在還原區停留時間越長，越有利于NO還原為N。的反應，相應可以降低NOx排放量。工程經驗表明設計增加分離燃盡風與上排一次風噴嘴間距，則NOx排放量要明顯降低。

3.2 主要優化措施

根據基礎條件，制定了低氮燃燒器改造優化方案，其中分離燃盡風設計基本不變，可上下擺動30。及左右水平擺動，主要是調整了六層一次風煤粉噴嘴的間距。

3.2.1 增加高負荷下煤粉在還原區停留時間

鍋爐在高負荷下煙氣量較大、煙氣流速較快，所以煤粉在還原區內停留時間較短。優化措施為更換全部主燃燒器并調整各層煤粉燃燒器標高：燃盡風占總風率比、距屏底距離、高低位燃盡風距離保持不變，主要是壓縮了主燃區高度，增加了主燃區壁面熱負荷。最下層煤粉燃燒器噴嘴標高保持不變，調整六層一次風煤粉燃燒器間距。原煤粉噴嘴各層間距均等布置，根據數值模擬計算結果，優化方案調整為各層間距自下向上的不均等布置。改造后六層煤粉噴嘴的標高改變，且一次風/煤粉噴嘴間距下方小、上方大的布置是為了爐內溫度場分布相適應，目的是減少爐膛結渣的風險并提高鍋爐的穩燃能力。

在保證燃燒穩定性的同時，減少上下一次風/煤粉噴嘴間距，相應還原區長度延長了一定數量，延遲煤粉在還原氣氛里的停留時間。

3.2.2 減少低負荷下鍋爐燃燒器漏風

鍋爐在低負荷下燃燒器的漏風占總風量的比例較大，同時爐膛出口氧量往往較高，導致主燃燒器區域無法達到較低的過量空氣系數。因此根據爐內熱負荷/溫度場分布，對二次風門擋板結構進行進一步優化，減少低負荷時燃燒器噴口的漏風。調整兩層一次風之間的噴口的數量和尺寸，進一步減少了噴口和箱殼之間的漏風。從而提高低負荷下鍋爐降低NOx排放的性能。

3.2.3 鍋爐適應性優化措施

二次風噴嘴采用偏轉二次風技術。兩層煤粉噴嘴之間的二次風分為兩部分：一部分二次風與一次風煤粉噴嘴偏轉方向相同；另一部分二次風相對一次風煤粉噴嘴正切一定角度。偏置風的采用可形成水平方向上的空氣分級，提升還原反應效率。兩部分二次風由2個二次風門擋板分別控制，可通過風門擋板的開度來調整兩部分二次風的比例，從而調整爐內切圓直徑、旋轉強度及貼壁氣氛，提高鍋爐對煤種的適應性。一次風煤粉噴管采用新型的濃淡分離結構，進一步提高濃淡分離效果，從而降低鍋爐的NOx排放及穩燃能力。

對二次風道進行優化，在大風箱風道上增加擋板門，增大主燃燒器二次風阻力，從而保證足夠的分離燃盡風風量。

4 結語

我國是一個以煤為主的國家，在較長時間內以煤為主的能源結構不會改變。本文介紹的低氮燃燒器的改造，可以在爐內降低部分NOx的生成，在滿足新排放標準的情況下可以降低尾部脫硝設施的投資及運行費用，為火電機組污染物達標排放提供有意的參考。

作者簡介

陳沖（1987-），遼寧人，助理工程師，現供職于神華寧夏煤業集團烯烴一分公司，研究方向為火電系統運行管理。