等離子低氮燃燒技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用分析

摘 要：伴隨著我國火力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，火電廠氮氧化物的排放量迅速增加。等離子低氮燃燒技術(shù)，是在煤粉鍋爐等離子體點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新概念的低氮燃燒技術(shù)。該技術(shù)可以在不降低鍋爐效率的前提下，大幅度降低鍋爐NOx的排放。對(duì)等離子低氮燃燒的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了概述，介紹了其在電廠中的應(yīng)用情況，并對(duì)其降低SCR脫硝成本進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：等離子低氮燃燒技術(shù)；特點(diǎn)；應(yīng)用分析

引言

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）要求新建機(jī)組NOx排放低于100mg/Nm3。目前，NOx排放的技術(shù)措施按作用位置可分為兩大類：第一類稱為爐內(nèi)脫硝，其特征是通過各種技術(shù)手段，控制燃燒過程來降低NOx的排放；第二類是尾部脫硝，又稱為煙氣凈化技術(shù)，其特征是把尾部煙氣中已經(jīng)生成的NOx還原[1]。電站鍋爐大多采用低氮燃燒技術(shù)+煙氣脫硝方式降低NOx的排放，但低氮燃燒技術(shù)又存在不同，NOx排放濃度差別也很大。

1 等離子低氮燃燒技術(shù)的特點(diǎn)

等離子低氮燃燒技術(shù)，是在煤粉鍋爐等離子體點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新概念的低氮燃燒技術(shù)。煤粉鍋爐等離子體點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)利用溫度很高的等離子體在燃燒器內(nèi)直接點(diǎn)燃煤粉，可以節(jié)約大量的鍋爐啟動(dòng)用油。采用該技術(shù)的等離子體煤粉燃燒器在實(shí)現(xiàn)煤粉內(nèi)燃的同時(shí)，與現(xiàn)在主流的空氣整體分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒等低氮燃燒技術(shù)相結(jié)合，可以在不降低鍋爐效率的前提下，大幅度降低氮氧化物的排放。

等離子低氮燃燒器降低NOx排放的主要原因在于可以使空氣分級(jí)、燃料分級(jí)等措施“深度到位”，從而實(shí)現(xiàn)了與常規(guī)低氮燃燒技術(shù)相比，具有較高脫硝性能和較好的安全經(jīng)濟(jì)性[2]。其降低NOx排放的主要原理如下：

（1）深度分級(jí)送風(fēng)與低氧燃燒過程。全爐空氣送入量和送入方式，采用了多點(diǎn)、多區(qū)、多角度送風(fēng)，且可控制不同區(qū)段有不同的摻混率。高度方向上，下自底部二次風(fēng)口，上至頂部燃盡風(fēng)采用多組多噴口小流量的設(shè)計(jì)原則。在水平方向相對(duì)獨(dú)立的近壁區(qū)射流，實(shí)現(xiàn)了沿爐體高度逐步摻混，優(yōu)于各類偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)方式。全爐燃燒過程均采用了低于常規(guī)燃燒過程的氧量（視燃煤與爐型而定）。

（2）擴(kuò)大了還原氣氛區(qū)和還原燃燒區(qū)。在高度方向上以一次風(fēng)粉為中心組織了雙還原區(qū)。它彌補(bǔ)了二維分布煤質(zhì)和NOx針對(duì)性相關(guān)不足（如難燃煤后期混合差飛灰可燃物高），總體上加大了還原量和抑制焦炭NOx產(chǎn)生。在主燃燒區(qū)由于變異風(fēng)粉布置型式，使煤粉較快析出揮發(fā)份和著火，迅速進(jìn)入濃相區(qū)實(shí)現(xiàn)了部分NOx分解還原，加大了火焰內(nèi)還原NOx的比重。在兩個(gè)主燃燒區(qū)上方布置的還原區(qū)對(duì)NOx仍繼續(xù)進(jìn)行還原，同時(shí)產(chǎn)生部分焦碳NOx。

等離子低氮燃燒器除了可以降低NOx排放外，還可以在一定程度上抑制爐膛結(jié)渣的發(fā)生。爐內(nèi)三場(chǎng)特性參數(shù)隨機(jī)性強(qiáng)，各向不均勻性在高度、水平方向上，尤其是“中心區(qū)”與“近壁區(qū)”存在很大差異。等離子低氮燃燒器通過一種空氣與燃料射流組合，設(shè)法擴(kuò)大兩大區(qū)域三場(chǎng)特性的差異，形成了“中心區(qū)”有較高煤粉濃度、較高溫度、適宜氧濃度、較高燃燒強(qiáng)度。在過程尺度上優(yōu)化了燃燒不同階段三場(chǎng)特性差異使火焰邊部可控可調(diào)，保證近壁區(qū)三場(chǎng)特性利于防渣，水冷壁得到重點(diǎn)保護(hù)，爐膛不結(jié)渣、可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間爐膛不吹灰。

2 等離子低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用實(shí)例一

國內(nèi)某20萬機(jī)組（或者是DT20萬機(jī)組）電廠在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)鍋爐出現(xiàn)了一系列的問題，主要有：煤種適應(yīng)性差，爐內(nèi)有局部結(jié)渣現(xiàn)象，溫度場(chǎng)存在一定的偏差，再熱受熱面超溫；主汽溫度因爐內(nèi)結(jié)渣粘污而升高，因爐膛吹灰而降低，變化幅度較大；鍋爐兩側(cè)煙溫存在最高達(dá)100℃以上的偏差；采用均等布置的燃燒方式，NOx排放量較高，為1120mg/Nm3；鍋爐效率略高于設(shè)計(jì)值90.84%，為90.87%，但低于其平均運(yùn)行水平91%。經(jīng)過等離子低氮燃燒系統(tǒng)技改工程以后解決問題如下：解決了結(jié)渣沾污問題；再過熱器受熱面氣溫正常；實(shí)現(xiàn)了爐膛不吹灰；大幅度地削減了NOx排放量，NOx為300-340mg/Nm3，脫除率達(dá)到63.3%，CO為35ppm，飛灰含碳量3.3%；爐側(cè)廠用電大幅度降低；鍋爐效率為92.15%；煤種適應(yīng)性明顯增強(qiáng)；低負(fù)荷穩(wěn)燃性能良好、接帶負(fù)荷能力有所增強(qiáng)，低負(fù)荷可達(dá)50%以下。

2.2 應(yīng)用實(shí)例二

國內(nèi)某30萬（或者是mw30萬）機(jī)組在運(yùn)行中存在較嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象，不能完全燒設(shè)計(jì)用神華煤。NOx排放濃度最高達(dá)700mg/m3，飛灰含碳量達(dá)到7.0%，鍋爐效率91.5%～93.2%。在進(jìn)行等離子低氮燃燒系統(tǒng)技改工程后完全解決了爐膛內(nèi)的結(jié)渣問題，可以100%燃用神華煤，NOx排放濃度128～181mg/m3，飛灰含碳量下降到2.63～2.99%，鍋爐效率提高到93.24%～93.44%。

3 等離子低氮燃燒降低SCR脫硝成本

根據(jù)《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》環(huán)發(fā)[2010]10號(hào)規(guī)定：“低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)”。低氮燃燒技術(shù)投資成本低，無運(yùn)行費(fèi)用，而且可在鍋爐中不添加任何脫硝還原劑，只通過調(diào)整燃燒方式即可從源頭控制NOx的生成。1臺(tái)600MW機(jī)組運(yùn)行需要約500個(gè)立方SCR催化劑，目前其價(jià)格為1個(gè)立方約3萬元，而且SCR用3年即需要更換，折算下來相當(dāng)于每年投資約500萬元；另外，SCR通過氨等還原劑還原煙氣中已生成的氮氧化物，氨要通過尿素?zé)峤獠拍艿玫?，因此需要增加額外的設(shè)備投資。一年兩者的運(yùn)行成本需要近1500萬元。

經(jīng)過等離子體低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行初步降氮后可以節(jié)省SCR初始投資和運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)過等離子體低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行初步降氮后，NOx排量一般可達(dá)到300mg/m3以下，此時(shí)僅需50%的脫硝效果即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。以600MW燃煤機(jī)組為例，當(dāng)要求脫硝效率為80%左右時(shí)，需要兩層催化劑；而當(dāng)脫硝率為50%以下時(shí)，一層催化劑即可滿足要求，此時(shí)較80%脫硝率的情況可以減少15%左右的初始投資（催化劑占整個(gè)脫硝系統(tǒng)的投資比例按30～40%計(jì)）。

以600MW燃煤機(jī)組為例，即使等離子體低氮燃燒技術(shù)不能將NOx排量降到100mg/m3以下，如果從1000mg/m3降到300mg/m3可節(jié)省催化劑初裝費(fèi)1000萬元，年運(yùn)行費(fèi)用1120萬元，這同樣有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

低氮燃燒技術(shù)與煙氣脫硝技術(shù)相比具有工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是適合我國國情的氮氧化物排放控制技術(shù)。等離子體技術(shù)引入鍋爐降氮領(lǐng)域，為降低電站鍋爐氮氧化物排放提供了新的技術(shù)手段。等離子體低氮燃燒技術(shù)的成功應(yīng)用表明低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的高度。

參考文獻(xiàn)

[1]陳輝，黃啟龍，戴維葆，等.國內(nèi)300MW等級(jí)電站鍋爐低氮燃燒器性能比較與評(píng)價(jià)[J].華東電力，2013.

[2]李強(qiáng)，張?jiān)鹿?，張洪?300MW燃煤電廠鍋爐等離子低氮燃燒器改造[J].內(nèi)蒙古石油化工，2014.

作者簡(jiǎn)介：蘇靖程（1982-），男，動(dòng)力工程師，從事電廠鍋爐檢修十年、目前主要從事煤炭清潔技術(shù)研發(fā)。