分級燃燒技術在電站鍋爐低NOx排放中的應用

李岸然

(廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山 529228)

0 引言

NOx是形成酸雨的主要成分，對大氣臭氧層、水質(zhì)及土壤都有嚴重的破壞作用，2011年我國NOx排放總量達到2404.3萬t［1］，其中火電廠煤燃燒產(chǎn)生的氮氧化物約占40%，因此加強電站鍋爐NOx排放治理對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

分級燃燒技術是目前最為成熟的低氮燃燒技術，通過對電站鍋爐燃燒系統(tǒng)進行改造，形成下部欠氧上部富氧的燃燒氣氛，能夠有效的抑制NOx的生成。臺山電廠一期為5×600MW亞臨界機組，鍋爐爐膛出口NOx排放水平平均在400mg/m3以上，不能滿足國家環(huán)保的要求［2］。2012年1月份以2號爐為試點，開始陸續(xù)以應用分級燃燒技術的低氮燃燒系統(tǒng)為基礎進行鍋爐排煙降氮改造，改造后爐膛出口的NOx基本可以控制在150mg/m3左右;最后采用SCR裝置對爐膛出口殘留的NOx進行噴氨降氮處理，最終煙囪出口NOx濃度降至30mg/m3以下，遠低于國家新的環(huán)保標準。

1 煤粉燃燒過程中NOx的形成

鍋爐燃燒中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，其中 NO約占總量的90%，NO2只占5% ～10%。NOx按氮元素的來源及生成途徑可分為燃料型、熱力型和快速型三種［3］。煤粉爐排煙中的NOx主要是燃料型NOx，約占其總量的75% ～80%，其余為熱力型NOx和快速型NOx。由于煤的熱解溫度低于其燃燒溫度，因此在600～800℃時就會生成燃料型NOx，而且其生成量受溫度不大。在燃燒過程中，一部分含氮的揮發(fā)分受熱裂解生成N、CN、HCN和NHi等中間產(chǎn)物，隨后再氧化生成NOx;另一部分焦炭中的剩余氮在燃燒過程中經(jīng)多相反應被氧化成NOx，燃料型NOx中煤揮發(fā)分NOx約占的60% ～80%。鍋爐燃燒中影響NOx生成的因素主要是燃燒區(qū)的氧濃度，火焰溫度等。

2 分級燃燒技術

分級燃燒技術是目前最為成熟的電站鍋爐低NOx燃燒技術，它是通過調(diào)整燃燒器及其附近的區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合比例，在保證總體過量空氣系數(shù)不變的基礎上，使燃料經(jīng)歷“富燃料燃燒”和“富氧燃盡”兩個階段。在濃相富燃料燃燒階段，氧氣濃度低降低了燃料的燃燒速度和爐膛溫度，從而抑制了熱力型NOx的生成，同時由于不能完全燃燒，揮發(fā)份迅速析出并發(fā)生氣相反應更造成此區(qū)缺氧，使已形成的NOx與NHi反應生成N2，并使NHi相互反應，從而降低了NOx的生成。然后在富氧燃燒階段，燃料燃盡，但由于此區(qū)域的溫度已經(jīng)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。

在分級燃燒技術中，合理的分配兩級燃燒的過量空氣系數(shù)是控制NOx排放的關鍵因素。經(jīng)驗表明，富燃料區(qū)的過量空氣系數(shù)如果太低，煤粉不易點燃而且燃燒不穩(wěn)定;如果太高，則NOx的生成量也會上升，一般取0.8 左右［4］。

受燃燒器各二次風噴口間距的影響，僅通過爐膛布風在燃燒器周圍進行分級燃燒，燃料在富燃料區(qū)停留時間往往不夠，NOx的還原還未達到平衡，而且富氧區(qū)的溫度較高，燃料燃燒會有新的NOx生成［5］，因此NOx的最終排放量下降幅度不是很大。如果通過燃燒系統(tǒng)二次風門改造，將爐膛內(nèi)垂直方向上二次風量重新進行分配，使燃燒器附近的空氣過量系數(shù)控制在0.8左右，發(fā)生富燃料燃燒。然后在燃燒器上方增裝燃盡二次風SOFA，與第一段燃燒區(qū)所生成的煙氣混合，在富氧的條件下完成全部燃燒過程。通過爐膛布風將分級燃燒范圍擴大到接近整個爐膛，可以合理地控制燃料在富燃料區(qū)的停留時間，并使富氧區(qū)的溫度降得更低，這樣就可以達到抑制NOx生成的目的。

3 分級燃燒技術在電站鍋爐上的應用

為設置分級燃燒區(qū)域，達到先欠氧、后富氧燃燒效果，臺山電廠2號爐利用大修機會將現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)整體更換為LNTFS燃燒器。

燃燒器采用帶有燃料風(周界風)的寬調(diào)比燃燒器，在噴口處將煤粉分成濃相和淡相兩部分，濃相靠近火焰中心，淡相靠近水冷壁，這樣在火焰中心形成欠氧燃燒，更進一步抑制NOx的生成。由于燃燒器附近為還原性氣氛，灰熔點比氧化氣氛中降低100～120℃，容易引起結渣，另外還原氣氛下煤粉燃燒生成的H2S量增加，水冷壁易受高溫腐蝕。因此為了盡可能防止高溫還原性氣流和爐墻接觸，將原相鄰兩層煤粉噴嘴之間的輔助風噴嘴改為一只直吹輔助二次風噴嘴和上下兩只偏置的貼壁風CFS噴嘴，使空氣沿水冷壁上升，保持水冷壁表面的氧化性氣氛防止結渣和水冷壁的高溫腐蝕。CFS具有一定的偏轉(zhuǎn)角度，適當?shù)拈_度可以保持爐內(nèi)火焰良好的旋轉(zhuǎn)，防止出現(xiàn)局部高溫和火焰分散問題。

在主風箱上部設有兩層緊湊燃盡風CCOFA噴嘴，主要是彌補下部欠氧環(huán)境下煤粉不完全燃燒造成的飛灰含碳量和CO濃度增加，降低不完全燃燒損失。在主風箱下部設有一層火下風UFA噴嘴，減少灰渣含碳損失。

重新調(diào)整一次風間距及主燃燒器的二次風量分配，在主燃燒器頂部上3m處設置兩段燃盡風SOFA，在爐膛上部形成富氧環(huán)境，強化了燃盡區(qū)焦炭對NOx的還原作用，同時增加了燃盡區(qū)近壁區(qū)域的氧濃度，有利于避免高溫腐蝕。每個SOFA噴嘴都有各自的擺動連桿，可手動作水平擺動，其目的除降低NOx排放還具有抵消爐膛上部煙氣流的殘余旋轉(zhuǎn)的作用。新增加48個二次風門調(diào)節(jié)執(zhí)行器，加上原來56個，共104個二次風門調(diào)節(jié)執(zhí)行器。分級燃燒系統(tǒng)具體布置如圖1所示。

圖1 分級燃燒系統(tǒng)的布置及NOx濃度分布

正常運行階段，通過控制SOFA風門的開度(SOFA風量最大占總風量的20%)，使主燃區(qū)產(chǎn)生欠氧燃燒，主燃區(qū)的溫度降低并形成還原氣氛，抑制NOx的形成。在爐膛上部未完全燃盡的燃料在SOFA風的作用下達到完全燃燒，這樣整個爐膛就形成了下部欠氧上部富氧，有效降低了NOx的形成。

通過爐膛布風可以合理地控制燃料在富燃料區(qū)的停留時間，從而抑制NOx的生成。在同等條件下，僅采用這種方式進行分級燃燒，可以減少30%～50%的NOx排放量［6］，再結合尾部煙道的脫硝反應裝置同時應用，可以將煙囪出口 NOx降低到30mg/m3以下，滿足國家標準要求。

4 改造效果

增加分離燃燼風，使爐膛內(nèi)形成燃燒區(qū)低氧富燃料、燃盡區(qū)富氧低燃料，可以有效地降低爐膛氧量和溫度，從而抑制NOx的生成。ECR工況下SOFA風擋板開度分別在10%、30%、60%和80%下，爐膛出口 NOx排放濃度分別為 535.33、368.42、275.4、144.6mg/m3?？梢娫龃骃OFA風量實現(xiàn)燃料在爐膛內(nèi)部的分級燃燒對降低NOx排放效果是比較顯著的。正常運行SOFA風門開度一般在50%～60%，爐膛出口NOx排放濃度一般為250mg/m3，折算成標準工況(6%O2)后NOx含量在150mg/m3。再經(jīng)過SCR脫硝裝置，最終煙氣NOx的含量可以降低到30mg/m3以下，達到國家環(huán)保標準要求。

采取了新型寬調(diào)比濃淡燃燒煤粉噴嘴，達到燃燒器噴口煤粉濃淡分離效果及出口火焰卷吸燃燒效果。燃燒器改造后，2號機組鍋爐斷油低負荷穩(wěn)燃(D、E磨煤機運行)煤量87t/h，鍋爐平均蒸發(fā)量551t/h，平均負荷195MW，燃燒穩(wěn)定，爐膛負壓平穩(wěn)，符合鍋爐燃燒器改造后的設計要求。

燃燒調(diào)整過程中，各個工況下爐膛出口煙氣溫度測量平均值中最大值為1201℃，根據(jù)煤質(zhì)化驗報告，試驗期間入爐煤灰熔點軟化溫度為1220℃，通過看火孔觀察受熱面，爐膛出口分隔屏和其他受熱面基本沒有焦塊，受熱面較潔凈。在爐膛的40m高度的水冷壁鰭片中，左右側開孔進行爐膛壁面氧量分布的測量。各墻的貼壁氧量較均勻一致，左墻為0.1% ～1.6%，右墻為 0.1% ～1.2%。這說明水冷壁表面呈還原性氣氛，火焰沒有貼壁，無高溫腐蝕。

5 結語

通過對鍋爐原燃燒系統(tǒng)進行改造，在燃燒器上部增設SOFA燃盡風，實現(xiàn)了下部欠氧上部富氧的燃燒，改造后爐膛低負荷燃燒穩(wěn)定性未受明顯影響，額定工況下爐膛出口NOx由原先的400mg/m3降低到150mg/m3以下，有效降低了NOx的排放，再輔以脫硝裝置，能夠達到國家環(huán)保標準要求。目前國內(nèi)火電裝機容量占總容量的70%以上，分級燃燒技術的推廣，對國家的節(jié)能減排工作有重要意義。

［1］周生賢.2011中國環(huán)境狀況公報［R］.北京:中華人民共和國環(huán)境保護部，2012-05-25.

［2］GB 13223－2011，火電廠大氣污染物排放標準［S］.

［3］宋亞強.煤粉爐低NOx燃燒技術的數(shù)值試驗研究［D］.南京:東南大學，2005.

［4］唐志國，朱全利，唐必光，等.空氣分級燃燒降低NOx排放的實驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2003，19(3):7 －9.

［5］周俊虎，盧志民，王智化，等.氨還原劑NOx還原反應及熱解反應的試驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，22(1):4 －7.

［6］程 靜.空氣分級燃燒技術在電站鍋爐節(jié)能減排上的應用［J］.節(jié)能技術，2010，28(161):236－240.