淺談低NOx燃燒技術及其應用

張廷杰 車照海

摘 要：主要介紹了燃煤電廠NOx產(chǎn)生的機理，低NOx燃燒器在電廠的應用及其控制方案。本文針對吉電股份白城發(fā)電公司的特點，通過結合實際和改善為出發(fā)點，不斷改善設施，取得很好的社會效益。

關鍵詞：氮氧化物；環(huán)保；環(huán)境；燃燒器；運行

中圖分類號：X757 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0003-02

0 引言

燃燒過程中排放的NOx氣體是危害大，且較難處理的大氣污染物，它不僅刺激人的呼吸系統(tǒng)，損害動植物，破壞臭氧層，而且也是引起溫室效應、酸雨和光化學反應的主要物質(zhì)之一。我國是燃煤大國，開展對降低NOx排放的治理具有十分重要的意義。根據(jù)國家新的排放政策對NOx排放的要求，2014年7月1日開始執(zhí)行環(huán)保對氮氧化物排放的新標準，也就是煙囪出口的煙氣中的氮氧化物要低于100mg/Nm3。對鍋爐進行燃燒器改造，可以在爐內(nèi)降低NOx生成，然后進行煙氣脫硝裝置，進行化學處理。

爐內(nèi)的低氮燃燒器改造成功后，可大幅減少SCR運行的成本。我國300MW～600MW機組大多采用直流燃燒器四角切圓和旋流燃燒器墻式布置燃燒方式，不同的燃燒器的布置方式、不同煤種的NOx排放水平具有顯著差異。白城發(fā)電公司鍋爐燃燒方式采用前后墻對沖燃燒方式，由于燃燒前期的混合，易形成富氧強烈的燃燒區(qū)，火焰短，放熱集中，易產(chǎn)生局部高溫區(qū)域，故NOx排放量較大。

1 NOx生成和控制機理

燃煤鍋爐生成NOx的主要途徑有三個：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx，（即燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而生成的NOx，占比60%～80%）。對電廠鍋爐，只要控制了燃料型NOx的生成，就可控制總NOx的排放量。煤中的N在燃燒過程中轉化為NOx的量與煤的揮發(fā)份及燃燒過量空氣系數(shù)有關，在過量空氣系數(shù)大于1的氧化性氣氛中，煤的揮發(fā)份越高，NOx的生成量越多，若過量空氣系數(shù)小于1，高揮發(fā)份燃煤的NOx生成量較低，其主要原因是高揮發(fā)份燃料迅速燃燒，使燃燒區(qū)域氧量降低，不利于NOx的生成。

2 降低NOx的通用措施

（1）在燃用揮發(fā)分較高的煙煤時，燃料型NOx含量較多，快速型NOx極少。燃料型NOx是空氣中的氧與煤中氮元素熱解產(chǎn)物發(fā)生反應生成NOx，燃料中氮并非全部轉變?yōu)镹Ox，它存在一個轉換率，降低此轉換率控制NOx排放總量，可采取：①減少燃燒的過量空氣系數(shù)；②控制燃料與空氣的前期混合；③提高入爐的局部燃料濃度。

（2）熱力型NOx：是燃燒時空氣中的N2和O2在高溫下生成的NOx，產(chǎn)生的主要條件是高的燃燒溫度使氮分子游離增本化學活性；然后是高的氧濃度，要減少熱力型NOx的生成，可采取：①減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍；②降低鍋爐燃燒的峰值溫度；③降低燃燒的過量空氣系數(shù)和局部氧濃度。

具體來說，就是在保證鍋爐燃燒安全的前提下，采取以下措施來減少氮氧化物的生成：①低過量空氣燃燒：低氧燃燒，運行中控制氧量3%左右運行。②空氣分級燃燒：空氣分級燃燒是將燃燒過程分階段完成。第一階段：將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總空氣量的70%～80%，相當于理論空氣量的80%，此時過量空氣系數(shù)α<1，使燃料先在缺氧條件下燃燒，在還原性氣氛中降低的NOx的反應速率，抑制了在這一燃燒區(qū)中的生成量。第二階段：為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣則通過布置在主燃燒器上方的專門空氣噴口SOFA（over fire air）——稱為＼燃盡風＼（俗稱火上風）噴口送入爐膛，與第一級燃燒區(qū)在＼貧氧燃燒＼條件下所產(chǎn)生的煙氣混合，在α>1的條件下完成全部燃燒過程。燃燒器改造后，燃盡高度為14m，較改造前增加1.6m，火焰中心位置有所提高，煙溫，汽溫升高。

（3）燃料分級燃燒：所有一次風設計噴口為上下濃淡分離形式，中間加裝較大的穩(wěn)燃鈍體形式，濃淡燃燒除可降低NOx外，還可對煤粉穩(wěn)燃、提前著火有積極作用。同時鈍體能優(yōu)先增加卷吸的高溫煙氣量，進一步強化穩(wěn)燃。在燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時，會發(fā)生NO的還原反應，重新還原為N2。利用這一原理，將主要燃料送入第一級燃燒區(qū)，在α>1條件下，燃燒并生成NOx，送入一級燃燒區(qū)的燃料稱為一次燃料，其余15～20%的燃料則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區(qū)，在α<1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區(qū)中生成的NO（再X在二級燃燒區(qū)燃區(qū)）內(nèi)被還原成氮分子，送入二級燃燒區(qū)的燃料又稱為二次燃料，或稱再燃燃料。在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放濃度進一步降低。在采用燃料分級燃燒時，為了有效地降低NOx排放，再燃區(qū)是關鍵。因此，需要研究在再燃區(qū)中影響NOx濃度值的因素。

（4）煙氣再循環(huán)：目前使用較多的還有煙氣再循環(huán)法，它是在鍋爐的空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐內(nèi)，或與一次風或二次風混合后送入爐內(nèi)，這樣不但可降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，進而降低NOx的排放濃度。但是，在現(xiàn)有設備沒再循環(huán)就得進行設備改造，還是進行經(jīng)濟性和安全性比較后才能實施。

（5）低NOx燃燒器：本廠采用低NOx軸向旋流燃燒器。

3 低NOx軸向旋流燃燒器在我公司的應用和運行調(diào)整對降低NOx的生成

白城發(fā)電公司燃燒器布置方式采用前后墻布置，對沖燃燒方式。采用7臺中速磨煤機，前墻布置4層煤粉燃燒器，分別是C、D、E、F磨，后墻布置3層煤粉燃燒器，分別是A、B、G磨。每層各有5只低NOx軸向旋流燃燒器，共35只燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方，前后墻各布置1層燃盡風燃燒器，每層布置5只，共10只燃盡風燃燒器。

燃燒器中的空氣分為四股，即一次風、二次風、三次風和四次風。一次風為從磨煤機送來的經(jīng)碾磨和干燥后的煤粉，通過一次風入口彎頭進入旋流煤粉燃燒器，再經(jīng)布置有BANJO和煤粉收集器的一次風管進入爐膛。煤粉收集器對煤粉具有濃縮作用，與二次風、三次風、四次風配合，在燃燒的早期達到減少NOx的目的。如圖1所示。

墻式燃燒系統(tǒng)的燃燒器具有自穩(wěn)燃能力，也具有較大的調(diào)節(jié)比，空氣動力特性十分穩(wěn)定。該燃燒器經(jīng)過特別設計，可以適用于多種燃料。燃燒器在爐膛中布置的節(jié)距較大，相鄰燃燒器之間不需要互相支持。低NOx軸向旋流燃燒器燃燒器設計得堅固、耐用，并且機械結構上盡量簡單、可靠，以提供較長的使用壽命和長期連續(xù)運行的能力，簡化燃燒調(diào)整和運行操作，一旦試運行期間的燃燒調(diào)整工作結束，即使運行煤質(zhì)在一個較寬的范圍內(nèi)波動，燃燒器的設置也不需要進行任何調(diào)整，同樣能獲得最佳的運行性能。通過燃燒器和爐膛設計的匹配來實現(xiàn)降低NOx生成量。

煤粉燃燒器上部設有一層燃盡風燃燒器（OFA）。其作用是補充燃料后期燃燒所需的空氣，實現(xiàn)分級燃燒，降低爐內(nèi)的溫度水平，抑制NOx的生成。

低NOx軸向旋流燃燒器不僅能夠高效、穩(wěn)定地燃燒世界各地的多種燃料，而且已經(jīng)作為一種經(jīng)濟實用的手段來滿足現(xiàn)有的及將來日益還將嚴格的降低NOx排放量的需要。

低NOx軸向旋流燃燒器特點：（1）空氣動力特性上具有良好的燃燒穩(wěn)定性。（2）運行中不需要調(diào)節(jié)，高度可靠。（3）低NOx軸向旋流燃燒器采用雙調(diào)風降低NOx生成量。（4）采用燃盡風（OFA）控制燃燒反應當量，進一步降低NOx。

低NOx軸向旋流燃燒器的設計原則：（1）增大揮發(fā)份從燃料中釋放出來的速率，以獲得最大的揮發(fā)物生成量；（2）在燃燒的初始階段除了提供適量的氧以供穩(wěn)定燃燒所需要以外，盡量維持一個較低氧量水平的區(qū)域，以最大限度地減少NOx生成；（3）控制和優(yōu)化燃料富集區(qū)域的溫度和燃料在此區(qū)域的駐留時間，以最大限度地減少NOx生成；（4）增加煤焦粒子在燃料富集區(qū)域的駐留時間，以減少煤焦粒子中氮氧化物釋出形成NOx的可能；（5）及時補充燃盡所需要的其余的風量，以確保充分燃盡。

運行調(diào)整方面采取的措施：（1）保持爐內(nèi)燃燒均衡，防止出現(xiàn)爐內(nèi)局部溫度過高，通過水冷壁溫等參數(shù)監(jiān)視，避免產(chǎn)生局部高溫區(qū)，減少熱力性NOx生成。（2）根據(jù)燃料特性，合理選擇煤種并合理配煤摻燒，降低燃料中的含氮量。（3）在保證燃料能夠充分燃盡的前提下，盡量降低過量空氣系數(shù)。維持低氧燃燒，減少爐內(nèi)氧量，減少氧化氣氛。減少總風量，從而減少煙氣量，降低煙氣流速，也能保證氨氣在催化劑中充分利用，降低NOx。（4）合理配風，在保證爐內(nèi)氧量和制粉系統(tǒng)出力前提下，降低一次風率，推遲一、二次風混合時間，形成富燃料區(qū)，缺氧燃燒，降低NOx生成，缺氧燃燒后再與二次風混合，使燃料完全燃燒，適度開啟燃盡風，提高火焰中心高度。（5）增加機組負荷率，機組負荷越高，生成NOx濃度越少。（6）調(diào)整制粉系統(tǒng)運行方式，盡量選擇下層磨運行，在鍋爐下部形成富燃料燃燒區(qū)，利于調(diào)整。（7）優(yōu)化噴氨調(diào)節(jié)門自動調(diào)節(jié)特性?，F(xiàn)在存在噴氨出口NOx濃度設定值較高時，調(diào)門跟蹤一段時間后失控，NOx出口濃度容易超標。（8）NOx出口濃度大幅度變化升高普遍發(fā)生在負荷變動及噴氨系統(tǒng)吹灰時發(fā)生，調(diào)門跟蹤緩慢。出口NOx濃度快速上升，調(diào)門不動，當NOx濃度真實值反饋過來后已經(jīng)超標，調(diào)門瞬間開大直至出口NOx濃度降低至設定值內(nèi)后開始關閉，但此時噴氨已經(jīng)嚴重過量。建議熱工人員進行優(yōu)化，解決調(diào)門動作緩慢問題。在問題解決前，采取在噴氨系統(tǒng)吹灰、機組減負荷、加負荷啟動制粉系統(tǒng)時，短時將調(diào)門自動解除，手動適度開大調(diào)門，增加噴氨量，防止調(diào)門的嚴重過調(diào)。（9）當機組加負荷時且無需啟動制粉系統(tǒng)時，由于SCR入口NOx濃度下降，可短時將調(diào)門自動解除，手動適度關小調(diào)門，減少噴氨用量。（10）由于NOx數(shù)值加氧量折算，所以有效減少爐后漏風量，是非常有效的降低NOx和減少噴氨用量的手段之一。

4 結語

在火電廠大氣污染物排放標準日益嚴格的形勢下，通過低NOx燃燒器不斷改造和運行控制技術的不斷發(fā)展，能夠顯著降低NOx排放濃度，以降低火電廠NOx應以控制NOx生成為主，煙氣脫硝為輔，綜合考慮所有因素，以達到環(huán)境與經(jīng)濟的和諧統(tǒng)一。