600MW機組超低NOx燃燒技術研究與實踐

武延東

（國家能源河北龍山發電有限責任公司，河北 邯鄲 056400）

氮氧化物NOx 會對空氣造成污染，威脅人們的身體健康，同時它會發生一系列化學反應，產生更多的環境污染物。現階段，我國大部分火電廠的燃料主要是煤炭，煤炭在燃燒過程中會產生大量氮氧化物NOx 氣體，因此，如何有效地控制火電廠機組鍋爐燃燒時的NOx 排放是非常重要而緊迫的問題。

1 鍋爐概述

某火電廠600MW 鍋爐是上海鍋爐有限公司生產的型號為SG-2028/17.5-YM908 的亞臨界參數鍋爐。該鍋爐為全鋼懸吊結構，密閉的π 型布置鍋爐，其主要特點為單爐膛平衡通風、四角切向燃燒方式、控制循環、一次中間再熱。使用的燃煤為煙煤，鍋爐的制粉系統為正壓直吹式制粉系統，配置了六臺中速MPS 磨煤機，每臺磨煤機用于一層燃燒器，其中5 臺投入使用，1 臺作為備用。

2 超低NOx 特性及其控制原理

火電廠機組鍋爐燃燒NOx 的產生方式包括快速型、熱力型、燃料型三種。其中燃料型產生方式生成的NOx 占了80%以上，因而成為各類超低NOx 燃燒技術的主控對象。生成量第二高的是熱力型NOx，這類NOx 主要是因為鍋爐內部部分區域的溫度太高生成的，快速型NOx 所占比例極少，可忽略不計。因此，本次研究的改造方案主要針對燃料型、熱力型這兩種氮氧化物的生成而設計。其中，燃料型NOx 是火電廠機組鍋爐燃燒器改造的主要對象，改造技術通常包括煙氣再循環、空氣分級、燃燒器改造等。我國煤炭產量高，但煤炭成分比較復雜，性質差異較大，運用國外的技術易導致鍋爐結渣、飛灰中碳的含量較高等問題。如果采用空氣分級技術，將空氣分離出一部分輸送到鍋爐燃燒器的頂部作為燃盡風，那么在主燃燒器的部分區域，煤粉燃燒可能導致具備缺氧而形成還原性氣氛，使得灰熔點降低，加劇水冷壁結渣。除此以外，鍋爐燃燒器局部缺氧使部分煤粉燃燒不充分，導致飛灰中可燃物質含量上升，影響鍋爐燃燒效率。基于此，本次研究結合火電廠機組鍋爐的燃煤特性，決定選用雙尺度超低NOx 燃燒技術改造機組，因此，如何在有效控制氮氧化物NOx 排放的前提下同時降低鍋爐結渣、腐蝕、飛灰可燃物質的含量，是燃燒器性能優化是否成功的關鍵。

3 火電廠機組鍋爐燃燒器性能優化方案設計與優化

3.1 性能優化方案

圖1 為經過性能優化的鍋爐燃燒器結構設計。

圖1 鍋爐燃燒器性能優化示意圖

該方案的主要特點包括以下幾點。

（1）重置燃燒器，除A 層的一次風繼續使用等離子燃燒器之外，B 層、C 層、D 層、E 層、F 層的一次風噴口均使用中間帶有穩燃鈍體的燃燒器。

（2）優化了假想切圓的燃燒方式，一次風射流在鍋爐內形成兩個逆時針旋轉的切圓，二次風射流、一次風射流偏置7°，順時針切入構成橫向空氣分級。

（3）優化了主燃燒器風量分配以及一、二次風噴口面積，使一次風速滿足煤粉燃燒特性要求，減少二次風量，選用新型二次風室，使主燃燒器區域形成欠氧燃燒氛圍。

（4）優化各層的燃燒器標高、間距，在現有主燃燒器上部空間增設第七層分離燃盡風SOFA 噴口，分配足夠的SOFA 燃盡風量，形成超大還原區；將燃燒器區域的欠氮環境劃分為兩個亞層，用CD 二次風分開，以確保這兩個亞層的燃燒火焰剛度，確保煤粉燃燒穩定高效，實現NOx 低排放的目標。

（5）在兩層的噴口間、燃盡風室兩邊設置貼壁風，在還原區設置WA 貼壁風。

（6）燃盡風燃燒器可整體上下擺動，使還原區的大小能夠靈活調整。

3.2 技術優化路徑

（1）設置大小可調的超大還原區。本次研究的600MW鍋爐燃燒器性能優方案中設置了高度達9m 的超大還原區，設計超大還原區主要有以下三點原因：①燃煤優異的燃燒性能，需要比常規設計高lm 空間；②其中有一部分還原空間通過壓縮主燃燒器區域獲得。③燃燒器設有上下擺動機構，使得還原區大小可調。

（2）壓縮主燃區。在實際情況下，鍋爐內部的煤粉將迅速達到著火溫度。而煤粉燃燒火焰傳播快，揮發分、焦炭也可以快速著火。而煤粉燃燒的熱量主要來自焦炭，焦炭燃燒時間占到煤粉燃燒總時間的90%。因此，要提高鍋爐燃燒效率可以提升燃盡區位置，從而得到足夠達的還原區，本次研究的方案在確保不改變最底層一次風燃燒器標高的前提下，將最頂層一次風向下移動1.86m 左右，通過壓縮主燃區增加還原區，使煤粉的燃盡時間增加了0.3s，使煤粉的燃燒更加充分，減少NOx 排放。

（3）多用途節點功能區。節點功能區是將相鄰兩層一次風燃燒器設計為濃淡相反的雙出口，形成濃濃相對的局部極富燃料區；在濃相中的煤粉濃度高，空氣少，揮發分較多，更容易著火。而一次風為下濃上淡，顆粒較粗的煤粉燃燒時會下壓趨勢，有助于增加煤粉的燃燒時間。兩層一次風噴口間中心二次風、一次風小角度偏置，濃煤粉和熱煙氣混合，高溫貧氧煙氣使煤粉迅速著火，在欠氧環境下充分燃燒，揮發分快速進行還原反應，在不影響煤粉燃燒效率的前提下，達到減少NOx 生成的目的；與此同時，可以在中心二次風兩邊設置貼壁風噴口，構成橫向空氣分級，同時在壁面構成保護膜，對爐壁起到保護作用。這樣的節點功能區使煤粉風室、空氣風室的布置更加合理，同時還具備燃燒穩定、NOx 排放低，防高溫腐蝕等多個優點。

（4）低阻力均衡輸配大風箱。根據空氣分級技術可以將燃燒空間分為主燒區、還原區、燃盡區。因此，怎么才能將足量的二次風輸送至燃盡區是本次研究的超低NOx 燃燒技術的核心。為了達到這個目的，本次方案設計了低阻力均衡輸配整體風箱，貼著鍋爐兩面墻向上延伸至燃盡區，連接燃盡區的燃燒器。低阻力均衡輸配整體風箱的通流面積是四角風箱通流面積的5 倍左右，風箱阻力為四角風道阻力1/25～1/30，使得風箱構成等壓大空間，確保燃盡區隨時都有足量的二次風，進而使煤粉燃燒更加充分，減少NOx 生成。

（5）多噴口多角度調節燃盡風噴口。空氣分級后超過1/3 的二次風作為燃盡風由SOFA 噴口進入爐內，爐膛下方的主燃燒器區處于嚴重缺氧氛圍。為了使煤粉燃燒更加充分，本方案除下移主燃器之外，采用可靈活擺動、多層SOFA 噴口設計，依據燃盡區CO 分布調節燃盡風的角度，結合實際情況，向爐膛內部的不同區域送風，使煤粉燃燒更加充分，同時控制爐膛出口煙溫，在減少NOx 排放的基礎上，提高鍋爐的經濟性。

（6）統一橫向、縱向多分區。本方案采用兩組節點功能區在主燃區劃分出兩個亞區，使得主燃區存在氧化、還原交替存在區，NOx 的燃燒被有效抑制并初步還原，這是雙尺度燃燒技術的主要特點。橫向區域，燃燒器一、二次風旋轉方向相反，并由一定角度的偏斜，在鍋爐內部構成切圓，再輔之以貼壁風，形成“粉包風”“風包粉”。“粉包風”區域煤粉燃燒迅速，“風包粉”貼近鍋爐壁的區域形成低顆粒濃度、低溫度水平，既能強化煤粉燃燒，有能保持水冷壁清潔，有效NOx 生成。在欠氧條件下煤粉燃燒得到加強，焦炭燃盡，在降低NOx 排放的同時，保證鍋爐效率。

（7）低負荷低NOx 排放技術。本方案通過減少二次風噴口、壓縮主燃區等措施，使鍋爐低負荷狀態下主要燃燒區的進風量、煤粉量匹配合理；低阻力的貼壁大風箱使得燃盡區的風量充足，使低負荷狀態下的鍋爐依然具備良好的燃燒性能，NOx 排放得到有效的控制。

4 結語

綜上所述，火電廠機組鍋爐燃燒時排放的NOx 會污染環境，對人體健康產生危害。因此，必須重視超低NOx燃燒技術的研究，以便有效控制火電廠鍋爐燃燒時的NOx排放。