火電廠低氮燃燒改造技術(shù)的應(yīng)用

斯琴高娃　蔡文龍

摘要：本文介紹了氮氧化物產(chǎn)生的機(jī)理以及低氮燃燒技術(shù)在火電廠大型燃煤鍋爐的應(yīng)用，簡(jiǎn)述其技術(shù)特點(diǎn)和改造措施，并通過試驗(yàn)測(cè)試了改造后的效果。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐； 低氮燃燒；爐內(nèi)空氣分級(jí)

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)2095-627X（2014）01-0081-03

Thermal Power Plant transformation of low-NOx combustion technology

Siqingaowa，Cai Wenlong

（Jinniu Coal Limited of Dengkou ，Bayannao'er 015200）Abstract： This paper describes the mechanism of the effect of nitrogen oxides produced and low NOX combustion technology in large-scale coal-fired thermal power plant boilers， outlining its technical characteristics and transformation measures， and tested by experiment after transformation.Key words： Coal-fired boilers；Low NOx combustion；Furnace air staging

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求和供應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng)。截至2010年底，全國(guó)電力裝機(jī)容量已達(dá)9.62億千瓦，居世界第二位，其中火電為7.07億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量的73%，火電發(fā)電量約占全部發(fā)電量的80%以上，消耗燃煤16億噸，在燃料的燃燒過程中，氮氧化物的生成是燃燒反應(yīng)的一部份，每燃燒一噸煤炭，約產(chǎn)生5～30kg氮氧化物。據(jù)中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)組織的《中國(guó)火電廠氮氧化物排放控制技術(shù)方案研究報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)顯示，2007年火電廠排放的NOx總量已增至840萬(wàn)噸，約占全國(guó)氮氧化物排放總量的35%～40%，電站鍋爐已成為主要的大氣污染固定排放源之一。

為有效控制火電廠大氣污染物排放，國(guó)家與部分地方政府針對(duì)火電行業(yè)制定了嚴(yán)厲的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，要求采取措施進(jìn)行污染治理。

污染排放費(fèi)已成為補(bǔ)償治理成本的重要手段?，F(xiàn)行國(guó)務(wù)院令字第369號(hào)《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》執(zhí)行NOx“零排放”收費(fèi)政策，按0.60元/污染當(dāng)量收費(fèi)。

環(huán)境保護(hù)部辦公廳函〔2009〕247號(hào)《2009-2010年全國(guó)污染防治工作要點(diǎn)》第三部分第（九）條要求：全面開展氮氧化物污染防治。以火電行業(yè)為重點(diǎn)，開展工業(yè)氮氧化物污染防治。做好京津冀地區(qū)大氣污染防治，推動(dòng)長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)建立大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，并以火電行業(yè)為重點(diǎn)，開展工業(yè)氮氧化物污染防治。在京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)，新建火電廠必須同步建設(shè)脫硝裝置，2015年年底前，現(xiàn)役機(jī)組全部完成脫硝改造。

2011年7月，環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011），新標(biāo)準(zhǔn)將自2012年1月1日起正式實(shí)施。與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（GB 13223-2003）相比，新標(biāo)準(zhǔn)大幅收緊了氮氧化物的排放限值。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，到2014年7月1日現(xiàn)有火電機(jī)組將執(zhí)行新版氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，除采用W型火焰鍋爐、現(xiàn)有循環(huán)流化床鍋爐以及2003年12月31日前建成投產(chǎn)或通過建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書審批的火力發(fā)電鍋爐外，其余燃煤鍋爐氮氧化物排放均不高于100mg/Nm3。

2 氮氧化物產(chǎn)生原理

在氮氧化物中， NO 占有 90% 以上，NO2占 5%～10% ，產(chǎn)生機(jī)理一般分為如下三種：

2.1 熱力型NOX（Thermal NOX）

它是指助燃空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸纬伞?/p>

2.2 燃料型NOX（Fuel NOX）

它是指燃料中的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化所形成。燃料中的含氮有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN等中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后氧化成NOX。

2.3 快速型NOX（Prompt NOX）

它是指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成的NOX。

燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生的NOX中燃料型產(chǎn)生于煤粉燃燒初期占80%-90%左右，是通過燃燒控制NOx減排的主要對(duì)象，其余為熱力型NOX，快速型NOX產(chǎn)生的量很少。

3 我公司采用的低氮燃燒改造技術(shù)

磴口金牛煤電有限公司2×300MW機(jī)組為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的亞臨界燃煤機(jī)組，鍋爐采用水平濃淡低氮燃燒器，并配置兩層緊湊型燃盡風(fēng)系統(tǒng)。鍋爐設(shè)計(jì)燃用揮發(fā)份較高的煙煤，而實(shí)際運(yùn)行過程入爐煤質(zhì)波動(dòng)較大，爐膛出口NOx排放濃度在350～600mg/Nm3之間（CEMS表計(jì)顯示值，未以NO2計(jì)），高于現(xiàn)行以及即將實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

為了控制NOx達(dá)標(biāo)排放、改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、積極承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的外部與自身發(fā)展雙重需要。磴口金牛煤電有限公司現(xiàn)役2×350MW機(jī)組鍋爐采取成熟可靠的低氮技術(shù)改造措施。

本次低氮燃燒系統(tǒng)改造采用雙尺度燃燒技術(shù)，遵循的核心技術(shù)理念是：煤粉直流低氮燃燒技術(shù)（水平濃淡分離+強(qiáng)化燃燒噴嘴）+空氣分級(jí)技術(shù)（偏置風(fēng)+高位SOFA+低位SOFA）。

3.1 直流低氮燃燒技術(shù)

在燃燒器噴嘴上游，采用特定機(jī)構(gòu)將煤粉濃縮分離，在煤粉噴嘴處形成局部的煤粉濃淡偏差燃燒，提高濃相煤粉的加熱速率與揮發(fā)分（尤其是揮發(fā)分氮）的析出量，來(lái)控制燃燒初期的NOx生成。本次改造采用的直流型濃淡低NOx燃燒器是利用強(qiáng)制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的水平濃淡型（百葉窗）。

為充分發(fā)揮直流燃燒器的NOx控制能力，并防止?fàn)t膛水冷壁結(jié)渣，可組織二次風(fēng)射流偏離一次風(fēng)，使每角燃燒器處于火焰、濃相煤粉、淡相煤粉、二次風(fēng)的燃燒次序，形成水平濃淡分級(jí)“風(fēng)包粉”燃燒。采用這種燃燒方式，可使?fàn)t膛中央濃相煤粉缺氧燃燒、四周淡相煤粉富氧燃燒，將NOx排放濃度降低約20%～40%。

3.2 爐內(nèi)空氣分級(jí)

將部分助燃空氣從燃燒器區(qū)域分離出來(lái)，通過燃燒器上方的噴口送入爐內(nèi)，在爐膛高度方向形成空氣分級(jí)燃燒，維持火焰下游足夠長(zhǎng)的還原停留時(shí)間，是配合燃燒器控制爐內(nèi)NOx生成的重要措施。分級(jí)風(fēng)裝置為多級(jí)分離混合型等三種，與燃燒器配合，能夠降低NOx排放約40%～70%?？諝夥旨?jí)程度決定了燃燒器區(qū)域的還原氣氛程度，而分級(jí)風(fēng)噴口與燃燒器的距離決定了煙氣在還原區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間。還原氣氛程度越深，停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于控制NOx的生成。但深度空氣分級(jí)會(huì)使水冷壁處于還原氣氛，導(dǎo)致水冷壁腐蝕與結(jié)渣，且不利于煤粉燃燼，為此，實(shí)施空氣分級(jí)燃燒時(shí)，必須采取邊界風(fēng)或側(cè)壁風(fēng)等措施，保證水冷壁處于氧化氣氛，并提高分級(jí)風(fēng)的射流剛性與覆蓋廣度，強(qiáng)化分級(jí)風(fēng)與煙氣的混合，兼顧NOx控制與煤粉燃燼?？諝夥旨?jí)燃燒示意圖見圖1，空氣系數(shù)對(duì)NOx 生成的影響見圖2。圖1 空氣分級(jí)燃燒示意圖圖2 空氣系數(shù)對(duì)NOx 生成的影響

對(duì)燃燒器進(jìn)行低NOx燃燒器綜合改造，其方案布置如圖1所示。更換現(xiàn)有四角燃燒器的煤粉風(fēng)室和二次風(fēng)室組件，同時(shí)增加較大量的高位燃盡風(fēng)；一次風(fēng)噴口全部采用上下濃淡中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器；取消一層中間空氣風(fēng)室，適當(dāng)減小上端部風(fēng)室、油風(fēng)室及中間空氣風(fēng)室的面積；取消最上層OFA燃盡風(fēng)室，在其兩側(cè)加裝貼壁風(fēng)。

下端部風(fēng)及一次風(fēng)保留原有射流方向，仍舊為逆時(shí)針方向，調(diào)整二次風(fēng)射流方向，二次風(fēng)改為與一次風(fēng)小角度偏置，順時(shí)針反向切入，形成橫向空氣分級(jí)。風(fēng)量重新合理分配，并調(diào)整主燃燒器區(qū)一二次風(fēng)噴口面積，使一次風(fēng)速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，主燃燒器區(qū)的二次風(fēng)量適當(dāng)減小，形成縱向空氣分級(jí)；保留原有燃燒器擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以整體上下擺動(dòng)。

在原主燃燒器上方約5米處布置4層分離SOFA噴口，其取風(fēng)通過大風(fēng)箱向上延伸，可分配足量的SOFA燃盡風(fēng)量，SOFA噴口可同時(shí)作上下左右擺動(dòng)。適量的高位燃盡風(fēng)量將對(duì)爐內(nèi)火焰中心位置及爐膛出口煙溫偏差帶來(lái)影響，通過將燃盡風(fēng)噴口設(shè)計(jì)成上下左右擺動(dòng)燃燒器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)爐膛出口溫度及煙溫偏差同時(shí)調(diào)整，還可強(qiáng)化飛灰可燃物燃盡。

改造后燃燒器保留原油槍、火檢、等離子體點(diǎn)火裝置的相應(yīng)安裝位置，這些設(shè)備均可利舊，附屬設(shè)備功能不變?？椿鹂纂S著燃燒器標(biāo)高改變而變動(dòng)，吹灰器在側(cè)墻燃盡風(fēng)連接風(fēng)道處有少數(shù)拆除。根據(jù)數(shù)十臺(tái)類似300MW機(jī)組鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明不影響鍋爐運(yùn)行。

保證改造后是在高效、穩(wěn)燃、防渣防腐的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低NOx排放，并充分考慮到由于改造而出現(xiàn)的新問題的解決措施。圖1 低NOx燃燒器改造方案布置圖

脫硝技術(shù)改造前，兩臺(tái)鍋爐的最大NOx排放濃度按照600mg/Nm3，每年的NOx最大排放總量約11，000噸。脫硝技術(shù)改造后，按照脫硝效率為57%計(jì)算，鍋爐每年的NOx最大排放總量?jī)H為4，767噸，比改造前削減約6，233噸，見表1。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示低氮燃燒器改造完成后NOx 排放量明顯降低，不但節(jié)約SCR成本而且對(duì)環(huán)境保護(hù)有積極推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

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