鍋爐NOx排放控制技術(shù)及應(yīng)用

曹定華，劉海洋

(內(nèi)蒙古華電包頭發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014013)

0 引言

近期，由于煤電供需狀況越來越緊張，造成發(fā)電用煤煤質(zhì)差且煤質(zhì)多變，常常引起鍋爐燃燒不穩(wěn)定;同時，由于煤質(zhì)多變，硫、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常不穩(wěn)定，對鍋爐燃燒調(diào)整提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

內(nèi)蒙古華電包頭發(fā)電有限公司(以下簡稱華電包頭發(fā)電公司)一期工程鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、平衡通風(fēng)、單爐膛、懸吊式、燃煤控制循環(huán)汽包爐。采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐共配置6臺ZGM113G型中速輥式磨煤機。燃燒器為擺動式直流燃燒器，采用四角布置、切向燃燒、寬調(diào)節(jié)比、上/下濃淡分離技術(shù)。

1 問題的提出

燃燒優(yōu)化的目的是降低鍋爐各項損失，通過強化燃燒可提高鍋爐效率，而抑制NOx的排放量需要控制鍋爐爐膛溫度，這2方面在一定程度上是互相矛盾的。提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率的重要措施之一是提高燃燒區(qū)域溫度，但又容易引起結(jié)渣和高溫腐蝕，還使NOx排放量增加;降低NOx排放量的有效措施是提高燃燒區(qū)域的煤粉濃度，推遲混合，但又不利于防止結(jié)渣，且可能影響燃燒效率。因此，同時解決這些問題是鍋爐燃燒調(diào)整的關(guān)鍵技術(shù)。

2 NOx生成機制

按照NOx的生成機制，NOx包括空氣中的N2經(jīng)高溫氧化生成的熱力型NOx、燃燒中氮化物通過揮發(fā)分的氣相反應(yīng)和焦炭的多相反應(yīng)而生成的燃料型NOx。

研究表明，在煤粉燃燒的溫度范圍內(nèi)(低于2000 K)主要生成燃燒型NOx，占NOx總生成量的75% ～80%。在生成的燃燒型NOx中，煤受熱分解后，揮發(fā)分中的氮化合物主要是HCN和NHi(i=0，1，2，3)，它們與氧反應(yīng)生成的NOx占燃燒型NOx總量的60%～80%，其余的為焦炭中N在燃燒時轉(zhuǎn)變成的 NOx。

3 不同結(jié)構(gòu)的燃燒器對NOx的影響

3.1 濃淡分離技術(shù)對NOx的影響

華電包頭發(fā)電公司2023t/h鍋爐配備的燃燒器采用彎頭式分離器加變異板技術(shù)，分離原理是利用扇狀流線型擋塊撞擊煤粒，在慣性離心力和重力作用下對煤粉顆粒進行導(dǎo)向分離，實現(xiàn)煤粉氣流的濃縮和分流，以達到煤粉濃淡分離的目的。撞擊式煤粉濃淡分流器示意圖如圖1所示。

圖1 撞擊式煤粉濃淡分流器

煤粉濃度的調(diào)整是通過改變擋塊高度來實現(xiàn)的。當(dāng)擋塊轉(zhuǎn)動使其高度發(fā)生變化時，濃淡分離效果是不同的，這樣可達到煤粉濃度連續(xù)可調(diào)的目的。所以，擋塊的“安裝角度”非常重要。

分離裝置把一次風(fēng)在垂直方向上分成上、下2股濃淡氣流，再通過出口變異板保證了濃粉始終在上部、淡粉始終在下部，即“垂直濃淡燃燒技術(shù)”。采用濃淡燃燒技術(shù)，可在燃燒器出口局部形成富燃料區(qū)域，造成還原性氣氛，抑制 NOx的生成，能使NOx生成量大幅度減少。低NOx穩(wěn)燃濃淡分離燃燒器如圖2所示。

濃煤粉氣流由于著火穩(wěn)定性得到改善，揮發(fā)分析出速度加快，進一步使揮發(fā)分析出區(qū)缺氧，使已形成的NOx與NHi反應(yīng)生成N2，并使NHi相互反應(yīng)，從而達到降低NOx排放的目的;另外，由于富燃料燃燒區(qū)形成缺氧燃燒，區(qū)域溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成量。而淡煤粉氣流是貧燃料燃燒，使燃燒溫度降低，也抑制了NOx的形成。

事實上，單純提高煤粉氣流中的煤粉濃度，也可以達到穩(wěn)燃和低NOx排放的效果。所以說，這種上、下濃淡分離的燃燒器客觀上具有降低NOx生成量的特點。

圖2 低NOx穩(wěn)燃濃淡分離燃燒器

3.2 回火穩(wěn)燃技術(shù)對NOx的影響

這種燃燒器在實現(xiàn)“垂直濃淡分離”后，在燃燒器出口布置了船形穩(wěn)燃鈍體(如圖2所示)，用以回火卷吸高溫?zé)煔猓瑥母款A(yù)加熱煤粉，達到穩(wěn)燃的目的。

因此，這種燃燒器具有“濃淡燃燒+穩(wěn)燃體”雙穩(wěn)燃技術(shù)的特點，可確保低負荷下具有良好的穩(wěn)燃效果。這樣，在穩(wěn)定燃燒的爐膛區(qū)域能夠保證爐膛溫度相對較低，從而抑制NOx的生成。

3.3 配風(fēng)技術(shù)對NOx的影響

根據(jù)燃燒器二次風(fēng)噴口設(shè)計特性，可以靈活組織燃燒器配風(fēng)。若燃料含氮量低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以用常規(guī)均等配風(fēng)或者倒塔形配風(fēng)來促進燃燒;而燃燒含氮量超過設(shè)計值時，可以組織分級配風(fēng)，即垂直方向空氣分級配風(fēng)技術(shù)。

一般通過調(diào)整整組燃燒器頂部加裝的燃盡風(fēng)噴嘴的開度和擺動位置，使其風(fēng)量占二次風(fēng)總量的14%左右，作為降低NOx生成量的手段。根據(jù)燃用煤質(zhì)情況的不同，二次風(fēng)風(fēng)量大小可沿高度實現(xiàn)不同的分級送風(fēng)方式，既可保證煤粉燃盡，又達到了降低NOx生成量的目的。目前，空氣分級燃燒的脫硝率一般為20%～30%。

圖3、圖4為華電包頭發(fā)電公司#1，#2鍋爐采用不同配風(fēng)組合，進行控制NOx試驗的配風(fēng)模型對比圖。試驗中，對#1，#2鍋爐采用不同配風(fēng)方式的NOx質(zhì)量濃度做了統(tǒng)計，見表1。

圖3 #1鍋爐采用均等配風(fēng)方式

在圖3中，#2鍋爐在燃煤質(zhì)中N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過設(shè)計值(0.74%)，達到0.96%時，連續(xù)7 d采用分級配風(fēng)方式，鍋爐各項經(jīng)濟指標(biāo)良好，脫硫出口NOx質(zhì)量濃度平均為322.6 mg/m3;而同樣的煤質(zhì)，在#1鍋爐采用傳統(tǒng)均等配風(fēng)的情況下，除鍋爐各項經(jīng)濟指標(biāo)無明顯差別外，脫硫出口NOx質(zhì)量濃度為378 mg/m3。所以，在保證燃燒器的制造和安裝質(zhì)量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)改變配風(fēng)方式，也能夠抑制 NOx的生成。

圖4 #2鍋爐采用分級配風(fēng)方式

表1 #1，#2鍋爐采用不同配風(fēng)方式的NOx質(zhì)量濃度

4 抑制NOx生成技術(shù)的應(yīng)用

依據(jù)上述分析，結(jié)合鍋爐燃燒器特點，華電包頭發(fā)電公司組織技術(shù)力量，在保證燃燒效率的前提下，摸索總結(jié)出一些抑制NOx生成的技術(shù)。

(1)校對氧量，摸索鍋爐低氧量燃燒技術(shù)，將氧量控制在2.5% ～3.0%。2008年8月，#2鍋爐大修后，華電包頭發(fā)電公司對鍋爐氧量表進行全面校對，保證了氧量表的準(zhǔn)確性，通過試驗摸索出一套較適合華電包頭發(fā)電公司鍋爐運行的低氧量配風(fēng)調(diào)整技術(shù)。

(2)根據(jù)煤電市場狀況，成立燃燒摻配機構(gòu)，及時掌握燃料特性。在燃料中N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.6%時，指導(dǎo)運行人員及時調(diào)整配風(fēng)，通過調(diào)整燃燒器配風(fēng)模型，改變爐內(nèi)實際燃燒動力場分布，有效抑制NOx的產(chǎn)生。

(3)依據(jù)NOx化學(xué)結(jié)合條件采取分級配風(fēng)方式，控制周界風(fēng)不超過60%，人為降低中間層燃燒器的輔助二次風(fēng)而實現(xiàn)“缺氧環(huán)境”，通過上層反切風(fēng)補充燃盡氧量。同時，通過組織燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，較好地解決了燃燒經(jīng)濟性和污染物排放相矛盾的問題。

(4)一次風(fēng)、煤比率的控制。理論上，在保障攜出力的前提下，一次風(fēng)量越低越利于燃燒控制;同時，在保障制粉系統(tǒng)消防安全的前提下，分離器出口溫度越高越利于燃燒控制。在燃燒調(diào)整試驗的基礎(chǔ)上，華電包頭發(fā)電公司確定了控制NOx的一次風(fēng)標(biāo)定系數(shù)，徹底治理磨煤機冷風(fēng)系統(tǒng)的漏風(fēng)缺陷，并給出了相對完整的運行指導(dǎo)書，保證了一次風(fēng)、煤比率相對較好，有效減少了NOx的生成。

(5)大風(fēng)箱與爐膛差壓的控制。大風(fēng)箱與爐膛差壓的大小，對二次風(fēng)卷吸一次風(fēng)粉影響較大，必然影響爐內(nèi)風(fēng)粉混合及燃燒切圓的大小。根據(jù)試驗結(jié)果，確定了在降低機組負荷時相應(yīng)關(guān)小二次風(fēng)小風(fēng)門，維持二次風(fēng)箱與爐膛差壓不低于600 Pa;而在90%額定負荷以上時，二次風(fēng)箱與爐膛差壓維持在1.0 kPa左右。在燃燒調(diào)整優(yōu)化試驗中，重點進行了該調(diào)整試驗，證明其調(diào)整有助于促進燃燒并抑制NOx生成。

(6)反切風(fēng)的使用。OFA反切風(fēng)主要做調(diào)整熱偏差使用，否則需盡量關(guān)小，以減少在燃盡階段N2和高溫O2再次合成反應(yīng)而產(chǎn)生新的NOx。所以，如最上層F磨煤機備用，盡量采用FF調(diào)整熱偏差，保持OFA在較小開度。

(7)組織分級配風(fēng)。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)“低NOx、穩(wěn)燃、濃淡分離燃燒器”二次風(fēng)噴口設(shè)計特性，在燃料含氮量低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，可以用常規(guī)均等配風(fēng)或者倒塔形配風(fēng)來促進燃燒，而燃燒含氮量超過設(shè)計值時，可以組織分級配風(fēng)，即垂直方向空氣分級配風(fēng)技術(shù)，對抑制NOx生成很有效。

(8)風(fēng)粉在線裝置的使用。華電包頭發(fā)電公司在每臺磨煤機出口粉管上安裝了“風(fēng)速、煤粉濃度”在線監(jiān)控裝置，能夠直觀地反映“風(fēng)、煤比率”，從而發(fā)揮燃燒器上、下濃淡分離煤粉的特性，更好地實現(xiàn)節(jié)煤降耗、優(yōu)化燃燒的目標(biāo)。

(9)燃燒器的維護。遇到大、小修，認(rèn)真檢查并恢復(fù)變形的燃燒器，更換部分分離變異板損壞的燃燒器并重新校對燃燒器安裝角度。在#2機組大修期間，對F/FF/OFA進行調(diào)整恢復(fù)，增強了燃燒器本身抑制NOx生成的能力;同時校正了部分燃燒器安裝角度，如EF/FF/OFA的#2，#3角的角度偏離設(shè)計值較大(最大達8°)，使燃燒切圓變形，抑制NOx生成量的整體能力下降。

以上主要從“低NOx、穩(wěn)燃、濃淡分離燃燒器”的特性以及運行維護技術(shù)方面進行探索，均未涉及環(huán)保新系統(tǒng)的技術(shù)改造方面。事實上，脫硝裝置對減少NOx排放最有效，技術(shù)也越來越成熟。如果資金寬裕，可以考慮上脫硝裝置。

5 結(jié)束語

發(fā)電廠在然用劣質(zhì)、多變煤種時，污染物排放是一個必須面對的難題。通過對抑制NOx生成技術(shù)的探索和實踐，華電包頭發(fā)電公司#1，#2鍋爐的NOx排放得到了有效控制。