燃煤鍋爐低氮燃燒控制研究

[摘 要]本文介紹的低氮燃燒器的改造，可以在爐內(nèi)降低部分NOx的生成，在滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下可以降低尾部脫硝設(shè)施的投資及運(yùn)行費(fèi)用，為火電機(jī)組污染物達(dá)標(biāo)排放提供有意的參考。

[關(guān)鍵詞]低氮燃燒；燃煤鍋爐；NOx生成；控制

中圖分類號：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）21-0176-01

1 引言

火電廠大氣污染物排放控制問題，已越來越受到世界各國政府的關(guān)注和重視。國家對污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)也逐步提高，火電廠普遍應(yīng)用了脫硫、脫硝裝置和低氮燃燒技術(shù)。因此，根據(jù)環(huán)境保護(hù)部的火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策的技術(shù)路線要求，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)。

神寧烯烴動力中心6×460t/h機(jī)組鍋爐在正常運(yùn)行工況下煙氣NOx排放濃度約為400～550mg/m3，鍋爐現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)的NOx控制技術(shù)水平較低。為滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）、國務(wù)院關(guān)于大氣污染防治“十二五”規(guī)劃的批復(fù)（國函〔2012〕146號）和當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，神寧烯烴動力中心必須在2015年12月31日前先后完成6臺機(jī)組低氮燃燒改造，控制NOx排放濃度不大于50mg/Nm3。此外，該公司鍋爐排煙溫度（修正后）存在著較設(shè)計(jì)值偏高20℃左右的情況。因此，神寧烯烴動力中心計(jì)劃對鍋爐進(jìn)行降低NOx和排煙溫度的技術(shù)改造，并以項(xiàng)目總承包的形式進(jìn)行實(shí)施，由承包方根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況，研究制定符合實(shí)際需求的低氮燃燒器改造方案，承包方負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、設(shè)備和材料采購、制造、供貨、安裝（含拆除和恢復(fù)）、系統(tǒng)調(diào)試、試驗(yàn)及檢查、試運(yùn)行、消缺、培訓(xùn)和最終交付投產(chǎn)等全過程。項(xiàng)目總體要達(dá)到的指標(biāo)如下：改造后煙囪出口的NOx排放濃度全負(fù)荷段（最低穩(wěn)燃負(fù)荷至BMCR）均不大于50mg/Nm3。介紹了改造方案及取得的效果，以期為其他電廠的同類機(jī)組改造提供參考。

2 燃煤電站鍋爐爐內(nèi)N0x生成機(jī)理與分級燃燒

2.1 N0x生成機(jī)理

煤炭燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化物的途徑有三種：熱力型、燃料型和快速型。在燃煤鍋爐中NOx的生成主要依賴于燃料型和熱力型，在爐溫比較高的情況下熱力型NOx的生成量急速上升是NOx主要生成源，快速型NOx生成量通常很少。燃煤電站鍋爐煤炭在爐內(nèi)空間燃燒爐內(nèi)溫度通常很高，在高溫下NOx的生成機(jī)理是根據(jù)捷里多維奇理論來分析的，NOx的生成過程經(jīng)過許多中間反應(yīng)最終而形成，在各中間反應(yīng)期間受反應(yīng)分解平衡常數(shù)，活化能、煤粉與空氣的流動和混合狀況等因素的影響。

因此對于燃煤火力發(fā)電廠。降低氮氧化物生成量的途徑在于控制02、N2的濃度以及燃燒過程中的溫度，其中控制溫度與02的供給量，對降低由燃燒而產(chǎn)生的氮氧化物生成量具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是實(shí)施爐內(nèi)分級燃燒控制氮氧化物生成的理論基礎(chǔ)。

2.2 爐內(nèi)分級燃燒原理

根據(jù)氮氧化物生成機(jī)理，爐內(nèi)分級燃燒是通過調(diào)整燃燒器及其附近區(qū)域或是整個(gè)爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合狀態(tài)，使燃料經(jīng)過空氣過量系數(shù)小于1的貧氧區(qū)和大于l的富氧區(qū)兩個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)NOx生成量下降的燃燒控制技術(shù)。在空氣過量系數(shù)小于1的燃燒階段，由于氧氣濃度較低，抑制了熱力型NOx的生成，同時(shí)不完全燃燒使部分中間產(chǎn)物如HCN和NH3將部分已生成的NOx還原成N2，減少燃料型NOx的生成。然后在空氣過量系數(shù)>l的富氧燃燒階段，并燃盡。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。分級燃燒技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要有順煙氣流向分級燃燒和沿爐膛斷面分級燃燒兩種方式，本試驗(yàn)采用順煙氣流分級燃燒。順煙氣流向分級燃燒是將燃燒所需的二次風(fēng)分兩部分進(jìn)入爐膛：一部分為主二次風(fēng)，約占二次風(fēng)總量的70%～85%，另一部分為火上風(fēng)，約占二次風(fēng)量的15%～30%。如此，爐膛內(nèi)形成三個(gè)燃燒區(qū)域，即熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)。在熱解區(qū)中煤粉和一次風(fēng)混合燃燒，會生成少量的熱力型NOx，在貧氧區(qū)中燃料不完全燃燒，抑制了燃料性NOx的生成，在富氧區(qū)中火上風(fēng)促進(jìn)了燃料的完全燃燒。整個(gè)過程減少了熱力型NOx的生成，同時(shí)抑制了燃料型NOx的生成，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

3 方案優(yōu)化研究

3.1 影響鍋爐NO，排放的因素

研究表明，在煤的燃燒過程中生成N0，主要有燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx，3種，其中燃料型N0x：含量約占75%～95%，其他為熱力型N0x，和快速型NOx，快速性N0x含量小于5%。實(shí)施低氮燃燒改造受煤種因素影響較大，一般來說燃用高揮發(fā)分煤種的鍋爐更適合采用低氮燃燒技術(shù)，而燃料含氮量越高，在相同燃燒條件下NOx排放也相應(yīng)越高。在確定煤種之后，分析N0x排放主要受主燃區(qū)過量空氣系數(shù)、爐膛溫度、主燃區(qū)氣氛、煤粉在還原區(qū)停留時(shí)間等幾個(gè)因素的影響，其他如燃燒器結(jié)構(gòu)形式、煤粉細(xì)度、爐內(nèi)流場、燃燒配風(fēng)方式等也會對鍋爐NOx排放產(chǎn)生一定的影響。

3.1.1 過量空氣系數(shù)

鍋爐運(yùn)行中過量空氣系數(shù)增加會導(dǎo)致主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)的增加，促進(jìn)生成燃料型NOx，這樣導(dǎo)致總的NO排放量增加。另外，總的過量空氣系數(shù)增加，也將導(dǎo)致N0。排放量修正到O2=6%系數(shù)時(shí)發(fā)生變化。

3.1.2 煤粉在還原區(qū)停留時(shí)間

煤粉顆粒在還原區(qū)停留時(shí)間越長，越有利于NO還原為N。的反應(yīng)，相應(yīng)可以降低NOx排放量。工程經(jīng)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)增加分離燃盡風(fēng)與上排一次風(fēng)噴嘴間距，則NOx排放量要明顯降低。

3.2 主要優(yōu)化措施

根據(jù)基礎(chǔ)條件，制定了低氮燃燒器改造優(yōu)化方案，其中分離燃盡風(fēng)設(shè)計(jì)基本不變，可上下擺動30。及左右水平擺動，主要是調(diào)整了六層一次風(fēng)煤粉噴嘴的間距。

3.2.1 增加高負(fù)荷下煤粉在還原區(qū)停留時(shí)間

鍋爐在高負(fù)荷下煙氣量較大、煙氣流速較快，所以煤粉在還原區(qū)內(nèi)停留時(shí)間較短。優(yōu)化措施為更換全部主燃燒器并調(diào)整各層煤粉燃燒器標(biāo)高：燃盡風(fēng)占總風(fēng)率比、距屏底距離、高低位燃盡風(fēng)距離保持不變，主要是壓縮了主燃區(qū)高度，增加了主燃區(qū)壁面熱負(fù)荷。最下層煤粉燃燒器噴嘴標(biāo)高保持不變，調(diào)整六層一次風(fēng)煤粉燃燒器間距。原煤粉噴嘴各層間距均等布置，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化方案調(diào)整為各層間距自下向上的不均等布置。改造后六層煤粉噴嘴的標(biāo)高改變，且一次風(fēng)/煤粉噴嘴間距下方小、上方大的布置是為了爐內(nèi)溫度場分布相適應(yīng)，目的是減少爐膛結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)并提高鍋爐的穩(wěn)燃能力。

在保證燃燒穩(wěn)定性的同時(shí)，減少上下一次風(fēng)/煤粉噴嘴間距，相應(yīng)還原區(qū)長度延長了一定數(shù)量，延遲煤粉在還原氣氛里的停留時(shí)間。

3.2.2 減少低負(fù)荷下鍋爐燃燒器漏風(fēng)

鍋爐在低負(fù)荷下燃燒器的漏風(fēng)占總風(fēng)量的比例較大，同時(shí)爐膛出口氧量往往較高，導(dǎo)致主燃燒器區(qū)域無法達(dá)到較低的過量空氣系數(shù)。因此根據(jù)爐內(nèi)熱負(fù)荷/溫度場分布，對二次風(fēng)門擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，減少低負(fù)荷時(shí)燃燒器噴口的漏風(fēng)。調(diào)整兩層一次風(fēng)之間的噴口的數(shù)量和尺寸，進(jìn)一步減少了噴口和箱殼之間的漏風(fēng)。從而提高低負(fù)荷下鍋爐降低NOx排放的性能。

3.2.3 鍋爐適應(yīng)性優(yōu)化措施

二次風(fēng)噴嘴采用偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)技術(shù)。兩層煤粉噴嘴之間的二次風(fēng)分為兩部分：一部分二次風(fēng)與一次風(fēng)煤粉噴嘴偏轉(zhuǎn)方向相同；另一部分二次風(fēng)相對一次風(fēng)煤粉噴嘴正切一定角度。偏置風(fēng)的采用可形成水平方向上的空氣分級，提升還原反應(yīng)效率。兩部分二次風(fēng)由2個(gè)二次風(fēng)門擋板分別控制，可通過風(fēng)門擋板的開度來調(diào)整兩部分二次風(fēng)的比例，從而調(diào)整爐內(nèi)切圓直徑、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度及貼壁氣氛，提高鍋爐對煤種的適應(yīng)性。一次風(fēng)煤粉噴管采用新型的濃淡分離結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高濃淡分離效果，從而降低鍋爐的NOx排放及穩(wěn)燃能力。

對二次風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，在大風(fēng)箱風(fēng)道上增加擋板門，增大主燃燒器二次風(fēng)阻力，從而保證足夠的分離燃盡風(fēng)風(fēng)量。

4 結(jié)語

我國是一個(gè)以煤為主的國家，在較長時(shí)間內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會改變。本文介紹的低氮燃燒器的改造，可以在爐內(nèi)降低部分NOx的生成，在滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下可以降低尾部脫硝設(shè)施的投資及運(yùn)行費(fèi)用，為火電機(jī)組污染物達(dá)標(biāo)排放提供有意的參考。

作者簡介

陳沖（1987-），遼寧人，助理工程師，現(xiàn)供職于神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)烯烴一分公司，研究方向?yàn)榛痣娤到y(tǒng)運(yùn)行管理。