燃煤鍋爐低氮燃燒控制策略

劉曉龍

【摘 要】在我國能源的消費結構主要是煤炭，由此傳統燃煤電站是電力工業的基礎。其中降低燃煤所產生的氮氧化物是控制大氣污染物重要措施。本文對某300MW亞臨界機組圓燃煤鍋爐進行研究，其燃燒方式四角切圓，該機組于2014年進行低NOx燃燒改造后將原燃燒器更換為低氮燃燒器并增加多層燃盡風的空氣分級系統，經優化調整較好地降低了NOx排放水平。在不同的燃盡風配比的情況下，NOx有不同的變化趨勢。本文對目前主流的低NOx燃燒改造方案進行比較，并對低氮燃燒控制策略進行梳理。

【關鍵詞】燃煤電站；低NOx燃燒改造；多級燃盡風

0 背景

在我國以煤碳為主的能源結構，決定了燃煤機組是電力工業的組。根據不完全統計，2012年動力煤的消費結構中高達62.23%的用于發電。大量煤炭燃燒也產生的大氣污染物排放，不但對環境產生了較大的影響，并已經成為制約了電力工業發展的主要因素。有數據表明，2015年我國火電廠大氣污染物的排放量為二氧化硫1049萬噸、煙塵544萬噸、氮氧化物1310萬噸。由此，控制和減少大氣污染物的排放是電力工業可持續發展的關鍵。

NOx是大氣污染的元兇之一，達到一定濃度對人提及健康造成危害。現階段，我國對電站鍋爐氮氧化物排放控制要求日益嚴格，為了實現燃煤電站鍋爐的達標排放，目前低NOx燃燒改造的主流技術為煙氣脫硝和低氮燃燒技術。

1 煙氣脫硝

近年來國內外已經開發出多種NOx的脫除方法，利用氮氧化物的物理、化學性質進行還原和吸附。按照煙氣脫硝所采用的工藝方法可分為濕法脫硝和干法脫硝。濕法脫硝是利用氮氧化物溶于水后產生的酸堿特性，由吸收劑對其進行中和處理。由于現階段該技術還需要多種吸收劑綜合使用，后續處理技術不成熟，故應用較少。目前多采用干法脫硝技術，按照其工作原理選擇性催化還原技術、選擇性非催化還原技術。

選擇性催化還原技術（SCR）的原理是通過特定催化劑，利用液氨或其他還原劑和煙氣中的氮氧化物反應生成氮氣和水，該方法主要適用溫度區間為200至450℃。通過催化劑的作用下還原劑（液氨）選擇性地只與NOx發生反應，而煙氣中的其他氧化劑（氧氣）發生反應，稱為選擇性催化還原技術。該技術一方面設備投資較大，系統復雜，運行成本受制于還原劑和催化劑更換費用問題，對于老舊機組原風道尺寸及鋼架結構承載能力也是制約因素；另一方面憑借其脫銷效率高（有的機組改造后減排可達80%），控制簡單可靠，成為目前煙氣脫硝的主流技術。

選擇性非催化還原技術（SNCR），SCR技術對一些機組因風道尺寸未對系統進行預留、原鋼架結構承載能力不夠等原因不能實施改造的，SNCR便克服對催化劑一來這一技術障礙。其反應在爐膛800至1100℃的高溫區域內進行，擺脫對催化劑催化的依賴。其將還原劑如氨、尿素噴入，并迅速將在燃燒中形成的氮氧化物還原為氮氣。應用該技術不需要對鍋爐本體進行改造，僅增加噴射及還原劑存儲裝置，多適合老、舊、小鍋爐的改造。一方面但其相對于SCR偷硝效率較低、還原及利用效率低等劣勢，其引起冷浮效應造成一氧化碳含量急劇升高。另一方面，其反應溫度控制較難、還原劑比例控制難，對于不同爐型的適配能力差，造成改造設計較為困難。

因干法脫硝技術還原劑參加反應程度不高，保證脫銷效率需使還原劑過量供給，而造成銨鹽堵塞和腐蝕設備的情況發生，銨鹽粘度大易集聚在催化劑和受熱面表面影響鍋爐安全運行。

2 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術通過改變燃燒條件，影響氮氧化物生成因素來減少NOx的排放。主要方式為使鍋爐內燃燒環境在趨近于理論空氣量的條件下進行，并降低排煙熱損失。目前國內主流采用以低氮燃燒器和空氣多級配給技術結合的技術路徑。

低氮燃燒器的原理是在煤粉燃燒初期保證著火熱的同時形成還原性氣氛，延遲二次風的混合來控制燃燒構成，控制NOx的生成。（1）對于直流燃燒器，采用水平或者垂直方向的將一次風分割為濃相和淡相兩股煤粉氣流。其中濃相煤粉氣流由于煤粉富集而貧氧燃燒（過量空氣系數<1），產生的還原性氣體較多，使煤粉燃燒前期NOx的生成量降低；而淡相煤粉氣流雖然相對于富氧（過量空氣系數>1），但由于燃料量少產生的氮氧化物較少，同時也可以起到為濃相煤粉氣流后期燃燒補充部分氧量的作用。（2）旋流燃燒器采用一次風中心與兩層二次風延軸向布置，在一次風中煤粉著火后與不同剛度和風量的兩股二次風混合。先與居于內層的少量二次風混合，進行乏氧燃燒減少初期氧化物的形成還原性氣氛，然后再與居于外層風量較大的同時對應的剛性也較強的二次風進行混合，推遲整體的燃燒過程，相應的熱力型NOx含量降低。

空氣分級燃燒近年在在燃煤鍋爐低NOx改造中應用較為廣泛，分為徑向分級和垂直分級兩種形式。（1）無論對四角切圓燃燒系統或對沖式燃燒系統改造都可應用二次風軸向分級，主燃燒區域乏氧燃燒即過量空氣系數<1，使主燃燒區域處于不完全燃燒狀態。有文獻表明主燃燒區域內送入所需約80%左右的理論空氣量，燃燒速率和爐膛溫度降低，同時使爐膛內還原性氣氛增強；燃燒形成焦炭表面多孔在高溫作用下還可將已生成的部分氮氧化物還原為氮氣，而降低鍋爐氮氧化物總的排放量。燃盡風將剩余的空氣量送入主燃燒區域上方，將剩余煤粉繼續燃盡。釆用燃盡風既降低主燃燒區域的含氧量，減少燃料型NOx同時擴大了燃燒區域，降低整體燃燒區域截面熱負荷，減少熱力型NOx。（2）針對四角切圓燃燒系統改造主要應用二次風徑向分級，其基本思想是將二次風進行水平位置不動的情況下，與一次風形成一定的夾角，將二次風風向偏向水冷壁，形成煤粉氣流在切圓內側，二次風在切圓外側的配風分級結構。一方面可以推遲與一次風的混合時間延長整體燃燒過程，一次風煤粉氣流在切圓內側缺氧條件下燃燒，從而降低燃燒過程中氮氧化物生成量。另一方面高剛性的二次風在水冷壁附近行程較高水平的氧濃度，可有效防止因不完全燃燒造成的水冷壁結渣。有文獻表明空氣分級燃燒技術減少氮氧化物排放可達30%至40%。

3 燃盡風率對NOx影響的分析

某電廠300MW機組采用單爐膛平衡通風、中間一次再熱、固態排渣、四角切圓燃燒方式、亞臨界自然循環鍋爐。財通正壓直吹方式，配備6臺中速磨煤機。2014年經低氮改造后新增可轉動二次風噴口，配備4層燃盡風。經過改造，達到了較好的減排效果。

采取空氣分級配給，噴燃口處二次風與一次風夾角為10°，二次風噴口可以隨一次風噴口上下擺動，使之處于同一水平面，一次風噴口分為濃淡兩相介質流。在50%BMCR工況下，調節二次風量使空預器前氧量在2.9至1.8之間，保持二次風風箱壓力0.2kPa左右，至少全開兩層燃盡風。由于燃燒器處二次風噴口較大，限制運行中的磨煤機對應二次風噴口開度小于25%。

根據現場調整經驗，提高燃盡風率可提高爐內的低NOx燃燒效果。當全開第三層燃盡風時，主燃燒區域內過量空氣系數在0.7至0.8之間，具有較強的還原性氣氛，爐膛截面溫度在1750K左右運行。而此時開大第四層燃盡風，NOx含量基本不變而二次風箱壓力下降較快使二次風剛度降低，火焰貼水冷壁壁運行造成結焦情況。

主燃區內較強的低氧還原性氣氛，可有效減少燃燒過程中的NOx生成量；還原區內，NOx濃度繼續降低，表明較強的還原性氣氛對已生成的NOx具有較好的還原效果；燃盡區內，由于高速風的集中送入，增強了與煙氣的瑞流混合，降低氮氧化物排放。

4 結論

提高燃盡風率可提高爐內的低NOx燃燒效果，選擇在燃盡風率為30%左右時，NOx的濃度水平較低。在鍋爐變工況調整，及時調節二次風量和燃盡配比，對NOx的排放控制顯得尤為重要。

【參考文獻】

[1]岑可法.燃燒理論與污染控制[M].北京：機械工業出版社，2004.

[責任編輯：朱麗娜]