W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造研究進(jìn)展

王靚　許勇毅　鄒鵬　吳小琴　王峰

【摘 要】綜述了W型火焰鍋爐應(yīng)用較普遍的低氮燃燒技術(shù)，作為W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造的基礎(chǔ)理論方法。根據(jù)五家電廠不同型號(hào)的W型火焰爐低氮燃燒技術(shù)改造實(shí)例來(lái)介紹目前W型火焰爐低氮改造研究情況。利用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)相配合，為原有鍋爐增設(shè)燃盡風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)，適度下傾二次風(fēng)的噴射角度，改進(jìn)燃燒器等方法均可降低W型火焰鍋爐的氮氧化物生成量。

【關(guān)鍵詞】W型鍋爐;低氮燃燒;技術(shù)改造

中圖分類號(hào)： TQ534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0086-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.042

Research Progress of Low Nitrogen Combustion Technology for W-type Boiler

WANG Liang XU Yong-yi ZOU Peng WU Xiao-qin WANG Feng

（China Power Huachuang Electricity Research Co. Ltd， Shanghai 200086， China）

【Abstract】Low nitrogen combustion technology for W - type flame boiler are summarized， which are theoretical methods for modification on low nitrogen combustion technology. Five different examples of modification on low nitrogen combustion technology for W-type flame boilers introduce the current development of low-nitrogen combustion technology. Measures for reducing nitrogen oxide production can be classified into several categories， mainly， air classification combustion technology and fuel classification combustion technology， such as exhausted air supply system， improved burner and adjustment of secondary air injection angle.

【Key words】W-flame boiler; Low-nitrogen combustion; Technical transformation

我國(guó)大量使用煤炭來(lái)提供發(fā)展所需的能源，煤炭燃燒過(guò)程中排放了大量污染物，其中包括硫氧化物、煙塵、氮氧化物等。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，燃煤過(guò)程污染物的排放量也迅速增加。研究表明，氮氧化物促進(jìn)了酸雨和灰霾的形成，其排放量應(yīng)嚴(yán)格控制。電廠鍋爐燃燒煤產(chǎn)生的氮氧化物90%是NO，以及部分NO2和少量N2O。

我國(guó)40%的動(dòng)力煤是難燃煤[1-4]，如無(wú)煙煤、貧煤等。難燃煤一般揮發(fā)分較低，灰分較多，含碳量高，著火相對(duì)困難[5-7]，如采用四角切圓固態(tài)排渣煤粉爐來(lái)燃燒難燃煤，容易出現(xiàn)燃燒工況不穩(wěn)定，飛灰殘?zhí)己扛?，常需投油助燃，有結(jié)渣嚴(yán)重等問(wèn)題[8]。工程實(shí)踐證實(shí)僅靠改進(jìn)燃燒器，增改預(yù)燃室等方法不足以解決難燃煤燃燒應(yīng)用中的問(wèn)題。國(guó)際上傾向使用W型火焰鍋爐來(lái)燃燒難燃煤。W型火焰鍋爐為提高燃燒難燃煤時(shí)的效率，常用更細(xì)的煤粉，煤粉濃度更高的一次風(fēng)，高溫工況，高氧量送風(fēng)等技術(shù)條件，加上爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器布置造成煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)的原因，造成煙氣中NOx濃度高達(dá)1200～2000mg/Nm3。W型鍋爐低氮燃燒改造，對(duì)于電力行業(yè)氮氧化物排放控制有著重要的意義。

目前用于控制電廠NOx排放的常用技術(shù)措施有兩種[10-17]，一是爐內(nèi)低氮燃燒，采用各種技術(shù)方法在燃燒過(guò)程中降低氮氧化物生成量;二是尾部煙氣脫硝，使NOx反應(yīng)生成N2來(lái)降低NOx的排放。本文主要關(guān)注W型鍋爐低氮燃燒技術(shù)，闡述W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造原理，分析了三個(gè)W型火焰鍋爐低氮燃燒改造的工程實(shí)例，總結(jié)分析了目前W型火焰鍋爐低氮燃燒改造技術(shù)現(xiàn)狀。

1 W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)理論進(jìn)展

1.1 NOx生成機(jī)理

燃煤鍋爐NO生成量的主要影響因素有火焰溫度分布、過(guò)量空氣系數(shù)、燃料含氮量和燃燒產(chǎn)物在高溫高氧區(qū)停留時(shí)間等。鍋爐內(nèi)煤燃燒過(guò)程產(chǎn)生NOx一般有三種途徑[18-20]：（1）快速型NOx，可用菲尼莫原理解釋：燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生活性強(qiáng)的CHi等碳化氫自由基，碳化氫自由基與空氣中氮反應(yīng)產(chǎn)生HCN，N和NH等中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物進(jìn)一步被氧化為NO;（2）燃料型NOx，燃料型NOx是煤自身氮元素氧化生成。燃料型NOx生成量受燃燒過(guò)程中供給空氣量影響，與爐內(nèi)溫度關(guān)系不大;（3）熱力型NOx，熱力型NOx生成過(guò)程可用澤利多維奇原理解釋：加入燃燒的空氣中的氮元素被高溫氧化生成NOx。

N≡N鍵能很高，室溫下的燃燒過(guò)程不會(huì)生成熱力型NOx。溫度超過(guò)1500K后，熱力型NOx生成速率隨溫度升高按指數(shù)級(jí)規(guī)律增加。由于熱力型NOx生成過(guò)程主要受溫度影響，采用降低火焰溫度或縮短煤在高溫區(qū)域的停留時(shí)間就可以有效控制熱力型NOX生成量。

無(wú)煙煤等難燃煤揮發(fā)分含量低，燃燒溫度高，燃燒所需風(fēng)量大，因此NOx排放量大。煙氣中不僅有燃料型NOx，熱力型 NOx排放量也較高，因此要降低W型火焰鍋爐NOx排放量需同時(shí)控制風(fēng)量和燃燒溫度，這是W型火焰鍋爐控制 NOx排放難度高的原因[21-22]。

1.2 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

從NOx生成機(jī)理得知，燃燒區(qū)域空氣量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致NOx排放量增加。因此可通過(guò)分開供風(fēng)來(lái)形成富燃料區(qū)域，把原先的二次風(fēng)分為兩股或多股來(lái)使一次燃燒區(qū)域空燃比下降[23-25]。燃燒開始階段的區(qū)域加入少于理論空氣量的空氣，一次氣流燃燒區(qū)會(huì)出現(xiàn)貧氧富燃料的工況，此時(shí)燃料部分燃燒，處于過(guò)量空氣系數(shù)較小的還原性氣氛中，NOx生成過(guò)程中的HCN，NHi等中間物質(zhì)會(huì)被已生成的NOx還原，可減少燃料型NOx生成量。其余二次風(fēng)及用于幫助煤完全燃燒的燃盡風(fēng)噴射到二次燃燒區(qū)域[26-33]。

采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)后，整個(gè)爐膛內(nèi)的燃燒溫度都比不采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)時(shí)低，熱力型NOx的生成量可得到控制。周中州等人研究顯示一次燃燒區(qū)域的送風(fēng)量須占總風(fēng)量80%左右，不宜太低，否則會(huì)推遲煤粉著火，造成燃燒工況不穩(wěn)定，NOx排放量也會(huì)上升[34]。合適的風(fēng)量調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐燃燒和氮氧化物減排很重要。

采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)后，主燃燒區(qū)域的燃燒強(qiáng)度下降，爐膛內(nèi)燃燒溫度下降，易發(fā)生腐蝕和結(jié)渣，有飛灰中未燃?xì)執(zhí)剂看蟮葐?wèn)題。因此低氮燃燒技術(shù)要和強(qiáng)化燃燒原則相互取舍，具體工程實(shí)踐中具體選擇最佳方案。

除調(diào)節(jié)配風(fēng)外，還可通過(guò)調(diào)節(jié)燃料配給方法來(lái)調(diào)節(jié)燃燒區(qū)域的空燃比，即燃料濃淡分離燃燒技術(shù)。通常采用改造燃燒器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料濃淡分離燃燒，通過(guò)區(qū)分出濃淡兩股煤粉氣流單獨(dú)燃燒，可強(qiáng)化難燃煤的燃燒，控制NOx排放量。濃淡兩股煤粉氣流的燃燒過(guò)程都偏離了合適的化學(xué)當(dāng)量比，在較低溫度的還原性煙氣中燃燒可抑制NOx的生成。

1.3 燃料分級(jí)燃燒

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是指將燃料分開從兩個(gè)區(qū)域送入燃燒，來(lái)控制NOx生成量的技術(shù)[35]。主燃燒區(qū)域已生成的NOx會(huì)和未燃燒物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)被還原，其中的反應(yīng)機(jī)理可由如下方程式描述[12]。

爐膛按照燃燒工況的不同，通常會(huì)被分為三個(gè)區(qū)域：主燃區(qū)，再燃區(qū)和燃盡區(qū)。80%的燃料跟隨煤粉氣流送入主燃燒區(qū)域，此時(shí)燃燒環(huán)境中過(guò)量空氣系數(shù)大于1，即弱氧化環(huán)境，煤高溫燃燒產(chǎn)生大量NOx。將剩余燃料投入再燃區(qū)，此時(shí)投入的燃料細(xì)度大，過(guò)量空氣系數(shù)小于1的還原性燃燒環(huán)境，可將已生成NOx還原為N2，NOx生成過(guò)程也到抑制。未燃盡煤粉隨煙氣到達(dá)燃盡區(qū)，此時(shí)氧氣充足可充分燃燒，減少未完全燃燒損失，提高燃燒效率。燃料分級(jí)燃燒技術(shù)可保證燃燒初期的良好燃燒工況，還可以解決低揮發(fā)分煤燃燒困難的問(wèn)題。

陳瑤姬和于明金等人的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，采取6：1的燃料分級(jí)方案可有效降低NOx生成量。再燃區(qū)的配風(fēng)比例和燃燒溫度，燃料噴入速度等因素會(huì)影響燃料濃淡分離燃燒的效果。應(yīng)在不影響燃燒效果的前提上，提高再燃區(qū)配風(fēng)比例，合理選擇燃料噴入位置，可有效控制NOx生成，降低飛灰含碳量和減少爐內(nèi)腐蝕。Chen等人的研究表明[36]，燃料分級(jí)燃燒技術(shù)可以和SNCR技術(shù)結(jié)合，將氨和堿金屬鹽噴入再燃區(qū)，可進(jìn)一步降低NOx的生成量。

1.4 其他W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)

除了上述低氮燃燒技術(shù)外，還有些較少應(yīng)用的低氮燃燒技術(shù)，如無(wú)氮燃燒技術(shù)[37-38]等。氮元素不參與燃燒過(guò)程，該技術(shù)可以非常有效地控制氮氧化物排放，但技術(shù)成本過(guò)高，且燃燒溫度低，不能大規(guī)模應(yīng)用。目前僅在鋼鐵工業(yè)等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

2 W型火焰鍋爐低氮燃燒的改造工程實(shí)例和難點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)所使用的W型火焰鍋爐主要來(lái)自國(guó)外四家生產(chǎn)公司[39]，福斯特惠勒FW公司，巴威（B&W）公司，阿爾斯通—斯坦因公司和斗山巴布科克公司。國(guó)內(nèi)也有少數(shù)中國(guó)廠家生產(chǎn)的W型火焰鍋爐在運(yùn)行，如東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的鍋爐。由于四家公司配給自己W型火焰鍋爐產(chǎn)品的燃燒系統(tǒng)和配粉系統(tǒng)各不同[40-41]，因此它們的W型鍋爐產(chǎn)品各不相同。W型火焰鍋爐的低氮排放燃燒器主要采用旋流燃燒器[42]。

2.1 FW型火焰鍋爐低氮燃燒改造實(shí)例

福斯特惠勒公司開發(fā)生產(chǎn)W型火焰鍋爐已有半個(gè)多世紀(jì)歷史。這類W型火焰鍋爐的特征是采用雙進(jìn)雙出正壓直吹的制粉系統(tǒng)和雙旋風(fēng)分離式的燃燒系統(tǒng)[40]。攜帶煤粉氣流的一次風(fēng)經(jīng)過(guò)旋風(fēng)筒后，就分為濃淡兩股氣流再進(jìn)入爐膛燃燒。二次風(fēng)分為兩部分送入實(shí)現(xiàn)低氮燃燒。可提高鍋爐穩(wěn)燃性，抑制氮氧化物生成。

在福斯特惠勒爐的改造和研究實(shí)例中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李爭(zhēng)起，任楓等人針對(duì)陽(yáng)泉第二發(fā)電廠的#2 爐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該爐F層風(fēng)會(huì)阻擋一次風(fēng)，二次風(fēng)配比不夠完善，W火焰爐缺少燃盡風(fēng)設(shè)計(jì)等原因?qū)е铝隋仩t著火較晚，燃燒不完善和氮氧化物排放量較大[44-45]。

針對(duì)該#2福斯特惠勒W型火焰鍋爐的特點(diǎn)，改造是在上爐膛拱上喉口處布置了燃盡風(fēng)裝置，加設(shè)兩個(gè)風(fēng)道，引出了部分二次風(fēng)成為燃盡風(fēng)。采用空氣分級(jí)和濃淡分離燃燒技術(shù)，調(diào)節(jié)空燃比。工藝上使用雙通道葉片式濃淡分離燃燒器來(lái)代替旋風(fēng)分離式燃燒器。一次風(fēng)粉分成濃煤粉和淡煤粉兩股氣流，由不同的噴口進(jìn)入?yún)⑴c燃燒，濃煤粉氣流在爐膛高溫區(qū)域，淡煤粉氣流則控制到墻壁附近。在拱下增加二次風(fēng)傾斜裝置，二次風(fēng)流向向下傾斜。在側(cè)墻和翼墻增加局部通風(fēng)，送入部分二次風(fēng)來(lái)形成空氣層，可避免結(jié)渣。

在這些改造方案中，將部分二次風(fēng)分到燃盡風(fēng)中使燃盡區(qū)域保持還原性氛圍，使部分生成的NOx還原為N2，降低NOx生成量。在揮發(fā)分燃燒區(qū)域，保持空氣量供給不足使得揮發(fā)分氮元素燃燒的NH3、HCN等中間產(chǎn)物在還原氣氛下轉(zhuǎn)化為 N2。二次風(fēng)混合煤粉的時(shí)間推遲后，還原反應(yīng)時(shí)間增加，更多燃料型NOx被還原成了N2。二次風(fēng)流向傾斜后，火焰下移，煤粉顆粒在爐內(nèi)的時(shí)間增加，更易著火穩(wěn)燃。后加入的燃盡風(fēng)分兩層送入，一層直流一層旋流，這類設(shè)計(jì)促進(jìn)顆粒燃盡，提高效率。

汪華劍等人[46]還針對(duì)福斯特惠勒爐的改造研究實(shí)例中F層風(fēng)下傾角度對(duì)改善爐內(nèi)燃燒和低氮技術(shù)的作用進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)適度下傾F層二次風(fēng)角度可降低爐渣含碳量，使?fàn)t內(nèi)的局部高溫和鍋爐的排煙溫度降低，鍋爐的煤粉射流行程增加都可使NOx生成減少。

2.2 巴威W型火焰鍋爐低氮燃燒改造實(shí)例

巴威公司W(wǎng)型火焰鍋爐的特點(diǎn)是拱上選用葉片式旋流燃燒器，可與各種制粉系統(tǒng)相配合，利用高溫一次風(fēng)粉來(lái)改善低揮發(fā)份難燃煤的著火和燃燒。拱下設(shè)計(jì)有三次風(fēng)和分級(jí)風(fēng)噴口，形成分級(jí)燃燒。

在巴威W型火焰爐的改造和研究實(shí)例中，選趙建芳，朱德明[47]和隋樹波[48]等人的研究為例介紹巴威爐改造的特點(diǎn)。

改造的巴威爐是貴州黔北電廠的#1和#2W型火焰爐，采用的是雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器 ，燃燒器布置在下爐膛的前后拱上。其研究發(fā)現(xiàn)原鍋爐沒(méi)有設(shè)置SOFA風(fēng)，二次風(fēng)率太大，主燃燒區(qū)域出現(xiàn)富氧的工況，這樣的工況下NOx生成量較大。

首先增加SOFA風(fēng)系統(tǒng)，將SOFA風(fēng)噴口設(shè)計(jì)為內(nèi)外兩層，內(nèi)設(shè)直流層外設(shè)旋流層，引出總風(fēng)量的20%為SOFA風(fēng)高速噴入爐膛，可保證燃盡風(fēng)和煙氣的均勻混合。增設(shè)相應(yīng)風(fēng)箱，將通過(guò)合理設(shè)計(jì)各級(jí)風(fēng)分配比率，保證風(fēng)量和速度。更換燃燒器，增加穩(wěn)燃環(huán)，調(diào)整分級(jí)風(fēng)噴口，下移噴口傾角來(lái)提高燃燒效率。減少煤粉集中燃燒造成的局部高溫區(qū)域來(lái)減少熱力型NOx的生成，延緩一二次風(fēng)混合，增加還原性氛圍區(qū)域，控制燃料型NOx的生成。

隋樹波等人研究的是一臺(tái)單爐膛一次再熱、亞臨界參數(shù)的自然循環(huán)單汽包固態(tài)排渣W火焰煤粉爐，配有濃縮型雙調(diào)風(fēng)燃燒器和正壓直吹式制粉系統(tǒng)。這臺(tái)鍋爐的改造過(guò)程也是先增加SOFA風(fēng)，選用空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)相配合的辦法來(lái)降低NOx生成量。將部分風(fēng)變?yōu)槿急M風(fēng)，將爐膛主燃燒區(qū)域?yàn)樨氀跞紵?，還原性氛圍中部分NOx分解成N2。其余風(fēng)為SOFA風(fēng)，送入爐膛使煤粉燃盡。主要工作在于改造燃燒器和分級(jí)風(fēng)噴口，這樣可重新分配送入的風(fēng)量。増?jiān)O(shè)相應(yīng)的SOFA噴口、風(fēng)箱和分風(fēng)道等相應(yīng)配套系統(tǒng)，在適當(dāng)位置增設(shè)一層水平布置的噴口，并控制好總風(fēng)量和分風(fēng)道的二次風(fēng)流量。

2.3 其他公司（東方鍋爐等）W型火焰鍋爐低氮燃燒改造實(shí)例

其他公司也有W型火焰鍋爐在運(yùn)行，選擇呂當(dāng)振[49]等人研究的東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)W型火焰鍋爐的低氮改造實(shí)例來(lái)介紹其他公司生產(chǎn)W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造情況。

該鍋爐采用雙旋風(fēng)煤粉燃燒器。改造主要是為了改善燃燒和降低氮氧化物排放，通過(guò)實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒來(lái)抑制NOx生成。將原有燃燒器乏氣風(fēng)管移至拱下水冷壁上，調(diào)整其風(fēng)向向下傾斜20°。安裝二次風(fēng)噴嘴，將20%總風(fēng)量作為燃盡風(fēng)下傾后送入爐膛。

增設(shè)SOFA風(fēng)與其他W型火焰鍋爐改造相似，額外增加乏氣風(fēng)下移的改造策略，縮短著火距離改善燃燒，二次風(fēng)煤粉引射流作用增強(qiáng)，使煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，降低貧氧狀態(tài)燃燒時(shí)NOx的生成量。呂當(dāng)振等人研究表明，采用這些低氮改造方案后，可減少50%爐膛出口NOx排放量。

3 結(jié)語(yǔ)

W型火焰鍋爐面臨著氮氧化物排放量大的問(wèn)題，本文首先介紹了目前采用較多的低氮燃燒技術(shù)。根據(jù)目前電廠W型火焰鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造實(shí)例來(lái)介紹目前我國(guó)W型火焰爐的低氮燃燒技術(shù)改造情況。目前都是利用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)相配合，為原有鍋爐增設(shè)燃盡風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)，適度下傾二次風(fēng)的噴射角度，改進(jìn)燃燒器等方法來(lái)降低鍋爐的氮氧化物生成量。相信隨著對(duì)W型火焰鍋爐的燃燒特性和氮氧化物的生成機(jī)理越來(lái)越全面清楚，W型火焰鍋爐的低氮燃燒技術(shù)定會(huì)獲得更大進(jìn)步。

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